CN102481712A - 由泡沫聚合物材料压缩成型塑料盖的方法 - Google Patents

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Abstract

一种压缩成型塑料物品例如盖的方法，包括提供熔化的聚合物材料，包括至少一种熔化的聚合物与混合在其中的气体的混合物。聚合物材料被成型在配合的阳模和阴模之间，模具的相对运动被控制以形成具有预定容积的模腔。以这种方式成形用于生产大大降低了密度的成型盖，从而实现预期的材料节省，同时提供的盖或类似物品仍具有预期的性能特征。

Description

由泡沫聚合物材料压缩成型塑料盖的方法
技术领域
本发明大致涉及由聚合物材料压缩成型物品例如塑料盖及类似物，并且更具体地涉及由泡沫聚合物材料压缩成型物品例如塑料盖的方法，从而理想地实现重量和成本的节省，同时提供具有预期结构和相关性能特征的成型盖。
背景技术
成型的塑料盖，例如在盛有碳酸和非碳酸饮料以及其它食物和非食物产品的容器上使用，已经在市场上得到了普遍认可。事实证明这种塑料盖的压缩成型是非常经济有效的，允许具有必须的结构和密封性能的盖高速经济地形成，从而允许它们经济有效地使用在各种饮料和其它产品上。
泡沫聚合物材料的使用，例如用于形成注射成型的物品，在本领域内广泛已知了。通过制造两相聚合物材料，包括由聚合物材料和气穴形成的多孔结构，可以实现预期的材料节省，同时仍能提供具有必要结构特征的物品。用于制造这种泡沫聚合物物品的技术包括将化学发泡或“起泡”剂引入到聚合物熔化液流中，以及将气体注射到聚合物熔融物内。在典型的过程中，通过在聚合物材料被输送到相关模具时控制聚合物材料的压力来控制气体在聚合物材料内的膨胀。也可以采用化学成形剂，因为此处理有助于物品的注射成型，例如用于填充和平滑地减少痕迹和隐藏的缺陷。
典型的回转式压缩成型工具技术需要将聚合物或塑料熔融材料的被计量过的填料输送到打开的模具。然后闭合模具，并且阳芯销被***到模具空间内，从而将被测量的塑料填料迁移形成预期的产品形状。有时这被称为“力驱动”***。塑料材料在成形和最终冷却时产生的“液力”反作用力平衡用于驱动芯销的力，并且停止芯销到模具空间内的深入。因此，施加于芯销上的成形压力典型地约2,000psi，在这部分的初始成形过程中此力被全部传递到塑料填料上。
此回转式压缩成型工具对于由非发泡型聚合物材料成形盖来说工作良好，并且在商业上已经很成功地用于制造这种产品。但是，当相同的技术被用于由非牛顿或非各向同性且高度可压缩性的预发泡的塑料熔融物填料形成盖，结果便是初始施加全部芯销成形载荷影响成型的物品中的气泡的保持，并且大大限制了预期的降低盖密度的能力。事实上，成型的力超过了被成型的物品的某些部分的承载能力，“压制”或减少了泡沫聚合物的膨胀。
在使用泡沫材料的回转式压缩成型中，预发泡的塑料填料在大气压下被输送至开放的腔，并且在模具被闭合之前在此环境下保持很短的一段时间，并且芯销的作用使填料形成预期的最终产品的形状。在暴露于大气压下的这段时间(典型地被称为“停留时间”)中，混合在聚合物中的气体已经形成气泡并且膨胀所测量的塑料熔融物填料。因此，当成形销将全部初始成形载荷施加到预发泡的塑料填料上时，直接传递至聚合物上的载荷大小大到足以对成型物品中气泡的保持造成限制，并且有力地压制所有进一步发泡作用，即使在模具空间通过预定的工具作用被快速且精确地膨胀时。本发明指向压缩成型塑料物品的方法，使得在使用预发泡的被测量的塑料熔融物填料时显著降低产品的密度。
