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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die Polymerschaum-Aufbereitung
und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Herstellen
von Polymerschäumen,
umfassend mikrozellularen Schäumen.
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Die
US-A-3,687,582 offenbart ein System zum zyklischen Einspritzen von
schäumbarem
Polymerwerkstoff in eine Gussform, bei dem ein Weichmacher eine
Speicherkammer speist, die mit der Gussvorrichtung verbunden ist
und in die ein Schaumgas eingespritzt wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Mikrozellularer
Schaum wird herkömmlicher Weise
als eine Zellengröße von weniger
als 100 μm und
eine Zellendichte von mehr als 106 Zellen/cm3 des ursprünglichen Festkörpermaterials
saufweisend definiert. Im allgemeinen umfassen die Erfordernisse zum
Ausbilden mikrozellularer Schäume
das Erzeugen einer einphasigen Lösung
aus Polymerwerkstoff und physikalischem Treibmittel und dass die
Lösung einer
thermodynamischen Instabilität
ausgesetzt wird, um Orte der Keimbildung mit sehr hoher Dichte zu
erzeugen, die zu Zellen anwachsen.
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Verfahren
zum Gießen
mikrozellularer Materialien wurden beschrieben. US-Patent Nr. 4,473,665 (Martini-Vvedensky)
beschreibt ein Gießsystem
und ein Verfahren zum Herstellen mikrozellularer Teile. Polymerpellets
werden vorangehend mit einem gasförmigen Treibmittel unter Druck
gesetzt und in einem herkömmlichen
Extruder geschmolzen, um eine Lösung
aus Treibmittel und geschmolzenem Polymer zu bilden, welche dann
in einen unter Druck gesetzten Formenhohlraum extrudiert wird. Der
Druck in der Gussform wird über
dem Löslichkeitsdruck
des gasförmigen
Treibmittels bei Schmelztemperaturen für die gegebene Ausgangssättigung
gehalten. Wenn die Temperatur des geschmolzenen Teils unter die entsprechende
kritische Keimtemperatur fällt,
wird der Druck auf die Gussform herkömmlicher Weise auf Atmosphäre abgesenkt
und ein Aufschäumen des
Teils wird zugelassen.
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US-Patent
NR. 5,158,986 (Cha et al) beschreibt ein alternatives Gießsystem
und ein Verfahren zum Herstellen mikrozellularer Teile. Polymerpellets
werden in einen herkömmlichen
Extruder eingeführt
und geschmolzen. Ein Treibmittel aus Kohlendioxid in seinem überkritischen
Zustand wird in den Extrusionsbehälter eingeführt und vermischt, um eine homogene
Lösung
aus Treibmittel und Polymerwerkstoff zu bilden. Ein Abschnitt des
Extrusionsbehälters wird
erwärmt,
so dass wenn die Mischung durch den Behälter strömt, eine thermodynamische Instabilität erzeugt
wird, wodurch Orte der Keimbildung in dem geschmolzenen Polymerwerkstoff
erzeugt werden. Das gekeimte Material wird in einen unter Druck
gesetzten Formenhohlraum extrudiert. Der Druck innerhalb des Formenhohlraums
wird durch Gegendruck von Luft aufrecht erhalten. Das Zellenwachstum
tritt innerhalb des Formenhohlraums auf, wenn der Formenhohlraum
ausgedehnt wird und sich der Druck darin schlagartig reduziert;
die Ausdehnung der Gussform bildet einen gegossenen und aufgeschäumten Gegenstand
mit kleinen Zellgrößen und hohen
Zelldichten. Die Keimbildung und das Zellwachstum treten gemäß der Technik
getrennt auf; eine thermisch induzierte Keimbildung findet in dem Behälter des
Extruders statt und das Zellenwachstum findet in der Gussform statt.
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Die
Verwendung von Sperrventilen, umfassend Ringsperrventilen, ist beim
Spritzgießen
bekannt, um zu verhindern, dass geschmolzener Kunststoff, der sich
an dem distalen Ende einer sich hin- und herbewegenden Schnecke
sammelt, während einem
Einspritzvorgang des Kunststoffs in eine Gussform zurückströmt.
