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Hintergrund
der Erfindung
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Förderbänder im allgemeinen und insbesondere
auf modulare Förderbänder, die
aus Reihen von mittels Querschwenkstäben drehbar miteinander verbundenen
Kunststoff-Bandmodulen gebildet sind. Vorzugsweise sind die Module
aus polymerem Material von mikrozellulärem Schaumstoff, der Additive
beinhaltet, hergestellt. Auch sind Verfahren für die Herstellung solcher Module
beschrieben.
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STAND DER
TECHNIK
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Da
sie nicht korrodieren, leichtgewichtig sind und einfach zu reinigen
sind, erreichen modulare Kunststoff-Förderbänder zunehmend
Verwendung in einem weiten Bereich von industriellen Anwendungen.
Modulare Förderbänder werden
aus gegossenen Kunststoff-Verbindungsteilen, oder Modulen, die Seite
an Seite in Reihen einer ausgewählten
Breite angeordnet sind, hergestellt. Eine Serie von voneinander
beabstandeten Verbindungsenden, die sich von jeder Seite der Module
erstrecken, weisen aufeinander ausgerichtete Öffnungen auf, die einen Drehstab
aufnehmen. Die Verbindungsenden entlang eines Endes einer Reihe
von Modulen sind mit den Verbindungsenden einer benachbarten Reihe
verbunden. Der in den aufeinander ausgerichteten Öffnungen
von den Seite an Seite und End zu End verbundenen Modulen drehbar
gelagerte Drehstab bildet eine Drehachse zwischen benachbarten Reihen.
Reihen von Bandmodulen sind miteinander verbunden, um ein endloses
Förderband
zu bilden, das fähig
ist, gelenkig über
Antriebszahnräder
geführt
zu werden, die an entgegengesetzten Enden der Förder-Oberfläche positioniert sind (siehe
zum Beispiel Dokument
US 5,372,248
A ).
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Module
für modulare
Förderbänder werden
typischerweise aus polyolefinischen Materialien gebildet, zum Beispiel
aus Polypropylen oder Polyethylen. Ein modulares Förderband-System umfasst typischerweise einen
Stützrahmen,
auf dem das Förderband
aufliegt während
in Intervallen entlang der Förderband-Länge beabstandete
Antriebszahnräder
eine Antriebskraft bereitstellen. Ein bevorzugtes Material für Module
ist Polyethylen hoher Dichte, das eine Dichte von mehr als 0,94
g/cm3 aufweist. Wenn das Gewicht des Förderbandes zu
gross wird, erfahren die Antriebszahnräder und andere Bestandteile
des Stützrahmens
und sogar die Bandmodule selbst erhöhte Abnutzung und müssen ersetzt
werden. Deshalb kann die Langlebigkeit des Bandes und der Stützstruktur
ein wichtiger Faktor sein bei der Entscheidung eines Kunden mit
der Benutzung eines Erzeugnisses über ein anderes fortzufahren.
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Vor
diesem Hintergrund sind die Module der vorliegenden Erfindung aus
polymeren Schaumstoffen hergestellt, die in der polymeren Matrix
eine Vielzahl von Hohlräumen,
genannt Zellen, aufweisen. Indem massiver Kunststoff durch Hohlräume ersetzt
wird, verbrauchen solche mikrozellulären polymeren Schaumstoffe weniger
Rohmaterial für
ein vorgegebenes Volumen als massive Kunststoffe. Die mikrozelluläre polymere Schaumstoffe
an Stelle von massiven Kunststoffen umfassenden Module der vorliegenden
Erfindung sind in Bezug auf Materialkosten weniger teuer und sind
von verhältnismässig reduziertem
Gewicht. Diese letzte Eigenschaft überträgt auf ein Förderband
das Aufweisen einer Gewichtsreduktion von 30% im Vergleich zu einem ähnlich bemessenen
Förderband
aus einem massiven polymeren Material. Ein Band mit reduziertem
Gewicht führt
zu ausgedehnter Modulabnutzung und zu verlängertem Förderband-Stützstruktur Betrieb.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein modulares Förderband gemäss dem unabhängigen Patentanspruch
1 bereit und ein Verfahren zur Herstellung eines modularen Förderbands
gemäss
dem unabhängigen Patentanspruch
20. Bevorzugte Ausführungsvarianten
sind in den abhängigen
Patentansprüchen
definiert.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein modulares Förderband aus Modulen bereit,
die aus einem polymeren Schaumstoff und insbesondere einem mikrozellulären polymeren
Schaumstoff, der ein Nukleierungsmittel und ein Treibmittel beinhaltet,
zusammengesetzt sind. Der mikrozelluläre Schaumstoff ist durch ein
Spritzgussverfahren hergestellt und die resultierenden Module weisen
hervorragende mechanische Eigenschaften auf, die bei für eine ausgedehnte
Arbeitsweise geeigneten modularen Förderbändern benötigt werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Bilden eines
Moduls für ein
modulares Förderband
bereit, wobei das Modul ein mikrozelluläres polymeres Material umfasst.
Das Verfahren beinhaltet das Fördern
eines polymeren Gemischs durch eine Polymerbearbeitungsvorrichtung.