如上所述，希望使用泡沫聚合物材料通过大大降低材料密度而大大降低塑料盖产品的重量。预期地，这导致在从聚合物材料制造物品的过程中显著节省材料成本。在上下文中，预期的目的包括“再使用”、“再循环”和“降低”，本发明预期地通过使用初始形成预期的盖产品的更少材料“降低”也就是实现“污染源减少”。
本发明的另一个方面涉及获得预期的可发泡的熔化的聚合物材料。在使回转式压缩成型中使用的聚合物材料发泡的过程中，非常希望保持充足的压力，以将气体保持在挤出的聚合物熔融物液流的溶液内，一直到熔融物离开压缩成型喷嘴。一旦熔融物液流离开喷嘴，其被分割成单体的泡沫颗粒，并且单体的泡沫颗粒被输送至模腔，用于通过压缩成型而形成最终的盖产品。保持充足的气体压力可以通过减小压缩成型喷嘴中的孔尺寸/面积而最容易地实现。减小了的孔尺寸/面积将提供足够的流阻，用于将喷嘴上游的熔融物压力增加到足以将大部分气体保持在溶液中的水平。
不利地，简单地减小孔尺寸/面积大致改变了被分割的泡沫颗粒的物理尺寸和纵横比(aspect ratio)。小到足以保持充足的气体压力的孔尺寸/面积导致实质上不可能适应于模腔的可用空间的颗粒尺寸和纵横比。因此，简单地减小喷嘴的孔尺寸/面积以保持充足的气体压力不能呈现用于在典型的回转式压缩成型工艺中制造聚合物泡沫材料的可行制造方法。
理论上，将挤出机***中泡沫聚合物材料的膨胀延时到最终可能的时刻形成导致更多气泡成核的较大压降。在喷嘴中制造用于限流的更小的孔将传输***中的压力增加到足以保持溶液中大部分气体的压力。此方法的限制依赖于颗粒的尺寸。如果喷嘴孔的直径被减小得太多，则颗粒的长度变得大于腔的直径。在这一点上，不可能将颗粒保持在腔内并且因此不可能按照传统的成型技术成形颗粒。
发明内容
根据本发明，由泡沫聚合物材料压缩成型塑料盖或类似物品的方法解决了与这种泡沫材料的回转式压缩成型有关的问题。在本发明的一个方面中，增强聚合物材料的发泡通过控制物品在其内形成的模腔的尺寸而实现。在本发明的另一个方面中，熔化的聚合物材料在被引入到模腔内之前的流动被约束，因此在熔化的聚合物材料内保持充足的气体压力。此流动约束步骤可以通过利用多个限流孔，或通过利用可调整的限流阀组件来实现。
因此，本发明设想了“位移驱动”成型***，其中，回转式压缩成型模具被提供有一定量的预发泡的熔化的聚合物材料，然后模具被闭合以限定具有预定容积的模腔，以允许气体在熔化的材料中发泡并且膨胀材料，从而提供具有预期尺寸和结构特征的成品盖。与物品的传统压缩成型不同，其中，非发泡型的熔化的聚合物材料在成型过程中承受相对高压，以“封装”模腔，本发明设想熔化的聚合物材料被置于具有预定容积的模腔内，聚合物材料的发泡提供了盖的预期形态。
根据本发明，压缩成型塑料盖的方法包括下述步骤：提供熔化的聚合物材料，包括至少一种聚合物与混合在其中的气体的混合物。该方法还包括提供模具组件，所述模具组件包括阴模和相配合的阳模销，所述阳模销大体安装在所述阴模内以限定所述模具组件的模腔。
该方法还包括在所述阴模内在大气压下沉积预定量的泡沫聚合物材料。之后，通过相对移动所述阴模和所述阳模销而闭合所述模具组件以压缩所述聚合物材料。特别地，在闭合模具组件的过程中，所述阴模和所述阳模销的相对运动被控制以形成具有预定容积的模腔，因此允许聚合物材料在混合在里面的气体的影响下膨胀而形成塑料盖。所述阴模和所述阳模销的相对运动被控制成在所述阳模销最终被受控且预定地穿透到所述阴模内时所述阳模销和所述阴模之间的相对速度和加速度被控制为近似零水平。
之后，任选地，模具被部分打开以允许聚合物材料在气体的作用下膨胀而形成所述塑料盖。模具组件的打开允许塑料盖被从中去除，并且重复该循环。