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Die
folgenden US-Patentanmeldungen beschreiben typische Sperrventilanordnungen,
die in Kunststoffverarbeitungssystemen verwendet werden. US-Patent
Nr. 4,512,733 (Eichlseder et al) beschreibt ein Sperrventil an dem
Ende einer Plastifizierungsschnecke für eine Spritzgussvorrichtung.
Das Sperrventil umfasst ein Ventilgehäuse und ein axial versetzbares
Ventilelement, das in diesem Gehäuse aufgenommen
ist.
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US-Patent
NR. 5,164,207 (Durina) beschreibt einen Kunststoff-Extruder mit
einer drehenden Schnecke mit einem zylindrischen Gehäuse, welcher
verwendet wird, um geschmolzenen Kunststoff zu einer Hochdruck-Spritzgussvorrichtung
zu fördern.
Ein automatisches Absperrventil ist an dem vorderen Ende der Schnecke
angebracht. Während dem
Extrusionsschritt wird das Ventil aufgedrückt, um geschmolzenem Kunststoff
zu ermöglichen,
von dem Extruder zu der Spritzgussvorrichtung zu strömen. Das
Ventil schließt
sich während
dem Hochdruck-Spritzgussvorgang automatisch unter der Wirkung einer
Feder, um eine Rückströmung des
Kunststoffes über
den Extruder zu verhindern.
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US-Patent
Nr. 5,258,158 (Dray) beschreibt ein Rückschlagventil eines positiven
Typs, das verwendet wird, um die Rückströmung von Material in Spritzgussmaschinen
positiv aufzuhalten. Das Ventil kann mit einem Gewinde an einem
stromabwärtigen Ende
der Schnecke verbunden sein oder es kann auch als ein integraler
Teil der Schnecke ausgebildet sein. Das Ventil erlaubt den Durchgang
von Material, wenn sich die Schnecke dreht, aber schließt, wenn die
Schnecke bei einem Spritzgusszyklus translatorisch nach vorne bewegt
wird, ohne dass eine Schneckendrehung erfolgt.
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Während die
obigen und andere Ausführungen
verschiedenartige Techniken und Systeme darstellen, die mit der
Herstellung von Schaummaterial uns mikrozellularem Material in Verbindung
stehen, besteht eine Notwendigkeit im Stand der Technik für verbesserte
Systeme zur Schaumverarbeitung und insbesondere zur Verarbeitung
von mikrozellularem Schaum.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, Systeme, Verfahren und Gegenstände bereitzustellen,
die bei der Herstellung mikrozellularer Schäume brauchbar sind und die
ferner auch bei der Herstellung herkömmlicher Schäume brauchbar
sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist in den folgenden Patentansprüchen 1 und
20 beschrieben, wobei abhängige
Patentansprüche
auf optionale oder bevorzugte Merkmale gerichtet sind. Im allgemeinen
ist die Erfindung auf ein System und ein Verfahren gerichtet, die
bei der Herstellung von Schäumen
und insbesondere mikrozellularen Schäumen nützlich sind. Die Systeme umfassen
ein Beschränkungselement,
das die Rückströmung von
Polymerschmelze in einem Extruder während dem Einspritzen von Polymerwerkstoff
in eine Gussform oder Ausspritzen eines Polymerwerkstoffs über einen
Stempel reduziert. Das Beschränkungselement
ist stromaufwärts
einer Treibmittel-Einspritzöffnung
angeordnet, um die Lösung
aus Polymer und Treibmittel in dem Extruder oberhalb eines minimalen
Drucks und vorzugsweise oberhalb des Drucks, der zum Aufrechterhalten
einer einphasigen Lösung
aus Polymer und Treibmittel notwendig ist, zu halten. Das System
kann beim Spritzgießen,
Blasgießen
oder jeden beliebigen anderen Verarbeitungstechniken verwendet werden,
die Polymerwerkstoff speichern und in eine Gussform einspritzen
oder Polymerwerkstoff aus einem Stempel ausspritzen. Bei einigen
Ausführungsformen
verwendet das System sich hin- und
herbewegende Schnecken zum Einspritzen oder Ausspritzen oder bei
anderen Ausführungsformen
umfasst das System einen Speicher, der mit einem Auslass des Extruders
verbunden ist, in dem sich ein Kolben bewegt, um den Polymerwerkstoff
einzuspritzen oder auszuspritzen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Beschränkungselement
derart ausgestaltet und angeordnet, um die stromaufwärtige Strömung von Polymerwerkstoff
durch sich hindurch zu beschränken,
um den Polymerwerkstoff stromabwärts
des Beschränkungselements
auf einem Druck größer dem kritischen
Druck, der für
eine einphasige Lösung
aus Polymerwerkstoff und Treibmittel benötigt wird, zu halten. Bei gewissen
bevorzugten Ausführungsformen
ist das Beschränkungselement
ein Ringsperrventil. Bei manchen bevorzugten Fällen ist das Ringsperrventil
federbelastet.