Das polymere Gemisch umfasst ein semikristallines Polymer und ein
Nukleierungsmittel, das in einer Menge von ungefähr 2,5 Gewichts-% bis ungefähr 7 Gewichts-%
des polymeren Materials vorhanden ist. In diesen Konzentrationen
wirkt das Nukleierungsmittel als ein Füller, der massives polymeres
Material in einer nicht-vernachlässigbaren
Menge ersetzt.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Herstellungsverfahren
weiter das Einführen
eines Treibmittels in das polymere Material während es sich durch die Polymerbearbeitungsvorrichtung
bewegt. Das Treibmittel ist vorzugsweise in einer Menge von ungefähr 0,1 Gewichts-%
bis ungefähr
7 Gewichts-% des polymeren Materials vorhanden. Das resultierende
Modul aus einem semikristallinen Polymer, das mit darin eingeschlossenem
Nukleierungsmittel und Treibmittel bereitgestellt wird, hat eine mikrozelluläre Struktur,
die eine durchschnittliche Zellengrösse von ungefähr 60 Mikrometern
aufweist. Dies bewirkt eine beträchtliche
Kosteneinsparung, die der mikrozellulären Struktur zuzuordnen ist,
die massives polymeres Material ersetzt, ohne die mechanische Stärke des
Moduls herabzusetzen. In einem noch weiteren Ausführungsbeispiel
beinhaltet die vorliegende Erfindung den Schritt des Einführens einer
Druckabfallrate von weniger als 1,0 GPa/s während sich das Gemisch aus
Nuklierungsmittel/Treibmittel und polymerem Material durch die Polymerbearbeitungsvorrichtung
bewegt.
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In
diesem Zusammenhang beinhalten gewisse Vorteile der vorliegenden
Erfindung das Herstellen von Modulen für ein modulares Förderband,
wobei die Module aus einem mikrozellulären Schaumstoff mit tiefen Treibmittel-Konzentrationen und/oder
tiefen Druckabfallraten infolge der Anwesenheit des Nukleierungsmittels gebildet
sind. Der Einsatz von tiefen Treibmittel-Konzentrationen bewirkt
Kosteneinsparungen im Zusammenhang mit dem Treibmittel und kann
auch die Oberflächenqualität des resultierenden
Module verbessern. Das Einsetzen tiefer Druckabfallraten, im Gegensatz
zu hohen Druckabfallraten, ermöglicht
mehr Freiheit bei der Modulgestaltung im Allgemeinen und erlaubt
in einigen Fällen
die Herstellung von Modulen, die dickere Querschnitts-Dimensionen aufweisen.
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In
vielen Fällen
weisen die mikrozellulären
Schaumstoffe trotz der Anwesenheit des Nukleierungsmittels und des
Treibmittels einheitliche und feine Zellstrukturen auf. Die Zwischenverbindbarkeit
zwischen Zellen ist im allgemeinen minimal und die Schaumstoffe
können über einen
Bereich von Dichten hergestellt werden. Insbesondere können Schaumstoffe
relativ hoher Dichte hergestellt werden, die mit massiven ungeschäumten Kunststoffen
vergleichbare Eigenschaften aufweisen.
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Diese
und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten
mit Verweis auf die folgende Beschreibung und die angefügten Zeichnungen
zunehmend offensichtlicher werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung, teilweise im Querschnitt, die ein
Extrusionssystem zum Herstellen von Förderbandmodulen aus einem mikrozellulären polymeren
Material gemäss
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
eine schematische Darstellung, teilweise im Querschnitt, die eine
Mehrfachloch-Treibmittelspeisungs-Ausflussöffnungsanordnung zeigt und
eine Extrusionsschraube.
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer Form zur Herstellung eines Förderbandmoduls
aus einem mikrozellulären
polymeren Schaumstoff gemäss
der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
eine erhobene Seitenansicht eines beispielhaften Moduls mit flacher
Oberfläche
gemäss
der vorliegenden Erfindung.
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5 ist
eine Draufsicht des Moduls mit flacher Oberfläche von 4.
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6 ist
eine perspektivische Darstellung eines Kurvenmoduls aus einem mikrozellulärem Schaumstoff
gemäss
der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Durch
folgenden Definitionen werden die verschiedenen Ausführungsbeispiele
und Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verständlich sein.
Wie hierin verwendet, definiert „Nukleierung" ein Verfahren, durch
das eine homogene einphasige Lösung
polymeren Materials, in dem Moleküle einer Sorte gelöst sind, die
unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist, einer Formierung von Molekülgruppen
der Sorte, die „Nukleierungsstellen" definieren, von
denen Zellen wachsen werden, unterzogen wird. Das heisst, „Nukleierung" bedeutet ein Wechsel
von einer homogenen einphasigen Lösung zu einem mehrphasigen
Gemisch, in dem über das
ganze polymere Material Aggregationsstellen mindestens mehrerer
Moleküle
eines Treibmittels gebildet sind. Folglich definieren „Nukleierungsstellen" nicht Orte innerhalb
eines Polymers, an denen sich Partikel von Nukleierungsmittel befinden. „Nukleiert" bezieht sich auf
einen Zustand eines flüssigen
polymeren Materials, das eine einphasige homogene Lösung umfasst
hatte, die eine gelöste
Sorte beinhaltet, welche unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist,
aber einem Nukleirungsereignis (typischerweise thermodynamische
Instabilität)
folgend Nukleierungsstellen aufweist. „Nicht- nukleiert" bezieht sich auf einen Zustand, der
durch eine homogene, einphasige Lösung polymeren Materials und
einer gelösten
Sorte, welche unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist, in Abwesenheit
von Nukleierungsstellen definiert ist. Ein „nicht-nukleiertes" Material kann ein
Nukleierungsmittel wie zum Beispiel Talk beinhalten.
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Ein „Nukleierungsmittel" ist ein dispergiertes
Mittel, wie zum Beispiel Talk oder andere Füller-Partikel, das einem Polymer
zugegeben ist und das fähig
ist, die Formierung von Nukleierungsstellen aus einer einphasigen
homogenen Lösung
voranzutreiben. Ein „Füller" ist ein dispergiertes
Partikel, das zum Ersatz von festem polymerischem Material zugegeben
ist.
