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Hintergrund
der Erfindung
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Polymer-Schäume beinhalten
eine Vielzahl von Hohlräumen,
ebenso Zellen genannt, in einer Polymermatrix. Durch Ersetzen von
festem Kunststoff durch Hohlräume
verwenden Polymer-Schäume weniger Rohmaterial
als feste Kunststoffe bei einem vorgegebenen Volumen. Somit werden
unter Verwendung von Polymer-Schäumen
in vielen Anwendungen anstelle von festen Kunststoffen die Materialkosten
reduziert.
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Mikrozellulare
Schäume
weisen kleinere Zellgrößen und
höhere
Zelldichten als konventionelle Polymerschäume auf. Mikrozellulare Schäume werden
hierin als eine durchschnittliche Zellgröße von weniger als 150 μm (ebenso
in dieser Beschreibung "Mikron" genannt) sowie eine
Zelldichte von größer als
106 Zellen/cm3 des
festen Kunststoffs aufweisend definiert. In einem typischen kontinuierlichen
Prozess zum Ausbilden eines Mikrozellular-Schaums (beispielsweise
durch Extrusion) wird der Druck auf eine Einphasen-Lösung eines Blasmittels
und eines Polymers schnell abfallen, um die Zellen aufzublasen.
Die Keimbildungsrate muss hoch genug sein, um die Mikrozellular-Struktur
auszubilden.
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Verschiedene
Patente beschreiben Aspekte von Mikrozellular-Materialien und Mikrozellular-Prozessen.
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Das
US-Patent Nr. 4,473,665 (Martini-Vvedensky, et al., 25. September
1984) beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen eines geschäumten Polymers,
das Zellen mit einem Durchmesser von weniger als etwa 100 Mikrons
aufweist. Bei der Technik gemäß Martini-Vvedensky,
et al. wird ein Material-Zwischenprodukt mit einem Blasmittel gesättigt, das
Material wird unter hohem Druck platziert und der Druck fällt schnell
ab, um das Blasmittel aufzublasen und die Bildung der Zellen zu ermöglichen.
Das Material wird dann schnell eingefroren, um eine gewünschte Verteilung
der Mikrozellen beizubehalten.
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Das
US-Patent Nr. 5,158,986 (Cha, et al., 27. Oktober 1992) beschreibt
die Ausbildung von mikrozellularerm Polymer-Material unter Verwendung eines überkritischen
Fluids als Blasmittel. In einem Chargenprozess gemäß Cha, et
al. wird ein Kunststoff-Gegenstand unter Druck für eine Zeitdauer in das überkritische
Fluid eingetaucht und anschließend
schnell in Umgebungs-Bedingungen zurückgeführt, welche eine Löslichkeits-Veränderung
und ein Aufblasen bewirken. In einem kontinuierlichen Prozess wird
ein Polymer-Bogen extrudiert und kann dann durch Walzen in einen
Behälter
mit unter hohem Druck stehendem überkritischem
Fluid einlaufen und anschließend
schnell Umgebungs-Bedingungen ausgesetzt werden. In einem anderen
kontinuierlichen Prozess wird ein mit einem überkritischem Fluid gesättigter
geschmolzener Polymerstrom eingeführt. der Polymerstrom wird
schnell erhitzt und die daraus resultierende thermodynamische Instabilität (Löslichkeits-Veränderung)
erzeugt außerdem
eine Keimbildung, während
das System unter Druck beibehalten wird, was ein signifikantes Wachstum
der Zellen verhindert. Das Material wird dann in eine Gießform-Aushöhlung injiziert,
wo der Druck reduziert wird und den Zellen erlaubt wird, zu wachsen.
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Die
internationale Patent-Veröffentlichung
Nr. WO 98/08667 (Burnham et al.) stellt Verfahren sowie Systeme
zum Erzeugen von Mikrozellular-Material und Mikrozellular-Gegenständen zur
Verfügung.
In einem Verfahren von Burnham et al. wird ein Fluid, eine Einphasen-Lösung eines
Zwischenprodukts eines geschäumten
Polymer-Materials sowie eines Blasmittels kontinuierlich durch Trennen
des Stroms in separate Abschnitte und eine separate Bläschenbildung
jeder der separaten Abschnitte aufgeblasen. Die getrennten Ströme können in
einen einzelnen Strom aufgeblasener, Fluid-Polymermaterialien wieder
zusammengeführt werden.
Der wieder zusammengeführte
Strom kann in eine gewünschte
Form, beispielsweise mittels einer formgebenden Presse, geformt
werden. Burnham et al. beschreiben ebenso eine Presse zum Erzeugen
vorteilhaft dicker Mikrozellular-Gegenstände, welche eine Vielzahl von
Durchgangs-Blasabschnitten beinhaltet. Andere Verfahren beschreiben
ebenso die Fabrikation vieler dünner
Mikrozellular-Produkte. Insbesondere wird ein Verfahren zur kontinuierlichen
Extrusion von Mikrozellular-Material auf einen Draht zur Verfügung gestellt,
was zu einer sehr dünnen
und im Wesentlichen geschlossen-zelligen Mikrozellular-Isolationsbeschichtung,
die auf dem Draht angebracht ist, zur Verfügung stellt. In einigen dieser
Verfahren ist die Druckabfallrate ein wichtiges Mittel und Techniken,
diese und andere Parameter zu steuern, werden beschrieben.
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Polymerisches
Extrusions-Blasausformen ist ein bekannter Prozess, bei dem ein
geschmolzenes Polymer-Material von einer Extruder-Presse als Extrudat
(eine im Wesentlichen zylindrische Polymerhülse) extrudiert wird. Das Extrudat
wird in einer Form platziert und wird, während es typischerweise warm
genug ist, um weich und formbar zu sein, einem signifikanten internen
Gasdruck des Zylinders unterworfen und gegen die Form expandiert.
viele gebräuchliche
Gegenstände
sowie Getränkeflaschen,
Motoröl-Flaschen,
pharmazeutische Verpackungen sowie kosmetische Verpackungen werden
unter Verwendung dieser Technik erzeugt.
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In
vielen Fällen
wird ein Extrudat derart extrudiert, dass es über seine Länge eine veränderliche
Dicke aufweist. Dickere Abschnitte können mit Orten übereinstimmen,
an denen der Gegenstand zu einem vergleichsweise größeren Ausmaß verstärkt werden
muss, oder in einigen Regionen für
eine Expansion zu einem größeren Ausmaß als andere
Regionen zur Verfügung
zu stehen (beispielsweise beim Blasform-Ausformen einer Kunststoff-Spülmittelflasche),
während
es im ausgeformten Gegenstand eine im Wesentlichen konstante Dicke
beibehält.
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Das
US-Patent Nr. 4,444,702 (Thomas, et al.) beschreibt ein System zum
Erzeugen von röhrenförmigen extrudierten
Extrudaten eines thermoplastischen Materials, bei dem die Wanddicke
des extrudierten Extrudats während
der Extrusion variiert wird.
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Das
US-Patent Nr. 3,939,236 (Hahn) beschreibt eine Technik, die das
Extrudieren eines zellenförmigen
Polymer-Röhrenextrudats
und das anschließende
Blasformen des Extrudats beinhaltet.
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Das
US-Patent Nr. 3,225,127 (Scott) beschreibt ein Verfahren, welches
das Extrudieren eines geschmolzenen Kunststoffs, der ein Treibmittel
enthält,
durch eine kreisförmige Öffnung beinhaltet,
um ein geschäumtes
Extrudat auszubilden, und das anschließende Platzieren des Extrudats
in einem Blasform-Gesenk und
das Expandieren des Extrudats innerhalb der Form.
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Das
US-Patent Nr. 4,874,649 (Daubenbüchel,
et al.) stellt fest, dass die größten Schwierigkeiten
bei der Extrusion und Blasformung und Schaum-Gegenständen existieren,
bei denen eine Vorform, welche bereits geschäumt wurde, expandiert wird.
Daubenbüchel
et al. stellen fest, dass das geschäumte Material einer Vorform,
welches immer noch in einem thermoplastischen Zustand vorliegt,
Regionen aufweist, welche unterschiedliche Festigkeits- und Expandierbarkeitswerte über die
Länge und
den Umfang der Vorform aufweisen, was zum Ergebnis hat, dass schwache
Punkte unter dem Effekt von internem Druck innerhalb der Vorform
ausgebildet werden und dass unter vielen Umständen diese schwachen Punkte
dazu führen,
dass die Wand der Vorform oder des geformten Gegenstands, der hieraus
produziert wurde, aufreißen
und somit zu Ausschuss führen.
Wie man sagt, lösen
Daubenbüchel
et al. dieses Problem durch Extrudieren einer vielschichtigen-thermoplastischen
Vorform, bei der zumindest eine Schicht nicht schäumbar ist.
Es wird vermutet, dass es unter Verwendung einer nicht schäumbaren
Schicht der Vorform ermöglicht
wird, expandiert zu werden, nachdem das Material geschäumt wurde,
ohne Anlass zur Gefahr zu geben, schwache Punkte oder Löcher durch
die Wand des Gegenstands auszubilden. Wenn die Schicht aus nicht
schäumbarem
Material an der Außenseite des
Gegenstands angeordnet ist, wird ein Gegenstand produziert, der
eine glatte äußere Oberfläche aufweist. Daubenbüchel et
al. beschreiben ebenso die Blasformungs-Expansion der Vorform bei einem Druck
von etwa 1 bar oder weniger als 0,5 bar, was hierin als deutlich
niedriger als im Falle von konventionellem Extrusions-Blasprozessen
gekennzeichnet wird, um Blasen oder Poren in dem komprimierten geschäumten Material zu
verhindern.
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Konventionelle
Schaumprozesse beinhalten das Einführen von Keimbildungs-Agenzien,
von denen einige anorganische Feststoffpartikel sind, in die Polymer-Schmelze
während
des Bearbeitens. Solche Agenzien können eine Vielzahl von Zusammensetzungen
aufweisen, sowie Talkum und Kalziumkarbonat. Insbesondere werden
Keimbildungs-Agenzien typischerweise bei Niveaus von weniger als
1 Gew-% der Polymerschmelze in die Polymerschmelze eingeführt, um
die Energie für
die Zellenbildung zu verringern. Die Verteilung von Keimbildungs-Agenzien innerhalb
der Polymermischung ist oftmals kritisch bei der Ausformung von
gleichmäßiger Zellestruktur.
In einigen Fällen
werden höhere
Niveaus aufgrund der Agglomeration der Partikel nicht verwendet,
da diese zu ungleichmäßigen Zell-Strukturen führen kann,
welche anormal große
Zellen aufweisen. Die folgenden US-Patente beschreiben die Verwendung
von Keimbildungs-Agenzien in Schmaumprozessen.
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Das
US-Patent Nr. 3,491,032 (Skochdopole et al., 20. Januar 1970)
beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen von zellenförmigen Polymer-Materialien.
In einem Verfahren gemäß Skochdopole
können
schließlich verteilte
Feststoff-Materialien sowie Kalziumsilikate, Zink-Stearate, Magnesium-Stearate
und dergleichen vorteilhaft vor dem Expandieren von Polymer oder
Gel eingebracht werden. Solch fein verteilte Materialien helfen bei
der Steuerung der Größe der Zellen
und werden in Mengen von eta 0,01 bis etwa 2,0 Gew-% des Polymers eingesetzt.
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Das
US-Patent Nr. 5,116,881 (Park et al., 26. Mai 1992) beschreibt Polypropylen-Schaumbögen sowie ein
Verfahren zu deren Herstellung. In einem Verfahren gemäß Park wird
ein Keimbildungs-Agens dazu verwendet, Orte für die Blasenbildung zu erzeugen.
Es wird bevorzugt, dass das Keimbildungs-Agens eine Partikelgröße im Bereich
von 0,03 bis 5,0 Mikrometer aufweist und dass seine Konzentration
weniger als ein Teil von hundert Teilen per Gewicht Polymer ist.
Konzentrationen von Keimbildungs-Agenzien, die größer sind
als fünf
Teile von hundert Teilen per Gewicht Polymer führen zur Agglomeration oder
zur nicht ausreichenden Verteilung von Keimbildungs-Substanz, so dass
der Durchmesser der Zellengröße größer wird.
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Füllstoffe
in Polymer-Schäumen
werden typischerweise in Mengen von 20 Gew-% des Polymer-Materials
und in vielen Fällen
von mehr als 30 Gew-% hinzugefügt.
In der internationalen Patent-Veröffentlichung Nr.
WO 98/08667, die oben beschrieben wurde, erläutert Burnham Beispiele von
Mikrozellular-Material, welches Füllstoff-Niveaus in einer Menge
von mindestens 10 Gew-% des Polymer-Materials beinhaltet, andere Beispiele
beinhalten Füllstoff-Niveaus
in einer Menge von zumindest etwa 25 Gew-% des Polymer-Materials, andere
Beispiele beinhalten Füllstoff-Niveaus
in einer Menge von zumindest etwa 35 Gew-% des Polymer-Materials
und noch andere Beispiele beinhalten Füllstoff-Niveaus von zumindest
etwa 50 Gew-% des Polymer-Materials.
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Hochdichtes
Polyethylen (HDPE) ist traditionell ein schwierig als Schaum zu
verarbeitendes Material. Dies rührt
teilweise aus der niedrigen Schmelz-Festigkeit des HDPE. Verfahren,
die chemische Treibmittel verwenden, wurden entwickelt, um Schäume aus
hochdichtem Polyethylen zu produzieren. Zusätzlich wurden HDPE-Schäume durch
Chargen-Prozesse produziert (siehe beispielsweise das US-Patent
Nr. 5,158,986). Die Anmelder kennen jedoch keine extrudierten oder
Schaum-geformten Schäume
aus HDPE, welche ohne Verwendung chemischer Treibmittel oder ohne
die Zufügung
von Additiven wie Polyethylen mit niederer Dichte (LDPE) oder Polyethylen
mit linearer niedriger Dichte (LLDPE) erzeugt wurden.
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Zusätzlich kann
generell die Extrusion von Mikrozellular-Material aufgrund eines Gleichgewichts
der Druckabfallrate, der Temperatur, sowie des Treibmittel-Gehalts
kompliziert sein und die Blaskopfform und das Design können die
Eigenschaften und das Erscheinungsbild eines extrudierten Mikrozellular-Gegenstands beeinflussen.
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Während Verfahren
zur Extrusions-Blasformung von geschäumten Polymer-Materialien bekannt
sind, besteht ein Erfordernis für
vereinfachte Prozesse bei der Produktion von extrudierten blasgeformten
Produkten, die gute physikalische Qualitäten aufweisen. Zusätzlich wurden,
obwohl Keimbildungs-Agenzien in niedrigen Gewichtsprozenten bei
der Produktion von Schäumen
verwendet werden und Füllstoffe
in hohen Gewichtsprozenten bei der Produktion von konventionellen
Schäumen
und Mikrozellular-Schäumen verwendet wurden,
Schäumprozesse
typischerweise nicht mit einer Verwendung von Keimbildungs-Agenzien
mit einem mittleren Mengenniveau angewendet. Es ist daher ein Ziel
der Erfindung, Extrusions-blasgeformte Schaumgegenstände mit
guten physikalischen Eigenschaften sowie Techniken zur Produktion
dieser Gegenstände
zur Verfügung
zu stellen. Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung,
relativ dünnwandige
extrudierte, blasgeformte Schaum-Gegenstände sowie Techniken zu deren
Erzeugung zur Verfügung
zu stellen, welche das Steuern der Schaum-Gleichmäßigkeit
und -Dichte beinhalten. Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden
Erfindung, Keimbildungs-Agenzien
in den polymeren Schaum-Materialien bei Niveaus zur Verfügung zu
stellen, die die vorteilhaften Resultate maximieren. Es ist noch
ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, HDPE-Schäume hoher
Qualität
zur Verfügung
zu stellen, die nicht durch einen Chargen-Prozess erzeugt wurden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Serie von Gegenständen, Systemen,
Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung, die mit Polymer-Schaum,
blasgeformten Gegenständen,
Schäumen
mit Treibmitteln sowie HDPE-Schäumen,
die nicht im Chargen-Verfahren
hergestellt wurden, verbunden sind, zur Verfügung. Viele dieser Gegenstände, Systeme,
Vorrichtungen und Verfahren können
in Verbindung miteinander verwendet werden.
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In
einem Aspekt stellt die Erfindung einen Gegenstand zur Verfügung, wie
er in Anspruch 1 unten definiert ist. In einer Ausführungsform
wird ein Gegenstand zur Verfügung
gestellt, der einen blasgeformten, Schaum-, Mikrozellular-Polymergegenstand
umfasst. Im folgenden wird ein extrudiertes, mikrozellulares Extrudat
offenbart, welches zum Blausausformen geeignet ist. Gemäß eines
zweiten Aspekts wird ein Blasausform-Verfahren zur Verfügung gestellt,
welches in Anspruch 34 definiert ist. Die folgende Offenbarung beinhaltet
die Offenbarung von Systemen. Ein System kann eine Extrusions-Vorrichtung beinhalten,
die einen Extruder mit einem Einlass aufweist, der so gestaltet
ist, dass er ein Zwischenprodukt aus einem Polymer-Mikrozellular-Material
aufnimmt, welches so aufgebaut und angeordnet ist, dass es eine
einphasige, nicht-nukleierte Lösung aus
Polymer-Material und Treibmittel vorsieht. Eine Blasausform-Formpresse
ist rieselfähig
mit dem Extruder verbunden und weist einen Auslass auf, der so gestaltet
ist, dass er ein Extrudat aus Mikrozellular-Material freigibt. Die
Vorrichtung beinhaltet einen eingeschlosssenen Durchgang, der den
Extruder-Einlass mit dem Auslass einer Blasform-Formbalskopf verbindet.
Der Durchgang beinhaltet einen nukleierenden Durchgang, der eine
Länge und
Querschnitts-Dimensionen aufweist, die so ausgewählt sind, dass sie eine einphasige,
nicht-nukleierte Lösung
aus Treibmittel und flüssigem
Polymer-Material sowie einen Druckabfall bei einer Rate, die ausreichend
ist, die mikrozellulare Keimbildung zu bewirken, erzeugt. Eine Blasform
ist ebenso eingeschlossen und ist so positionierbar, dass sie ein
Extrudat aus mikrozellularem Material von dem Blaskopfauslass aufnimmt.
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Es
wird ein System offenbart, welches einen Extruder beinhaltet, der
so aufgebaut und angeordnet ist, dass er ein Zwischenprodukt-Material
aus Polymer-Schaum sowie einen Speicher, der mit dem Extruder verbunden
ist, zur Verfügung
stellt. Der Speicher ist in der Lage, Zwischenprodukt-Material aus
Polymer-Schaum von dem Extruder aufzunehmen und eine Charge des
Zwischenprodukt-Materials aus Polymer-Schaum zu speichern. Eine
Blasausform-Vorrichtung ist ebenfalls in diesem System vorgesehen
und so positionierbar, dass sie ein Produkt des Speichers über eine
Ausformpresse aufnimmt. Die Blasausform-Vorrichtung ist so aufgebaut
und angeordnet, dass sie das Material blasausformt, um einen blasausgeformten
Schaum-Polymer-Gegenstand auszubilden.
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Es
wird ein System offenbart, welches eine Kombination aus einigen
oben beschriebenen Aspekten beinhaltet. Das System kann einen Extruder
beinhalten, der einen Einlass aufweist, um ein Zwischenmaterial aus
Polymer-Mikrozellular-Material aufzunehmen, welches so aufgebaut
und angeordnet ist, dass es eine einphasige, nicht nukleierte Lösung aus
Polymer-Material und Treibmittel zur Verfügung stellt. Ein Speicher ist vorgesehen
und so positionierbar, dass er ein Zwischenprodukt-Material aus Polymer-Schaum
von dem Extruder aufnimmt und eine Charge auf Zwischenprodukt-Material
aus Polymer-Schaum speichert. Ein Blasform-Formblaskopf ist rieselfähig mit
dem Speicher verbunden und weist einen Auslass auf, der so gestaltet ist,
dass er ein Extrudat aus mikrozellularem Material freigibt. Eine
Blasform ist so positioniertbar, dass sie ein Extrudat aus Mikrozellular-Material
aus dem Pressenauslass aufnimmt und ist so aufgebaut und angeordnet, dass
sie einen blasausgeformten, Schaum-Mikrozellular-Polymergegenstand ausbildet. Die Vorrichtung
beinhaltet einen eingeschlossenen Durchgang, der den Extruder-Einlass
mit dem Blaskopf-Auslass verbindet, wobei der Durchgang einen nukleierenden
Durchgang, wie er oben definiert ist, beinhaltet.
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Eine
Formblaskopf-Vorrichtung wird offenbart. Der Blaskopf beinhaltet
einen Einlass an einem stromaufwärtigen
Ende, der so aufgebaut und angeordnet ist, dass er eine einphasige,
homogene Lösung
aus Polymer-Material und Treibmittel, welches unter Umgebungs-Bedingungen
ein Gas ist, aufnimmt, sowie einen Auslass an einem stromabwärtigen Ende
hiervon, welches einen Blaskopfspalt, zum Freigeben eines geschäumten Polymer-Materials definiert.
Ein Fluid-Durchgang verbindet den Einlass mit dem Auslass und beinhalten
einen nukleierenden Durchgang. Der Blaskopf ist so aufgebaut und
angeordnet, dass er die Breite des Blaskopfspalts während der
Extrusion variiert, während
ein konstanter nukleierender Durchgangsspalt beibehalten wird.
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Im
Folgenden ist eine Serie von Verfahren offenbart. ein Verfahren
ist offenbart, welches das Extrudieren eines Polymer-Schaum-Extrudats
von einem Extruderblaskopf einbezieht, während die Dicke des Extrudats
variiert wird.
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Es
wird ein Verfahren offenbart, welches das Bereitstellen eines extrudierten
Polymer-Mikrozellular-Schaum-Extrudats sowie das Unterziehen des
Extrudats den Blasausform-Bedingungen
zur Verfügung stellt.
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Ein
anderes Verfahren wird offenbart, welches das Extrudieren eines
Polymer-Schaum-Extrudats von einem Extruderblaskopf in einer Maschinenrichtung
einbezieht, während
die Temperatur des den Blaskopf verlassenden Extrudats variiert.