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Neben
anderen Vorteilen beschränkt
das Beschränkungselement
die Rückströmung (Stromaufwärtsströmung) von
Polymerwerkstoff und dient dem Aufrechterhalten des Stromabwärtsdrucks
der Polymer- und Trockenmittellösung
während
eines gesamten Einspritz- oder Ausspritzzyklus. Dies ermöglicht ein
kontinuierliches Aufrechterhalten der einphasigen Lösung aus
Polymer und Treibmittel in dem Extruder, die während einer mikrozellularen
Verarbeitung ausgebildet wurde. Weil die mikrozellulare Verarbeitung das
Aufrechterhalten der einphasigen Lösung erfordert, ist das Beschränkungselement
insbesondere beim Ausbilden mikrozellularen Schaums nützlich.
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Das
Beschränkungselement
ist dazu gedacht, dazu verwendet zu werden, den Druck in Systemen
aufrecht zu erhalten, die sich hin- und herbewegende Schnecken zum
Einspritzen oder Ausspritzen umfassen und ferner in Systemen, die
einen externen Speicher aufweisen, der einen Kolben zum Einspritzen
oder Ausspritzen verwendet. Bei herkömmlichen Verarbeitungssystemen,
die das Beschränkungselement
nicht umfassen und das Einspritzen oder Ausspritzen von Polymerwerkstoff
beinhalten, ist es schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, den
Druck über
einen gesamten Einspritz- oder Ausspritzzyklus aufrecht zu erhalten.
In Systemen, die sich hin- und herbewegende Schnecken zum Einspritzen
verwenden, wird der Polymerwerkstoff üblicher Weise zurückströmen, z.
B. wenn sich die Schnecke in einer Stromabwärtsrichtung bewegt, um Material
einzuspritzen, was zu einem Druckverlust in dem Polymerwerkstoff
in dem Extruder oftmals unter den zum Aufrechterhalten der einphasigen
Lösung benötigten Druck
führt.
Bei anderen Systemen, die einen Speicher außerhalb eines Extruders aufweisen,
fällt der
Druck üblicher
Weise, wenn die Schnecke während
dem Einspritzen nicht in Betrieb ist.
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Das
Beschränkungselement
ist vorteilhafter Weise stromaufwärts der Treibmittel-Einspritzöffnung angeordnet,
so dass die gesamte Lösung
aus Polymer und Treibmittel unter hohem Druck gehalten wird. Diese
Anordnung unterscheidet sich von anderen Ventilen, die an einem
distalen Ende der Schnecke angeordnet sind, die lediglich die Rückströmung und
den Druckverlust in gespeichertem Polymerwerkstoff stromabwärts der
Schnecke verhindern und somit beim Halten der gesamten Lösung aus
Polymer und Treibmittel auf hohem Druck nicht wirkungsvoll wären.
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Bei
gewissen Ausführungsformen
der Erfindung erlaubt das Beschränkungselement
eine begrenzte Stromaufwärtsströmung von
Polymerwerkstoff durch sich hindurch. Diese begrenzte Stromaufwärtsströmung kann
das Auftreten von einem unsicheren hohen Druck während dem Einspritzen verhindern,
aber sie ist nicht signifikant genug, um den Druck stromabwärts der
Begrenzung unter den Druck, der zum Aufrechterhalten der einphasigen
Lösung
notwendig ist, zu reduzieren.