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Der
Begriff „Treibmittel" beschreibt zwei
grundlegende Typen von Materialien – solche, die "physikalische Treibmittel" sind und solche,
die "chemische Treibmittel" sind. Physikalische
Treibmittel sind Flüssigkeiten mit
Siedepunkten unterhalb der Schmelzpunkte der eingesetzten polymeren
Granulate. Chemische Treibmittel sind Stoffe, die in einen engen
Temperaturbereich zerfallen, um Gase zu bilden.
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Ein
passendes physikalisches Treibmittel für den Gebrauch in Förderbandmodulen
gemäss
der vorliegenden Erfindung muss folgende Eigenschaften aufweisen:
eine verhältnismässig hohe
Löslichkeit
im Granulat, ohne die Viskosität
oder den Glasübergangspunkt
des Granulates erheblich zu verändern,
eine tiefe Diffusionstendenz und schnelle Verdampfung während der
Expansion, um eine tiefe verbleibende Gaskonzentration in der polymeren
Zellwand zu erreichen.
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Das
Hauptkriterium für
ein passendes chemisches Treibmittel ist, dass die Zerfallstemperatur
im Prozesstemperaturbereich des polymeren Granulats liegt. Zusätzlich darf
die Zerfallsrate zu gasförmigen
Produkten nicht zu langsam sein. Auch ist es vorteilhaft, wenn folgende
Bedingungen erfüllt
sind: die Zerfallsprodukte dürfen
das polymere Granulat nicht verfärben,
die Zerfallsprodukte dürfen
nicht korrodierbar sind und die Zerfallsprodukte selbst sollen nicht
als Nukleierungsmittel wirken.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sieht ein Modul für ein modulares Förderband
vor, wobei das Modul aus einem semikristallinen mikrozellulären Schaumstoff
hergestellt ist, der ein Nukleierungsmittel darin eingeschlossen
hat. Der Schaumstoff beinhaltet ungefähr 2,5 Gewichts-% bis ungefähr 7 Gewichts-%
des Nukleierungsmittels. Ein bevorzugterer Bereich des Nukleierungsmittels
ist von ungefähr
3 Gewichts-% bis ungefähr
7 Gewichts-% und noch bevorzugter von ungefähr 5 Gewichts-% bis ungefähr 7 Gewichts-%.
Passende Nukleierungsmittel beinhalten eine Vielzahl von anorganischen
Feststoffen, wie zum Beispiel Talk, Kalziumkarbonat (CaCO3), Titanoxid (TiO2),
Bariumsulfat (BaSO4), Zinksulfid (ZnS) und
Gemischen davon. Organische Feststoffe, wie zum Beispiel Zellulosefasern,
können
auch als Nukleierungsmittel funktionieren. In gewissen Fällen kann
das Nukleierungsmittel auch die elektrische Leitfähigkeit
verbessern, die Kristallinität
verbessern, als Pigment funktionieren und als Flammenhemmer dienen.
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Typischerweise
sind die Nukleierungsmittel Partikel, obwohl sie in einigen Fällen fasrig
sein können oder
andere Formen aufweisen können.
Die Nukleierungspartikel können
eine Vielzahl von Formen aufweisen, wie zum Beispiel sphärisch, zylindrisch
oder eben. Im allgemeinen haben die Partikel eine Grösse im Bereich von
ungefähr
0,01 Mikrometer bis ungefähr
10 Mikrometer und typischerweise von ungefähr 0,1 Mikrometer bis ungefähr 1,0 Mikrometer.
In einigen Ausführungsbeispielen
können
die Partikel mit einem oberflächenaktiven
Stoff oberflächenbehandelt
sein, um die Dispergierbarkeit innerhalb der polymeren Schmelze
zu verbessern und um Partikelanhäufung
zu verhindern.
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Die
vorliegenden Module aus einem mirkozellulären Schaumstoff sind mindestens
teilweise aus einem beliebigen polymeren Granulat zusammengesetzt,
das folgende Materialien umfasst aber nicht darauf limitiert ist:
Polyethylenterephthalat
(PET), Polymilchsäure,
Nylon 6, Nylon 6/6, Polyethylen, Polypropylen, syndiotaktischem
Polystyrol, Polyacetal und Gemische davon. In gewissen Fällen kann
das semikristalline Polymer mit nicht-semikristallinen Polymeren
gemischt sein. In bevorzugten Fällen
ist das semikristalline Material ein polyolefinisches Material wie
zum Beispiel Polyethylen hoher Dichte, das eine Dichte von mehr
als ungefähr
0,94 g/cm3 aufweist. In bevorzugten Fällen ist
der Gewichtsprozentsatz des Polyethylens hoher Dichte grösser als 80%
des polymeren Materials und bevorzugter grösser als 90%. In einem insbesondere
bevorzugten Fall besteht das polymere Material im Wesentlichen aus
Polyethylen hoher Dichte, das heisst, es gibt keine anderen polymeren
Granulat-Komponenten als Polyethylen hoher Dichte.
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Optional
kann das polymere Schaumstoffgemisch andere Additive zusätzlich zum
Nukleierungsmittel beinhalten. Diese beinhalten Additive wie zum
Beispiel Weichmacher (z.B. niedermolekulare gewichtsorganische Stoffe),
Gleitmittel, Fliessverstärker,
Antioxidantien und Gemische davon.