Ein so ausgebildetes Extrudat weist einen ersten Abschnitt und einen
zweiten Abschnitt, der von dem ersten Abschnitt in der Maschinenrichtung
beabstandet ist, auf, wobei die Materialdichte des ersten Abschnitts
und des zweiten Abschnitts sich durch einen Faktor von zumindest
1,1 unterscheidet.
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Ein
anderes Verfahren wird offenbart, welches das Unterziehen eines
Schaum-Polymer-Extrudats vergleichsweise schweren Blasausform-Bedingungen
einbezieht, während
eine vergleichsweise konstante Dichte indem Extrudat beibehalten
wird. Ein Extrudat kann Blasausform-Bedingungen von zumindest etwa
1 bar (15 psi) unterworfen werden, wodurch zumindest ein Abschnitt
des Extrudats um zumindest etwa 50% im Umfang expandiert wird. Dies
geschieht, während
die Dichte des Extrudats vergleichsweise konstant verbleibt, insbesondere
wird die Dichte nicht mehr als um etwa 20% angehoben.
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Es
ist ebenso ein Verfahren zum Produzieren eines Schaums, so wie eines
Mikrozellular-Schaums offenbart, welches eine Menge von Treibmittel
in einem mittleren Niveau beinhaltet. die Mikrozellular-Schäume können mittels
typischer Polymer-Bearbeitungstechniken
sowie Extrusion, Injektions-Ausformung sowie Blasausformung produziert
werden. Die Schäume
zeigen exzellente mechanische Eigenschaften und können über einen
breiten Bereich der Dichte in Vielzahl von unterschiedlichen Schaum-Gegenständen ausgeformt
werden.
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Ein
Verfahren zum Ausformen eines Mikrozellular-Gegenstands wird offenbart.
Das Verfahren beinhaltet das Fördern
eines Polymer-Materials in einer stromabwärtigen Richtung in einer Polymer-Bearbeitungsvorrichtung.
Das Polymer-Material beinhaltet ein semi-kristallines Polymer sowie
ein Treibmittel in einer Menge von etwa 2,5 und etwa 7 Gew-% des
Polymer-Materials.
Das Verfahren beinhaltet des Weiteren das Ausformen eines Mikrozellular-Gegenstands
aus dem Polymer-Material.
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Das
offenbarte Verfahren beinhaltet des Weiteren den Schritt des Einführens eines
Treibmittels in das Polymer-Material in der Polymer-Bearbeitungsvorrichtung
in einer Menge weniger als 1,5 Gew-% des Polymer-Materials, um eine
Lösung
aus Treibmittel und Polymer-Material auszubilden. In einigen Ausführungsformen
beinhaltet das Verfahren des Weiteren den Schritt des Einführens einer
Druck-Abfallrate von weniger als 1,0 GPa/s in die Lösung des
Treibmittels und des Polymer-Materials.
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Es
wird die Offenbarung eines Mikrozellular-Polymer-Gegenstands zur Verfügung gestellt, welche eine
Matrix aus Polymer-Material beinhaltet, welche eine Vielzahl von
Zellen beinhaltet, die eine durchschnittliche Zellgröße von weniger
als etwa 60 Mikrometer aufweisen. Das Polymer-Material beinhaltet
ein semi-kristallines Polymer sowie ein Treibmittel in einer Menge
von etwa 2,5 bis etwa 7 Gew-% bezogen auf das Gewicht des Polymer-Materials.
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Neben
anderen Vorteilen stellen verschiedene Ausführungsformen gemäß der Erfindung
ein durchführbares
Verfahren zum Erzeugen der Mikrozellular-Schaumgegenstände mit
den niedrigen Treibmittel-Prozentsätzen und/oder niedrigen Druckabfallraten
aufgrund der Präsenz
des Treibmittels zur Verfügung.
Die Verwendung von niedrigen Treibmittel-Prozentsätzen führt zu Kostenersparnissen,
die mit dem Treibmittel in Verbindung stehen, und können ebenso
die Oberflächenqualität der resultierenden
Mikrozellular-Gegenstände verbessern.
Das Einsetzen von niedrigen Druckabfall-Raten erlaubt im Gegensatz
zu hohen Druckabfall-Raten generell eine größere Freiheit im Blaskopf-Design
und erlaubt in einigen Fällen
die Produktion von Schaum-Gegenständen bei dickeren Querschnitts-Dimensionen.
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Verschiedene
Ausführungsformen
der Erfindung stellen ebenso Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl
von unterschiedlichen Typen von Schaum-Gegenständen zur Verfügung, beispielsweise
extrudierte Gegenstände,
blasgeformte Gegenstände,
aus einer Vielzahl von unterschiedlichen semi-kristallinen Polymer-Materialien.
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Des
Weiteren stellt die Erfindung einen Mikrozellular-Schaum zur Verfügung, der
Keimbildungs-Agenzien bei genügend
hohen Niveaus zwischen 2,5 und 7 Gew-% Polymer-Materials beinhaltet,
um effektiv als Füllmaterial
zu agieren, welches festen Kunststoff in einer nicht vernachlässigbaren
Menge ersetzt. Das Ersetzen von festem Kunststoff mit diesen Agenzien
kann zu Material-Kostenersparnissen sowie der Steigerung der mechanischen
Eigenschaften führen.
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Zusätzlich haben
die Mikrozellular-Schäume
trotz der Präsenz
von anorganischen Partikeln gleichförmige und feine Zellstrukturen.
Die Zusammenschaltung zwischen den Zellen ist in vielen Ausführungsformen minimal.
Ebenso können
die Schäume über einen
Bereich von Dichten erzeugt werden. Insbesondere können Schäume mit
relativ hoher Dichte erzeugt werden, die Eigenschaften aufweisen,
die mit festen, ungeschäumten
Kunststoffen vergleichbar sind:
die vorliegende Erfindung kann
einen Schaum-Gegenstand zur Verfügung
stellen, der eine Matrix aus Polymer-Material, welches eine Vielzahl
von Zellen beinhaltet und welches im Wesentlichen aus hochdichtem
Polyethylen besteht und im Wesentlichen frei von Resten des chemischen
Treibmittels und von Reaktions-Nebenprodukten des chemischen Treibmittels
ist, beinhaltet. Der Gegenstand weist eine Form auf, die im Wesentlichen
identisch ist mit dem eines kontinuierlichen Extrudats oder des
Inneren einer Form.
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Die
Erfindung kann ein Verfahren zum Ausformen eines Schaum-Gegenstands zur Verfügung stellen, welches
den Schritt des Förderns
des Polymer-Materials in einer stromabwärtigen Richtung in einer Polymer-Bearbeitungsvorrichtung
beinhaltet. Das Polymer-Material besteht im Wesentlichen aus hochdichtem
Polyethylen. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren die Schritte
des Einführens
eines physikalischen Treibmittels in das Polymer-Material in der
Polymer-Bearbeitungsvorrichtung und das Ausformen eines Schaum-Gegenstands
aus dem Polymer-Material.
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Die
Erfindung stellt ebenso ein Verfahren zum Erzeugen von HDPE-Schäumen mit
einem physikalischen Treibmittel zur Verfügung. In vielen Schaum-Verfahren
ist es vorteilhaft, physikalische Treibmittel anstelle der chemischen
Treibmittel zu verwenden. Beispielsweise werden physikalische Treibmittel
oft weniger teuer sein als chemische Treibmittel. Zusätzlich führen physikalische
Treibmittel nicht reaktive Materialien in den Gegenstand ein, die
mit dem effektiven Recycling der Gegenstände wechselwirken könnten. Schließlich sind Verfahren,
die physikalische Treibmittel verwenden, effizienter und verlässlicher
und hängen
nicht von einer chemischen Reaktion ab, um die Menge an während des
Ausform-Prozesses freigegebenem Treibmittel zu bestimmen.
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Darüber hinaus
stellt die Erfindung einen HDPE-Schaum zur Verfügung, der niedrige Mengen von oder
im Wesentlichen frei von restlichen chemischem Treibmittel und Reaktions-Nebenprodukten der
chemischen Treibmittel ist. In einigen Fällen ist das Vorliegen von
Resten von chemischen Treibmitteln und deren Reaktions-Nebenprodukten
in einem Material schädlich
und kann dessen Verwendung beschränken. Die HDPE-Schäume in Übereinstimmung
mit der Erfindung sind vorteilhafter Weise für Anwendungen sowie Lebensmittel-Verpackungen geeignet
und können
ohne nachteilige Effekte leicht recycelt werden.
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Die
Erfindung kann spezifische Blaskopf -Designs zur Verfügung stellen,
die zur Erzeugung von Mikrozellular-Polymer-Extrudaten hoher Qualität verwendbar
sind. Der Blaskopf kann als Teil eines Systems einer Extrusion bereitgestellt
werden. Der Blaskopf beinhaltet einen nukleierenden Durchgang, der
im Querschnitt in einer stromabwärtigen
Richtung mit einem eingeschlossenen Winkel von größer als
4° absinkt.
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Ein
derartiger Blaskopf kann einen nukleierenden Durchgang beinhalten,
der derart aufgebaut ist, dass wenn eine einphasige, nicht nukleierte
Lösung
eines Polymer-Materials sowie eines Treibmittels in den Blaskopf
eingeführt
und durch den Blaskopf bei einer Fließrate von etwa 45,5 kg (100
Pounds) pro Stunde hindurchgefördert
wird, die Keimbildung der Lösung
eintritt, um einen nukleierten Polymer-Strom auszubilden, der von
dem Blaskopf in einer Zeitperiode von nicht mehr als etwa 0,002
Sekunden nach der Keimbildung freigegeben wird.
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Die
Erfindung kann ein Verfahren zur Verfügung stellen, welches das Einführen einer
einphasigen, nicht nukleierten Lösung
aus Polymer-Material und Treibmittel in einen Polymer-Ausformblaskopf einbezieht. Innerhalb
des Blaskopfs wird die Lösung
nukleiert, um einen nukleierten Polymer-Strom auszubilden. Der Strom
wird als Polymer-Mikrozellular-Extrudat von einem Auslass der Blaskopf
in einer Zeitperiode von nicht mehr als 0,002 Sekunden nach der
Keimbildung freigegeben.
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Andere
Vorteile, neue Merkmale sowie Ziele der Erfindung werden aus der
folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung ersichtlich,
wenn sie in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet
wird, welche schematisch sind und nicht dafür vorgesehen sind, maßstabgerecht
zu sein. In den Figuren wird jede identische oder nahezu identische
Komponente, die in den verschiedenen Figuren dargestellt ist, mittels
eines einzelnen Bezugszeichens dargestellt. Aus Gründen der
Klarheit ist nicht jede Komponente in jeder Figur gekennzeichnet
und es ist nicht jede Komponente jeder Ausführungsform der Erfindung gezeigt,
wenn die Darstellung nicht notwendig ist, um dem Fachmann das Verständnis der
Erfindung zu erlauben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Einspritz-Blasausform-Systems;
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2 ist
eine schematische Darstellung einer Presse für das Einspritz-Blasausform-Systems
in 1;
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3 ist
eine schematische Darstellung der Blaskopf aus 2,
der so eingestellt ist, dass der vergleichsweise dickeres Mikrozellular-Material
extrudiert;
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4 ist
eine schematische Darstellung einer andere Ausführungsform des Blaskopfs aus 2;
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5 stellt
eine Treibmittel-Zufuhr-Öffnungsanordnung
sowie eine Extrusions-Schraube dar;
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6 stelle
eine alternative Ausführungsform
eines Extrusions-Systems zur Erzeugung eines Mikrozellular-Schaums dar;
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7 ist
eine Fotokopie einer SEM-Gefügeaufnahme
eines Querschnitts des in Beispiel 4 produzierten Materials;
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8 ist
eine Fotokopoie eines SEM-Gefügebilds
eines Querschnitts des in Beispiel 5 produzierten Materials;
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9 ist
eine Fotokopoie eines SEM-Gefüge
Bilds eines Querschnitts des in Beispiel 6 produzierten Materials;
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10 ist
eine Fotokopie eines SEM-Gefügebilds
eines Querschnitts des in Beispiel 7 produzierten Materials;
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11 ist
eine Fotokopie eines SEM-Gefügebilds
eines Querschnitts des in Beispiel 8 produzierten Materials;
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12 ist
eine Fotokopie eines SEM-Gefügebilds
eines Querschnitts des in Beispiel 9 produzierten Materials; und
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13 ist
eine Fotokopie eines SEM-Gefügebilds
eines Querschnitts des in Beispiel 10 produzierten Materials.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
gemeinsam eigene, anhängige
internationale Patentveröffentlichung
Nr. WO 98/08667, die am 5. März
1998 veröffentlicht
wurde, die gemeinsam eigene, anhängige
internationale Patent-Veröffentlichung
Nr. 98/31521, die am 23. Juli 1998 veröffentlicht wurde, die gemeinsam
eigene, anhängige
vorläufige
US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 60/068,173 mit dem Titel "Microcellular Extrusion/Blo
Molding Process and Article Made thereby", die am 19. Dezember 1997 angemeldet
wurde, die gemeinsam eigene, anhängige provisorische
US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 60/107,754 mit dem Titel "Microcellular Extrusion/Blow
Molding Process and Article Made Thereby", die am 10. November 1998 angemeldet
wurde, enthalten eine verwandte Offenbarung.
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Die
verschiedenen Ausführungsformen
und Aspekte der Erfindung werden besser aus den nachfolgenden Definitionen
verständlich.
Wie hierin verwendet, definiert der Begriff "Keimbildung" ein Verfahren, bei dem eine homogene,
einphasige Lösung
aus Polymer-Material, in dem Moleküle einer Spezies verteilt sind, welche
unter Umgebungs-Bedingungen ein Gas bilden, eine Ausbildung von
Clustern von Molekülen
dieser Spezies, die "Keimbildungs-Orte" definieren, von
denen aus die Zellen wachsen werden, unterzogen sind. Das bedeutet,
dass "Keimbildung" einen Wechsel von
einer homogenen, einphasigen Lösung
zu einer Mischung bedeutet, in der Orte der Ansammlung von zumindest
einigen Molekülen
eines Treibmittels ausgebildet sind. Keimbildung definiert den Übergangszustand,
wenn Gas in einer Lösung
in einer Polymer-Schmelze aus der Lösung ausfällt, um eine Suspension von
Bläschen
innerhalb der Polymer-Schmelze auszubilden. Üblicherweise wird dieser Übergangszustand
durch Veränderung
der Löslichkeit
der Polymer-Schmelze von einem Zustand von ausreichender Löslichkeit,
eine bestimmte Menge an Gas in Lösung
zu halten, zu einem Zustand nicht ausreichender Löslichkeit,
die gleiche Menge an Gas in Lösung
zu halten, bewirkt. Die Keimbildung kann durch Unterziehen der homogenen,
einphasigen Lösung
einem rapiden thermodynamischen Ungleichgewicht, so wie beispielsweise
einer schnellen Temperatur-Veränderung,
einem schnellen Druckabfall oder beidem bewirkt werden. Ein schneller
Druckabfall kann unter Verwendung eines Keimbildungs-Durchgangs,
wie er weiter unten definiert wird, erzeugt werden. Ein schneller
Temperaturwechsel kann beispielsweise unter Verwendung eines erhitzten
Abschnitts eines Extruders oder unter Verwendung eines heißen Glycerin-Bads bewirkt werden.
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Ein "Treibmittel" ist ein dispergiertes
Agens, sowie Talk oder andere Füllstoff-Partikel,
die zu einem Polymer hinzugefügt
werden und in der Lage sind, die Bildung von Keimbildungs-Orten aus einer einphasigen, homogenen
Lösung
zu unterstützen.
Somit definieren die "Keimbildungs-Orte" nicht Orte innerhalb
eines Polymers, an denen Treibmittel-Partikel anwesend sind. Ein "Füllstoff" ist ein dispergierter Partikel, der
hinzugefügt
wurde, um festen Kunststoff zu ersetzen.
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"Nukleiert" bezieht sich auf
einen Zustand eines flüssigen
Polymer-Materials, welches eine einphasige, homogene Lösung enthalten
hatte, welche eine gelöste
Spezies, die unter Umgebungs-Bedingungen ein Gas darstellt, beinhaltete,
nachfolgend an einen Anlass (typischerweise ein thermodynamisches
Ungleichgewicht), welches zur Ausbildung von Keimbildungs-Orten
führte. "Nicht-nukleiert" bezieht sich auf
einen Zustand, der durch eine homogene, einphasige Lösung eines
Polymer-Materials und gelöster
Spezies definiert ist, die unter Umgebungs-Bedingungen ein Gas ist,
sowie durch die Abwesenheit von Keimbildungs-Orten. Ein "nicht-nukleiertes" Material kann ein
Treibmittel sowie Talkum beinhalten.
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Eine "Polymer-Material/Treibmittel-Mischung" kann eine einphasige,
nicht-nukleierte Lösung
aus zumindest sowohl der nukleierten Lösung von zumindest zwei oder
einer Mischung, in der Treibmittel-Zellen gewachsen sind, sein.
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"Ein "Mikrozellular-Material" mit im Wesentlichen
geschlossenen Zellen" bezeichnet
ein Material, das bei einer Dicke von etwa 200 Mikrometern keinen
verbundenen Zell-Durchgang
durch das Material enthält.
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"Keimbildungs-Durchgang" soll einen Durchgang
definieren, der einen Teil einer Extrusions-Vorrichtung für einen
mikrozellularen Polymer-Schaum ausbildet und in dem die Vorrichtung
so gestalte ist, dass sie den Druck einer einphasigen Lösung aus
Polymer-Material, der das Treibmittel zugemischt wurde, in dem System
unter dem Sättigungsdruck
für die
Konzentration des jeweiligen Treibmittel bei einer Rate von oder
Raten, die eine schnelle Keimbildung erleichtern, betrieben wird
(typischerweise bei Drücken
von etwa 100 bis etwa 2000 Bar bis etwa 1500 bis etwa 30000 psi
stromaufwärts
des Nukleators und bei Fliesraten von größer als etwa 4,54 kg (10 Pounds)
von Polymer-Material pro Stunde. Ein Keimbildungs-Durchgang definiert
optional mit anderen Keimbildungs-Durchgängen eine Keimbildung oder
Keimbildungs-Region einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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"Verstärkungs-Agens", wie es hierin verwendet
wird, bezieht sich auf Hilfs-, im Wesentlichen festes Material,
welches so aufgebaut und angeordnet ist, dass es eine Dimensions-Stabilität oder Festigkeit
oder Stärke
zu dem Material hinzufügt.
Derartige Agenzien werden durch fasrige Materialien verkörpert, wie
sie in den US-Patenten mit den Nummern 4,643,940 und 4,426,470 beschrieben
sind. "Verstärkungs-Agens" beinhaltet definitionsgemäß nicht
notwendigerweise Füllstoffe
oder andere Additive, die nicht so aufgebaut und angeordnet sind,
dass sie eine Dimensions-Stabilität hinzufügen. Der Fachmann kann ein
Additiv testen, um festzustellen, ob es ein Verstärkungs-Agens
in Verbindung mit einem bestimmten Material ist.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
wird ein Mikrozellular-Material
gemäß der Erfindung
produziert, welches eine durchschnittliche Zellgröße von weniger
als etwa 60 Mikrometer oder 50 Mikrometer aufweist. In einigen Ausführungsformen
wird eine besonders kleine Zellgröße gewünscht und in diesen Ausführungsformen
weist das Material gemäß der Erfindung
eine durchschnittliche Zellgröße von weniger
als etwa 30 Mikrometer, besonders bevorzugt als etwa 20 Mikrometer,
und insbesondere bevorzugt weniger als etwa 10 Mikrometer, und ganz
besonders bevorzugt weniger als etwa 5 Mikrometer auf. Das Mikrozellular-Material
hat vorzugsweise eine maximale Zellegröße von etwa 100 Mikrometer
oder vorzugsweise weniger als etwa 75 Mikrometer. In Ausführungsformen,
bei denen eine besonders kleine Zellgröße erwünscht ist, kann das Material
eine maximale Zellgröße von etwa
50 Mikrometer, besonders bevorzugt etwa 35 Mikrometer und ganz besonders bevorzugt
etwa 25 Mikrometer aufweisen. Eine Reihe von Ausführungsformen
beinhaltet sämtliche
Kombinationen dieser gekennzeichneten durchschnittlichen Zellgrößen und
maximalen Zellgröße. Beispielsweise
beinhaltet eine Ausführungsform
in dieser Reihe von Ausführungsformen
ein Mikrozellular-Material, welches eine durchschnittliche Zellgröße von weniger
als etwa 30 Mikrometer mit einer maximalen Zellgröße von etwa
40 Mikrometer aufweist, und als ein anderes Beispiel eine durchschnittliche
Zellgröße von weniger
als etwa 30 Mikrometer mit einer maximalen Zellgröße von etwa
35 Mikrometer. Das bedeutet, dass ein Mikrozellular-Material, welches
für eine
Vielzahl von Zwecken ausgestaltet ist, mit einer besonderen Kombination
von durchschnittlicher Zellgröße und maximaler
Zellgröße vorzugsweise
für diese
Zweck erzeugt werden kann. Die Steuerung der Zellgröße wird
detaillierter im Folgenden beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung kann ein System sowie Techniken zur Extrusions-Blasausformung
von mikrozellularen und anderen Polymer-Schaum-Materialien sowie
Mikrozellular-Extrudaten, die zum Blasausformen geeignet sind, das
bedeutet, Extrudate, die Blasausform-Bedingungen, wie sie hierin
beschrieben wurden, unterworfen werden können, um Gegenstände, wie
sie hierin beschrieben sind, zu produzieren, zur Verfügung stellen.
Insbesondere stellt die Erfindung Techniken zur Herstellung von
leichtgewichtigen, starken Mikrozellular-Gegenständen zur Verfügung, die
blasausgeformt werden können,
um Mikrozellular-Polymer-blasgeformte
Extrudate auszubilden, die besonders dünne Wände aufweisen. Es ist ein Merkmal,
dass Gegenstände
gemäß der Erfindung
produziert werden können,
die frei von nicht geschäumtem,
die Struktur abstützenden
Material sind, welches so positioniert ist, dass es den Schaum-Gegenstand
stützt.
Dies bedeutet, dass wo beispielsweise eine Kunststoffflasche produziert
wird, die Wände
der Flasche vollständig
aus einem Mikrozellular-Schaummaterial ohne Hilfsschicht aus festem
abstützenden
Kunststoff zusammengesetzt werden kann.