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Es
sei denn es ist anderweitig definiert, sind alle technischen und
wissenschaftlichen Begriffe, die hier verwendet werden, so zu verstehen,
wie sie durch den Fachmann auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung
herkömmlicher
Weise verstanden werden. Obwohl Verfahren und Systeme, die den hierin beschriebenen ähnlich oder äquivalent
dazu sind, in der Praxis oder beim Test der vorliegenden Erfindung verwendet
werden können,
sind geeignete Verfahren und Systeme im folgenden beschrieben. Im
Falle eines Konflikts wird die vorliegende Beschreibung mit ihren
Definitionen diesen Konfliktregeln. Darüber hinaus sind die Systeme,
Verfahren und Beispiele lediglich darstellend und nicht dazu gedacht,
begrenzend zu wirken.
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Andere
Vorteile, neue Merkmale und Aufgaben der Erfindung werden aus der
folgenden genauen Beschreibung der Erfindung und aus den Patentansprüchen ersichtlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 stellt ein Spritzgusssystem
mit einer sich hin- und herbewegenden Schnecke in einer Speicherposition
dar.
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1A ist eine Explosionsansicht
des Abschnitts 39 des Spritzgusssystems aus 1.
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2 stellt einen Querschnitt
eines Beschränkungselements
dar, das die Strömung
von Polymerwerkstoff in dem Spritzgusssystem aus 1 in einer Stromaufwärtsrichtung zulässt.
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3 stellt ein Spritzgusssystem
mit einer sich hin- und herbewegenden Schnecke in einer Einspritzposition
dar.
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4 stellt einen Querschnitt
eines Beschränkungselements
dar, das die Strömung
von Polymerwerkstoff in einer Stromaufwärtsrichtung in einem Spritzgusssystem
aus 3 verhindert.
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5 stellt ein Spritzgusssystem
mit einem Speicher in einer Einspritzposition dar.
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6 stellt ein Spritzgusssystem
mit einem Speicher in einer Speicherposition dar.
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7 stellt einen Abschnitt
eines Beschränkungselements
dar, das die Strömung
von Polymerwerkstoff in dem Spritzgusssystem aus 6 in einer Stromabwärtsrichtung zulässt.
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8 stellt einen Abschnitt
eines Beschränkungselements
dar, das die Strömung
von Polymerwerkstoff in dem Spritzgusssystem aus 5 in einer Stromaufwärtsrichtung verhindert.
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Genaue Beschreibung
der Erfindung
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Die
auf die gleiche Anmelderin angemeldete parallel anhängige internationale
Patentanmeldung mit der Anmeldenummer PCT/US97/15088, eingereicht
am 26. August 1997 und veröffentlicht
am 5. März
1998 als WO 98/08867 und die von der gleichen Anmelderin angemeldete
parallel anhängige
internationale Patentanmeldung mit der Anmeldenummer PCT/US97/27118,
eingereicht am 18. Dezember 1998, und die von der gleichen Anmelderin
angemeldete parallel anhängige
US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 09/241,452, eingereicht
am 2. Februar 1999, sind in der folgenden Beschreibung erwähnt.
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Die
verschiedenartigen Ausführungsformen und
Aspekte der Erfindung werden aus den folgenden Definitionen verständlicher.
Wie es hierin verwendet wird, definiert "Keimbildung" einen Vorgang, bei dem eine homogene,
einphasige Lösung
aus Polymerwerkstoff, in dem Moleküle einer Gattung, die unter
Raumbedingungen ein Gas sind, gelöst sind, eine Bildung von Molekülhäufungen
diese Gattung erfährt,
die "Keimbildungsorte" definieren, aus