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Gemäss eines
anderen Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung ist ein physikalisches oder ein chemisches
Treibmittel in das geschmolzene polymere Granulat eingeführt. Geeignete
physikalische Treibmittel beinhalten fluor-chlorierte Kohlenwasserstoffe,
aliphatische Kohlenwasserstoffe, Stickstoff und Kohlendioxid. Es
werden viele fluor-chlorierte Kohlenwasserstoffe unter verschiedenen
Handelsnamen verkauft: FRIGEN, KALTRON, FREON und FLUGENE. Als geschäumte PS
und PVC werden Trichlorfluormethan (CCl3F) genannt
R11 oder Dichlordifluormethan (CCl2F2) genannt R12 oder ein 50:50 Gemisch davon
verwendet. Für das
Schäumen
der Polyolefine ist FREON R114 bevorzugt. Iso-Pentan und n-Pentan
sind auch geeignete Treibmittel, auch wenn sie entzündbar sind
und mit Luft explosive Gemische bilden.
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Das
bevorzugteste chemische Treibmittel ist Azodicarbonamid (ADC). Die
beste Gasausbeute von ungefähr
220 cm
3/g wird bei einer Temperatur von
ungefähr
210°C erreicht.
Dieses Treibmittel zerfällt
in Feststoff und Stickstoff. Die Zerfallstemperatur ist allerdings
für einige
der temperaturempfindlichen thermoplastischen Granulate zu hoch.
Die Zerfallstemperatur kann durch die Zugabe von Initiatoren (Metallverbindungen
wie zum Beispiel Zinkoxid und Zinkstearat) reduziert werden. Andere
geeignete chemische Treibmittel und deren Eigenschaften sind unten
in Tabelle 1 aufgelistet. Tabelle
1
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Andere
für die
vorliegende Erfindung nützliche
Treibmittel beinhalten Azobisisobutyronitril, Diazoaminobenzol,
N,N'-Dimethyl-N,N'-dinitrosoterephthalamid,
N,N'-Dinitrosopentamethylenetetramin,
Benzolsulfonylhydrazid, Toluol-(4)-sulfonylhydrazid, Benzol-1,3-disulfonylhydrazid,
Diphenylsulfon-3,3'-disulfonylhydrazid und
4,4'-Oxybis(Benzolsulfonylhydrazid).
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Obwohl
in manchen Fällen
die Menge an Nukleierungsmittel und/oder an Treibmittel grösser als
2,5 Gewichts-% ist, haben die polymeneren Schaumstoffe eine verhältnismässig einheitliche
und feine Zellenstruktur. Förderbandmodule
aus einem polymeren Schaumstoffmaterial gemäss der vorliegenden Erfindung weisen
eine durchschnittliche Zellengrösse
von weniger als ungefähr
60 Mikrometern, bevorzugt weniger als ungefähr 50 Mikrometern, bevorzugter
weniger als ungefähr
20 Mikrometern und noch bevorzugter weniger als ungefähr 5 Mikrometern
auf. Das mikrozelluläre
Material hat vorzugsweise eine maximale Zellengrösse von ungefähr 100 Mikrometern.
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Vorzugsweise
ist die Zellstruktur des mikrozellulären Schaumstoffmaterials, aus
dem die Module der vorliegenden Erfindung bestehen, eine geschlossene
Zellstruktur. Eine im Wesentlichen geschlossene Zellstruktur weist
beschränkte
Zwischenverbindungen zwischen benachbarten Zellen auf und ist im
Allgemeinen dazu gedacht ein polymeres Material zu definieren, das
bei einer Dicke von ungefähr
200 Mikrometern keinen verbundenen Zellgang durch das Material enthält. Es wird
angenommen, dass die geschlossene Zellstruktur wegen der Abwesenheit
von langen zwischenverbundenen Gängen,
die als Stellen für
vorzeitiges Versagen des Förderbandmoduls
wirken könnten,
zum vorteilhaften Erweitern der mechanischen Eigenschaften des Schaumstoffs
beiträgt.
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Mikrozelluläre polymere
Schaumstoffe, aus denen die Module der vorliegenden Erfindung bestehen, können über einen
weiten Bereich von Dichten hergestellt werden. In einem insbesondere
bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist der mikrozelluläre
Schaumstoff ein Porenvolumen von ungefähr 10% bis ungefähr 50% auf.
Schaumstoffe innerhalb dieses bevorzugten Porenvolumenbereichs weisen
ausserordentliche mechanische Eigenschaften auf, wie zum Beispiel
Dehnfestigkeit und Dehnmodul, während
sie immer noch eine wesentliche Dichtereduktion von massivem Kunststoff
aufweisen.
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Eine
weitere Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ist, dass die mikrozellulären polymeren
Schaumstoffe die Bandmodule mit einer erwünschten Oberflächenqualität bereitstellen,
da sie mit tiefen Treibmittelkonzentrationen hergestellt sind und
somit die Gasmenge, die durch die Schaumstoffoberfläche diffundiert,
begrenzen. Wie im Gebiet der mikrozellulären Schaumstoffverarbeitung
bekannt ist, führt
Gasdiffusion durch die Moduloberfläche üblicherweise zu Oberflächenrauheit
und Mängeln.
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Sich
jetzt auf die Zeichnungen beziehend zeigt 1 ein Spritzgusssystem 10 zur
Herstellung von Modulen 12 und 14 (3 bis 6)
aus einem mikrozellulären
polymeren Schaumstoff 16. Der mikrozelluläre polymere
Schaumstoff 16 beinhaltet ein Nukleierungsmittel in einem
Bereich von ungefähr
2,5 Gewichts-% bis ungefähr
7 Gewichts-% und/oder ein chemisches Treibmittel in einem Bereich
von ungefähr
0,1 Gewichts-% bis ungefähr
7 Gewichts-%. Das Spritzsystem 10 umfasst eine Spritzgussvorrichtung 18 zum
Einspritzen des mikrozellulären
polymeren Schaumstoffs 16 in eine Form 20. Die
Spritzgussvorrichtung 18 umfasst eine Schraube 22,
die innerhalb einer Walze 24 rotiert, um ein polymeres
Material in einer Abflussrichtung (Pfeil 26) in einen Verarbeitungsraum
zwischen der Schraube und der Walze zu fördern. Das polymere Material
wird durch einen Einspritzkanal 30, der flüssigkeitsdurchlässig mit
dem Verarbeitungsraum 28 verbunden und an einem Messabschnitt 32 an
einem Abflussende der Einspritzwalze befestigt ist, in die Form 20 eingespritzt.