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Die
Erfindung bezieht die Entdeckung ein, dass Mikrozellular-Material die mit
bestimmten Techniken gemäß dem Stand
der Technik verbundenen Probleme, insbesondere die Probleme beim
Blasausformen, welche mit der inhärenten relativen Schwäche der
konventionellen thermoplastischen Polymer-Schäume verbunden sind, überkommt.
Mikrozellular-Material gemäß der vorliegenden
Erfindung kann überraschenderweise bei
relativ hohen Drücken
und insbesondere bei einem Druck von zumindest etwa 1,5 bar innerhalb
eines Mikrozellular-Extrudats, in einigen Fällen von zumindest etwa 2,5
bar, in einigen Fällen
von zumindest etwa 5 bar, in einigen Fällen von zumindest etwa 7 bar
und in einigen Fällen
von zumindest etwa 10 bar internem Druck des Extrudats blasausgeformt
werden. Diese Festigkeit wird auch in Mikrozellular-Extrudaten erzielt,
die zumindest einige Abschnitte mit einem Lückenvolumen von zumindest etwa 5%,
vorzugsweise etwa zumindest etwa 10%, vorzugsweise von zumindest
etwa 20%, besonders bevorzugt von zumindest etwa 30% und in einigen
Fällen
so hoch wie zumindest etwa 50% oder zumindest etwa 70% auch ohne
Verstärkungs-Agenzien aufweisen,
und während
dem Ausformen von schließlichen
Mikrozellular-Schaumprodukten
mit dünnen
Wänden,
insbesondere bei den im Folgenden beschriebenen Dicken. In dieser
Beziehung werden mikrozellular-blasgeformte Gegenstände mit
weniger als etwa 10 Gew-% Verstärkungs-Agenzien,
besonders bevorzugt weniger als etwa 5% Verstärkungs-Agenzien und besonders
bevorzugt weniger als etwa 2% produziert, und ganz besonders bevorzugte
Ausführungsformen
der Gegenstände
gemäß der Erfindung
sind im Wesentlichen frei von Verstärkungs-Agenzien.
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Es
wurde ebenso überraschend
herausgefunden, dass Mikrozellular-Schaum-Extrudate gemäß der Erfindung
unter relativ schwierigen Bedingungen ohne signifikante Veränderungen
der Dichte des Materials blasgeformt werden können. Speziell kann ein Schaum-Extrudat
gemäß der Erfindung
Blasausform-Bedingungen von zumindest etwa 1 bar (15 psi) oder 1,2
bis 1,34 bar (18 oder 20 psi) oder anderen Drücken, wie sie hierin beschrieben
sind, unterworfen werden, wodurch zumindest ein Teil des Extrudats
um zumindest etwa 50% expandiert wird und einen blasausgeformten
Gegenstand ausbildet, während
eine relativ konstante Dichte in dem Material beibehalten wird,
die Dichte des Extrudats um nicht mehr als etwa 20% ausgehend vom Extrudat
zum blasgeformten Gegenstand angehoben wird. In bevorzugten Ausführungsformen
wird zumindest ein Abschnitt des Extrudats um zumindest etwa 75%,
100%, 150%, 200%, 300% oder zumindest etwa 400% im Umfang expandiert,
während
die Dichte des Extrudats um nicht mehr als etwa 15%, 10%, 8%, 5%
oder vorzugsweise 3% angehoben wird.
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Ohne
den Wunsch, durch irgendeine Theorie gebunden zu sein, wird vermutet,
dass das Mikrozellular-Material gemäß der Erfindung insbesondere
geeignet ist für
vergleichsweise harte Bedingungen des Blasausformens, da die Zellen
gemäß der Erfindung
mit sehr kleiner Größe nicht
einfach zermahlen oder auf andere Art zerstört werden können. Es wird vermutet, dass sobald
die Größe der Zellen
abnimmt, die zur Kollabierung einer einzelnen Zelle erforderliche
Kraft signifikant angehoben wird.
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Der
Blaskopf gemäß der Erfindung
kann so geformt und gesteuert sein, dass er blasgeformte Gegenstände produziert,
die Abschnitte mit unterschiedlichen Dicken und Abschnitte mit unterschiedlichen
Leervolumina aufweisen. Beispielsweise kann ein blasausgeformte
Flasche mit quadratischem Querschnitt ausgeformt werden, die Abschnitte
aufweist, die deren Ecken definieren und dicker als die verbleibenden
Abschnitte der Flaschenwand sind. Die dickeren Abschnitte können beispielsweise
ein Leervolumen von 50% aufweisen und die dünnere Wand kann ein Leervolumen
von etwa 10% aufweisen. Diese dickeren Abschnitte sind Verstärkungs-Abschnitte.
Verstärkungs-Abschnitte
können
ebenso an Ecken vorgesehen sein, die die Grenze zwischen der Flaschenwand
und dem Flaschenboden oder der Flaschenwand und dem Flaschenhals
oder vertikale Ecken oder sämtliche
dieser Orte definieren.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
die Erzeugung starker, dünnwandiger
Gegenstände,
die ohne die Verwendung von Trübungsmitteln
opak sein können.
Dies liegt daran, dass Polymer-Schaum Licht beugt, so dass es im
Wesentlichen opak ist und eine weiße Erscheinung aufweist. Es
ist ein Merkmal der Erfindung, das mikrozellulare Schäume mehr
und gleichmäßiger opak
sind als konventionelle Schäume.
Dies ist ein signifikanter Vorteil in Verbindung mit Gegenständen, die
so aufgebaut und angeordnet sind, dass sie Material enthalten, das
unter Lichteinfluss einer Zerstörung
unterliegt, so wie Lebensmittel-Behälter. Solches Material kann
Lebensmittel beinhalten, die durch Tiere sowie Menschen konsumierbar
sind und Vitamine enthalten, welche unter Lichteinfluss zerstört werden
können.
In einer bevorzugten Ausführungsform
stellt die Erfindung mikrozellulare blasausgeformte Milch-Behälter zur
Verfügung,
da insbesondere bekannt ist, dass die in Milch enthaltenen Vitamine
unter Einfluss von fluoreszierendem Licht verloren gehen können. Milchflaschen-Behälter-Produzenten
sollen Pigmente in Milchflaschen einfügen, typischerweise Milchflaschen
aus hochdichtem Polyethylen, um so die Milch vor dem die Vitamine
zerstörendem
Licht zu schützen.
Jedoch ist pigmentiertes Polymer-Material für das Recycling weniger geeignet.
Die vorliegende Erfindung stellt in einer Ausführungsform dünne, opake,
blasausgeformte Behälter
zur Verfügung,
die weniger als etwa 1 Gew-% Hilfs-Trübungsmittel, vorzugsweise weniger
als etwa 0,05 Gew-% Hilfs-Trübungsmittel
und insbesondere bevorzugt ein Material, das im Wesentlichen frei
von Hilfs-Trübungsmitteln
ist, zur Verfügung. "Hilfs-Trübungsmittel" soll in der vorliegenden
Erfindung Pigmente, Mikroplättchen
oder andere Spezies definieren, die dazu gestaltet sind, speziell
Licht zu absorbieren, oder Talkum oder andere Materialien, die Licht
abblocken oder beugen können.
Der Fachmann kann jedoch testen, ob ein Additiv ein Trübungsmittel
ist oder nicht. Mikrozellular-blasgeformte Gegenstände gemäß der Erfindung
haben die Erscheinung eines im Wesentlichen festen, weißen Kraftstoff-Gegenstands,
was einen signifikanten kommerziellen Anreiz bietet.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
wird das Material gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem physikalischen Treibmittel sowie einem Atmosphären-Gas,
insbesondere Kohlendioxid, aufgeblasen und somit erfordert diese
Ausführungsform
nicht zusätzliche
Kosten und die Komplizierung der Formulierung eines Polymer-Zwischenprodukts,
um ein chemisches Treibmittel einzuschließen, d.h. eine Spezies, die
unter Extrusions-Bedingungen
reagieren wird, um ein Treibmittel auszuformen. Da Schäume, die
mit chemischen Treibmitteln aufgeschäumt sind, inhärent einen
Rest nicht-reagierten chemischen Treibmittels beinhalten, nachdem
ein schlussendliches Schaum-Produkt erzeugt wurde, sowie chemische
Nebenprodukte der Reaktion, die das Treibmittel ausbildet, beinhalten
Materialien gemäß der Erfindung
in diesem Satz von Ausführungsformen
Reste an chemischem Treibmittel oder Reaktions-Nebenprodukten von
chemischen Treibmitteln in einer Menge von weniger als etwa der,
die inhärent
in Gegenständen
aufgefunden werden, die mit 0,1 Gew-% chemischem Treibmittel oder
mehr, vorzugsweise in einer Menge von weniger als der Menge, die
inhärent
in Gegenständen aufgefunden
wird, die mit 0,05 Gew-% chemischem Treibmittel oder mehr aufgeschäumt wurden.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen
ist das Material dadurch gekennzeichnet, dass es im Wesentlichen
frei von Resten chemischen Treibmittels oder frei von Reaktions-Nebenprodukten
des chemischen Treibmittels ist. Dies bedeutet, dass sich weniger
Reste an chemischem Treibmittel oder Nebenprodukten beinhalten als
die, die inhärent
in Gegenständen
aufgefunden werden, die mit irgendeinem chemischen Treibmittel aufgeschäumt sind.
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Ein
Vorteil der Ausführungsformen,
bei denen chemisches Treibmittel nicht oder in sehr geringen Mengen
verwendet wird, ist der, dass die Recycelfähigkeit des Produkts maximiert
wird. Die Verwendung eines chemischen Treibmittels reduziert typischerweise
die Attraktivität
des Polymers für
das Recycling, da Reste an chemischem Treibmittel und Treibmittel-Nebenprodukten zur
Nicht-Einheitlichkeit des recycelfähigen Materialpools beiträgt.
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Wie
erwähnt,
stellt die vorliegende Erfindung in einigen Ausführungsformen das Blasausformen
von Gegenständen
mit relativ hohen Leervolumina, die dünne Wände aufweisen, zur Verfügung. Insbesondere weisen
die Gegenstände
gemäß der Erfindung
eine Wanddicke von weniger als etwa 2,54 mm (0,100 Inch), besonders
bevorzugt von weniger als etwa 1,9 mm (0,075 Inch), insbesondere
bevorzugt weniger als 1,27 mm (0,050 Inch), besonders bevorzugt
weniger als etwa 1,01 mm (0,040 Inch), und in einigen Fällen weniger
als 0,63 mm (0,38 mm oder 0,25 mm (0,025 Inch, 0,015 Inch, oder
0,010 Inch) oder weniger auf. In einer Reihe von Ausführungsformen
gemäß der Erfindung
stellt die Lösung
der mit der Extrusion von Polymer-Schaum-Extrudaten, die eine Vielzahl von konventionellen
Zellgrößen aufweisen,
verbundenen Probleme zuzüglich
zur Mikrozellular-Extrudaten
für das
Blasausformen, die in der Dicke oder Dichte variiert werden müssen, dar.
In dieser Reihe von Ausführungsformen
stellt die Erfindung Techniken zur Erzeugung eines Polymer-Schaum-Extrudats
zur Verfügung,
welches Mikrozellular sein kann und in der Dicke und/oder in der
Materialdichte entlang seiner Länge
variiert. Speziell weist das bevorzugt extrudierte Polymer-Schaum-Extrudat einen
ersten Abschnitt sowie einen zweiten Abschnitt auf, der von dem
ersten Abschnitt in der Extrudat-Maschinenrichtung beabstandet ist,
wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt in der Dicke
um einen Faktor von zumindest etwa 1,1 differieren. In anderen Ausführungsformen
unterscheiden sich der erste und der zweite Abschnitt in der Dicke
um einen Faktor von zumindest 1,3, 1,5 oder 1,7. Die ersten und
zweiten Abschnitte können
in ihrer Materialdichte um einen Faktor von etwa 1,1 differieren
und in anderen Ausführungsformen
um einen Faktor von zumindest etwa 1,3, 15, oder 1,7. Das Extrudat
ist zum Blasformen geeignet, um einen Gegenstand zu produzieren,
der einen ersten Abschnitt, der zu einem ersten Maß expandiert
ist, sowie einen zweiten Abschnitt, der zumindest 1,5 mal dem ersten
Maß expandiert
ist, zu expandieren, wobei die ersten und zweiten Abschnitte nach
der Expansion sich sowohl in der Dicke, der Metalldichte als auch
der Zellular-Dichte um nicht mehr als etwa 5% unterscheiden. In
dieser Technik wird ein Polymer-Extrusionsblaskopf zur
Verfügung
gestellt, der so aufgebaut und angeordnet ist, dass eine fließende, einphasige
Lösung
aus geschmolzenen Polymer-Material und physikalischem Treibmittel,
welches unter Atmosphären-Bedingungen Gas
ist, einer gleichmäßigen Druckabfallrate
unterzieht, während
der kreisförmige
Spalt an dem Ausgang des Blaskopfs die Produktion von Mikrozellular-Polymer-Schaum-Extrudat
erleichtert, welches über
seine Länge
in der Dicke variiert. Der Blaskopf ist bei diesem Ziel dann effektiv,
wenn er eine physikalische Trennung der Keimbildung von der Formgebung
bereithält.
Das bedeutet, dass die Keimbildung in einer gleichmäßigen Weise
(einer im Wesentlichen konstante Druckabfallrate) stromaufwärts der
Formgebung eintritt, wodurch eine unterschiedliche Formgebung die
Zellgröße, Zelldichte
oder Materialdichte im Wesentlichen nicht beeinflusst. Alternativ
oder zusätzlich
kann das Extrudat während
der Extrusion unterschiedlichen Temperaturen unterworfen werden,
was in einer unterschiedlichen Materialdichte als Funktion der Position
in der Maschinenrichtung resultiert.
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Mit
Bezug auf 1 wird ein Extrusions-Blasform-System 6 schematisch
dargestellt. Das System 6 beinhaltet einen Extruder 30,
der rieselfähig
mit einem Blasform-Extrusionsblaskopf 10 verbunden
ist, sowie eine Blasform 12, die so positionierbar ist,
dass sie ein Extrudat aus Mikrozellular-Material von dem Auslass des
Blaskopfs aufnimmt. Die Blasform 12 kann eine konventionelle
Form sein und wird hierin nicht detailliert beschrieben, ausgenommen,
dass die Schaum-Extrudate gemäß der Erfindung
ohne Erhitzung blasgeformt werden können, wodurch die Form 12 nicht
zusätzliche
Heizsysteme beinhalten muss. Das bedeutet, dass ein Schaum-Extrudat
gemäß der Erfindung,
vorzugsweise ein Mikrozellular-Schaum-Extrudat, extrudiert und anschließend in
der Form 12 ohne Aufbringen von Wärme auf das Extrudat in der
Form blasgeformt werden kann. Der Extruder 30 beinhaltet
einen Lauf 39, der ein erstes, stromaufwärtiges Ende 37 sowie
ein zweites, stromabwärtiges
Ende 36 aufweist und mit dem Blaskopf 10 verbunden
ist. Zur Rotation innerhalb des Laufs 39 ist eine Schraube 38 befestigt
und an ihrem stromaufwärtigen
Ende mit einem Antriebsmotor 40 wirkverbunden. Obwohl dies
nicht im Detail gezeigt ist, beinhaltet die Schraube 38 Abschnitte
zur Zufuhr, zum Übergang,
zur Gasinjektion, zum Vermischen und zum Dosieren. Ein Polymer-Bearbeitungsraum 35 ist
zwischen der Schraube und dem Lauf definiert, in dem das Polymer-Material
stromabwärts
gedrängt
wird.
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Optional
sind entlang des Laufs 39 Temperatur-Steuereinheiten 42 positioniert.
Die Steuereinheiten 42 können elektrische Heizelemente
sein, können
Durchgänge
für für Temperatur-Steuerungsflüssigkeit
und dergleichen beinhalten. Die Einheiten 42 können dazu
verwendet werden, einen Strom pelletierten oder flüssigen Polymer-Materials
innerhalb des Laufs aufzuheizen, um das Schmelzen zu erleichtern,
und/oder den Strom zu kühlen,
um die Viskosität
oder in einigen Fällen
die Löslichkeit
des Treibmittel zu steuern. Die Temperatur-Steuereinheiten können an unterschiedlichen Orten
entlang des Laufs unterschiedlich betrieben werden, d.h., um an
einigen oder mehreren Orten aufzuheizen und an einem oder mehreren
unterschiedlichen Orten abzukühlen.
Jede Anzahl von Temperatur-Steuereinheiten kann vorgesehen sein.
Die Temperatur-Steuereinheiten können
ebenso angebracht sein, um einen Blaskopf aufzuheizen, mit der das
Extrusions-System verbunden ist.
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Der
Lauf 39 ist so aufgebaut und angeordnet, dass er ein Zwischenprodukt
aus Polymer-Material aufnimmt. Der Begriff "Zwischenprodukt aus Polymer-Material", wie er hierin verwendet
wird, ist so gemeint, dass er alle Materialien beinhaltet, die fluid
sind oder ein Fluid ausbilden können,
und die anschließend
aushärten können, um
einen mikrozellularen Gegenstand auszubilden. Typischerweise wird
das Zwischenprodukt durch thermoplastische Polymer-Pellets definiert,
kann jedoch auch andere Spezies beinhalten. Beispielsweise kann in
einer Ausführungsform
das Zwischenprodukt durch Spezies definiert sein, die reagieren
werden, um mikrozellulares Polymer-Material, unter einer Vielzahl
von Bedingungen auszubilden. Die Erfindung ist so gedacht, dass
sie die Erzeugung von mikrozellularem Material aus jeder Kombination
von Spezies, die zusammen reagieren können, um ein Polymer auszubilden,
typischerweise monomere oder polymere Zwischenprodukte mit niedrigem
Molekulargewicht, die wenn die Reaktion eintritt, vermischt und
aufgeschäumt
werden, umfassen soll. Vorzugsweise wird ein thermoplastisches Polymer
oder eine Kombination thermoplastischer Polymere aus amorphem, semikristallinem
und kristallinem Material ausgewählt,
welches Polyaromate sowie styrene Polymere inklusive Polystyrene,
Polyolefine sowie Polyethylen und Polypropylen, Fluoropolymere,
vernetzbare Polyolefine, sowie Polyamide beinhaltet.
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Typischerweise
verwendet die Einführung
eines vor-polymeren Zwischenprodukts einen Standard-Bunker 44,
der pelettiertes in den Extruder-Lauf durch die Öffnung 46 zuzuführendes
polymeres Material enthält,
obwohl ein Zwischenprodukt ein fluides prepolymeres Material sein
kann, welches durch eine Öffnung injiziert
wird und innerhalb des Laufs beispielsweise über Hilfs-Polymerisations-Agenzien
polymerisiert werden kann. Im Zusammenhang mit der vorliegenden
Erfindung ist es nur wichtig, dass ein fluider Strom von polymerem
Material in dem System etabliert werden kann. Von dem Bunker 44 werden
die Pellets in der Zufuhrsektion der Schraube aufgenommen und in
einer stromabwärtigen
Richtung in den Polymer-Bearbeitungsraum 35 gefördert, wenn
sich die Schraube dreht. Hitze von dem Extrusions-Lauf 39 sowie
die Scherkräfte,
die beim Drehen der Schraube auftreten, agieren so, dass sie die
Pellets innerhalb des Übergangsabschnitts
aufweichen. Typischerweise sind die aufgewichten Pellets zum Ende
des ersten Mischabschnitts gelatiert, d.h. zusammengeschmolzen,
um einen gleichmäßigen Fluid-Strom
auszubilden, der im Wesentlichen frei von Lufteinschlüssen ist.
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Direkt
stromabwärts
des stromabwärtigen
Endes 48 der Schraube 38 in 1 liegt
eine Region 50 vor, die eine Temperatur-Einstell- sowie Steuer-Region, Hilfs-Mischregion,
Hilfs-Pumpregion
oder dergleichen sein kann. Beispielsweise kann die Region 50 Temperatur-Regeleinheiten
beinhalten, um die Temperatur eines fluiden Polymerstroms vor der
Keimbildung, wie dies unten beschrieben wurde, einzustellen. Die
Region 50 kann anstelle dessen oder zusätzlich zusätzliche Standard-Mischeinheiten (nicht
gezeigt) oder eine Fließ-Steuereinheit
sowie eine Zahnradpumpe (nicht gezeigt) beinhalten. In einer anderen
Ausführungsform kann
die Region 50 durch eine zweite Schraube in einem Tandem
ersetzt werden, welche eine Kühlregion
beinhalten kann.
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Die
Produktion von Mikrozellular-Material gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet vorzugsweise ein physikalisches Treibmittel, d.h. ein
Agens, das unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist. Jedoch können chemische
Treibmittel verwendet werden und können mit in den Bunker 44 eingeführten Polymer-Pellets
formuliert sein. Geeignete chemische Treibmittel beinhalten diejenigen,
die typischerweise organische Verbindungen mit vergleichsweise niedrigem
Molekulargewicht beinhalten, die sich bei einer kritischen Temperatur oder
einer anderen Bedingung, die bei der Extrusion erreichbar ist, zersetzen
und ein Gas oder Gase sowie Stickstoff, Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid
freigeben. Beispiele beinhalten Azo-Verbindungen sowie Azo-Dicarbonamide.