在本发明的另一方面中，在部分打开模具组件之后聚合物材料被再压缩而形成塑料盖。
因此，本发明设想两相成型***，包括由聚合物材料和气体的混合而形成物品，这可以通过至少一种聚合物与能够产生气体的一种或多种化合物的混合物提供，所述产生气体的化合物典型地包括二氧化碳和/或水蒸气。本发明的主要方面是控制模具组件的闭合运动以在不破坏成型盖的多孔结构的情况下实现模具的闭合。
如上所述，模具组件的闭合设想控制所述阴模和所述阳模销的相对运动，包括通过凸轮轮廓与控制所述阴模和所述阳模销的相对运动的弹簧偏压力的配合作用限制所述模具组件的闭合。在本发明的可选形式中，模具组件被提供有形状配合的机械止挡件。
如上所述，本方法的另一方面设想在阴模内沉积熔化的聚合物材料的步骤之前约束所述材料的流动，从而在熔化的聚合物材料内保持充足的气体压力。为了实现预期的材料发泡程度，本方法设想在沉积步骤之前部分膨胀熔化的聚合物材料。
约束聚合物材料的流动可以通过在所述沉积步骤之前提供所述熔化的聚合物材料被引导通过的多个限流孔实现。可选地，在所述沉积步骤之前，所述熔化的聚合物材料被引导通过的可调整的限流阀组件可被提供。
从下面详细的描述中本发明的其它特征和优势将变得很显然。
附图说明
图1是传统压缩成型***的示意图；
图2是体现本发明的原理的压缩成型***的示意图；
图3是根据本发明的原理形成的盖的竖直剖面的CAT图像；
图4是根据本发明形成的盖的水平剖面的CAT图像；以及
图5是示意出根据本发明形成的盖的密度减小的图示。
具体实施方式
虽然本发明容易受不同形式的实施例影响，但这里将描述本发明的优选实施例，应理解本公开应被认为是本发明的示例性说明，并且不意于将本发明限制于所公开的特殊实施例。
由于效率高，物品例如塑料盖的压缩成型在商业上已经证明是非常成功的，其中，这种盖可以被高速精确地形成。传统的压缩成型设备有时被称为“力驱动***”，其操作在图1中示意性示出了。在这种结构中，提供了相互相配合的阳和阴模，熔化的塑料颗粒被沉积到打开的工具组件内，之后这些颗粒被压缩成型而形成预期的物品。
如图所示，在成形过程中，阳成型组件，有时被称为成形销，被凸轮向下驱动，并且将熔化的颗粒迁移形成预期的成型盖或类似物品。在最终填充模腔时，全部成形载荷(约2,000psi)被直接传递至熔化的颗粒上。当模腔完全填满聚合物材料时成形销的向下运动停止，并且在聚合物中产生的合成抵抗载荷平衡约2,000psi的成形载荷。
在本***中，盖的最终的顶板或顶壁厚度通过颗粒重量控制，也就是说，较重的颗粒生成较厚的顶板，较轻的颗粒生成较薄的顶板。
这里为了形成包括聚合物材料和气穴(gaseous cell)的泡沫盖或类似物品，上述的力驱动***不适合，因为高成形压力(约2,000psi)的应用将气体驱逐出聚合物材料。因此，为了实施本发明，设想了“位移驱动”压缩成型***，如图2示意出的。在这种位移驱动***中，阳成形销以摆线运动被凸轮向下驱动，并且将泡沫颗粒(包括熔化的聚合物与混合的气体)迁移形成预期的成型盖或类似物品。特别地，摆线凸轮运动提供相对“柔和”的成形工艺，使熔化的材料承受较小的成形压力，与在例如如上所述的力驱动***上操作的传统压缩成型设备相比。
根据本发明，位移驱动***被设置成当成形销到达由相关联的凸轮设计而确定的预定位置时成形销的向下运动被停止。在本***中，盖的最终顶板厚度与颗粒重量无关，并且完全由预定的成形销的最终高度控制。因此，任何颗粒重量的变化将被显示为密度变率，而不是如标准压缩成型工艺中的顶板厚度变率。