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Typischerweise
wird das polymere Material mittels der Schwerkraft durch eine Ausflussöffnung 34 von einem
Standardtrichter 36 in den Verarbeitungsraum 28 gespeist.
Das polymere Material befindet vorzugsweise in einer pelletierten
Form. Obwohl das polymere Material eine Vielzahl von semikristallinen
Materialien oder Gemischen davon beinhalten kann, beinhaltet das
polymere Material vorzugsweise ein Polyolefin, wie zum Beispiel
Polypropylen und Polyethylen mittlerer oder hoher Dichte.
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In
manchen Fällen
wird das Nukleierungsmittel oder das chemische Treibmittel oder
beide in einer konzentrierten Pelletform zugegeben, beispielsweise
40 Gewichts-%, wobei diese mit den semikristallinen Polymerpellets
als eine Muttercharge gemischt sind. Die konzentrierten Pellets
sind mit geeigneten Mengen an semikristallinen Pellets gemischt,
um ein polymeres Material herzustellen, das zwischen ungefähr 2,5 Gewichts-%
und ungefähr
7 Gewichts-% des Nukleierungsmittels und/oder zwischen ungefähr 0,1 Gewichts-% bis
ungefähr
7 Gewichts-% des chemischen Treibmittels aufweist. Auf diese Weise
wird der Prozentsatz von beispielweise Talk in der polymeren Materialzusammensetzung
durch Steuerung des Verhältnisses
der Nukleierungsmittelkonzentration zu der der reinen Polymerpellets
eingestellt. In anderen Ausführungsbeispielen wird
das Nukleierungsmittel und/oder das chemische Treibmittel in partikulärer Form
direkt dem polymeren Material zugefügt. Alle weiteren aus dem Stand
der Technik wohlbekannten Techniken können ebenfalls für das Einschliessen
des Nukleierungsmittels und/oder des chemischen Treibmittels in
steuerbaren Mengen in die Polymerzusammensetzung angewendet werden.
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Die
Einspritzschraube 22 ist an ihrem Ende stromaufwärts mit
einem Antriebsmotor 38, der die Schraube dreht, betriebsfähig verbunden.
Obwohl nicht im Detail gezeigt, beinhaltet die Einspritzschraube 22 Einspeis-, Übergangs-,
Gaseinspritz-, Misch- und Messabschnitte wie weiter unten beschrieben.
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Optional
sind Temperatursteuereinheiten 40 entlang der Einspritzwalze 24 positioniert.
Die Steuereinheiten 40 können elektrische Heizungen
sein, können
Durchgänge
für ein
Temperatursteuerfluid beinhalten oder ähnliches und werden benutzt,
um den Fluss von pelletiertem oder flüssigem polymerem Material innerhalb
der Einspritzwalze zu heizen. Dies hilft, das Schmelzen zu ermöglichen
oder ein Kühlen
des polymeren Flusses zu bewirken, um die Viskosität, die Hautbildung
und in manchen Fällen
die Treibmittellöslichkeit
zu steuern. Die Temperatursteuereinheiten 40 wirken differenziert
an verschiedenen Stellen entlang der Walze. Das heisst, sie können an
einer oder mehreren Stellen heizen und an einer oder mehreren anderen
Stellen kühlen.
Es kann eine beliebige Anzahl von Temperatursteuereinheiten bereitgestellt
werden.
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Vom
Trichter 36 werden die Pellets im Einspeisabschnitt der
Schraube 22 aufgenommen und in Abflussrichtung 26 in
den Polymer-Verarbeitungsraum 28 gefördert während die Schraube rotiert.
Wärme aus
der Einspritzwalze 24 und die Scherkräfte, die durch die Rotation
der Schraube auftreten, bewirken, dass die Pellets innerhalb des Übergangsabschnitts
aufweichen. Typischerweise sind die aufgeweichten Pellets am Ende des
ersten Mischabschnitts geliert, das heisst, zusammengeschweisst,
um einen einheitlichen Fliessstrom zu bilden, der im Wesentlichen
frei von Luftblasen ist.
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Das
physikalische Treibmittel wird durch einen Anschluss 42,
der in Fluidkommunikation mit einer Quelle 44 davon steht,
in den polymeren Strom eingeführt.
Der Anschluss ist positioniert, um das physikalische Treibmittel
an einer beliebigen Anzahl von Stellen entlang der Einspritzwalze 24 einzuführen. Wie
weiter unten diskutiert, führt
der Anschluss 42 das physikalische Treibmittel vorzugsweise
im Gaseinspritzabschnitt der Schraube ein, wo die Schraube mehrfache
Gewindegänge
einschliesst.
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Zwischen
der Quelle 44 des physikalischen Treibmittels und dem Anschluss 42 ist
eine Druck- und Messvorrichtung 46 vorgesehen. Treibmittel,
die im Extruder im überkritischen
Zustand sind, werden besonders bevorzugt, insbesondere überkritisches
Kohlendioxid und überkritischer
Stickstoff.