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In
Ausführungsformen,
in denen ein physikalisches Treibmittel verwendet wird, ist entlang
des Laufs 39 des Extruders 30 ein Anschluss 54 in
Fluid-Wirkverbindung mit einer Quelle 46 eines physikalischen
Treibmittels. Jedes einer breiten Vielzahl dem Fachmann bekannter
physikalischer Treibmittel sowie Hydrocarbone, Chlorofluorcarbone,
Stickstoff, Kohlendioxid und dergleichen sowie Mischungen können in
Verbindung mit der Erfindung verwendet werden und gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
stellt eine Quelle 56 Kohlendioxid oder Stickstoff oder
eine Mischung hiervon als Treibmittel zur Verfügung. Überkritische fluide Treibmittel werden
bevorzugt, insbesondere überkritisches
Kohlendioxid und/oder Stickstoff. In besonders bevorzugten Ausführungsformen
wird jeweils nur Kohlendioxid oder Stickstoff verwendet. Wo ein überkritisches
fluides Treibmittel verwendet wird, wird eine einphasige Lösung von
Polymer-Material und Treibmittel erzeugt, welche eine Viskosität aufweisen,
die zu dem Grad reduziert wurde, dass die Extrusion und das Blasausformen
auch mit Material eines Schmelzflusses von nicht mehr als etwa 0,2
g/10 min gut erreicht wird. Eine Druck- und Messvorrichtung 58 wird
typischerweise zwischen der Treibmittelquelle 56 und dem
Anschluss 54 zur Verfügung
gestellt. Die Vorrichtung 58 kann dazu verwendet werden,
das Treibmittel zu dosieren, um so die Steuerung der Menge des Treibmittels
in dem Polymerstrom innerhalb des Extruders zu regeln, um ein Niveau
von Treibmittel bei einem speziellen Niveau beizubehalten. In einer
bevorzugten Ausführungsform
dosiert die Vorrichtung 58 die Massen-Fließrate des
Treibmittels. Das Treibmittel ist üblicherweise weniger als etwa
15 Gew-% des Polymerstroms und Treibmittels. Gemäß einer Reihe von Ausführungsformen
wird Treibmittel in einer Menge von zwischen etwa 1% und 15 Gew-%,
vorzugsweise zwischen etwa 3 und 12 Gew-%, besonders bevorzugt zwischen
etwa 5 und 10 Gew-%, ganz besonders bevorzugt zwischen 7 und 9 Gew-%
basierend auf dem Gewicht des Polymerstroms und Treibmittels zugefügt. In anderen
Ausführungsformen
sind sehr geringe Niveaus an Treibmittel geeignet, beispielsweise
weniger als etwa 3%, weniger als etwa 2%, oder weniger als etwa
1,5 Gew-% des Treibmittels. Diese Treibmittel-Niveaus können unter
einigen Umständen
dort Verwendung finden, wo ein Keimbildungs-Agens verwendet wird.
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Die
Systeme und Verfahren gemäß der Erfindung
erlauben die Ausbildung eines Mikrozellular-Materials ohne Verwendung
eines Keimbildungs-Agens. Jedoch können derartige Agenzien verwendet
werden und in einigen Ausführungsformen
wird Polymer-Material, welches einen Keimbildungs-Agens sowie Talk
enthält, blasausgeformt.
Es wurde in Übereinstimmung
mit der Erfindung herausgefunden, dass Polymer-Material mit einem
Füllstoff
sowie Talkum die Eignung unterstützt,
dickere Teile bei höheren
Drücken
zu erzeugen und die Zellstruktur verbessert. Obwohl es nicht gewünscht wird,
an irgendeine Theorie gebunden zu sein, wird vermutet, dass die
Verwendung eines Keimbildungs-Agens sowie Talkum die Menge an erforderlichem
Treibmittel sowie Kohlendioxid oder Stickstoff reduziert, durch
das Material eine höhere
Viskosität
aufweisen wird (dass Kohlendioxid oder Stickstoff die Viskosität in solchen
Materialien reduziert). Daher kann die Größe der Keimbildungs-Durchgänge sowie
der Ausgangsspalte angehoben werden, während anderenfalls ähnliche
Extrusions-Bedingungen beibehalten werden, was zu dickeren Teilen
führt.
Zusätzlich
unterstützt
ein Keimbildungs-Agens sowie Talkum die Ventilsitz des geschmolzenen
Polymer-Materials inhärent,
was die Bildung dickerer Teile ermöglicht. In dieser Ausführungsform
gemäß der Erfindung
kann ein Keimbildungs-Agens sowie Talkum in einer Menge von etwa
1% oder 2% oder 4%, 5,5% oder auch 7% oder mehr hinzugefügt werden.
In einer Ausführungsform
wird Talkum innerhalb eines Bereichs von 2,5 bis 7% hinzugefügt, was
spezielle Vorteile ergibt, die detaillierter im folgenden beschrieben
werden.
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In
einigen Ausführungsformen
wird Kohlendioxid in Kombination mit anderen Treibmitteln sowie
Stickstoff verwendet und in anderen Ausführungsformen wird Kohlendioxid
alleine ohne andere vorliegende Treibmitteln verwendet. In anderen
Ausführungsformen
kann Kohlendioxid mit anderen Treibmittels solange verwendet werden
wie die anderen Treibmittel nicht den Blasprozess materiell verändern. Wenn
Stickstoff in Kombination mit anderen Treibmittels verwendet wird
(es kann ähnlich
auch alleine verwendet werden) unterstützt dieses oder verändert dieses
die Eigenschaften des Treibmittels in Kombination mit einem anderen
Treibmittel oder in Kombination mit einem anderen Agens, welches
den Blasprozess nicht materiell verändert.
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Die
Druck- und Dosierungsvorrichtung kann mit einer Steuerung (nicht
gezeigt) verbunden sein, die ebenso mit einem Antriebsmotor 40 und/oder
einem Antriebsmechanismus oder einer Zahnradpumpe (nicht gezeigt)
verbunden sein, um die Dosierung des Treibmittels in Abhängigkeit
zum Fluss des Polymer-Materials zu
steuern, um so die Gewichtsprozente des Treibmittels in der fluiden
Polymermischung sehr präzise
zu steuern.
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Die
beschriebene Anordnung erleichtert ein Verfahren, welches gemäß verschiedener
Ausführungsformen
der Erfindung in Kombination mit dem Blasausformen praktiziert wird.
Das Verfahren bezieht das Einführen
eines Treibmittels, welches unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist,
in ein fluides Polymer-Material, welches bei einer Rate von zumindest
etwa 10 lbs/h fließt
in einer Zeitdauer von weniger als etwa 1 Minute ein, wodurch eine
einphasige Lösung
des Treibmittel-Fluids in dem Polymer erzeugt wird. Das Treibmittel-Fluid liegt
in der Lösung
in einer Menge von zumindest etwa 2,0 Gew-% basierend auf dem Gewicht
der Lösung
in dieser Anordnung vor. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Fließrate des
fluiden Polymer-Materials zumindest etwa 18 oder 27 kg/h (40 oder
60 lbs/h), besonders bevorzugt zumindest etwa 36 kg/h (80 lbs/h),
und in einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform größer als
zumindest etwa 45 kg/h (100 lbs/h) und das Treibmittel-Fluid wird hinzugefügt und eine
einphasige Lösung,
die innerhalb 1 Minute mit dem in der Lösung in einer Menge von zumindest
etwa 3 Gew-%, besonders bevorzugt etwa 5 Gew-%, ganz besonders bevorzugt zumindest
etwa 7% und überaus
bevorzugt zumindest etwa 10% vorliegt, wird ausgebildet (obwohl,
wie erwähnt,
in einer anderen Reihe von bevorzugten Ausführungsformen niedrigere Niveaus
an Treibmitteln verwendet werden). In diesen Anordnungen wird zumindest
etwa 1,09 kg/h (2,4 lbs/h) Treibmittel, vorzugsweise CO2,
in den Fluid-Strom eingeführt
und darin vermischt, um eine einphasige Lösung auszubilden. Die Rate
der Einführung
des Treibmittels wird mit der Fließrate des Polymers abgestimmt,
um die optimale Treibmittel-Konzentration zu erzielen.
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Obwohl
der Anschluss 54 an jeder einer Vielzahl von Orten entlang
des Laufs angeordnet werden kann, wird er gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
direkt stromaufwärts
eines Mischabschnitts 60 der Schraube und an einem Ort 62 der
Schraube, an der die Schraube ununterbrochene Gewindegänge beinhaltet,
platziert.
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Mit
Bezug auf 2 ist ein Blaskopf 10 der
Erfindung schematisch im Querschnitt dargestellt und beinhaltet
einen kreisförmigen äußeren Blasformkörper 26,
der einen inneren Blasformkörper 24,
der wiederum eine innere Spindel 31 umgibt, umgibt. Die
Blaskopf beinhaltet einen Fluid-Einlass 14, der so aufgebaut
und angeordnet ist, dass er eine einphasige, homogene Lösung eines
Polymer-Fluids und Treibmittels, welches unter Umgebungs-Bedingungen
ein Gas ist, aufnimmt, welche durch die Kreuzung des Auslasses des
Extruders 30 und eines Seitenwand-Eingangs der Blaskopf
definiert ist. Der Fluid-Einlass 14 steht
in Wirkverbindung mit einem kreisförmigen, ringähnlichen
Leerraum 18 zwischen dem äußeren Blasformkörper und
dem inneren Blasformkörper,
der in Fluid-Wirkverbindung mit einem kreisförmigen Kanal 20, der
als Spalt zwischen dem inneren Blasformkörper 24 und dem äußeren Blasformkörper 26 definiert
ist, steht. Der Kanal 20 steht in Fluid-Wirkverbindung mit einem kreisförmigen Abschnitt 28 des
Blaskopfs, der eine größere Breite
als der des Kanals 20 aufweist. Der Abschnitt 28 steht
wiederum mit einem verengten kreisförmigen Abschnitt 29 in
Wirkverbindung, der einen Keimbildungs-Durchgang definiert, der
einen Spalt 22 aufweist, der eine Dimension aufweist, die
einen schnellen Druckabfall erzeugt, was die Keimbildung der zu
dem Blaskopf zugeführten einphasigen
Lösung
erleichtert. An seinem stromabwärtigen
Ende steht der Keimbildungs-Durchgang 29 in fluider Wirkverbindung
mit einem Ausgang 32 des Blaskopfs, der einen Spalt 34 aufweist.
Wie dargestellt, weist der Keimbildungs-Durchgang 29 eine
im Wesentlichen konstante Querschnitts-Dimension entlang seiner
Länge auf.
Die Querschnitts-Dimension des Durchgangs kann sich entlang dessen
Länge auch ändern, beispielsweise
in einer stromabwärtigen
Richtung mit sinkenden Querschnitts-Dimensionen, um besonders hohe Druck-Abfallraten
zu erzeugen, wie dies in der US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer
08/777,709 und der Internationalen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer
PCT/US97/15088 offenbart ist. Wo die Querschnitts-Dimension des
Durchgangs in einer stromabwärtigen
Richtung absinkt, kann eine einphasige Lösung durch Aufbringen eines
kontinuierlich absinkenden Drucks innerhalb aufeinanderfolgender,
kontinuierlicher Abschnitte des fließenden, einphasigen Stroms
bei einer Rate, die ansteigt, nukleiert werden.
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Der
Blaskopf 10 ist derart aufgebaut, dass ein innerer Blaskopfkörper 24 sich
axial relativ zum äußeren Blaskopfkörper 26 bewegen
kann. Wie dies in 2 dargestellt ist, kann sich
der innere Blaskopfkörper 24 von einer
stromaufwärtigen
Position zu einer stromabwärtigen
Position bewegen, in der er eine als 25 gekennzeichnete
Region nahezu ausfüllt.
Somit definiert die Region 25 einen Speicher, wenn der
innere Blaskopfkörper 24 in
einer stromaufwärtigen
Position positioniert ist.
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Im
Betrieb wird eine einphasige Lösung 23 eines
Polymer-Materials
und eines Treibmittels von dem Extruder 30 zu dem Blaskopf
zugeführt,
zuerst in den kreisförmigen
Ring 18, dann durch den Kanal 20, den Speicher 25 (in
dem Ausmaß,
dass der innere Blaskopfkörper 24 stromaufwärtig positioniert
ist) und den Abschnitt 28 des Blaskopfs als einphasige,
nicht nukleierte Lösung,
wird durch einen schnellen Druckabfall, der am Keimbildungs-Durchgang 29 eintritt,
nukleiert und wird am Ausgang 32 als Extrudat extrudiert,
welches zum Blasausformen geeignet ist. Wenn erwünscht ist, das Speicher-Merkmal
des Blaskopfs 10 zu verwenden, kann der Ausgang 32 (im
folgenden beschrieben) geschlossen werden und eine nicht nukleierte,
einphasige Lösung 23 des
Polymer-Materials und des Treibmittels kann von dem Extruder 30 in
den Speicher 25 zugeführt werden,
während
sich der innere Blaskopfkörper 24 in
einer stromaufwärtigen
Richtung bewegt. Eine Last kann in einer stromabwärtigen Richtung
während
dieser Prozedur auf dem inneren Blaskopfkörper 24 aufgebracht
werden, um in dem Speicher 25 einen im Wesentlichen konstanten
Druck beizubehalten, der die Lösung aus
Polymer und Treibmittel in einer nicht nukleierten, einphasigen
Bedingung hält.
Dann kann der Ausgang 32 geöffnet werden und der innere
Pressenkörper 24 in
einer stromabwärtigen
Richtung angetrieben werden, um ein mikrozellulares Extrudat zu
nukleieren und zu extrudieren. Dieses Merkmal erlaubt es dem Extruder, kontinuierlich
zu laufen, während
der die Extrudat-Extrusion periodisch auftritt.
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Während in
einigen Ausführungsformen
das in dem Keimbildungs-Durchgang 29 nukleierte
Polymer-Material ein Keimbildungs-Agens beinhalten kann, wird in anderen
Ausführungsformen
kein Keimbildungs-Agens verwendet. In jedem Fall ist der Durchgang
derart aufgebaut, dass er in der Lage ist, auch in der Abwesenheit
von Keimbildungs-Agens, ob Keimbildungs-Agens vorliegt oder nicht,
Keimbildungs-Orte zu bilden. Insbesondere weist der Keimbildungs-Durchgang
Dimensionen auf, die eine gewünschte
Druckabfallrate durch den Durchgang bilden. In einer Reihe von Ausführungsformen
ist die Druckabfallrate vergleichsweise hoch und ein weiter Bereich
von Druckabfallraten ist erzielbar. Eine Druckabfallrate kann durch
den Durchgang hindurch von zumindest etwa 0,1 GPa/sec in dem geschmolzenen
Polymer-Material, welches homogen mit etwa 6 Gew-% CO2 vermischt
ist, welches durch den Durchgang bei einer Rate von etwa 18 kg (40
Pounds) Fluid pro Stunde hindurchtritt, kann erzeugt werden. Vorzugsweise
erzeugen die Dimensionen eine Druckabfallrate durch den Durchgang
hindurch von zumindest etwa 3 GPa/sec unter diesen Umständen, besonders bevorzugt
von zumindest etwa 1 GPa/sec, besonders bevorzugt von etwa 3 GPa/sec,
ganz besonders bevorzugt von zumindest etwa 5 GPa/sec, und überaus bevorzugt
von etwa 7, 10 oder 15 GPa/sec. Der Keimbildner ist so aufgebaut
und angeordnet, dass er den fließenden Strom einem Druckabfall
bei einer Rate unterwirft, die ausreichend ist, Keimbildungs-Orte
einer Dichte von zumindest etwa 107 oder
vorzugsweise 108 Orte/cm3 zu
bilden. Die Vorrichtung ist so aufgebaut und angeordnet, dass sie
kontinuierlich einen fluiden Strom einphasiger Lösung eines Polymer-Materials
und eines Fließ-Agens,
welches bei einer Rate von zumindest 9 kg/h (20 lbs/h), vorzugsweise
von zumindest etwa 18 kg/h (40 lbs/h), besonders bevorzugt von zumindest
etwa 27 kg/h (60 lbs/h), ganz besonders bevorzugt zumindest etwa
36 kg/h (80 lbs/h) sowie überaus
bevorzugt zumindest etwa 45, 90 oder 180 kg/h (100, 200 oder 400
lbs/h) nukleiert.
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Der
Blaskopf 10 ist derart aufgebaut, dass die Spindel 31 sich
relativ zu dem Rest des Blaskopfs axial bewegen kann. Dies erlaubt
es dem Ausgang 32, durch Bewegen der Spindel 31 in
einer stromaufwärtigen Richtung,
wenn gewünscht,
verschlossen zu werden, um so den inneren Blaskopfrand gegen den äußeren Blaskopfrand
abzudichten.
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Mit
Bezug auf 3 ist der Blaskopf 10 mit
einer Spindel 31 dargestellt, die sich distal so erstreckt, dass
der Ausgang 32 einen Spalt 33 beinhaltet, der
signifikant gegenüber
dem Spalt 34, der in 2 dargestellt
ist, geweitet ist. Dies kann durch Beibehalten eines konstanten
Spalts 22 in der Keimbildungs-Sektion 29 des Blaskopfs
bewirkt werden. Somit tritt die Keimbildung des einphasigen Polymer/Treibmittel-Fluidstroms bei einer
konstanten Druckabfallrate ein, während der Blaskopf ein Extrudat
produzieren kann, dessen Dicke variiert. Eine Steuerung treibt die
Spindel derart an, dass der Ausgang 32 sich aufweitet und
verengt, um ein Extrudat zu produzieren, welches eine variable Dicke,
wie sie gewünscht
ist, aufweist. Ein Mikrozellular-Produkt, dessen Dicke in Maschinenrichtung
variiert, während
es eine im Wesentlichen gleichförmige
Mikrozellular-Struktur aufweist, wie dies unter Verwendung des Blaskopfs 10 produziert
werden kann, wurde oben beschrieben.
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Die
Erfindung erlaubt ebenso die Co-Extrusion von Schaum oder Mikrozellular-Schaumgegenständen. Obwohl
ein Blaskopf zur Extrusion eines derartigen Gegenstands mit zwei
oder mehr Schichten nicht dargestellt ist, ist dies jedoch klar
mit Bezug auf 2 verständlich. Ein Vielschicht-Extrusionsblaskopf
beinhaltet in einer Ausführungsform
koaxial, getrennte Durchgänge,
die Keimbildungs-Sektionen definieren, die zusammen in einen einzelnen
Ausgang 32 führen.
Das bedeutet, dass der Blaskopf eine Keimbildungs-Sektion 29 beinhaltet,
wie dies in 2 dargestellt ist, sowie eine
zusätzliche
Keimbildungs-Sektion, die radial nach außen von der Keimbildungs-Sektion 29 beabstandet
ist und durch eine separate Sektion ähnlich der Sektion 28 gefüllt wird.
Gleichzeitig wird die separate Keimbildung von separaten Schichten
von der Verbindung der nukleierten Schichten leicht oder vor oder
am Spalt 32 gefolgt, wo die Kombination der Schichten und
das Formgeben sowie das Auswerfen der Schichten eintritt.
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Die
Erfindung ermöglicht
das Extrudieren eines Mikrozellular-Polymer-Extrudats, welches über seine Länge in seiner
Material-Dichte differiert. In dieser Ausführungsform kann die Dicke des
Extrudats über
seine Länge
ebenso differieren. Dies kann durch Verwendung des in 4 dargestellten
Systems erfolgen, bei dem ein Blaskopf 10 zur Verfügung gestellt
ist, die ähnlich
den Blasköpfen
der vorangestellten Figuren ist. Der Blaskopf 10 muss nicht
notwendigerweise eine Spindel beinhalten, die während der Extrusion axial beweglich
ist, um ein Extrudat mit variabler Dicke zu produzieren, jedoch
beinhaltet sie einen Ring 52 zum Aufbringen variabler Kühlbedingungen
auf das Extrudat während
der Extrusion. Der Luftring kann verschiedene Abschnitte des Extrudats
unterschiedlichen Kühlbedingungen
unterwerfen, wodurch das Zellwachstum in bestimmten Abschnitten
des Extrudats verglichen mit anderen Abschnitten reduziert wird.
Auf eine ähnliche
Weise können ausgewählte Sektionen
der inneren Oberfläche
des Extrudats durch Hindurchführen
von Luft durch einen Kanal 36, der in der Spindel 31 zwischen
einem inneren Spindelpart 61 und einem äußeren Spindelpart 64 ausgebildet
ist, abgekühlt
werden. Das interne Luftkühlen
kann alternativ oder zusammen mit einer externen Luftkühlung über den
Luftring 52 verwendet werden. Das resultierende Extrudat
kann blasausgeformt und so erzeugt werden, dass einige Sektionen
eine vergleichsweise höhere
Materialdichte aufweisen als andere. Die direkt nach der Extrusion
verschiedenen Abkühlungen
unterworfenen Sektionen zeigen ein unterschiedliches Zellwachstum
und daher eine unterschiedliche Dichte.
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Das
System gemäß 4 kann
ebenso dazu verwendet werden, einen blasausgeformten Gegenstand
zu produzieren, der eine erhöhte
Dichte an Orten aufweist, wo eine größere Festigkeit erfordert ist.
Beispielsweise kann bei einem Kunststoff-Getränkebehälter, der
einen Gewindehals zur Aufnahme einer Aufschraubkappe beinhaltet,
der Gewindehals wünschenswerter
Weise mit einer höheren
Materialdichte für
zusätzliche
Festigkeit als der Rest der Flasche erzeugt werden.
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Mit
der vorliegenden Erfindung ist das mikrozellularextrudierte Extrudat
gemäß der Erfindung
besser in der Lage, den Blasbedingungen zu widerstehen, als viele
Schaum-Extrudate aus dem Stand der Technik. Dies liegt am größeren Widerstand
kleinerer Zellen gegenüber
dem während
des Blasens aufgebrachten Druck. Viele Schäume gemäß dem Stand der Technik werden
einen Zellkollaps zeigen, wenn sie Blasausformbedingungen unterworfen
werden. Jedoch ist, wenn die Zellgröße abnimmt, ein größerer Druck
erforderlich, um einen Zell-Kollaps zu bewirken.
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In
einer Ausführungsform
gemäß der Erfindung
wird ein mikrozellulares Extrudat mit einer Hilfs-Polymerschicht
coextrudiert, welche intern und/oder extern des mikrozellularen
Extrudats angebracht sein kann. Das Hilfsmaterial kann Schaum oder
Nichtschaum sein und kann hinzugefügt werden, um eine bestimmt
Erscheinung (beispielsweise wenn ein kolorierter Gegenstand erwünscht ist,
kann ein mikrozellularer Schaumkern mit einer kolorierten, co-extrudierten
Schicht beschichtet sein) zu erzeugen.
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Ebenso
kann eine co-extrudierte Schicht hinzugefügt sein, um eine gute Bedruckbarkeit
auf einem Gegenstand zu erzeugen oder eine besondere Oberflächentextur
zur Verfügung
zu stellen. Andere Charakteristika sowie die chemische Kontabilität und dergleichen
sind ebenfalls zu nennen. In einigen Fällen kann eine co-extrudierte
Schicht intern oder extern eines mikrozellularen Extrudatkerns verwendet
werden, um den Kern von internen Inhalten des Gegenstands gegenüber der äußeren Umgebung
zu isolieren. Dies kann sinnvoll sein, um die Verwendung eines recycelten
Materials in dem Kern zu erhöhen.
