DE69829208T3

DE69829208T3 - Mikrozellulares schaumstoff-extrusions/blasformverfahren und damit hergestellter gegenstand

Info

Publication number: DE69829208T3
Application number: DE1998629208
Authority: DE
Inventors: Jere Anderson; Richard Straff; Kelvin OKAMOTO; Kent Blizard; David Pierick
Original assignee: Trexel Inc
Current assignee: Trexel Inc
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2018-12-19
Also published as: EP1040158B1; EP1040158B2; EP1040158A1; US20020155272A1; CN1285856A; JP4778141B2; US6169122B1; US6294115B1; AU1933799A; DE69829208D1; ATE290041T1; WO1999032544A1; CN1265955C; US6376059B1; US20020172739A1; DE69829208T2; JP2001527106A; CA2315234A1

Description

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.
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.
Verschiedene Patente beschreiben Aspekte von Mikrozellular-Materialien und Mikrozellular-Prozessen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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, ein Verfahren zum Herstellen Extrusionsblasgeformter Schaumgegenstände mit guten physikalischen Eigenschaften zur Verfügung zu stellen. Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen relativ dünnwandiger extrudierter, blasgeformter Schaum-Gegenstände zur Verfügung zu stellen, welches das Steuern der Schaum-Gleichmäßigkeit und -Dichte beinhaltet. 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.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, das mit Polymer-Schaum, blasgeformten Gegenständen, Schäumen mit Treibmitteln sowie HDPE-Schäumen, die nicht im Chargen-Verfahren hergestellt wurden, verbunden ist.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, wie es in Anspruch 1 unten definiert ist. Es wird ein Blasausform-Verfahren zur Verfügung gestellt, welches in Anspruch 1 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ein anderes Verfahren wird offenbart, welches das Unterziehen eines Schaum-Polymer-Extrudats vergleichsweise schweren Blasausform-Bedingungen einbezieht, während eine vergleichsweise konstante Dichte in dem 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, 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.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Einspritz-Blasausform-Systems;
2 ist eine schematische Darstellung einer Presse für das Einspritz-Blasausform-Systems in 1;
3 ist eine schematische Darstellung der Blaskopf aus 2, der so eingestellt ist, dass der vergleichsweise dickeres Mikrozellular-Material extrudiert;
4 ist eine schematische Darstellung einer andere Ausführungsform des Blaskopfs aus 2;
5 stellt eine Treibmittel-Zufuhr-Öffnungsanordnung sowie eine Extrusions-Schraube dar;
6 stelle eine alternative Ausführungsform eines Extrusions-Systems zur Erzeugung eines Mikrozellular-Schaums dar;
7 ist eine Fotokopie einer SEM-Gefügeaufnahme eines Querschnitts des in Beispiel 4 produzierten Materials;
8 ist eine Fotokopoie eines SEM-Gefügebilds eines Querschnitts des in Beispiel 5 produzierten Materials;
9 ist eine Fotokopoie eines SEM-Gefüge Bilds eines Querschnitts des in Beispiel 6 produzierten Materials;
10 ist eine Fotokopie eines SEM-Gefügebilds eines Querschnitts des in Beispiel 7 produzierten Materials;
11 ist eine Fotokopie eines SEM-Gefügebilds eines Querschnitts des in Beispiel 8 produzierten Materials;
12 ist eine Fotokopie eines SEM-Gefügebilds eines Querschnitts des in Beispiel 9 produzierten Materials; und
13 ist eine Fotokopie eines SEM-Gefügebilds eines Querschnitts des in Beispiel 10 produzierten Materials.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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.
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.
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.
”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.
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.
”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.
”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.
”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.
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.
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 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.
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 Schwache 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.
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.
Ohne den Wunsch, durch irgendeine Theorie gebunden zu sein, wird vermutet, dass das Mikrozellular-Material 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.
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.
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. ”Hilfstrübungsmittel” 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.
Das Material gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit einem physikalischen Treibmittel wie 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.
Ein Vorteil der Ausführungsformen, bei denen chemisches Treibmittel nicht verwendet wird oder 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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Produktion von Mikrozellular-Material gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet ein physikalisches Treibmittel, d. h. ein Agens, das unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist.
Entlang des Laufs 39 des Extruders 30 ist 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 verwendet, insbesondere überkritisches Kohlendioxid und/oder Stickstoff. In besonders bevorzugten Ausführungsformen wird jeweils nur Kohlendioxid oder Stickstoff verwendet. Es 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 weniger als 3%, weniger als etwa 2%, oder weniger als etwa 1,5 Gew.-% des Treibmittels, basierend auf dem Gewicht des Polymerstroms und des Treibmittels. Diese Treibmittel-Niveaus können unter einigen Umständen dort Verwendung finden, wo ein Keimbildungs-Agens verwendet wird.
Die Systeme und Verfahren gemäß der Erfindung erlauben die Ausbildung eines Mikrozellular-Materials mit einem Keimbildungs-Agens. Derartige Agenzien werden verwendet 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.
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.
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.
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). Die Rate der Einführung des Treibmittels wird mit der Fließrate des Polymers abgestimmt, um die optimale Treibmittel-Konzentration zu erzielen.
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.
Mit Bezug auf 2 ist ein Blaskopf 10 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.
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.
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.
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 10 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
In einer Ausführungsform gemäß der Erfindung wird ein mikrozellulares Extrudat mit einer Hilfs-Polymerschicht co-extrudiert, 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.
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.
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.
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.
Die vorliegende Erfindung kann einen semi-kristallinen Mikrozellular-Schaum zur Verfügung stellen, der ein mittleres Niveau an Keimbildungs-Agens aufweist. Der Schaum beinhaltet zwischen 2,5 Gew.-% und 7 Gew.-% dieser Agenzien. In bevorzugten Ausführungsformen beinhaltet der Schaum zwischen 3 und 7 Gew.-% Keimbildungs-Agens und in einigen Ausführungsformen zwischen 5 Gew.-% und 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 semi-kristallinen mikrozellularen Schäume, die 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.
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 2,5 Gew.-% und 7 Gew.-% ist. Insbesondere wurden mikrozellulare Schäume produziert, die sowohl Talkum als auch Titanoxid beinhalten.
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.
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.
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 semi-kristalline 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.
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.
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.
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.
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.
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 Schaumoberfläche 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Blaskopf form 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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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%.
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.
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.
Beispiel 1 – System zur Blasausformung
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 Luftgetriebenes 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.
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.
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.
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.
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).
Beispiel 2: Extrudat- und Flaschen-Ausformung
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.
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.
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%.
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.
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.
Beispiel 3: Extrudat- und Flaschen-Ausbildung
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.
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.
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%.
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.
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.
Beispiel 4: Extrusion eines Mikrozellular-Polypropylen-Materials ohne Füllstoff (Referenz)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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)
Beispiel 5: Extrusion von mikrozellularen Polypropylen-Bögen ohne Füllstoff (Referenz)
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.
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.
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.
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 ( EP 5140 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.
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).
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.
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.
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.
Beispiel 7 stellt die Produktion von mikrozellularem Polypropylen dar, welches Talkum und TiO₂ als Talkum-Agenzien beinhaltet.
Beispiel 8: Röhrenprodukt aus mikrozellularem Polypropylen mit 5% Talkum als Füllstoff
Eine NRM (Pawcatuck, CT) lange 2,5 Inch 44/l 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.
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.
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.
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: Röhrenfbrmiqes Produkt, bestehend aus nicht-mikrozellularem Polypropylen mit 1% Talkum als Füllstoff (Referenz)
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 LID 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 11	Beispiel 12	Beispiel 13	Beispiel 14
Talkum %	2,5	6,5	2,5	5,0
Gastyp	CO₂	CO₂	N₂	N₂
Gas %	1,3	1,3	0,33	0,33
Schmelzen-Temperatur °C (°F)	155 (311)	155 (311)	159 (318)	159 (318)
Ausstoß kg/h (lb/h)	49 (120)	49 (120)	103 (217)	103 (218)
dP/dt (GPa/s)	3,9	3,9	3,5	3,5
Zellgröße (μm)	53	29	50	34