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Die
Messvorrichtung 46 wird verwendet, um die Menge an physikalischem
Treibmittel, das innerhalb der Einspritzwalze 24 in den
polymeren Strom eingeführt
wird, zu messen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel misst die Messvorrichtung 46 den
Massenflussanteil des physikalischen Treibmittels. Das physikalische
Treibmittel ist im Allgemeinen weniger als ungefähr 15 Gewichts-% des polymeren
Stroms und Treibmittels. Es wird angenommen, dass die Anwesenheit
des zuvor eingeführten
Nukleierungsmittels die treibende Kraft für die Nukleierung erhöht und somit
die Herstellung eines mikrozellulären Schaumstoffes bei kleinen Treibmittel-Prozentsätzen zu
ermöglichen,
zum Beispiel ungefähr
0,1 Gewichts-% bis ungefähr
2,5 Gewichts-% Treibmittel bezüglich
des polymeren Stroms und Treibmittels. Diese Eigenschaft des Nukleierungsmittels
gilt für
chemische wie auch für
physikalische Treibmittel.
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2 ist
eine vergrösserte
Ansicht, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel von zwei Anschlüssen des
physikalischen Treibmittels an entgegengesetzten Ober- und Unterseiten
der Einspritzwalze 24 zeigt. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Anschluss 42 im Gaseinspritzabschnitt der Schraube
in einem Bereich stromaufwärts
des Mischabschnitts 48 der Schraube 22 (stark
unterbrochene Gewindegänge
beinhaltend) über
nicht mehr als ungefähr
vier volle Gewindegänge
und vorzugsweise nicht mehr als ungefähr ein voller Gewindegang.
So positioniert, wird das eingespritzte physikalische Treibmittel
schnell und gleichmässig
in den flüssigen
polymeren Strom eingemischt, um die Herstellung einer einphasigen
Lösung
der geschäumten Material-Vorstufe
und des physikalischen Treibmittels zu begünstigen.
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Der
Anschluss 42 des physikalischen Treibmittels ist ein Mehrloch-Anschluss,
der eine Vielzahl von Ausflussöffnungen 50 beinhaltet,
die die Quelle 44 des Treibmittels mit der Einspritzwalze 24 verbinden.
Vorzugsweise ist eine Vielzahl von Anschlüssen 42 vorgesehen,
die um die Einspritzwalze 24 an verschiedenen Positionen
radial und longitudinal auf einander ausgerichtet sind. Zum Beispiel
ist eine Vielzahl von Anschlüssen 42 an
der 12 Uhr, der 3 Uhr, der 6 Uhr und an der 9 Uhr Position um die
Einspritzwalze platziert, wobei jeder mehrere Ausflussöffnungen 50 beinhaltet.
Wenn jede Ausflussöffnung 50 als
Ausflussöffnung
des physikalischen Treibmittels betrachtet wird, beinhaltet die
vorliegende Erfindung eine Einspritzgussvorrichtung, die mindestens
ungefähr
10, bevorzugt mindestens ungefähr
100 und bevorzugter mindestens ungefähr 500 und noch bevorzugter
mindestens ungefähr
700 Ausflussöffnungen
des Treibmittels in Fluidkommunikation zwischen der Walze 24 und
der Quelle 44 des Treibmittels aufweist.
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Die
Ausflussöffnung
oder Ausflussöffnungen 50 sind
auch benachbart zu vollen ununterbrochenen Gewindegängen 52.
Während
die Schraube rotiert, passiert oder „wischt" jeder ununterbrochene Gewindegang 52 periodisch
jede Ausflussöffnung 50.
Dieses Wischen verbessert das schnelle Mischen des physikalischen
Treibmittels und der flüssigen
geschäumten
polymeren Vorstufe durch im Wesentlichen schnelles Öffnen und
Schliessen jeder Ausflussöffnung,
die ausgerichtet dazu durch den Gewindegang 52 periodisch
blockiert ist. Das Resultat ist eine Verteilung von verhältnismässig fein
getrennten, isolierten Bereichen physikalischen Treibmittels im
flüssigen
polymeren Material unmittelbar bei der Einspritzung und vor jeglichen
Mischens. In dieser Anordnung, bei einer Standard-Schraubenrotationsgeschwindigkeit
von ungefähr
30 rpm, wird jede Ausflussöffnung 50 von
einem Gewinde 52 in einer Rate von mindestens ungefähr 0,5 Durchgänge pro
Sekunde bis ungefähr
zwei Durchgänge
pro Sekunde passiert. In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Ausflussöffnungen 50 in
einer Distanz von ungefähr
15 bis ungefähr
30 Walzendurchmesser vom Anfang der Schraube an ihrem Stromaufwärtsende,
benachbart zum Antriebsmotor 38 positioniert.
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Mit
nochmaligem Verweis auf 1 ist der Mischabschnitt 48 der
Schraube 22, der dem Gaseinspritzanschluss 42 folgt,
dazu ausgelegt, das physikalische Treibmittel und den polymeren
Strom zu mischen, um bei Verwendung die Bildung einer einphasigen
Lösung
aus Treibmittel und Polymer, das das Nukleierungsmittel beinhaltet,
zu begünstigen.
Der Mischabschnitt 48 beinhaltet ununterbrochene Gewindegänge 54,
die den Strom aufbrechen, um das Mischen zu fördern. Stromabwärts des
Mischabschnitts erzeugt der Messabschnitt 32 Druck im Polymer-Treibmittel-Strom bevor der Einspritzkanal 30 mit
der Form 20 verbunden ist.
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Wie
in 3 gezeigt, beinhaltet die Form 20 einander
entsprechende erste und zweite Formhälften 56 und 58,
die eine Mulde, beispielsweise in der Form des beispielhaften Moduls
mit flacher Oberfläche 12,
bilden, die mit dem Einspritzkanal 30 verbunden ist, durch
welchen der polymere Strom vom Polymer-Verarbeitungsraum 28 fliesst.