Die hilfsweise aufgebrachte, co-extrudierte Schicht ist in bevorzugten
Ausführungsformen
zur strukturellen Abstützung
nicht notwendig. Das heißt,
dass das mikrozellulare Extrudat blasausgeformt sein kann und aus
sich selbst heraus eine adäquate
strukturelle Abstützung
zur Verfügung
stellen würde
und das die co-extrudierte Schicht lediglich aus Zwecken der Oberflächen-Modifikation
bereitstehen würde.
In einer Ausführungsform
ist eine Hilfs-Nichtschaum – nicht
die Struktur abstützende
Schicht nahe dem Schaum-Gegenstand vorgesehen. Diese Schicht kann
für spezifische
Grenz-Eigenschaften
ausgestaltet sein, auch beispielsweise für die Kompatibilität mit in dem
Gegenstand enthaltenem Material, oder um sicherzustellen, dass bestimmte
Materialien aufgrund von Bundesgesetzen oder anderen Regularien
außen
vorgelassen werden.
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Die
Produktion von blasausgeformten mikrozellularen Polymer-Gegenständen in Übereinstimmung mit
der Erfindung ist überraschend,
da wünschenswerte
Charakteristika für
Polymere zum Blasausformen anders sind als die Charakteristik, die
bei typischen Extrusions-Prozessen erwünscht sind. Beim Blasausformen werden
typischerweise hochviskose Polymere mit hohem Molekulargewicht benötigt, um
erfolgreich den Blasausform-Bedingungen zu widerstehen. Im Gegensatz
hierzu ist es bei der Standard-Extrusion wünschenswert, für einen
hohen Durchsatz Polymere mit niedrigerem Molekulargewicht und niedrigerer
Viskosität
zu verwenden. Somit beinhaltet das Blasausformen eine inhärente Gegensätzlichkeit,
die noch komplizierter wird, wenn Schäume verwendet werden. Zum kontrollierten
Aufschäumen
werden Polymere mit höherem
Molekulargewicht und höherer
Viskosität
bevorzugt, um eine unkontrollierte Aufschäumung zu verhindern, welches
zu offenzelligem Material führen
würde.
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Die
vorliegende Erfindung stellt erfolgreich ein mikrozellulares Polymer-Extrusions-Blasausformen
mit hohem Durchsatz zur Verfügung,
da Polymere mit höherem
Molekulargewicht verwendet werden können, während die Viskosität über die
Einbeziehung von überkritischen
fluiden Treibmitteln reduziert wird. Polymere mit vergleichsweise
hohem Molekulargewicht werden in ihrer Viskosität über überkritisches fluides Treibmittel für die Extrusion
mit hohem Durchsatz reduziert, wobei sogar bei der Extrusion und
der Vergasung des Treibmittels das Polymer mit hohem Molekulargewicht
die für
einer gut gesteuerte Mikrozellular-Ausschäumung benötigte Festigkeit zur Verfügung stellt.
Daher kann, wie oben bereits erwähnt,
die Extrusion und Blasausformung von Schaum-Polymer-Material, vorzugsweise
mikrozellularem Schaum-Polymer-Material, mit Material mit einem
Schmelzfluss von mehr als etwa 0,2 g/10 min, vorzugsweise nicht
mehr als etwa 0,12 g/10 min, besonders bevorzugt nicht mehr als
etwa 0,1 g/10 min erreicht werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann einen semi-kristallinen Mikrozellular-Schaum
zur Verfügung
stellen, der ein mittleres Niveau an Keimbildungs-Agens aufweist.
Der Schaum beinhaltet zwischen etwa 2,5 Gew-% und etwa 7 Gew-% dieser
Agenzien. In bevorzugten Ausführungsformen
beinhaltet der Schaum zwischen etwa 3 und etwa 7 Gew-% Keimbildungs-Agens
und in einigen Ausführungsformen
zwischen etwa 5 Gew-% und etwa 7 Gew-% Keimbildungs-Agens. Das in
dem Schaum vorliegende Niveau an Keimbildungs-Agens ist generell
höher als
die Niveaus, die von Keimbildungs-Agenzien, Flamm-Hemmmitteln oder
Pigmenten beim konventionellen Schaum-Bearbeiten vorliegen. Diese
semikristallinen mikrozellularen Schäume, die etwa 2,5 bis 7 Gew-% Keimbildungs-Agens
enthalten, können
in Zusammenhang mit mit jedem der Blasausform-Aspekte der Erfindung,
die oben beschrieben wurden, verwendet werden.
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Die
Keimbildungs-Agenzien können
jedes einer Vielzahl von Materialien in jeder Anzahl oder Form, die
im Stand der Technik bekannt sind. In bestimmten Ausführungsformen
sind die Keimbildungs-Agenzien anorganische Feststoffe sowie diejenigen,
die im Stand der Technik üblicherweise
verwendet werden, beispielsweise Talkum, Kalziumkarbonat (CaCO3), Titanoxid (TiO2),
Bariumsulfat (BaSO4), und Zinksulfid (ZnS).
In bestimmten Ausführungsformen
können
organische Feststoffe sowie Zellulose-Fasern ebenso als Keimbildungs-Agenzien
fungieren. Diese Schäume
können
in einigen Fällen
mehr als einen Typus an Keimbildungs-Agens beinhalten, so dass die
Gesamtsumme aller Keimbildungs-Agenzien zwischen etwa 2,5 Gew-% und
7 Gew-% ist. Insbesondere wurden mikrozellulare Schäume produziert,
die sowohl Talkum als auch Titanoxid beinhalten.
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Typischerweise
sind die Keimbildungs-Agenzien Partikel, obwohl in einigen Fällen die
Keimbildungs-Agenzien faserig oder eine andere Form aufweisen können. Die
keimbildenden Partikel können
eine Vielzahl von Formen so wie sphärisch, zylindrisch oder planar
aufweisen. Üblicherweise
haben die Partikel eine Größe im Bereich
von etwa 0,01 Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer und besonders typisch
zwischen etwa 0,1 Mikrometer und 1,0 Mikrometer. In einigen Ausführungsformen
können
die Partikel eine Oberfläche aufweisen,
die mit einem oberflächenaktiven
Stoff behandelt wurden, um die Dispergierbarkeit innerhalb der Polymerschmelze
zu erhöhen
und die Agglomeration der Partikel zu verhindern.
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In
einigen Fällen
können
die Keimbildungs-Agenzien abhängig
von deren Zusammensetzung ebenso als Pigmente, Flamm-Hemmstoffe oder in
jeder anderen Art typische Additive fungieren. Im Bereich der Prozentsätze von
2,5 bis 7 Gew-% können
die Agenzien ebenso als Füllstoff
fungieren. Dies bedeutet, dass die Keimbildungs-Agenzien festen
Kunststoff in einer nicht vernachlässigbaren Menge ersetzen, was
in bestimmten Ausführungsformen
zu Kostenersparnissen führt,
das Füllstoffe
weniger teuer sind als fester Kunststoff. In bestimmten Ausführungsformen
können
die Agenzien die mechanischen Eigenschaften des mikrozellularen Schaums
erhöhen.
In einigen Fällen
können
die Partikel die Kristallinität
erhöhen.
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Der
vorliegende mikrozellulare Schaum mit etwa 2,5 bis 7 Gew-% Keimbildungs-Agens
kann zumindest teilweise aus jeder Art semi-kristallinem Polymer
zusammengesetzt sein. Typische semikristalline Polymere beinhalten
die folgenden Materialien, sind jedoch auf diese nicht beschränkt: Polyethylen-Terephthalat (PET),
Polyactic-Säure,
Nylon 6, Nylon 6/6, Polyethylen, Polypropylen, syndiotaktisches
Polsystyren sowie Polyacetal. In bestimmten Fällen kann das semi-kristalline
Polymer mit nicht semi-kristallinem Polymer gestreckt sein. In bevorzugten
Fällen
ist das semi-kristalline Material ein Polyolefin. In bestimmten
Fällen
ist das semi-kristalline Material Polypropylen. Polypropylen kann
als eine einer Vielzahl Polymer-Komponenten vorliegen. In anderen
Ausführungsformen
kann das polymere Material im wesentlichen aus Polypropylen bestehen, d.h.
dass das polymere Material keine andere polymeren Komponenten als
Polypropylen beinhaltet, jedoch ebenso andere Additive, wie sie
weiter unten beschrieben werden, zusätzlich zum Keimbildungs-Agens
beinhalten kann. In einer anderen Reihe bevorzugter Ausführungsformen
ist das semi-kristalline Material hochdichtes Polyethylen. Hochdichtes
Polyethylen ist in einigen Fällen
als eines einer Vielzahl polymerischer Komponenten vorliegend. In
bevorzugten Fällen
ist der Gewichtsprozentsatz des hochdichten Polyethylens größer als 80
Gew-% der Polymer-Materials. In einigen bevorzugten Fällen ist
der Gewichtsprozentsatz des hochdichten Polyethylens größer als
906 Gew-% des Polymer-Materials. In einem besonders bevorzugten
Fall enthält
das Polymer-Material im wesentlichen hochdichtes Polyethylen, d.h.
dass das Polymer-Material keine andere Polymer-Komponente beinhaltet
als hochdichtes Polyethylen, jedoch andere Additive zusätzlich zum Keimbildungs-Agens,
wie sie weiter unten beschrieben werden, beinhalten kann.
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Optional
kann die Schaum-Zusammensetzung ebenso andere Additive zusätzlich zu
dem Keimbildungs-Agenzien beinhalten, wie sie im Stand der Technik
bekannt sind. Derartige Additive können Bearbeitungshilfen sowie
Plastifizierer (beispielsweise organische Verbindungen mit niedrigem
Molekulargewicht), Schmierstoffe, Flussmittel und Antioxidantien
sein. In vielen bevorzugten Fällen
ist das Polymer-Material frei von Resten chemischer Treibmittel
und von Reaktions-Nebenprodukten, da nur physikalische Treibmittel
in dem Prozess verwendet werden. Insbesondere sind viele hochdichte
Polyethylen-Schäume
im wesentlichen frei von Resten von chemischen Treibmitteln und
Reaktions-Nebenprodukten.
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Überraschend
weisen die Schäume
eine vergleichsweise gleichmäßige und
feine Zellstruktur auf, obwohl die Menge an Keimbildungs-Agens größer als
2,5 Gew-% beträgt.
Die Keimbildungs-Agenzien haben nicht zum Vorlegen anormal großer Zellen
in den Schäumen
geführt.
Schaum-Gegenstände
gemäß dieses
Aspekts der Erfindung weisen eine durchschnittliche Zellgröße von weniger
als etwa 60 Mikrometer oder andere bevorzugte durchschnittliche
Zellgrößen oder
maximale Zellgrößen oder
Kombinationen hiervon, wie sie oben beschrieben wurden, auf.
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Die
Zellstruktur des mikrozellularen Schaums ist vorzugsweise eine geschlossene
Zellstruktur. Es wird vermutet, dass die geschlossene Zellstruktur
vorteilhafter Weise zum Erhöhen
der mechanischen Eigenschaften des Schaums aufgrund der Abwesenheit
langer miteinander verbundener Durchgänge beiträgt, was als Ort fungieren könnte, der
zu einem verfrühten
Versagen des Materials führt.
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Mit
dieser Erfindung können
mikrozellulare Schäume über einen
weiten Bereich von Dichten produziert werden. In vielen Ausführungsformen
ist das Hohlraumvolumen größer als
10%, in anderen Ausführungsformen
größer als
20% und in noch anderen Ausführungsformen
größer als
50%. In einer anderen Reihe von Ausführungsformen weist der Mikrozellular-Schaum
ein Hohlraumvolumen von weniger als 50% und in einigen Ausführungsformen
von weniger als 30% auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
weist der Mikrozellular-Schaum ein Hohlraumvolumen zwischen etwa
10% und etwa 50% auf. Schäume
innerhalb dieses bevorzugten Hohlraumvolumen-Bereichs (10% bis 50%)
zeigen exzellente mechanische Eigenschaften sowie Zugfestigkeit
und Zug-Modul, während
sie immer noch eine signifikante Reduktion der Dichte gegenüber festem
Kunststoff aufweisen.
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Eine
unbegrenzte Vielzahl von semi-kristallinen Mikrozellular-Schaum-Gegenständen sind
von diesem Aspekt der Erfindung umfasst. Die Gegenstände können extrudiert,
blasausgeformt und in eine unbegrenzte Anzahl von Formen einspritzgeformt
sein. Extrudierte Bögen
können
ebenso thermogeformt sein. Die geschäumten Gegenstände sind
in bestimmten Ausführungsformen
generell dünner
als konventionelle Schaum-Gegenstände, da die Zellgrößen in den
Mikrozellular-Schaum-Gegenständen
kleiner sind als Zellgrößen in konventionellen
Schäumen.
In bestimmten Fällen
weisen die Gegenstände
zumindest einen Abschnitt auf, der eine Dicke von weniger als 2,54
mm (0,1 Inches), in anderen Fällen
weniger als 1–3
mm (0,05 Inch) sowie in anderen Fällen weniger als 0,25 mm (0,01
Inch) aufweist. In vielen Fällen
weisen die Mikrozellular-Schaum-Gegenstände eine gewünschte Oberflächenqualität auf, da
die Gegenstände
mit niedrigen Prozentsätzen
an Treibmittel produziert werden können, wodurch die Menge an
Gas, die durch die Schaum-Oberfläche diffundiert,
begrenzt ist. Wie im Feld des Bearbeitens von Mikrozellular-Schäumen bekannt,
können
große
Mengen an Gas, die durch die Oberfläche hindurch diffundieren,
zu einer Oberflächenrauheit
und in einigen Fällen
zu Fehlstellen führen.
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Ein
Extrusionssystem für
die Erzeugung von mikrozellularem Schaum, welche ein mittleres Niveau
an Keimbildungs-Agens-Menge
aufweist, kann ähnlich
dem in 1 dargestellten sein, mit dem optionalen Ersetzen
der Blasausform-Blaskopfs 10 und der Blasausform-Vorrichtung 12 mit
einem Extrusions-Blaskopf für die
Erholung des Extrudats, die nicht signifikant weiter bearbeitet
wird, und/oder eine Form für
das Einspritzausformen.
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Wie
dem Fachmann gut bekannt, kann in einigen Fällen das Keimbildungs-Agens
in einem Konzentrat-Versatz mit dem semikristallinen Polymer in
Pellet-Form zugefügt
werden. Das bedeutet, dass die Keimbildungs-Agens-Partikel in Pellet
von semi-kristallinem Polymer in konzentrierten Prozentsätzen, beispielsweise 40
Gew-%, dispergiert sind. Die konzentrierten Pellets werden mit geeigneten
Mengen an semi-kristallinen Pellets versetzt, um ein Polymer-Material
zu produzieren, welches zwischen 2,5 und 7 Gew-% Keimbildungs-Agens
aufweist. Auf diese Weise kann der Prozentsatz von Talkum in der
Polymer-Material-Zusammensetzung durch Steuern des Verhältnisses
von Konzentrat zu reinen Polymer-Pellets eingestellt werden. In
anderen Ausführungsformen
können,
wie dies ebenfalls dem Fachmann gut bekannt ist, Keimbildungs-Agenzien in Partikelform
direkt zum Polymer-Material zugefügt werden. Sämtliche
andere dem Fachmann gut bekannten Techniken können ebenso zum Einbeziehen
der Keimbildungs-Agenzien in der Polymer-Zusammensetzung in regelbaren
Mengen eingesetzt werden.
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Überraschenderweise
wurde in einigen Ausführungsformen
ermittelt, dass der vorliegende mikrozellulare semikristalline Schaum
unter Verwendung von vergleichsweise geringen Prozentsätzen von
Treibmitteln ausgebildet werden kann. Das Vorliegen von Keimbildungs-Agens
wird dabei vermutlich die Antriebskraft für die Keimbildung erhöhen, wodurch
die Produktion von mikrozellularem Schaum bei niedrigen Prozentsätzen von
Treibmittel, beispielsweise weniger als 1,5% Treibmittel in bezug
auf das Gewicht des Polymer-Stroms und Treibmittels, ermöglicht wird.
In bevorzugten Ausführungsformen
bezieht das Verfahren das Hinzufügen
von weniger als 1,0 Gew-% Treibmittel ein und in anderen bevorzugten
Fällen
bezieht das Verfahren das Hinzufügen
von weniger als 0,1% bezogen auf das Gewicht des Polymer-Stroms
und des Treibmittels ein.
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Mit
Bezug auf 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform
des Treibmittel-Anschlusses detaillierter dargestellt und zusätzlich sind
zwei Anschlüsse
an sich gegenüberliegenden
Seiten des Laufs oben und unten gezeigt. In dieser bevorzugten Ausführungsform
ist der Anschluss 154 in der Gas-Einführungssektion
der Schraube in einer Region stromaufwärts der Misch-Sektion 60 der
Schraube 38 (mit hochgradig unterbrochenen Gewindegängen) bei
einem Abstand stromaufwärts
der Mischungs-Sektion von nicht mehr als etwa vier vollständige Gewindegänge, vorzugsweise
nicht mehr als zwei vollständige
Gewindegänge,
oder nicht mehr als ein vollständiger
Gewindegang platziert. So positioniert wird das injizierte Treibmittel
sehr schnell und gleichmäßig in einen
fluiden Polymer-Strom vermischt, um die Produktion einphasiger Lösung des
Zwischenprodukts aus geschäumtem
Material und des Treibmittels voranzutreiben.
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Der
Anschluss 154 ist in der gezeigten bevorzugten Ausführungsform
ein Anschluss mit vielen Löchern,
der eine Vielzahl von Öffnungen 164 beinhaltet,
die die Treibmittel-Quelle
mit dem Extruder-Lauf verbinden. Wie gezeigt, sind in den bevorzugten
Ausführungsformen
eine Vielzahl von Anschlüssen 154 um
den Extruder-Lauf bei verschiedenen Positionen radial vorgesehen
und können
miteinander in Längsrichtung
ausgerichtet sein. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Anschlüssen 154 bei
12 Uhr-, 3 Uhr-, 6 Uhr- und 9 Uhr-Position um den Extruder-Lauf
platziert sein, wobei jeder eine Vielzahl von Öffnungen 164 beinhaltet.
Auf diese Weise beinhaltet die Erfindung, wo jede Öffnung 164 als
Treibmittel-Öffnung betrachtet
wird, eine Extrusions-Vorrichtung, die zumindest etwa 10, vorzugsweise
zumindest etwa 40, besonders bevorzugt zumindest etwa 100, ganz
besonders bevorzugt etwa 300, noch bevorzugter zumindest etwa 500
und ganz besonders bevorzugt mindestens etwa 700 Treibmittel-Öffnungen,
die in fluider Wirkverbindung mit dem Extruder-Lauf stehen und den lauf
mit einer Quelle des Treibmittels rieselfähig verbinden, aufweist.
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Ebenso
liegt in bevorzugten Ausführungsformen
eine Anordnung (wie sie in 5 gezeigt
ist) vor, bei der die Treibmittel-Öffnung
oder -Öffnungen
entlang des Extruder-Laufs an Orten positioniert sind, wo die Öffnung oder
die Öffnungen
neben vollen, nicht unterbrochenen Gewindegängen 165 vorliegen,
wenn eine bevorzugte Schraube in dem Lauf befestigt ist. Auf diese
Weise wird, wenn die Schraube sich dreht, jeder Gewindegang jeder Öffnung periodisch
durchlaufen oder "streifen". Dieses Streifen
erhöht
die schnelle Vermischung von Treibmittel und fluidem geschäumtem Material-Zwischenprodukt
durch, in einer Ausführungsform, das
im wesentlichen schnelle Öffnen
und Verschließen
jeder Öffnung
durch das periodische Blockieren jeder Öffnung, wenn der Gewindegang
relativ zur Öffnung
groß genug
ist, um die Öffnung
vollständig
zu blockieren, wenn er mit ihr ausgerichtet ist. Das Ergebnis ist
eine Verteilung von vergleichsweise fein verteilten, isolieren Regionen
von Treibmittel in dem fluiden Polymer-Material direkt nach der
Injizierung und vor jeder Art Vermischung. In dieser Anordnung überstreicht
bei einer Standardgeschwindigkeit für die Schraubenumdrehung von etwa
30 U/min ein Gewindegang jede Öffnung
bei einer Rate von zumindest etwa 0,5 Schritten pro Sekunde, besonders
bevorzugt von zumindest etwa ein Schritt pro Sekunde, ganz besonders
bevorzugt von zumindest 1,5 Schritten pro Sekunde und überaus bevorzugt
von etwa zwei Schritten pro Sekunde. In bevorzugten Ausführungsformen
sind die Öffnungen 154 unter
einem Abstand etwa 15 bis etwa 30 Lauf-Durchmessern vom Beginn der
Schraube (vom stromaufwärtigen
Ende 34) positioniert.
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Mit
Bezug wiederum auf 1 ist die Misch-Sektion 60 der
Schraube 38, die der Gasinjektions-Sektion folgt, so aufgebaut,
dass sie das Treibmittel und den Polymer-Strom vermischt, um die
Bildung einer einphasigen Lösung
von Treibmittel und Polymer voranzutreiben. Die Misch-Sektion beinhalten
nicht unterbrochene Gewindegänge,
welche den Strom unterbrechen, um die Vermischung zu ermöglichen.
Stromabwärts der
Misch-Sektion bildet die Dosier-Sektion einen Druck in dem Strom
von Polymer und Treibmittel. Wo ein Blaskopf verwendet wird, der
das geformte Extrudat gemäß der Blaskopfform
frei gibt, beinhaltet der Blaskopf innere Durchgänge, die die Form und die Dimension
(Blaskopfgeometrie) aufweist, um die Form des Extrudats zu regeln.