施加到熔化的聚合物上的载荷主要由泡沫聚合物的黏度确定，并且大体小于在传统的压缩成型过程中施加的2,000psi。以这种方式成形对于成形泡沫盖来说是特别有效的，因为施加到聚合物上的成形载荷远远小于标准压缩成型工艺过程中的那些，并且混合到成型的聚合物中的气体不被驱出聚合物。
对于使用预制塑料熔融物填料(charge)的回转式压缩成型，本发明设想不使用预发泡的(pre-foamed)塑料熔融物填料的“液力”反作用力来停止芯销到模具空间内的深入运动，而是采用工具(tooling)和/或相关联的凸轮设计，其中，在整个成形载荷被传递到预发泡的塑料熔融物填料上之前，芯销到模具空间内的初始深入运动通过控制和限制模具组件的闭合运动来控制，否则会对被成型的物品中的气泡保持造成限制，并且有力地压制进一步的发泡作用。本发明设想使用工具中的相反的弹簧作用(或电磁/气动/液压致动)来平衡和停止芯销的深入运动，和/或通过提供运动受限制的凸轮而将芯销驱动到模具空间内。还设想芯销到模具空间内的深入运动可以通过使用形状配合的机械止挡件来停止。
本发明的基本原理是，在聚合物内达到导致对被成型物品中的气泡保持造成限制并且有力压制进一步发泡作用的临界压力之前，停止芯销到模具空间内的深入运动。
任选地，在停止芯销的深入运动之后，可以提供快速且准确地膨胀模具空间的第二工具运动，导致显著压降，允许在聚合物熔融物填料中继续产生气体以继续膨胀和填充“新”的模具空间，从而生成密度大大减小的产品。
根据本发明的另一个方面，设想在芯销运动初始停止后可能发生工具运动的一个或多个另外的循环，并且模具空间被快速且准确地膨胀。在本发明的本方面中，膨胀模具空间的初始运动可以用于制造比在最终成型的产品中预期的大的模具空间膨胀量。这提供了更多的空间和时间用于产生气泡。随后的工具运动(或多个运动)可以被用于将半熔化的泡沫材料再压缩成最终的预期的产品几何形状。
为了在将预定量的聚合物材料引入每个阴模之前约束熔化的材料的流动，希望在该材料离开回转式压缩成型喷嘴之前在熔化的聚合物材料中保持足够的气体压力，同时生成泡沫颗粒，所述泡沫颗粒的尺寸和形状可以被成功地分割和输送至回转式压缩成型腔。在分割和形成用于沉积在压缩模具阴模腔内的颗粒之前，混合在熔化的聚合物材料内的气体可以被注射到熔化的聚合物内，或可以通过与聚合物混合的一种或多种产生气体的发泡或“起泡”剂提供。
在本发明的一个方面中，在回转式压缩成形喷嘴组入口的熔融液流中设置适当的限制孔，所述限制孔的尺寸被设置成提供足够的流阻以保证限制孔上游的充分压力。限制孔的下游的喷嘴组的几何形状被制成允许泡沫熔融物在真正离开喷嘴之前膨胀的截面，从而可以生成能够很容易适合于模腔封装内的适当的泡沫颗粒的几何形状。
可选地，可调整的阀可以设置在回转式压缩成形喷嘴组入口的熔融液流中。阀的下游的喷嘴组的几何形状被制成允许泡沫熔融物在真正离开喷嘴之前膨胀的截面，从而可以生成能够很容易适合于模腔封装内的适当的颗粒几何形状。阀孔可以进行手动调整以保持充足的压力，或者阀孔可以通过闭环反馈***进行自动控制，所述闭环反馈***采用设置在阀位置上游的熔融液流中的压力传感器。
通过此方法，适当尺寸的泡沫颗粒可以被输送至回转式压缩成型腔，同时在颗粒中保持充足的气体压力，甚至可能维持颗粒被分割和输送时的压力。
在本发明的另一方面中，多孔喷嘴使用被减小的水力学半径(hydraulic radius)用于制造穿过喷嘴的所需压降，而不是由于小孔径而产生压降。本设计的优势在于能够产生类似于小喷嘴的压降，同时具有大喷嘴的横截面流量。这允许在本***的喷嘴上游保持预期的充足压力，同时仍提供适合于相关模腔内的颗粒。