In einem weiteren Sinn kann die Form 20 jedoch jegliche
Vielfalt von Modulkonfigurationen aufweisen, beinhaltend Module
mit flacher Oberfläche,
Spülgittermodule,
Module mit erhöhten
Rippen und Kurvenmodule wie sie im Stand der Technik bekannt sind.
Die Form 20 weist weiter Stäbe 20A und 20B auf,
um das Modul mit Öffnungen
in seinen Verbindungsgliedenden zu versehen. Dies wird nachstehend
im Detail beschrieben.
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Der
Messabschnitt 32 kann auch die Funktion der Nukleierung
des Polymers und des Treibmittels, sei es von chemischer oder physikalischer
Art, in eine einphasige Lösung
ausführen.
Der Druck in der einphasigen Lösung
fällt ab,
während
das polymere Gemisch durch den Messabschnitt 32 fliesst.
Dieser Druckabfall bewirkt, dass die Löslichkeit des Treibmittels
im Polymer sinkt, was die treibende Kraft für den Zellnukleierungsprozess
ist. Typischerweise ist der Messabschnitt 32 dazu ausgestaltet,
einen Druckabfall bereitzustellen, der für die Zellnukleierung entsprechend
den Anforderungen der mikrozellulären Schaumstoffe passend ist.
Unter Prozessbedingungen ist der Druckabfall über den Messabschnitt 32 im
Allgemeinen grösser
als 1000 psi (ungefähr
6895 kPa), bevorzugt grösser
als 2000 psi (ungefähr
13790 kPa) und bevorzugter grösser
als 3000 psi (ungefähr
20684 kPa).
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In
einigen Ausführungsbeispielen
ist der Messabschnitt 32, wie im Stand der Technik bekannt,
auch dazu ausgestaltet eine Druckabfallrate (dP/dt) bereitzustellen,
während
die einphasige Lösung
da durchfliesst. Druckabfallraten beeinflussen auch den Zellnukleierungsprozess.
Typischerweise muss eine genügende Druckabfallrate
erzeugt werden, um geeignete Nukleierungsbedingungen für mikrozelluläre polymere
Materialien zu erreichen. Es wird angenommen, dass die Anwesenheit
des Nukleierungsmittels in einer Menge von ungefähr 2,5 Gewichts-% bis ungefähr 7 Gewichts-%
die benötigte
Druckabfallrate erniedrigt. In gewissen Fällen ist es wünschenswert,
einen Prozess zu verwenden, der tiefere Druckabfallraten verwendet.
Im Allgemeinen ermöglichen tiefere
Druckabfallraten mehr Freiheit bei der Formherstellung und den resultierenden
Förderbandmodul-Dimensionen. In bestimmten
Ausführungsbeispielen
ist die Druckabfallrate in der Lösung
kleiner als 1,0 GPa/s, in einigen Ausführungsbeispielen kleiner als
0,10 GPa/s und in anderen Ausführungsbeispielen
kleiner als 0,05 GPa/s. In weiteren anderen Ausführungsbeispielen werden höhere Druckabfallraten verwendet,
zum Beispiel höher
als 10 GPa/s.
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Als
ein Ergebnis erhöhter
Temperaturen ist der mikrozelluläre
Schaumstoff typischerweise weich genug, so dass die nukleierten
Zellen wachsen. Während
der Schaumstoff in der Form abkühlt
und fester wird, ist das Zellwachstum jedoch eingeschränkt. In
gewissen Ausführungsbeispielen
ist es vorteilhaft, externe Kühlmittel
wie zum Beispiel Kühlluft
oder Wasser bereitzustellen, um die Kühlrate des Schaumstoffs zu
beschleunigen.
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Nun,
da das Spritzgusssystem 10 im Detail beschrieben wurde,
wird das beispielhafte Modul mit flacher Oberfläche 12 und das beispielhafte
Kurvenmodul 14 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Insbesondere sind die Module 12 und 14 durch das
in den 1 und 2 gezeigte Spritzgusssystem 10 hergestellt und
sind aus einem polymeren Material, das einen mikrozellulären Schaumstoff
umfasst.
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Das
Modul mit flacher Oberfläche 12 beinhaltet
einen im Allgemeinen rechteckigen plattenähnlichen Körper 60, der erste
Vielzahl von Verbindungsgliedenden 62 aufweist und zweite
Vielzahl von Verbindungsgliedenden 64, die sich in entgegengesetzten
Richtungen davon erstrecken. Eine Querrippe 66 erstreckt
sich über
die Breite der Unterseite des Körpers 60,
um entgegengesetzte Kanäle 68 und 70 zu
bilden, die an zugehörigen
Kanten 72 und 74 enden, von denen die zugehörigen Verbindungsgliedenden 62 und 64 abstehen.
Die Rippe 66 und die Innenseite der Verbindungsgliedenden 62, 64 sind
dazu ausgelegt, in entsprechende Zahnradzähne eines Zahnrads (nicht gezeigt)
einzugreifen, um eine Antriebskraft auf ein Förderband, das durch die zwischenverbundenen
Module 12 gebildet ist, zu übertragen. Die Unterstruktur
des Moduls 12, die durch die Querrippe 66 gebildet
ist, dient dazu, das Modul zu stärken
und jegliches wesentliches Verbinden des Moduls 10 über seine
Längs-
oder Querachse zu verhindern.
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Die
Verbindungsgliedenden 62 und 64 umschreiben entsprechend
ausgerichtete, zylindrische Öffnungen 76.