denen Zellen wachsen. Das heißt
unter "Keimbildung" ist eine Änderung
von einer homogeinen, einphasigen Lösung zu einer Mischung, in
der Orte einer Anhäufung
von wenigstens mehreren Molekülen
des Treibmittels ausgebildet sind, zu verstehen. Die Keimbildung
definiert den Übergangszustand,
wenn Gas in Lösung
in einer Polymerschmelze aus der Lösung austritt, um eine Suspension
von Blasen innerhalb der Polymerschmelze zu bilden. Im allgemeinen
wird dieser Übergangszustand
durch Ändern
der Löslichkeit
der Polymerschmelze von einem Zustand einer ausreichenden Löslichkeit,
um eine bestimmte Quantität
an Gas in der Lösung
zu enthalten, zu einem Zustand einer nicht ausreichenden Löslichkeit,
um die gleiche Quantität
an Gas in der Lösung
zu enthalten, erzwungen. Die Keimbildung kann dadurch bewirkt werden,
die homogene, einphasige Lösung einer schnellen
thermodynamischen Instabilität,
wie beispielsweise einer schlagartigen Temperaturänderung,
einem schlagartigen Druckverlust oder beidem, auszusetzen. Der schlagartige
Druckverlust kann unter Verwendung eines unten definierten keimbildenden
Mediums erzeugt werden. Die schlagartige Temperaturänderung
kann unter Verwendung eines erwärmten
Abschnitts eines Extruders, einem heißen Glycerinbad oder ähnlichem
erzeugt werden. Ein "Keimbildungsmittel" ist ein dispergiertes
Mittel, wie beispielsweise Talk oder andere Füllstoffpartikel, die einem
Polymer zugesetzt sind und in der Lage sind, die Bildung von Keimbildungsorten
aus einer einphasigen homogenen Lösung zu fördern. Derartige "Keimbildungsorte" definieren keine
Orte innerhalb eines Polymers, an dem sich Keimbildungsmittelpartikel
befinden. "Keimgebildet" bezieht sich auf
einen Zustand eines Polymerwerkstoff-Fluids, das eine einphasige
homogene Lösung
mit einer gelösten
Gattung, die unter Raumbedingungen ein Gas ist, enthalten hat, nach
einem Ereignis (üblicherweise
einer thermodynamischen Instabilität), das zu der Bildung von
Keimbildungsorten führt. "Nicht keimgebildet" bezieht sich auf
einen Zustand, der durch eine einphasige homogene Lösung eines
Polymerwerkstoffs und einer gelösten
Gattung, die unter Raumbedingungen ein Gas ist, ohne Keimbildungsorte
definiert ist. Ein "nicht
keimgebildetes" Material
kann ein keimbildendes Mittel wie beispielsweise Talk enthalten. "Polymerwerkstoff" bezieht sich auf
ein Material, das im wesentlichen, wenn nicht sogar vollständig, in
seiner Natur polymerisch ist. "Polymerwerkstoff" kann optional auch
andere Zusatzstoffe, die im Stand der Technik bekannt sind, wie
beispielsweise Füllstoffe und
keimbildende Mittel, enthalten und kann ferner ein Treibmittel,
das in dem Polymer gelöst
ist, enthalten. Unter einer "im
wesentlichen geschlossenen Zelle" eines
mikrozellularen Materials ist die Definition eines Materials zu
verstehen, das bei einem Dickenmaß von ungefähr 100 μm keinen verbundenen Zellenpfad
durch das Material enthält.
Unter einem "keimbildenden
Medium" ist die
Definition eines Mediums zu verstehen, das einen Teil einer mikrozellularen
Polymerschaum-Extrusionsvorrichtung
bildet und in dem unter Bedingungen, bei denen die Vorrichtung zum
Betrieb ausgestaltet ist (üblicher
Weise bei Drücken
von 10,5 bis ungefähr
210 mPa – ungefähr 1500
bis ungefähr
30.000 psi – stromaufwärts des
Keimbilders und bei Strömungsgeschwindigkeiten
von mehr als ungefähr
4,5 kg – 10
Pounds – Polymerwerkstoff
pro Stunde) der Druck einer einphasigen Lösung aus Polymerwerkstoff vermischt
mit Treibmittel in dem System unter den Sättigungsdruck für die spezielle Treibmittelkonzentration
bei einer Geschwindigkeit oder Geschwindigkeiten, die die schnelle
Keimbildung erleichtern, fällt.
Ein keimbildendes Medium definiert optional zu anderen keimbildenden
Medien eine Keimbildung oder einen keimbildenden Bereich einer Einrichtung
der Erfindung.