In dieser Ausführungsform
kann der Blaskopf jeden einer Vielzahl von Aufbauten aufweisen,
wie sie im Stand der Technik bekannt sind, um mikrozellularen Schaum
in speziellen Formen zu produzieren, beispielsweise Bögen (Sheets),
Profile oder Fasern. Blasköpfe,
wie sie in der internationalen Patentveröffentlichung mit der Nr. WO
98/08667 beschrieben wurden, können
verwendet werden. Zusätzlich
zur Formgebung des von einem derartigen Blaskopf freigegebenen Extrudats
kann der Blaskopf ebenso die Funktion des Keimbildens der einphasigen
Lösung
von Polymer-Material und Treibmittel durchführen. Wie oben mit Bezug auf die 2 bis 4 beschrieben,
sinkt, wenn der Druck in der Einphasen-Lösung abfällt, wenn die Lösung durch
die internen Durchgänge
fließt,
die Löslichkeit
des Treibmittels in dem Polymer ab, was die Antriebskraft für die Zellen-Keimbildung
darstellt. Das Ausmaß des
Druckabfalls hängt
von dem Dimensionen des Durchgangs ab. Speziell beinhalten die Dimensionen,
die den Druckabfall bewirken, die Form des Durchgangs, die Länge des
Durchgangs und die Dicke des Durchgangs. Unter Bearbeitungsbedingungen
ist der Druckabfall über
den Blaskopf üblicherweise
größer als
67 bar (1000 psi), vorzugsweise größer als 134 bar (2000 psi)
und besonders bevorzugt größer als
200 bar (3000 psi).
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Blasköpfe gemäß der Erfindung
können
ebenso, wie dies dem Fachmann bekannt ist, so aufgebaut sein, dass
sie eine Druckabfallrate (dP/dt) zur Verfügung stellt wenn die Einphasen-Lösung durch
den Durchgang hindurchfließt.
Die Druckabfallrate, die von der Blaskopfgeometrie und der Fließrate abhängt, bewirkt ebenso
den Zell-Keimbildungsprozess.
Typischerweise muss eine ausreichende Druckabfallrate induziert
werden, um geeignete Keimbildungs-Bedingungen für das mikrozellulare Material
zu erreichen. Das Vorliegen von Keimbildungs-Agens in einer Menge
von zwischen 2,5 bis 7 Gew-% wird vermutlich die erforderliche Druckabfallrate
verringern. In bestimmten Fällen
ist es wünschenswert,
ein Verfahren anzuwenden, welches niedrige Druckabfallraten verwendet.
Niedrigere Druckabfallraten erlauben generell mehr Freiheiten in
dem Blaskopfaufbau und in den Dimensionen der daraus resultierenden
Gegenstände.
In bestimmten Ausführungsformen
ist die Druckabfallrate in der Lösung
weniger als 1,0 GPa/s, in einigen Ausführungsformen weniger als 1,0
GPa/sec und in einigen Ausführungsformen
weniger als 0,05 GPa/sec. In anderen Ausführungsformen werden höhere Druckabfallraten
verwendet, beispielsweise bei der Produktion von bestimmten dünnen Produkten.
In einigen Fällen
ist die Druckabfallrate größer als
1,0 GPa/sec, in anderen größer als
5,0 GPa/sec und in anderen größer als
10,0 GPa/sec.
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In
einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform ist die Druckabfallrate
in zumindest einem Keimbildungs-Durchgang vor oder innerhalb des
Blaskopfs induziert. Derartige Aufbauten werden in der ebenfalls
anhängigen
internationalen Patentanmeldung Nr. WO 98/08667 beschrieben.
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Als
Ergebnis erhöhter
Temperaturen ist das Extrudat, welches von einem Blaskopf Presse
freigegeben wird, typischerweise weich genug, so dass die nukleierten
Zellen wachsen. Wenn das Extrudat sich in der Atmosphäre abkühlt und
fester wird, wird das Zellwachstum beschränkt. In bestimmten Ausführungsformen
ist es vorteilhaft, externe Abkühlmittel
zur Verfügung
zu stellen, um die Abkühlrate
des Extrudats zu beschleunigen. Beispielsweise kann in diesen Ausführungsformen
das Abkühlen
durch Aufblasen von Luft auf das Extrudat, das Berühren des
Extrudats mit einer kühlen
Oberfläche
oder durch Eintauchen des Extrudats in ein flüssiges Medium erzielt werden.
Andere (nicht dargestellte) Ausrüstungen
stromabwärts
der Presse können, wenn
erforderlich, für
eine zusätzliche
Formgebung des Extrudats in seine schlussendliche Form verwendet werden.
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Mit
Bezug auf 6 beinhaltet ein alternatives
Extrusions-System 170 zum
Erzeugen von mikrozellularem Schaum in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung eine Tandem-Extruderlinie.
Die Tandemlinie beinhaltet einen ersten Extruder 172 und
einen zweiten Extruder 174, der in paralleler Konfiguration
angeordnet ist und durch eine Transfer-Röhre 176 verbunden
ist. Wie oben beschrieben, werden Pellets durch den Bunker 44 in
den ersten Extruder zugeführt.
In einigen Ausführungsformen,
beinhaltet der zweite Extruder, wie dargestellt, einen Treibmittel-Injektionsanschluss 54.
In anderen Ausführungsformen
beinhaltet der erste Extruder den Treibmittel-Injektionsanschluss.
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In
anderen Ausführungsformen
werden die Systeme der 5 und 6 in bekannter
Weise modifiziert, um als Einspritzform-Systeme zu agieren. Besonders
bevorzugte Einspritzausform-Systeme werden in der internationalen
Patentanmeldung Nr. WO 98/31521 beschrieben. Generell beinhaltet
Einspritz-Ausformsysteme keine Extrusions-Presse, können jedoch
einen Durchgang beinhalten, der rieselfähig mit dem Polymer-Bearbeitungsraum
verbunden ist, durch den die Lösung
aus Polymer und Treibmittel in die Form eingespritzt wird.
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Die
Erfindung stellt in einem anderen Aspekt spezifische Pressen-Designs
zur Verfügung,
die für
die Erzeugung hochqualitativer, mikrozellularer Polymer-Extrudate
sinnvoll sind. Generell ist die Presse so aufgebaut, dass sie HDPE-Bögen oder -Rohre mit dünnen Wänden zur
Verfügung
stellt. Insbesondere kann die Presse so aufgebaut sein, dass sie
HDPE-Extrudat für Blasausform-Anwendungen
zur Verfügung
stellt. In diesem Aspekt bezieht die Erfindung die Erkenntnis ein,
dass ein spezieller Bereich von spitzen Winkeln einer zusammenlaufenden
nukleierenden Mikrozellular-Polymer-Presse ein HDPE-Extrudat zur
Verfügung
stellt, welches Extrudate für
die Blasausformung beinhaltet, die nicht den Extrusions-Prozess verlängern oder
abreißen,
und die eine gleichmäßigere Oberflächen-Erscheinung
beinhalten.
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Speziell
ist in diesem Aspekt eine Polymer-Ausformpresse zur Verfügung gestellt,
die einen Keimbildungs-Durchgang beinhaltet, dessen Querschnitt
sich in stromabwärtiger
Richtung mit einem eingeschlossenen Winkel von größer als
4° absinkt.
Vorzugsweise ist der eingeschlossene Winkel größer als 6°. In einer Ausführungsform
ist der Winkel zwischen 4 und 18°,
vorzugsweise zwischen 4 und 8°.
Der Begriff "eingeschlossener
Winkel", wie er
hierin verwendet wird, meint den Gesamtwinkel des Zusammenlaufs
in stromabwärtiger Richtung.
Beispielsweise weist ein kreisförmiger
Blaskopf, in der die externen Wände
nach innen unter 4° zur Innenwand,
die durch das Äußere der
Spindel definiert ist, verlaufen, keine Abschrägung auf und der eingeschlossene
Winkel ist 4°.
In einer identischen Situation, in der die Spindel um 2° nach außen zusammenläuft, würde der
eingeschlossene Winkel 6° sein.
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Der
Abschrägungswinkel
des Blaskopfs kann eine bestimmte Zeit zwischen der Initiierung
der Keimbildung in dem Blaskopf Presse und der Freigabe vom Ausgang
des Blaskopfs definieren und dieses Timing definiert einen anderen
Aspekt der Erfindung. Speziell wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt,
welches das Freigeben eines nukleierten Stroms als polymeres Mikrozellular-Extrudat
von einem Auslass eines Blaskopfs in einer Zeitdauer von nicht mehr
als etwa 0,001 Sekunden nach der Keimbildung innerhalb des Blaskopfs
einer einphasigen, nicht nukleierten Lösung aus Polymer-Material und
Treibmittel einbezieht.
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Die
Erfindung bezieht das Erkennen eines Problems bei der Extrusion
von HDPE-Bögen
oder dünnen Profilen
ein. Es wurde ermittelt, dass unter den Bedingungen für die Mikrozellular-Extrusion, wo ein
Nukleator des Parallel-Typs verwendet wird, ein Extrudat, speziell
HDPE-Extrudate zum Blasausformen, dazu neigen, sich während des
Extrusions-Prozesses zu verlängern.
In diesen Fällen
werden normale Mikrozellular-Bedingungen unter Verwendung eines
Nukleators beschrieben, der die notwendige Druckabfallrate, die
zur Formung kleiner Zellen und unter Verwendung typischer Bedingungen
des Treibmittel-Gehalts und der Schmelztemperatur erforderlich ist,
erzeugt. Stripping ist dabei als eine Bedingung definiert, bei der
das Extrudat bei Austritt aus einem Blaskopf an einem oder mehreren
Orten entlang der Länge
des Blaskopfs zerreißt.
Dieses Reißen behindert
die Ausbildung eines gleichmäßigen Extrudats,
was in der Bildung langer, dünner
Streifen von mikrozellularem Material resultiert. Jeder Streifen
ist das Ergebnis einer vollständigen
Trennung der Extrusion an jedem der Orte, an denen Risse beobachtet
wurden. Diese Phänomene
wurden bei HDPE beobachtet und wurden nicht in anderen getesteten
Materialien inklusive Polypropylen beobachtet und es wird vermutet,
dass sie durch die hochlineare Natur des HDPE-Moleküls bewirkt
wird und die Leichtigkeit, mit der die Moleküle unter geringen Kräften einander
entlang gleiten können.
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Das
Problem des Strippings von HDPE kann durch Verwendung einer abgeschrägten Presse
verringert werden (ein Blaskopf, dessen Querschnitt sich in stromabwärtiger Richtung
verringert) mit einem sehr speziellen eingeschlossenen Abschrägungswinkel.
Das Minimum des Abschrägungswinkels
wird durch die Eignung vorgegeben, dieses Stripping-Problem zu überwinden
und immer noch eine minimale Druckabfallrate zur Verfügung zu
stellen, die dazu notwendig ist, mikrozellulares Material zu erzeugen.
Winkel von weniger als etwa 4 Grad erzeugen nicht die notwendige
Druckabfallrate für
Mikrozellular-Material bei kommerziell vernünftigen Raten und bei akzeptablen
vollständigen
Druckabfällen.
Bei Winkeln von 6 Grad und größer kann
eine ausreichende Druckabfallrate erzielt werden und das Stripping-Problem
wird vollständig überwunden.
Ein maximaler Winkel existiert, der immer noch eine akzeptable Struktur
bildet. Bei Winkeln größer als
etwa 18 Grad neigt die Mikrozellular-Struktur dazu, sich selbst
auseinander zu blasen, was in sehr schlechten Zellstrukturen für Blasausform-Zwecke resultiert.
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Das
Ergebnis der Stripping-Vermeidung war unerwartet. Obwohl nicht erwünscht ist,
durch irgendeine Theorie gebunden zu sein, wird vermutet, dass der
konisch zulaufende Blaskopf arbeitet, da hier ein kritischer Ort
vorliegt, bei dem der Start der Keimbildung eintritt. Dieser Ort
ist durch den Punkt definiert, an dem der Druck in der Polymer/Treibmittel-Schmelze (einphasige,
nicht nukleierte Lösung
aus Polymer-Material
und Treibmittel) unter den Sättigungsdruck
des Treibmittels in dem Polymer reduziert wird. Wenn dieser Ort
zu weit entfernt ist vom Ausgang des Blaskopfs (nicht gemessen durch
die Distanz, sondern durch die Zeit des Aufenthalts oder die Zeit,
die das nukleierte Polymer benötigt,
um vom ursprünglichen
Keimbildungs-Punkt zum Ende des Blaskopfs fortzuschreiten, wo die
Freigabe des Polymer-Extrudats eintritt), dann tritt das Stripping ein,
wenn die Scherkräfte
der wachsenden Zellen für
eine zu lange Zeit wirken, was zum Abreißen der Schmelze führt. Wenn
der Ort näher
am Ausgang ist als dieser kritische Punkt, wird die aufschäumende Schmelze nicht
einer ausreichenden Scherung unterworfen, um ein Abreißen zu bewirken.
In Parallel-Nukleatoren, in denen die Druckabfallrate über die
Keimbildungs-Länge
konstant ist und der Druck linear durch den Nukleator hinweg absinkt,
tritt der Punkt der Keimbildung nicht zu weit vom Ausgang des Blaskopfs
entfernt ein. In konisch zulaufenden Blasköpfen, in denen die Druckabfallrate über den
Nukleator ansteigt und der Druck am meisten nahe des Ausgangs des
Blaskopfs absinkt, ist der Punkt der Keimbildung sehr nahe am Ausgang
des Blaskopfs. Das Ergebnis ist, dass das Scheren nur über eine
kurze Zeitdauer wirkt und eine Stripping nicht eintritt. Die vorgestellte
Theorie zwingt zur Auswahl eines spezifischen Abschrägungswinkels,
der sowohl das Stripping eliminiert als auch Standardbedingungen
für die
einzustellende Druckabfallrate ermöglicht.
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Gemäß der vorliegenden
Offenbarung erzeugtes mikrozellulares Material kann in Blasausform-Prozessen,
beispielsweise bei der Produktion von blasgeformten Flaschen, verwendet
werden. Zusätzlich
können Bögen aus
mikrozellularen Polymer-Material inklusive mikrozellularem HDPE
sowohl in flachen als auch kreisförmigen Blaskopf-Design erzeugt
werden. Derart erzeugtes Material kann ebenso thermo-geformt sein.
In einer Ausführungsform
stellt der Blaskopf gemäß der Erfindung
die Möglichkeit
zur Verfügung,
die Extrudat-Dicke durch Bewegung des inneren Stifts des Blaskopfs
in bezug auf den äußeren Blaskopfkörper zu
verändern.
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Zusätzlich zum
Blaskopf-Winkel und der Spalt-Öffnung
können
die spezifischen Blasköpfen
ebenso durch den Druck und die notwendige Druckabfallrate, um freie,
mikrozellulare Extrudate zu erzeugen, beschrieben werden.
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In
einer Reihe von Ausführungsformen
werden Schaum-Gegenstände, die
im wesentlichen aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) bestehen, ohne
Verwendung eines chemischen Treibmittels ausgeformt. Hochdichtes
Polyethylen, wie es hierin verwendet wird, bezieht sich auf ein
Polyethylen mit einer Dichte von größer als 0,94 g/cm3.
Polyethylen mit niedrigerer Dichte bezieht sich auf ein Polyethylen,
welches eine Dichte von weniger als 4 g/cm3 aufweist.
In derartigen Gegenständen
ist HDPE im wesentlichen die einzige Polymer-Komponente, der Gegenstand
beinhaltet jedoch eine Vielzahl von dem Fachmann bekannten Additiven,
sowie ein Keimbildungs-Agens. Derartige Gegenstände sind somit im wesentlichen
frei von Resten eines chemischen Treibmittels und von Reaktions-Nebenprodukten
des chemischen Treibmittels. In einigen Ausführungsformen dieser Reihe sind
die HDPE-Schaum-Gegenstände
mikrozellulare Schäume,
die eine durchschnittliche Zellgröße von weniger als 100 Mikrometer
aufweisen. In bestimmten Fällen
haben die mikrozellularen Schäume eine
durchschnittliche Zellgröße von weniger
als 50 Mikrometer und in einigen Fällen weniger als 20 Mikrometer.
In anderen Ausführungsformen
dieser Reihe sind die HDPE-Schäume
konventionelle Schäume,
die eine durchschnittliche Zellgröße von größer als 100 Mikrometer aufweisen.
Die Gegenstände
können über einen breiten
Bereich von Dichten erzeugt werden. In bestimmten Ausführungsformen
ist das Hohlraumvolumen größer als
10%, in einigen Ausführungsformen
größer als
20%, in anderen Ausführungsformen
größer als
50%. In einer bevorzugten Reihe von Ausführungsformen hat der Gegenstand
ein Hohlraumvolumen von zwischen 10 und 40%. In einer bevorzugten
reiferen Ausführungsform
hat der Gegenstand ein Hohlraumvolumen von zwischen 10 und 40%.
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Das
Verfahren zum Ausformen der Schaum-Gegenstände aus hochdichtem Polyethylen
wendet die Verwendung eines physikalischen Treibmittels, wie es
oben beschrieben wurde, an. In dieser Reihe von Ausführungsformen
werden HDPE-Schaum- Gegenstände erzeugt,
die eine Form aufweisen, die im wesentlichen identisch zu der eines
kontinuierlichen Extrudats ist, oder eine Form, die im wesentlichen
identisch mit dem Inneren einer Form ist. Das bedeutet, dass die
Schaum-Gegenstände durch
kontinuierliche Extrusion oder Formgebung inklusive Blasausformen
erzeugt wurden. Obwohl nach der Extrusion oder nach der Ausformung einiges
Zellwachstum auftreten kann, erhalten die Gegenstände ihre
Formen bei, die sehr nahe an der Form des Extrudats oder der der
Form ist. Dies erfolgt, um Gegenstände, die extrudiert oder in
einem nicht-geschäumten
Zustand ausgeformt sind und später
geschäumt
wurden, beispielsweise durch Sättigung
mit Treibmittel und einer Expansion, die typischerweise in Chargen-Prozessen
gemäß dem Stand
der Technik eintritt, zu unterscheiden.
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Die
Funktion und der Vorteil dieser und anderer Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung wird aus den unten angegebenen Beispielen deutlicher verständlich.
Die folgenden Beispiele sind dazu vorgesehen, die Vorteile der vorliegenden
Erfindung darzustellen, jedoch nicht den vollständigen Schutzbereich der Erfindung
zu erläutern.
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Beispiel 1 – System
zur Blasausformung
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Eine
Talkum-Extrusionslinie mit einer 2 1/2 mm Schraube mit einem L/D-Verhältnis von
32:1 des ersten Extruders (Akron Extruders, Canal Fulton, OH) sowie
eine Schraube des zweiten Extruders mit 3 mm und einem L/D-Verhältnis von
36:1 (Akron Extruders, Canal Fulton, OH) wurde in einem rechtwinkligen
Aufbau angeordnet. Ein Volumen-Beschicker der in der Lage ist, bis
zu 13,6 kg/h (30 lb/h) zuzuführen,
wurde in der Zufuhröffnung
des ersten Extruders befestigt, so dass die zusammengesetzten Talkum-Additiv-Pellets
in den ersten Extruder eindosiert werden konnten. Ein Injektionssystem
für die
Injektion von CO2 in den zweiten Extruder wurde
etwa 8 Durchmesser vom Einlass des zweiten Extruders entfernt platziert.
Das Injektionssystem beinhaltete vier gleich im Umfang zueinander
beabstandete radial positionierte Anschlüsse, wobei jeder Anschluss 176 Öffnungen
beinhaltete, von denen jede Öffnung
einen Durchmesser von 0,5 mm (0,02 Inch) aufwies, um eine Gesamtheit
von 704 Öffnungen
auszubilden. Das Injektionssystem beinhaltete ein Luft-getriebenes Steuerventil,
um eine Massenfließrate
von Treibmittel bei Raten von 0,091 bis 5,4 kg/h (0,2 bis 12 lbs/h)
bei Drücken von
bis zu 380 bar (5500 psi) präzise
zu dosieren.
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Die
Schraube des ersten Extruders war eine speziell ausgestaltete Schraube,
und das Zuführen, Schmelzen
und Vermischen des Polymer-Talkum-Konzentrats im Anschluss an eine
Misch-Sektion für
die Dispergierung des Treibmittels in dem Polymer zur Verfügung zu
stellen. Der Auslass dieses ersten Extruders war mit dem Einlass
des zweiten Extruders unter Verwendung einer Transfer-Röhre mit
einer Länge
von ungefähr 0,61
m (24 Inches) verbunden.
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Der
zweite Extruder war mit einem speziell ausgestalteten tiefen Kanal
und einer Schraube mit einem vielfachen Gewindelauf ausgestattet,
um das Polymer zu kühlen
und das Druckprofil des mikrozellularen Material-Zwischenprodukts
zwischen dem Injizieren von Treibmittel und dem Eintritt zu einer
Zahnradpumpe (LCI Corporation, Charlotte, NC), welches am Ausgang
des zweiten Extruders angebracht war, beizubehalten. Die Zahnradpumpe
war mit einem integralen Mantel zum Erhitzen/Abkühlen ausgestattet und derart
in der Größe eingestellt,
um bei einem maximalen Ausstoß von
113 kg/h (250 lbs/h) mit einem eingestuften maximalen Ausgabedruck
von 690 bar (10.000 psi) betrieben zu werden.
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Am
Ausgang der Zahnradpumpe war das System mit einem Blaskopfadapter
und einer vertikal befestigten Blasausformlaskopf (Magic Company,
Monza, Italien) ausgestattet. Der Blaskopfadapter war mit Hähnen zur
Messung der Schmelzentemperatur und des Drucks direkt vor dem Eintritt
in den Blaskopf ausgestaltet. Der Blasausform-Kopf beinhaltete einen
spinnenartigen Fluss-Verteilkanal und ein Blaskopf-Einstellsystem, welches
die Bewegung der Blaskopf relativ zur fixierten Positionsspitze
ermöglichte,
was eine Vielzahl von Austrittsspalten abhängig von dem gewählten Werkzeug
bereitstellt.
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Eine
zweistückige
Flaschenform war in einer Spannvorrichtung für die Handausformung einer
Proben-Flasche als Sekundärprozess
befestigt. Eine Hälfte
der Form war stationär
in der Spannvorrichtung befestigt und die andere Hälfte war
auf linearen Gleitschienen befestigt. Schnell wirkende Klammern
waren an der stationären
Hälfte
der Form befestigt, was einen Mechanismus zur Verfügung stellte,
die Form geschlossen zu halten. Eine kurze Sektion einer Stahlröhre, die
an einem Punkt angespitzt war, und an einem 0–3,45 bar (0–50 psi)-Regulator
unter Verwendung einer Länge
eines flexiblen Schlauchs, der in dem Blassystem bereit stand, angebracht
zu werden. Der Formdurchmesser variierte von etwa 25 mm (1 Inch)
in dem Deckelbereich bis zu 76 mm (2 bis 3 Inches) im Korpus der
Flasche. Die Gesenklänge über alles
der Flaschenform war etwa 254 mm (10 Inches).