Die Öffnungen 76 nehmen
Drehbolzen oder -stäbe
(nicht gezeigt) auf, die dazu ausgelegt sind, eine Vielzahl der
Module 12 drehbar in einer Ende an Ende Anordnung zu verbinden,
während
benachbarte Module seitlich ausgerichtet sind, um ein modulares
Förderband
(nicht gezeigt) zu bilden. Vorzugsweise sind die Module 12 aus
einer Verbindungsgliedenden-Anordnung, die reversibel Ende an Ende
ist. In anderen Worten kann irgendein Ende eines Moduls in irgendein
Ende jedes anderen Verbindungsmoduls greifen.
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6 zeigt
ein anderes Ausführungsbeispiel
eines Moduls, in diesem Fall ein Kurvenmodul 14, das aus
einem mikrozellulären
polymeren Schaumstoff besteht. Das Modul 14 wird als Kurvenmodul
bezeichnet, das es, wie es unten im Detail beschrieben wird, zur
Ausbildung von Förderbändern ausgelegt
ist, die fähig sind,
sich um eine Kurve zu bewegen. Das Modul 14 weist weiter
einen Zwischenabschnitt 78 auf, der eine Vielzahl von ersten
Verbindungsgliedenden 80 und eine Vielzahl von zweiten
Verbindungsgliedenden 82 stützt. Die ersten Verbindungsgliedenden 80 sind
in Bandlaufrichtung angeordnet und die Vielzahl von zweiten Verbindungsgliedenden 82 erstrecken
sich entgegengesetzt zu den ersten Verbindungsgliedenden 80.
Der Zwischenabschnitt 78 besteht aus einem oberen querverlaufenden
versteifenden Gewebe 84, das in einen unteren gewellten
Teil 86 (nur teilweise in der Zeichnung gezeigt) übergeht,
der eine sinusförmige
Ausgestaltung aufweist. Zusammen mit dem querverlaufenden Gewebe 84 des
Zwischenabschnitts 78, stützen die Rippen (nicht gezeigt)
der sinusförmigen
Ausgestaltung, die sich in Richtung rechts der 6 erstrecken,
die ersten Verbindungsgliedenden 80, während die Rippen (nicht gezeigt)
der sinusförmigen
Ausgestaltung, die sich in Richtung links in der Zeichnung erstrecken,
die zweiten Verbindungsgliedenden 82 stützen.
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Das
Modul
14 beinhaltet weiter im Allgemeinen zylindrisch ausgestaltete
Drehstaböffnungen
88 in
den Verbindungsgliedenden
80. Ähnlich sind längliche
Schlitze
90 durch die Verbindungsgliedenden
82 quer
zur Bandlaufrichtung angeordnet. Mit einer Vielzahl von Modulen
14,
die ein Förderband
bildet, erstreckt sich ein Drehstab (nicht gezeigt) durch die Öffnungen
88 in
den ersten Verbindungsgliedenden
80 und durch die Schlitze
90 in
den zweiten Verbindungsgliedenden
82 hindurch. Der Drehstab
kann sich vorzugsweise nicht innerhalb der Öffnungen
88 in Bandlaufrichtung
bewegen. Wegen der länglichen
Form der Schlitze
90 dreht sich der Drehstab dennoch innerhalb
derer. Dies ermöglicht
einem Förderband,
das aus einer Vielzahl von Modulen
14 aufgebaut ist, sich
um eine Kurve herum zu bewegen, indem es, durch das Drehen des Drehstabs
in den länglichen
Schlitzen
90, auf einer Seite einklappt während die
andere Seite aufweitet. Für
eine detailliertere Beschreibung eines Kurvenbandmoduls wird auf
das am 25. Mai 2000 eingereichte U.S. Patent Nr.
US 6,330,941 B1 verwiesen,
das auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen
wurde und das mittels Verweis hierin aufgenommen ist.
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Es
ist weiter im Bereich der vorliegenden Erfindung betrachtet, dass
das mikrozelluläre
polymere Schaumstoffmaterial, aus dem das beispielhafte Modul mit
flacher Oberfläche 12 und
das beispielhafte Kurvenmodul 14 bestehen, Additive beinhalten
kann, wie zum Beispiel solche, die die elektrische Leitfähigkeit
erhöhen
(Russ- und Graphitpartikel-Füller),
Flammenhemmer und Pigmente. Diese Additive werden vorzugsweise in
einer Konzentration von ungefähr
0,15 Gewichts-% bis ungefähr
10,5 Gewichts-% im polymeren Material bereitgestellt.
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Während die
vorliegende Erfindung in Bezug auf ein beispielhaftes Modul mit
flacher Oberfläche 12 und
ein Kurvenmodul 14 beschrieben wurde, das heisst lediglich
als Beispiele, werden Fachleute für modulare Bänder leicht
erkennen, dass das vorliegende Spritzgussverfahren für die Herstellung
einer Vielzahl von Modulen, die Spülgittermodule, Module mit erhöhten Rippen
und Mitnehmermodule beinhaltet, verwendet werden kann sowie verschiedenes
Zubehörs
für modulare
Förderbänder, wie
zum Beispiel Zahnräder,
Drehstäbe,
Seitensicherungen, Fingerbretter und Ähnliches. Kurz gesagt kann
das Spritzgussverfahren der vorliegenden Erfindung für die Herstellung
jeglichen Bestandteil eines modularen Förderbands verwendet werden,
wo es wünschenswert
ist, den Bestandteil aus einem mikrozellulären Schaumstoff bestehend zu
haben.
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Es
ist beabsichtigt, dass die vorgehende Beschreibung nur zur Illustration
der vorliegenden Erfindung dient und dass die vorliegende Erfindung
nur durch die hiernach angefügten
Ansprüche
begrenzt wird.