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Zum
Zwecke der vorliegenden Erfindung ist mikrozellulares Material als
aufgeschäumtes
Material mit einer Durchschnitts-Zellengröße von weniger als ungefähr 100 μm im Durchmesser
oder ein Material mit einer Zellendichte von im allgemeinen größer als wenigstens
ungefähr
106 Zellen pro Kubikmeter oder vorzugsweise
beidem definiert. Innerhalb des Umfangs dieser Definition kann ein
mikrozellulares Material eine kleine Prozentzahl (weniger als 1%
der gesamten Anzahl an Zellen) von Zellen mit einer Zellengröße größer als
ungefähr
100 μm im
Durchmesser aufweisen. Der Fehlstellenanteil von mikrozellularem Material
variiert im allgemeinen von 5% bis 98%.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
hat das gemäß den Systemen
und Verfahren der Erfindung hergestellte mikrozellulare Material
eine Durschnitts-Zellengröße von weniger
als ungefähr
50 μm. Bei
einigen Ausführungsformen
ist eine besonders kleine Zellengröße erwünscht und bei diesen Ausführungsformen
weist das Material der Erfindung eine Durchschnitts-Zellengröße von weniger
als ungefähr
20 μm, mehr
bevorzugt weniger als 10 μm, und
noch mehr bevorzugt weniger als 5 μm. Das mikrozellulare Material
weist vorzugsweise eine maximale Zellengröße von ungefähr 100 μm auf. Bei
Ausführungsformen,
bei denen eine besonders kleine Zellengröße erwünscht ist, kann das Material
eine maximale Zellengröße von ungefähr 50 μm, mehr bevorzugt
ungefähr
25 μm, mehr
bevorzugt ungefähr
15 μm, mehr
bevorzugt ungefähr
8 μm und
noch mehr bevorzugt ungefähr
5 μm, aufweisen.
Eine Gruppe von Ausführungsformen
umfasst alle Kombinationen dieser erwähnten Durchschnittszellengrößen und maximalen
Zellengrößen. Zum
Beispiel umfasst eine Ausführungsform
dieser Gruppe von Ausführungsformen
mikrozellulares Material mit einer Durchschnitts-Zellengröße von weniger
als ungefähr
30 μm mit
einer maximalen Zellengröße von ungefähr 50 μm und ein
anderes Beispiel eine Durchschnittszellengröße von weniger als ungefähr 30 μm mit einer
maximalen Zellengröße von ungefähr 35 μm, etc. Das heißt, für eine Vielzahl
von Zwecken ausgestaltetes mikrozellulares Material kann mit einer
speziellen Kombination von Durchschnittszellengröße und maximaler Zellengröße, die
für diesen
Zweck bevorzugt sind, hergestellt werden.
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Bei
einer Ausführungsform
wird mikrozellulares Material mit im wesentlichen geschlossenen
Zellen gemäß den Techniken
der vorliegenden Erfindung hergestellt. Wie es hier verwendet wird
ist unter "im wesentlichen
geschlossenen Zellen" die
Definition eines Materials zu verstehen, das bei einem Dickenmaß von ungefähr 100 μm keinen
verbundenen Zellenpfad durch das Material enthält.
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Bei
anderen Ausführungsformen
ist das unter Verwendung der Systeme und Verfahren der vorliegenden
Erfindung hergestellte Material herkömmlicher Weise Schaum mit Durchschnitts-Zellengrößen von
mehr als 100 μm.
Bei einigen Ausführungsformen
können
die Schäume
primär
mikrozellular sein, jedoch können
sie auch Bereiche mit kleinen Prozentzahlen größerer Zellen aufweisen. Das
heißt,
bei diesen Ausführungsformen
weist die Mehrzahl der Zellen eine Zellengröße von weniger als 100 μm auf und
eine Minderheit der Zellen weist eine Größe von größer als 100 μm auf.
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Die
vorliegende Erfindung stellt Systeme, Verfahren und Gegenstände zum
Verarbeiten von Polymerwerkstoff umfassend mikrozellularen Polymerwerkstoff
und insbesondere Systeme, Verfahren und Gegenstände zum Verarbeitung von Polymerwerkstoff
durch zyklisches Einspritzen von Polymerwerkstoff in eine Gussform
oder zyklisches Ausspritzen von Polymerwerkstoff über einen
Stempel bereit. Der Fachmann versteht die strukturellen Definitionen eines
Systems, das zum zyklischen Einspritzen von Polymerwerkstoff in
eine Gussform oder zyklischen Ausspritzens von Polymerwerkstoff
aus einem Stempel ausgestaltet und angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung
umfasst sämtliche
Strukturen und ist nicht auf die hier beschriebenen Strukturen begrenzt.