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Beispiel 2: Extrudat-
und Flaschen-Ausformung
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Pellets
aus hochdichtem Polyethylen (Equistar LR 5403) wurden in den Hauptbunker
der in Beispiel 1 beschriebenen Extrusionslinie eingeführt und
ein vorab zusammengesetztes Talkum-Konzentrat (50% Talkum in einer
HDPE-Basis) wurde in den Additiv-Zufuhrbunker eingeführt. Das
an dem Blasausform-Kopf
befestigte Werkzeug beinhaltete einen Blaskopf mit einem Ausgangs-Durchmesser
von 16,8 mm (0,663 Inch) und einem Abschrägungswinkel von 6,2° und einem
Austritts-Durchmesser an der Spitze von 16,1 mm (0,633 Inch) und einem
Abschrägungswinkel
von 2°.
Die Kombination dieser Spitze und des Blaskopfs stellt einen eingeschlossenen
Konvergenzwinkel von 8,2° zur
Verfügung.
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Der
Extruder sowie die Umdrehungszahl der Zahnradpumpe wurden so eingestellt,
um einen Ausstoß von
etwa 95,3 kg/h (210 lb/h) bei Geschwindigkeiten von etwa 78 U/min
am ersten Extruder und 32 U/min am zweiten Extruder und 50 U/min
an der Zahnradpumpe zur Verfügung
zu stellen. Die Temperaturen des zweiten Laufs waren so eingestellt,
dass eine Schmelztemperatur von etwa 157°C (315 °F) am Eingang der Presse beibehalten
wurde. Die Additiv-Zufuhr war so eingestellt, dass sie einen Ausstoß von etwa
5 kg/h (11 lb/h) zur Verfügung
stellte, der in einem 2,7%-igen Anteil des Talkums im Material,
gemessen am Polymergewicht führte.
CO2-Treibmittel wurde bei einer Nominalrate
von 1,5 kg/h (3,3 lb/h) indiziert, was zu einem 1,6%-igen Anteil des
Treibmittels im Material gemessen am Polymer-Gewicht führte.
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Die
oben dargestellten Bedingungen erzeugten ein Extrudat, welches 1,14
mm (0,045 Inch) dick bei einem Durchmesser von etwa 33 mm (1,3 Inches)
bei einer Dichte von 0,74 g/cm3 war. Basierend
auf einer nominalen Feststoff-Materialdichte von 0,95 g/cm3, war die erzielte Dichtenreduzierung 23%.
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Probenflaschen
wurden in der nachfolgenden Weise produziert: ein Extrudat mit einer
Länge von
etwa 406 mm (16 Inches) wurde extrudiert, manuell aus dem Extruder
entfernt und direkt danach in der Form positioniertt. Die Formhälften wurden
schnell verschlossen und verklemmt. Mit dem Luftregulator, der bei
1,4 bar (20 psi) eingestellt war, wurde die angespitzte Röhre dann
dazu verwendet, das Extrudat oben an der Form einzustechen und Luft
in die ID des nunmehr vom Ende der Form verschlossenen Extrudats
einzuführen.
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Die
oben beschriebenen Bedingungen erzeugten eine Flasche mit einer
Dicke von 0,38 mm (0,015 Inch) und einem Durchmesser von etwa 64
mm (2,5 Inches) bei einer Dichte von 0,70 g/cm3.
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Beispiel 3: Extrudat-
und Flaschen-Ausbildung
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Pellets
aus hochdichtem Polyethylen (Equistar LR 5403) wurden in den Hauptbunker
einer in Beispiel 1 beschriebenen Extrusionslinie eingeführt und
ein vorab zusammengesetztes Talkum-Konzentrat (50% Talkum in einer
HDPE-Basis) wurde in den Additiv-Zufuhrbunker eingeführt. Das
an dem Blasausform-Kopf
angebrachte Werkzeug beinhaltete eine Presse mit einem Ausgangs-Durchmesser
von 0,675 Inch und einen Abschrägungswinkel
von 4° sowie
einen Ausgangs-Durchmesser an der Spitze von 1,61 mm (0,633 Inch)
und einen Abschrägungswinkel
von 2°.
Die Kombination dieser Spitze und des Blaskopfs stellte einen eingeschlossenen
Konvergenz-Winkel von 6° zur
Verfügung.
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Die
Umdrehungszahl des Extruders und der Zahnradpumpe wurden eingestellt,
um einen Ausstoß von etwa
82 kg/h (180 lb/h) bei Geschwindigkeiten von etwa 66 U/min an dem
ersten Extruder, 30 U/min an dem zweiten Extruder und 40 U/min an
der Zahnradpumpe zur Verfügung
zu stellen. Die Temperaturen des zweiten Laufs wurden so eingestellt,
dass eine Schmelztemperatur von etwa 154°C (310°F) am Eingang des Blaskopfs beibehalten
wurde. Der Additiv-Zuführer
wurde so eingestellt, dass er einen Ausstoß von etwa 8,2 kg/h (18 lb/h)
zur Verfügung
stellt, was zu 5,3% Talkum im Material bezogen auf das Polymer-Gewicht
führte.
N2 als Treibmittel wurde bei einer nominalen
Rate von 0,27 kg/h (0,6 lbs/h) injiziert, was zu 0,33 Treibmittel
in dem Material bezogen auf das Polymer-Gewicht führte.
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Die
oben beschriebenen Bedingungen produzierten ein Extrudat, das 2,03
mm (0,080 Inch) dick und einen Durchmesser von etwa 30,5 mm (1,2
Inches) bei einer Dichte von 0,69 g/cm3 aufwies.
Basierend auf einer nominalen Feststoffmaterial-Dichte von 0,95
g/cm3 war die erzielte Dichtenreduktion
29%.
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Probenflaschen
wurden in der folgenden Weise produziert: ein Extrudat mit einer
Länge von
etwa 406 mm (16 Inches) wurde extrudiert, manuell aus dem Extruder
entfernt und direkt danach in der Form positioniert. Die Formhälften wurden
schnell verschlossen und miteinander verklemmt. Mit dem bei 2,76
bar (40 psi) eingestellten Luftregulator wurde dann die angespitzte
Röhre dazu
verwendet, das Extrudat oben an der Form zu durchstechen und Luft
in das ID des nunmehr geschlossenen Extrudats am Ende der Form einzuführen.
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Die
oben beschriebenen Bedingungen produzierten eine Flasche mit einer
Dicke von 0,94 mm (0,037 Inch) und einem Durchmesser von etwa 51
mm (2,0 Inches) bei einer Dichte von 0,79 g/cm3.
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Beispiel 4: Extrusion
eines Mikrozellular-Polypropylen-Materials
ohne Füllstoff
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Eine
Tandem-Extrusionslinie (Akron Extruders, Canal Fulton, OH) wurde
inklusive eines ersten 64 mm (2,5 Inch), 32/1 L/D Extruders und
eines zweiten 76 mm (3,0 Inch) 34/1 L/D Extruders angeordnet. Ein
Injektionssystem zur Injizierung von CO2 in
den ersten Extruder wurde unter einem Abstand von etwa 20 Durchmessern
von der Zufuhr-Sektion platziert. Das Injektionssystem beinhaltete
vier umfänglich
gleich beabstandete, radial positionierte Anschlüsse, von denen jeder Anschluss
176 Öffnungen
beinhaltete, wobei jede Öffnung
einen Durchmesser von 0,51 mm (0,02 Inch) aufwies, für eine Gesamtzahl
von 704, Öffnungen.
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Der
erste Extruder war mit einer Zweistufen-Schraube, die eine konventionelle
Einstufen-Schraube, einen Übergang
sowie Dosier-Sektionen, die von einer Mischsektion für die Treibmittel-Dispersion
mit einer Vielzahl von Gewindegängen
(vier Gewindegängen)
gefolgt war. Die Schraube wurde für die Hochdruck-Injizierung
von Treibmittel mit minimiertem Druckabfall zwischen der Erststufen-Dosierungssektion
und dem Punkt der Injektion des Treibmittels ausgestaltet. Die Mischsektion
beinhaltete vier ununterbrochene Gewindegänge an Injektionsanschlüssen, so
dass die Öffnungen
von den Gewindegängen überstrichen
werden (geöffnet
und geschlossen werden). Bei einer Schraubengeschwindigkeit von
80 U/min wurde jede Öffnung
von einem Gewindegang bei einer Frequenz von 5,3 Überstreichungen
pro Sekunde überstrichen.
Die Mischsektion und das Injektionssystem erlaubten eine sehr schnelle
Ausbildung einer einphasigen Lösung
aus Treibmittel und Polymer-Material.
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Das
Injektionssystem beinhaltete ein luftbetriebenes Steuerungsventil,
um eine Massenfließrate
von Treibmittel bei Raten von 0,091 bis 5,4 kg/h (0,2 bis 12 lbs/h)
bei Drücken
von bis zu 380 bar (5500 psi) präzise zu
dosieren.
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Der
zweite Extruder war mit einem tiefen Kanal, einer dreigängien Kühlschraube
mit unterbrochenen Gewindegängen
ausgestattet, was die Möglichkeit
zur Verfügung
stellte, ein Druckprofil des mikrozellularen Materials-Zwischenprodukts
zwischen der Injizierung von Treibmittel und dem Eingang zum Punkt
der Keimbildung (in diesem Fall der Blaskopf) beizubehalten, welches
um nicht mehr als etwa 103 bar (1500 psi) und in den meisten Fällen deutlich
weniger zu variieren.
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Das
System beinhaltetet eine Instrumentation, die die Messung des Drucks
und der Temperatur des Schmelzenstroms an zumindest sechs Orten über das
Tandem-System zwischen einem Ort direkt vor den Treibmittel-Injektionsanschlüssen und
dem Punkt des Eintritts in die Presse zu messen, um die Material-Bedingungen
präzise
zu überwachen.
Entlang der Schraube wurde die Schmelzen-Temperatur mit Infrarot-Geräten gemessen,
um eine Unterbrechung des Schmelzen-Stroms zu vermeiden.
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Polypropylen-Pellets
wurden mittels Schwerkraft von einem Bunker in das Extrusions-System
zugeführt.
Die verwendete Güteklasse
war ein Standard-Homopolymer-Harz, Montell's 6823, welches einen nominalen Schmelzefluss-Index
von 0,5 g/10 min aufweist. Das Polymer-Material war im wesentlichen
frei von Keimbildungs-Agens. Die Geschwindigkeit der ersten Schraube
war 90 U/min, welches einen Gesamt-Ausstoß von etwa 38 kg/h (84 lbs/h)
des Materials ergab. Die Geschwindigkeit der zweiten Schraube war
5 U/min. Die Temperaturen des Laufs des zweiten Extruders waren
so eingestellt, dass eine Schmelzentemperatur von 197°C (386°F) beibehalten
wurde, die am Ende des zweiten Extruders gemessen wurde. CO2 wurde als Treibmittel bei einer Rate von
1,81 kg/h (4,0 lbs/h) injiziert, was zu einem 4,8%-igen Gehalt an
Treibmittel in der Schmelze führte.
Ein Blaskopfadapter am Ausgabeende des zweiten Extruders war mit
einer Flachbogen-T-Typ-Blaskopf verbunden, der einen Blaskopfausgang
mit einer Breite von 114 mm (4,5 Inches) und einen Spalt von 0,86
mm (0,034 Inch) aufwies. Ein separater Nukleator mit konstant sich
verkleinerndem Spalt auf eine Ausgangs-Dimension von 0,38 mm (0,015
Inch) wurde innerhalb von 13 mm (0,5 Inches) vom Ausgang des Blaskopfs
positioniert. Der Blaskopf hatte sowohl Schmelzen- als auch Druck-Indikatoren.
Das Druckprofil zwischen den Injizierungs-Anschlüssen und dem Einlass des Blaskopfs
war bei 157 und 241 bar (zwischen 2120 und 3490 Positionssignal)
gehalten worden.
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7 ist
eine Fotokopie eines SEM-Bildes des Querschnitts des Bogens, der
eine gleichmäßige Dispergierung
der Zellen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 25
Mikrometer zeigt. Der Bogen hatte eine ungefähre Dicke von 0,033 Inch (0,83
mm). Die Dichte des Mikrozellular-Schaums war etwa 0,063 g/cm3 (lbs/ft3).
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Beispiel 5: Extrusion
von mikrozellularen Polypropylen-Bögen ohne Füllstoff
-
Das
gleiche Extrusionssystem, der Blaskopf sowie Polypropylen-Güteklasse, wie in Beispiel 4
oben beschrieben, wurde für
dieses Beispiel verwendet. Das Polymer-Material war im wesentlichen
frei von Keimbildungs-Agens. Die Geschwindigkeit der ersten Schraube
war 75 U/min, was einen vollständigen
Ausstoß von Material
von etwa 27,2 kg/h (50 lbs/h) ergeben hat. Die Geschwindigkeit der
zweiten Schraube war 20 U/min. Die Lauf-Temperaturen des zweiten
Extruders waren so eingestellt, dass sie eine Schmelzen-Temperatur
von 181°C
(358°F),
gemessen am Ende des zweiten Extruders, beibehalten hat. CO2 wurde als Treibmittel bei einer Rate von
1,12 kg/h (2,5 lbs/h) injiziert, was zu einem Gehalt an Treibmittel
von 4,2% in der Schmelze führte. Das
Druckprofil zwischen den Injektions-Anschlüssen und dem Einlass des Blaskopfs
wurde zwischen 150 und 252 bar (2180 psi und 3650 psi) beibehalten.
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Der
Bogen wurde zur Verwendung eines Standard-Dreiwalzen-Gerüsts aufgenommen,
bei einer Temperatur von 38°C
(100°F)
unter Verwendung eines zirkulierenden Öls gehalten. Die Aufnahme-Geschwindigkeit
war etwa 0,15 m/sec (30 ft/min), um eine Schluss-Dicke des Bogens
von etwa 0,036 Inch (0,93 mm) zu ergeben. 8 ist eine
Fotokopie des SEM-Bilds des Querschnitts des Bogens, welches eine
nicht gleichmäßige, generell
nicht Mikrozellulare Struktur zeigt. Die durchschnittliche Zellgröße war etwa
65 Mikrometer mit einer maximalen Größe von 120 Mikrometer im Durchmesser.
Die Materialdichte wurde als 0,79 g/cm3 (49,3 lbs/ft3) gemessen.
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Die
größere durchschnittliche
Zellgröße des in
Beispiel 5 produzierten Bogens im Vergleich zu dem in Beispiel 4
produzierten Bogen besteht in großen Teilen aufgrund der Tatsache,
dass in Beispiel 5 eine niedrigere Konzentration an Treibmittel
ohne die Verwendung eines Keimbildungs-Agens erfolgte.
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Beispiel 6: Extrusion
eines mikrozellularen Polypropylen-Sheets, welches Talkum-Füllstoff
aufwies
-
Unter
Verwendung des gleichen Polypropylen-Materials und Extrusions-Systems,
wie es in Beispiel 4 beschrieben wurde, wurden Polypropylen-Pellets
mittels Schwerkraft von einem Bunker in das Extrusions-System zugeführt. Die
Geschwindigkeit der ersten Schraube war 48 U/min, was einen, vollständigen Ausstoß von etwa
45,4 kg/h (100 lbs/h) des Materials ergeben hat. Die Geschwindigkeit
der zweiten Schraube war 16 U/min. Ein Schneckentyp-Beschicker wurde
verwendet, ein Talkum/PP Pellet-Konzentrat (EP5140 A1 von Spartech
Polycom) in den Bunker zu überführen. Die
Schraubengeschwindigkeit der Schnecke war so eingestellt, dass 5,7
kg/h (12,5 lb/h) Talkum-Konzentrat
in den Bunker geliefert wurden. Diese Rate korrespondiert mit 12,5
Gew-% basierend auf dem vollständigen
Material-Ausstoß.
Da dieses Konzentrat 40 Gew-% des Talkums war, enthielt die resultierende
Formulierung etwa 5% Talkum. Die Lauf-Temperaturen des zweiten Extruders
wurden so eingestellt, dass eine Schmelzen-Temperatur von 218°C (424°F), gemessen
am Ende des zweiten Extruders, beibehalten wurde. CO2 wurde
als Treibmittel bei einer Rate von 0,23 kg/h (0,5 lbs/h) injiziert,
was zu einer Konzentration von 0,5% Treibmittel in der Schmelze
führte.
Das Druckprofil zwischen den Injektions-Anschlüssen und dem Einlass des Blaskopfs
wurde zwischen 109 und 131 bar (1580 psi und 1900 psi) beibehalten.
Die am Ende des zweiten Extruders platzierte Blaskopf war ein T-Typ Flachblaskopf
mit einer Öffnung
von 279 mm (11 Inches) in ihrer Breite und 0,8 mm (0,030 Inch) Spalte.
Die Blaskopfränder
waren parallel und wiesen eine 13 mm (0,5 Inch) Schlusslänge auf.
Die Druckabfallrate über
die Ränder
war 0,07 GPa/s.
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Unter
Verwendung des gleichen Dreiwalzen-Gerüsts wurde der Bogen bei 38°C (100°F) gehalten
und mit 0,06 m/s (11,4 ft/min) aufgenommen, was in einer Bogen-Dicke
von 0,038 Inch (0,97 mm) resultierte. 9 ist eine
Fotokopie eines SEM-Bildes des Querschnitts des Bogens, welches
einigermaßen
gleichmäßig verteilte,
hauptsächlich
geschlossene Zellen mit einem Durchschnittsdurchmesser von etwa
50 Mikrometer zeigt. Die resultierende Bogen-Dichte war, 7,1 g/cm3 (44,3 lbs/ft3).
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Beispiel
6 stellt die Produktion von Mikrozellular-Polypropylen mit einem mittleren Niveaubereich
an Talkum als Keimbildungs-Agens unter Verwendung eines vergleichsweise
niedrigen Gas-Prozentsatzes und einer vergleichsweise niedrige Druckabfallrate
dar.
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Beispiel 7: Extrusion
eines mikrozellularen Polypropylen-Bogen, welcher Talkum und Titandioxid
als Füllstoffe aufweist
-
Das
mit dem in Beispiel 6 beschriebenen identische System wurde verwendet,
ausgenommen dass ein Titandioxid/PP-Konzentrat per Hand mit dem Talkum-Konzentrat
im Verhältnis
von vier Teilen Talkum-Konzentrat zu einem Teil Titandioxid (TiO2)-Konzentrat verwendet wurde. Da das Titandioxid-Konzentrat ebenso etwa
40 Gew-% TiO2 aufwies, bestand dieser Füllstoff
aus etwa 80% Talkum und 20% TiO2. Die Geschwindigkeit
der ersten Schraube war 48 U/min, welches einen vollständigen Ausstoß von etwa
45 kg/h (100 lbs/h) an Material ergab. Das Gemisch von Konzentrat-Pellets
wurde mittels des Schneckentyp-Beschickers
unter einer Rate von 5 bis 7 kg/h (12,5 lb/h) zugeführt, was
in einer schlussendlichen Formulierung, die 5% Keimbildungs-Agens
in der Polypropylen-Matrix enthielt, führte. Die Lauf-Temperaturen
des zweiten Extruders wurden so eingestellt, dass eine Schmelzen-Temperatur
von 218°C
(424°F), gemessen
am Ende des zweiten Extruders. Beibehalten wurde. CO2 wurde
als Keimbildner bei einer Rate von 0,27 kg/h (0,6 lbs/h) injiziert,
was zu einer Konzentration des Treibmittels in der Schmelze von
0,6% führte.
Das Druckprofil zwischen den Injektions-Anschlüssen und dem Einlass des Blaskopfs
wurde zwischen 107 und 131 bar (1550 psi und 1900 psi) beibehalten.
Die am Ende des zweiten Extruders platzierte Presse war in jeder
Hinsicht identisch mit der im Beispiel 6 beschriebenen. Die Druckabfallrate über die
Pressenränder
war etwa 0,07 GPa/sec.
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Die
Verwendung des gleichen Dreiwalzen-Gerüsts führte zu einer Aufnahme-Geschwindigkeit
von 0,06 m/s (11,7 ft/min) in einer Bogen-Dicke von 0,04 Inch (1,0
mm) und hatte eine Dichte von 0,73 g/cm3 (45,6 lbs/ft3). 10 ist
eine Fotokopie eines SEM-Bilds des Querschnitts des Bogens, und
zeigt einigermaßen gleichmäßig verteilte,
hauptsächlich
geschlossene Zellen mit einem Durchschnitts-Durchmesser von etwa
40 Mikrometer.
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Beispiel
7 stellt die Produktion von mikrozellularem Polypropylen dar, welches
Talkum und TiO2 als Talkum-Agenzien beinhaltet.
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Beispiel 8: Röhrenprodukt
aus mikrozellularem Polypropylen mit 5% Talkum als Füllstoff
-
Eine
NRM (Pawcatuck, CT) lange 2,5 Inch 44/1 L/D Einzel-Extrusionslinie wurde
mit einem Injektions-System für
die Injektion von CO2, welches unter einem
Abstand von etwa 25 Durchmessern von der Zufuhr-Sektion platziert
war, ausgestattet. Das Injektions-System beinhaltete 4 umfänglich gleich
beabstandete, radial positionierte Anschlüsse, wobei jeder Anschluss
417 Öffnungen
beinhaltete, von denen jede Öffnung
einen Durchmesser von 0,51 mm (0,02 Inch) aufwies, um so eine vollständige Menge
von 1668 Öffnungen
zu bieten.