将意识到，希望提供基材聚合物材料和混合在其中的气体的大体一致和均质的混合物。为此目的，可以希望在相关的压缩成型设备中沉积一定量的泡沫聚合物材料之前分散式或分配式地混合所述泡沫聚合物材料。这可以通过在泡沫聚合物液流中提供固定的元件例如静态混合器来实现，用于混合聚合物材料。可选的元件或装置可以被采用，用于在泡沫聚合物被沉积到相关模具中之前增强泡沫聚合物的混合和一致性。
根据本发明形成的塑料盖以及类似物品通过减少形成它们的聚合物材料的使用可以预期地实现成本节省，设想重量减少约10-20％。在这些物品中使用的聚合物的量的减少可以导致非常大的成本节省，因为聚合物材料的成本典型地达到物品本身成本的至少一半。与典型的石油基聚合物相比，使用相对昂贵的生物树脂例如聚乳酸(polylactic acid)和聚羟基烷基酸酯以及由可部分或完全再生的原料例如乙醇制备的聚烯烃可能是特别有利的。另外，应了解，除基底聚合物树脂之外，用于实现本发明可采用的可成型的聚合物材料可以包括诸如颜料、润滑剂、填料等的成分，如在本领域内所熟知的。
预期的材料节省，以及预期的盖性能，可以通过成形大致整个物品被发泡的物品而实现。希望在低扫频密度(swept density)下实现必需的盖性能，同时所提供的盖对凸起具有必要的抵抗性，提供预期的密封性能，抵抗断裂，并且具有必需的冲击强度。
流变学参数影响与泡沫聚合物盖物品有关的材料选择。虽然聚乙烯可能很容易发泡，但聚丙烯聚合物可能更难发泡。拉伸黏度(extensionalviscosity)，也就是膨胀成气球形状结构的能力，是材料选择的因素。
因为气体在聚合物熔融物内的膨胀是吸热反应，所以气体的膨胀用于在成型过程中冷却物品。这是很理想的，因为物品的冷却可以更高效地实现，除典型地被提供的模具组件的典型的液体冷却之外。特别地，此吸热反应可以帮助冷却被成型的物品的较厚部分，并且可能理想地导致在整个方法中的冷却需求更少。
着色剂的选择也必须考虑，因为着色剂在聚合物结晶之后在冷却过程中典型地导致聚合物收缩。这些着色剂也可以实现发泡作用，而某些着色剂增强小孔或气泡的形成。
本发明的实施允许形成具有新颖的特征组合的塑料盖。具体地，本发明设想形成具有至少两个发泡部分，也就是具有多孔结构，的盖，其中，盖的这些部分呈现不同的平均密度。更具体地，通过压缩成型而成形，盖被形成为具有顶壁部分和从顶部部分悬垂的环形裙部。特别地，顶部部分和裙部都由泡沫聚合物材料形成，顶部和裙部都具有大体与非发泡型基材的密度相比密度低的区域。
一般而言，盖内的发泡能力与盖成形过程中模腔内的局部压力有关，因为在盖成形过程中聚合物材料上的载荷可以对泡沫形成造成限制。
如上所述，根据本发明形成的盖提供了“污染源减少”形式的环境效益，也就是通过减少引入到环境中的聚合物材料的量。所述“污染源减少”进一步通过限制盖的尺寸特征，具体地盖的高度，而实现。为此，预期地，通过使用呈现具有不同平均密度的发泡部分的塑料盖，这种盖与具有所谓的“短高度”瓶颈口结构，容器的带螺纹部分，结合使用，体现本发明的原理的封装可以被提供。一种这样的瓶颈口结构通常被称为PCO1881，并且当与体现本发明的原理的盖结合使用时，也提供了“污染源减少”的预期的环境效益，同时提供预期的成本节省。
图3和4是根据本发明形成的成型塑料盖的CAT(计算机轴向断层扫描)图像。特别地，盖的发泡特性是很显然的，盖结构的多孔特性在盖的顶板或顶壁部分，以及在悬垂的环形裙部中以及相关的螺旋式螺纹形成中，也很显然。图4中，水平穿过盖的螺纹形成的CAT图像明显示出了盖侧壁和螺纹部位的发泡、多孔特性。
图5以图形的形式示意出根据本发明形成的塑料盖与通过传统压缩成形工艺形成的非发泡型塑料盖相比较的密度降低。