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.
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.
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.
Beispiel 17: Verschiedene Extrusions-Systeme
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.
Beispiel 18: Extrudat-Ausbildung
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.
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.
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.
Beispiel 19: Extrudat-Ausbildung
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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines mikrozellularen Polymer-Schaumextrudats durch Extrusion von einer einphasigen Lösung eines überkritischen Blasmittels einer Menge von weniger als 3 Gew.-% Blasmittel, basierend auf dem Gewicht des Polymerstroms und des Blasmittels, und Polymermaterials und Blasformen des Extrudats, um einen blasgeformten Schaum-, Mikrozellular-Polymergegenstand mit einem semi-kristallinen Polymermaterial und einem Zellenbildner einer Menge von zwischen 2,5 Gew.-% und 7 Gew.-% des Gewichts des Polymermaterials und mit einer durchschnittlichen Zellgröße von weniger als 100 μm auszuformen.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei das Schaumextrudat eine Hohlraumfraktion von weniger als 10% besitzt.
Verfahren wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, wobei das Extrudat eine vorgeblasene Dicke von weniger als 2,54 mm (0,100 Inch) aufweist.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei das Blasmittel Kohlendioxid umfasst.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei das Blasmittel Stickstoff umfasst.
Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 beansprucht, bei dem der Behandlungsschritt das Aufbringen von Druck von zumindest 1,5 bar innerhalb des Extrudats beinhaltet.
Verfahren wie in Anspruch 6 beansprucht, beinhaltend das Aufbringen von Druck von zumindest 3 bar innerhalb des Extrudats.
Verfahren wie in Anspruch 7 beansprucht, beinhaltend das Aufbringen von Druck von zumindest 5 bar innerhalb des Extrudats.
Verfahren wie in Anspruch 8 beansprucht, beinhaltend das Aufbringen von Druck von zumindest 10 bar innerhalb des Extrudats.
Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 9 beansprucht, umfassend: Bereitstellen eines extrudierten Polymer-Schaumextrudats mit einem ersten Abschnitt und einem von dem ersten Abschnitt in der Extrudat-Maschinenrichtung beabstandeten zweiten Abschnitt, wobei sich der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt in der Dicke um einen Faktor von zumindest 1,1 unterscheiden; und Aufbringen von Blasform-Bedingungen auf das Extrudat.
Verfahren wie in Anspruch 10 beansprucht, wobei sich der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt in der Dicke um einen Faktor von zumindest 1,3 unterscheiden.
Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 11 beansprucht, umfassend: Bereitstellen eines extrudierten Extrudats aus Polymermaterial mit einem Schmelzfluss von nicht mehr als 0,2 g/10 min; und Aufbringen von Blasform-Bedingungen auf das Extrudat.
Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Schaumextrudat eine Hohlraumfraktion von zumindest 20 besitzt.
Verfahren wie in Anspruch 13 beansprucht, wobei das Schaumextrudat eine Hohlraumfraktion von zumindest 30% besitzt.
Verfahren wie in Anspruch 14 beansprucht, wobei das Schaumextrudat eine Hohlraumfraktion von zumindest 40% besitzt.