-
Der
Extruder war mit einer Zweistufen-Schraube versehen, die eine konventionelle
Erststufen-Zufuhr, einen Grenzflächen-Gewindegangs-Übergang
sowie Dosierungs-Sektion, die von einer Misch-Sektion mit einer
Vielzahl von Gewindegängen
(sechs Gewindegängen)
zur Dispersion von Treibmittel ausgestattet ist. die Schraube wurde
für die
Hochdruck-Injizierung von Treibmittel mit minimiertem Druckabfall
zwischen der Erststufen-Dosierungs-Sektion und dem Punkt des Injizierens
von Treibmittel ausgestaltet. Die zweite Stufe der Schraube beinhaltete
eine Misch-Sektion, die 6 nicht unterbrochene Gewindegänge an den
Injizierungs-Einschlüssen
aufwies, so dass die Öffnungen
von den Gewindegängen überstrichen
wurden (geöffnet
und geschlossen). Bei einer Schraubengeschwindigkeit von 80 U/min
wurde jede Öffnung
von einem Gewindegang bei einer Frequenz von 8 Streichen pro Sekunde überstrichen.
Die Misch-Sektion und das Injektions-System erlaubten eine sehr
schnelle Erzeugung einer einphasigen Lösung aus Treibmittel und Polymer-Material.
Das Injektions-System beinhaltete ein luftbetriebenes Steuerungsventil,
um eine Massen-Fließrate
des Treibmittels bei Raten von 0,091 bis 22,7 kg/h (0,2 bis 50 lbs/h)
bei Drücken
von bis zu 380 bar (5500 psi) präzise
zu dosieren.
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Die
zweite Stufe der Schraube war ebenso mit einem tiefen Kanal und
einer Kühlsektion
mit drei Gewindegängen
mit unterbrochenen Gewindegängen
ausgestattet, was die Möglichkeit
zur Verfügung
stellt, den Polymer-Schmelzenstrom zu kühlen.
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Das
System beinhaltete am Ende des Extruders einen Blaskopfadapter sowie
ein zylindrischer kreisförmiger
Blaskopf mit einem Spalt von 8,6 mm (0,34 Inch), einem Innendurchmesser
von 10 mm (0,4 Inch) und einer Länge
von 51 mm (2 Inches). Der Blaskopfadapter war mit Hähnen zur
Messung der Schmelzen-Temperatur
und des Drucks direkt vor dem Eingang in den Blaskopf versehen.
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Das
System beinhaltete eine Instrumentation, die die Messung des Drucks
und der Temperatur des Schmelzen-Stroms an zumindest 7 Orten über das
System zwischen einem Ort direkt vor den Injektions-Anschlüssen für das Treibmittel
ist zu dem Punkt des Eintritts in des Blaskopfs zu ermöglichen,
um präzise
die Material-Bedingungen zu überwachen.
Entlang der Schraube wurde die Schmelzen-Temperatur mit Infrarot-Ausrüstung gemessen,
um die Unterbrechung des Schmelzen-Stroms zu vermeiden.
-
Ein
Standard-Homopolymer-Harz, Solvay's HB 1301, mit einem nominalen Schmelzfluss-Index
von 5 g/10 min wurde als Basis-Harz
verwendet. Das Talkum-Konzentrat, welches aus Pellets mit 40 Gew-%
von in einer Homopolymer-Polypropylen-Matrix (Montell Astryn 65F4-4)
dispergierten Talkum wurde mit HB 1301 unter Verwendung eines Mischsystems
des loss-in-weight-Typs vermischt, um eine Mischung zu erzeugen,
die 5 Gew-% Talkum (12,5% Talkum-Konzentrat) enthielt. Diese Mischung
wurde dann mittels Schwerkraft in einem Bunker in das Extrusions-System
geführt.
Die Geschwindigkeit der ersten Schraube war 50 U/min, was einen
vollständigen
Ausstoß von
etwa 24,5 kg/h (54 lbs/h) an Material ergab. Die Lauf-Temperaturen
wurden so eingestellt, dass eine Schmelzen-Temperatur von 217°C (422°F), gemessen
am Ende des Extruders, beibehalten wurde. CO2 wurde
als Treibmittel bei einer Rate von 0,14 kg/h (0,3 lbs/h) injiziert,
was zu einer Konzentration des Treibmittels in der Schmelze von
0,55 führte.
Ein Blaskopfadapter wurde am Ausgabeende des Extruders angeordnet,
und verband einen zylindrischen kreisförmigen Blaskopf, die einen
Spalt von 0,011 mm (0,025 Inches) mit einem äußeren Durchmesser von 4,6 mm
(0,18 Inches) und einer Länge
von 3,8 mm (0,15 Inches) verband. Das Druckprofil zwischen den Injektions-Anschlüssen und
dem Einlass des Blaskopfs war bei 168 und 244 bar (2430 und 3540
psi) beibehalten. Die Druckabfallrate über den Blaskopf war 11,2 GPa/s.
-
11 ist
eine Fotokopie eines SEM-Bilds des Querschnitts des Extrudats, welches
generell sphärische
Zellen mit nahezu 50 Mikrometer Durchmesser, welche über den
Querschnitt der Röhrenwand
verteilt sind, zeigt. Die Wanddicke des Produkts war etwa 0,008
Inch (0,21 mm). Der äußere Durchmesser
des Produkts war etwa 0,26 Inch (6,60 mm). Die Materialdichte war
etwa 0,51 g/cm3 (32 lbs/ft3).
-
Beispiel
8 stellt die Produktion dünnen
mikrozellularen Polypropylen-Materials unter Verwendung einer Menge
an Talkum als Keimbildungs-Agens mittleren Niveaus zur Verfügung, während eine
vergleichsweise niedrige Menge von Treibmittel und eine relativ
hohe Druckabfallrate angewendet wird.
-
Beispiel 9: Röhren-Produkt
aus mikrozellularem Polypropylen mit 3% Talkum als Füllstoff
-
Eine
Harz-Formulierung, die den gleichen Basis-Polypropylen-Harzgütegrad wie
Beispiel 8 aufwies, jedoch mit 3% Talkum (7,5% Talkum-Konzentrat)
wurde vermischt und mittels Schwerkraft von einem Bunker in das
Extrusions-System zugeführt.
Die Geschwindigkeit der ersten Schraube war 50 U/min, was einen
vollständigen
Ausstoß von
etwa 24,5 kg/h (54 lbs/h) ergab. Die Lauf-Temperaturen waren so
eingestellt, dass eine Schmelzen-Temperatur von 219°C (427°F), gemessen
am Ende des Extruders, beibehalten wurde als Treibmittel bei einer
Rate von 0,12 kg/h (0,27 lbs/h) injiziert, was zu einer Konzentration
des Treibmittels ein der Schmelze von 0,5% führte. Ein Blaskopf, wie er
in Beispiel 8 beschrieben wurde, wurde am Ausgabeende des Extruders
angeordnet. Das Druckprofil zwischen den Injektions-Anschlüssen und
dem Einlass des Blaskopfs wurde zwischen 183 und 269 bar (2650 und
3900 psi) beibehalten. Die Druckabfallrate über die Presse war 12,4 GPa/s.
-
12 ist
eine Fotokopie eines SEM-Bilds des Querschnitts des Extrudats, welches
generell sphärische
Zellen mit einem Durchmesser von etwa 60 Mikrometern, die über dem
Querschnitt der Röhren-Wand verteilt
sind, zeigt. Die Wanddicke des Produkts war etwa 0,01 Inch (0,25
mm). Der äußere Durchmesser
des Produkts war etwa 0,26 Inch (6,60 mm). Die Materialdichte war
etwa 0,52 g/cm3 (32,4 lbs/ft3).
-
Das
in Beispiel 9 produzierte Material weist eine größere durchschnittliche Zellgröße verglichen
mit dem in Beispiel 5 produzierten Material auf, da in Beispiel
6 weniger Keimbildungs-Agens vorliegt.
-
Beispiel 10: Röhrenförmiges Produkt
bestehend aus nicht-mikrozellularem
Polypropylen mit 1% Talkum als Füllstoff
-
Eine
Harz-Formulierung, die den gleichen Basis-Polypropylen-Harzgütegrad wie
Beispiel 8 aufwies, jedoch 1% Talkum (2,5% Talkum-Konzentrat) wurde
vermischt und mittels Schwerkraft von einem Bunker in das Extrusions-System
zugeführt.
Die Geschwindigkeit der ersten Schraube war 50 U/min, was einen
vollständigen
Ausstoß von
etwa 24,5 kg/h (54 lbs/h) an Material ergab. Die Lauf-Temperaturen
waren derart eingestellt, dass eine Schmelzen-Temperatur von 220°C (428°F), gemessen
am Ende des Extruders, beibehalten wurde. CO2 wurde
als Treibmittel bei einer Rate von 0,22 kg/h (0,48 lbs/h) injiziert,
was zu einer Konzentration des Treibmittels in der Schmelze von
0,9% führte.
Ein wie in Beispiel 8 beschriebener Blaskopf war am Ausgabeende
des Extruders angeordnet. Das Druckprofil zwischen den Injektions-Anschlüssen und
dem Einlass der Blaskopf wurde zwischen 180 und 268 bar (2600 und
3880 psi) beibehalten. Die Druckabfallraten über den Blaskopf waren etwa
12,4 GPa/s.
-
13 ist
eine Fotokopie eines SEM-Bilds des Querschnitts des Extrudats, welches
im wesentlichen sphärische
Zellen mit einem Durchmesser von etwa 150 Mikrometer, die über den
Querschnitt der Röhrenwand
verteilt sind, zeigt. Die Wanddicke des Produkts war etwa 0,018
Inch (0,46 mm). Der äußere Durchmesser
des Produkts war etwa 0,26 Inch (6,60 mm). Die Metalldichte war
etwa 0,53 g/cm3 (33,1 lbs/ft3).
-
Das
in Beispiel 10 produzierte Material mit weniger als einem mittleren
Bereich an Keimbildungs-Agens (1% Talkum) ist nicht mikrozellular.
-
Beispiel 11–14: Hochdichter
Polyethylen-Mikrozellular-Schaum
-
Eine
Tandem-Extrusionslinie mit einer einzelnen 2 1/2 mm 32:1 L/D-Schraube
im ersten Extruder (Akron Extruders, Canal Fulton, OH), sowie einer
einzelnen 3 36:1 L/D Schraube im zweiten Extruder (Akron Extruders,
Canal Fulton, OH) wurde in einem rechtwinkligen Aufbau angeordnet.
Ein volumetrischer Beschicker, der in der Lage war, bis zu 14 kg/h
(30 lb/h) zuzuführen,
wurde in der Zufuhröffnung
des ersten Extruders derart befestigt, dass die zusammengesetzten
Talkum-Additiv-Pellets
in den ersten Extruder eindosiert werden konnten. Ein Injektions-System
für die
Injektion von CO2 in den zweiten Extruder
wurde bei etwa 8 Durchmessern vom Einlass des zweiten Extruders
angeordnet. Das Injektions-System beinhaltete vier umfänglich gleich beabstandete,
radial positionierte Anschlüsse,
von denen jeder Anschluss 176 Öffnungen
aufwies, von denen jede Öffnung
0,51 mm (0,02 Inch) Durchmesser aufwies, um so eine vollständige Menge
von 704 Öffnungen zu
ergeben. Das Injektions-System beinhaltete ein luftbetätigtes Steuerungsventil,
um eine Massen-Fließrate des
Treibmittels bei Raten von 0,091 bis 5,4 kg/h (0,2 bis 12 lbs/h)
bei Drücken
von bis zu 380 bar (5500 psi) präzise
zu dosieren.
-
Die
Schraube des ersten Extruders war speziell ausgestaltet, um die
Zufuhr, das Schmelzen und das Vermischen des Polymer/Talkum-Konzentrats
nachfolgend an eine Misch-Sektion für die Dispergierung des Treibmittels
in dem Polymer zur Verfügung
zu stellen. Der Auslass des ersten Extruders war mit dem Einlass des
zweiten Extruders unter Verwendung einer Transfer-Röhre in einer
Länge von
etwa 0,61 m (24 Inches) verbunden.
-
Der
zweite Extruder war mit speziell einem ausgestalteten tiefen Kanal
und einem Multi-Gewindegang-Schraubendesign ausgestaltet, um das
Polymer abzukühlen
und das Druckprofil des mikrozellularen Material-Zwischenprodukts
zwischen der Injektion des Treibmittels und dem Eintritt in eine
Zahnradpumpe (LCI Corporation, Charlotte, NC), die am Ausgang des
zweiten Extruders angeordnet ist, beizubehalten. Die Zahnradpumpe
war mit einem integralen Mantel zum Aufheizen/Abkühlen ausgestaltet
und derart in der Größe eingestellt,
um bei einem maximalen Ausstoß von
113 kg/h (250 lb/h) mit einem eingestuften maximalen Ausstoßdruck von
690 bar (10.000 psi) betrieben zu werden.
-
Das
System war am Ausgang der Zahnradpumpe mit einem Blaskopfadapter
und einem vertikal befestigten Blasform-Blaskopf (Magic Company, Monza, Italien)
ausgestattet. Der Blaskopfadapter war mit Hähnen zur Messung der Schmelzen-Temperatur und des
Drucks direkt vor dem Eintritt in den Blaskopf ausgestattet. Der
Blasform-Kopf beinhaltete einen konventionellen spinnenartigen Fließ-Verteilkanal
und ein Blaskopf-Einstellungssystem, welches die Bewegung des Blaskopfs
relativ zur fixierten Positionsspitze ermöglichte, was eine Vielzahl
von Ausgangs-Spalten abhängig
von dem gewählten
Werkzeug zur Verfügung
stellt.
-
Das
oben beschriebene System wurde dazu verwendet, mikrozellulare HDPE-Schaumproben
mit einem mittleren Bereich an Keimbildungs-Agens zu erzeugen, wie
dies in den Beispielen 11 bis 14 dargestellt ist. Die Bearbeitungsbedingungen
und die Charakteristika der resultierenden Produkte für die Beispiele
11 bis 14 sind wie folgt zusammengefasst:
-
-
Beispiel 15: Mikrozellulares
Extrusions-System
-
Eine
Tandem-Extrusions-Linie, wie sie im Beispiel 1 beschrieben wurde,
wurde verwendet mit der Ausnahme, dass der zweite Extruder mit einem
tiefen Kanal, einem Multi-Gewindegang-Schraubendesign
ausgestattet war, um das Polymer zu kühlen und das Druckprofil des
mikrozellularen Material-Zwischenprodukts
zwischen der Injizierung des Treibmittels und dem Eintritt zu einem
Blaskopfadapter und einem vertikal befestigten Form-Blaskopf (Magic
Company, Monza, Italien) beizubehalten. Der Blaskopfadapter war
mit Hähnen
zur Messung der Schmelzen-Temperatur und des Drucks direkt vor dem
Eintritt in die Blaskopf ausgestattet. Der Blasform-Kopf beinhaltete
einen konventionellen Spinnentyp-Fließ-Verteilungskanal sowie ein Blaskopf-Einstellsystem,
welches die Bewegung des Blaskopfs relativ zur fixierten Positionsspitze
ermöglichte,
wodurch eine Vielzahl von Ausgangs-Spalten abhängig von dem gewählten Werkzeug
zur Verfügung
gestellt wurde.
-
Beispiel 16: Vergleichsbeispiel;
gestrippte Extrudat-Ausbildung
-
Pellets
aus hochdichtem Polyethylen (Equistar LR 5403) wurden in den Hauptbunker
der Extrusions-Linie, die in Beispiel 15 beschrieben wurde, eingeführt. Das
an dem Blasform-Kopf angeordnete Werkzeug beinhaltete einen Blaskopf
mit einem Ausgangs-Durchmesser von 31,2 mm (1,227 Inch) und einem
Ausgangs-Durchmesser an der Spitze von 30 mm (1,181 Inch) sowie
einem 2° Abschrägungswinkel.
Diese Werkzeug-Konfiguration
stellt einen Ausgangsspalt von 0,6 mm (0,023 Inches) sowie einen
eingeschlossenen Abschrägungswinkel
von 2° zur
Verfügung.
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Der
Extruder wurde so eingestellt, um einen Ausstoß von etwa 64 kg/h (140 lb/h)
bei Geschwindigkeiten von etwa 58 U/min des ersten Extruders und
25 U/min des zweiten Extruders zur Verfügung zu stellen. Die Temperaturen
des zweiten Extruders waren so eingestellt, dass eine Schmelzen-Temperatur
von etwa 152°C (305°F) am Eingang
des Blaskopfs beibehalten wurde. Der Volumen-Beschicker wurde ausgeschaltet
und kein zusammengesetztes Talkum wurde hinzugefügt. CO2 wurde
als Treibmittel bei einer nominalen Rate von 2,2 kg/h (4,8 lb/h) injiziert,
was zu einer Konzentration von Treibmittel in dem Material von 3,4%
gemessen am Polymer-Gewicht führte.
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Bei
den oben beschriebenen Bedingungen war die Zeit vom Blaskopf-Ausgang
vom Punkt der Keimbildung des Polymers etwa 0,060 Sekunden. Diese
Bedingungen produzierten ein Stripping des Produkts.
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Beispiel 17: Verschiedene
Extrusions-Systeme
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Ein
System wie in Beispiel 15 wurde verwendet, außer dass eine Zahnradpumpe
(LCI Corporation, Charlotte, NC) zwischen dem Ausgang des zweiten
Extruders und dem Eingang zu dem Kopf installiert wurde. Die Zahnradpumpe
wurde mit einem integralen Mantel zum Aufheizen/Abkühlen ausgestattet
und war so in der Größe eingestellt,
dass sie bei einem maximalen Ausstoß von 113 kg/h (250 lb/h) mit
einem abgestimmten maximalen Ausgabedruck von 690 bar (10.000 psi)
betrieben wurde.
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Beispiel 18: Extrudat-Ausbildung
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Pellets
aus hochdichtem Polyethylen (Equistar LR 5403) wurden in den Hauptbunker
der Extrusions-Linie, die in Beispiel 17 beschrieben wurde, eingeführt. Das
an dem Blasform-Kopf angeordnete Werkzeug beinhaltete einen Blaskopf
mit einem Austritts-Durchmesser von 17,4 mm (0,685 Inch) und einem
Spitzen-Ausgangs-Durchmesser von 15,8 mm (0,623 Inch) und einem
Abschrägungswinkel
von 2°.
Diese Werkzeug-Konfiguration stellte einen Ausgangs-Spalt von 0,79
mm (0,031 Inches) und einen eingeschlossenen Abschrägungswinkel
von 4° zur
Verfügung.
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Die
Rotationsgeschwindigkeit des Extruders sowie der Zahnradpumpe wurden
so eingestellt, dass ein Ausstoß von
etwa 98 kg/h (216 lb/h) bei Geschwindigkeiten von etwa 78 U/min
an dem ersten Extruder und 32 U/min an dem zweiten Extruder und
50 U/min an der Zahnradpumpe zur Verfügung gestellt wurden. Die Lauf-Temperaturen
des zweiten Extruders waren so eingestellt, dass Schmelzen-Temperaturen
von etwa 157°C
(315°F) am
Eingang des Blaskopfs beibehalten wurden. Der Additiv-Beschicker war so
eingestellt, dass er einen Ausstoß von etwa 5 kg/h (11 lb/h)
zur Verfügung
stellte, was zu einem Gehalt von Talkum in dem Material von 2,75
gemessen am Polymer-Gewicht
führte.
CO2 wurde als Treibmittel bei einer nominalen
Rate von 1 kg/h (2,2 lb/h) injiziert, was zu einem Gehalt von Treibmittel
in dem Material von 1% gemessen am Polymer-Gewicht führte.
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Bei
den oben genannten Bedingungen war die Zeit vom Blaskopf – Ausgang
vom Punkt der Keimbildung des Polymers etwa 0,002 Sekunden. Diese
Bedingungen produzierten einen guten Schaum mit einer durchschnittlichen
Zellgröße von etwa
70 Mikrometer ohne Stripping.
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Beispiel 19: Extrudat-Ausbildung
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Pellets
aus hochdichtem Polyethylen (Equistar LR 54039 wurden in den Hauptbunker
der Extrusions-Linie, die im Beispiel 17 beschrieben wurde, eingeführt. Das
an dem Blasform-Kopf angeordnete Werkzeug beinhaltete einen Blaskopf
mit einem Ausgangs-Durchmesser von 16,8 mm (0,661 Inch) und einem
Abschrägungswinkel
von 4° sowie
einem Spitzen-Ausgangs-Durchmesser
von 16,1 mm (0,633 Inch) und einem Abschrägungswinkel von 2°. Diese Werkzeug-Konfiguration
stellte einen Ausgangsspalt von 0,36 mm (0,014 Inches) und einen
eingeschlossenen Abschrägungswinkel
von 6° zur
Verfügung.
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Die
Umdrehungsgeschwindigkeiten des Extruders sowie der Zahnradpumpe
wurden so eingestellt, dass ein Ausstoß von etwa 96 kg/h (212 lb/h)
bei Geschwindigkeiten von etwa 64 U/min des ersten Extruders, 37
U/min des zweiten Extruders sowie 50 U/min der Zahnradpumpe zur
Verfügung
gestellt wurden. Die Lauf-Temperaturen des zweiten Extruders wurden
so eingestellt, dass eine Schmelzen-Temperatur von etwa 157°C (315°F) am Eintritt
des Blaskopfs beibehalten wurde. Der Additiv-Beschicker war so eingestellt, dass ein
Ausstoß von
etwa 5 kg/h (11 lb/h) zur Verfügung
gestellt wurde, was zu einem Gehalt des Talkums in dem Material
von 2,7% gemessen am Polymer-Gewicht führte. CO2 wurde
als Treibmittel bei einer nominalen Rate von 1,45 kg/h (3,2 lb/h)
injiziert, was zu einem Gehalt des Treibmittels in dem Material
von 1,5% gemessen am Polymer-Gewicht führte.
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Bei
den oben beschriebenen Bedingungen war die Zeit vom Blaskopf-Ausgang
von dem Punkt der Keimbildung des Polymers etwa 0,003 Sekunden.
Diese Bedingungen produzierten einen guten Schaum mit einer durchschnittlichen
Zellgröße von etwa
19 Mikrometer ohne Stripping.
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Der
Fachmann wird leicht anerkennen, dass sämtliche hierin aufgelisteten
Parameter exemplarisch angegeben sind und dass aktuelle Parameter
von der speziellen Anwendung abhängen,
für die
die Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Verwendung
Anwendung finden. Es wird daher so verstanden, dass die vorangenannten
Ausführungsformen
nur beispielhaft angegeben wurden und dass die Erfindung innerhalb
des Schutzbereichs der anhängenden
Ansprüche
und von deren äquivalenten
Ausführungsformen
anders als speziell beschrieben ausgeführt werden kann.