下面的表1给出了根据本发明形成的样品盖的特征。下表用于对权利要求1提供支持：
Figure BPA00001515500000091
从上述，可看出在不偏离本发明的新颖概念的真实本质和范围的情况下可以实现许多修改和变异。应理解，不意于并且不应该推断对此处示意的特殊实施例进行限制。本公开意于被附加的权利要求覆盖，并且所有修改落入权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种压缩成型塑料物品的方法，包括下述步骤：
提供熔化的聚合物材料，包括至少一种熔化的聚合物与混合在其中的气体的混合物；
提供模具组件，所述模具组件包括阴模和相配合的阳模销，所述阳模销大体安装在所述阴模内以限定所述模具组件的模腔；
在所述阴模内在大气压下沉积预定量的所述聚合物材料；
通过相对移动所述阴模和所述阳模销而闭合所述模具组件以压缩所述聚合物材料，包括控制所述阴模和所述阳模销的相对运动以形成预定容积的模腔，从而生成大大降低了密度的成型物品；以及
打开所述模具组件，从中去除成型的塑料盖。
2.根据权利要求1所述的成形物品的方法，其中，
通过提供与所述聚合物混合的生成气体的化合物，所述气体被提供于所述混合物中。
3.根据权利要求1所述的成形物品的方法，其中，
在所述闭合步骤中，在所述阳模销最终被受控且预定地深入到所述阴模内时，所述阳模销和所述阴模之间的相对速度和加速度被控制为近似零水平。
4.根据权利要求3所述的成形物品的方法，包括
在所述打开步骤之前，部分打开所述模具组件，以允许聚合物材料在气体的作用下膨胀而形成所述塑料盖。
5.根据权利要求4所述的成形物品的方法，包括
在部分打开所述模具组件之后再压缩所述聚合物材料而形成所述塑料盖。
6.根据权利要求1所述的成形物品的方法，包括
为所述模具组件提供形状配合的机械止挡件，用于限制所述模具组件的闭合。
7.根据权利要求1所述的成形物品的方法，包括
通过凸轮轮廓与控制所述阴模和所述阳模销的相对运动的弹簧偏压力、气动力、液动力或电磁致动力的配合作用限制所述模具组件的闭合。
8.根据权利要求1所述的成形物品的方法，包括
在所述沉积步骤之前，约束所述熔化的聚合物材料的流动，从而在所述熔化的聚合物材料内保持充足的气体压力。
9.根据权利要求8所述的成形物品的方法，包括
在所述沉积步骤之前，部分膨胀所述熔化的聚合物材料。
10.根据权利要求8所述的成形物品的方法，包括
在所述沉积步骤之前，提供所述熔化的聚合物材料被引导通过的多个限流孔。
11.根据权利要求8所述的成形物品的方法，包括
在所述沉积步骤之前，提供所述熔化的聚合物材料被引导通过的可调整的限流阀组件。
12.根据权利要求1所述的成形物品的方法，包括
在所述沉积步骤之前，分散式或分配式地混合所述熔化的聚合物材料以增加所述材料的一致性。
13.根据权利要求12所述的成形物品的方法，包括
提供静态混合器以分散式或分配式地混合所述熔化的聚合物材料。
14.一种塑料盖，包括：
顶壁部分；和
从所述顶壁部分一体地悬垂的环形裙部，
所述顶壁部分和所述裙部进一步包括第一层和在原处形成的第二泡沫层，所述第一层具有与非发泡型基材的密度大体相同的密度，而所述第二泡沫层具有相对低密度；所述顶壁部分和所述裙部的每一个由泡沫聚合物材料形成并且分别具有比非发泡型基材密度低的区域。
15.根据权利要求14所述的塑料盖，其中，
所述非发泡型基材包括可部分或完全再生的原料。
16.一种封装，包括
根据权利要求12配置的塑料盖；以及具有接纳所述盖的颈口结构的容器。
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