Obwohl primär
das Spritzgießen
beschrieben ist, kann die Erfindung z. B. durch den Fachmann leicht
zur Verwendung mit anderen Techniken modifiziert werden, die Einspritzzyklen
oder Ausspritzzyklen verwenden, wie beispielsweise Blasgießen.
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Bezug
nehmend auf die 1–4 umfasst ein Spritzgusssystem 20 gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung einen Extruder 30, der mit einer Spritzgussform 37 in
Fluidverbindung steht. Eine Polymer-Aufbereitungsschnecke 38 dreht
sich innerhalb eines Zylinders 32 des Extruders, um Polymerwerkstoff
in einer Stromabwärtsrichtung 33 in
einem Polymeraufbereitungsraum 34, der zwischen der Schnecke
und dem Zylinder definiert ist, zu fördern. Das System umfasst eine
Treibmittelöffnung 54,
die zum Einspritzen von Treibmittel in den Polymerwerkstoff innerhalb
des Aufbereitungsraums zum Ausbilden einer Polymer- und Treibmittellösung, eine
Fluidverbindung zwischen einer Treibmittelquelle 56 und
dem Polymeraufbereitungsraum 34 herstellt. Zum Beginn eines
Einspritzzyklus ist die Polymeraufbereitungsschnecke 38 in
einer Speicherposition (1)
angeordnet und eine Charge aus Polymer und Treibmittel ist in einem Speicherbereich 50 innerhalb
des Zylinders stromabwärts
der Schnecke 38 gespeichert. Sobald eine ausreichende Charge
der Lösung
gespeichert wurde, bewegt sich die Schnecke in einer Stromabwärtsrichtung
zu einer Einspritzposition (3)
um die Lösung
in die Gussform 37 einzuspritzen. Nach dem Einspritzen
kehrt die Schnecke in die Speicherposition zurück, um den Zyklus abzuschließen. Wie
es im folgenden weiter beschrieben wird, umfasst das System ein
Beschränkungselement 35, das
stromaufwärts
der Treibmittelöffnung 54 angeordnet
ist, um die Polymer- und Treibmittellösung stromabwärts des
Beschränkungselements
während des
gesamten Einspritzzyklus auf einem ausreichenden Druck zu halten.
Das Beschränkungselement verbleibt
während
dem Hin- und Herbewegen der Schnecke stets stromaufwärts der
Treibmittelöffnung.
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Entlang
des Zylinders 32 sind optional Temperaturregeleinheiten 42 angeordnet.
Die Regeleinheiten 42 können
elektrische Heizungen sein und Durchgänge für Temperaturregelfluide und/oder ähnliches
umfassen. Die Einheiten 52 können verwendet werden, um eine
Strömung
aus geperltem (Engl.: pelletized) oder fluidförmigen Polymerwerkstoff innerhalb
des Zylinder verwendet werden, um das Schmelzen zu erleichtern und/oder
um die Strömung zu
kühlen,
um die Viskosität
zu regeln und in einigen Fällen
die Löslichkeit
des Treibmittels. Die Temperaturregeleinheiten können an unterschiedlichen Orten entlang
des Zylinders anders betrieben werden, d. h. um an einem oder mehreren
Orten zu heizen und an einem oder mehreren anderen Orten zu kühlen. Jegliche
beliebige Anzahl von Regeleinheiten kann vorgesehen sein.
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Der
Zylinder 32 ist ausgestaltet und angeordnet, um einen Vorgänger eines
Polymerwerkstoffs aufzunehmen. Wie es hier verwendet wird, soll "Vorgänger von
Polymerwerkstoff" sämtliche
Materialien umfassten, die fluidförmig sind oder die ein Fluid
bilden und nachfolgend aushärten
können,
um einen mikrozellularen Polymergegenstand oder einen herkömmlichen
Polymerschaumgegenstand zu bilden. Üblicherweise ist der Vorgänger durch
thermoplastische Polymerpellets definiert, kann aber auch andere Gattungen
umfassen. Bei einer Ausführungsform kann
der Vorgänger
z. B. durch eine Gattung definiert sein, die reagieren wird, um
einen mikrozellularen Polymerwerkstoff, wie er beschrieben ist,
unter verschiedenartigen Voraussetzungen zu bilden. Die Erfindung
ist so zu verstehen, dass sie die Herstellung von mikrozellularem
Material aus jeglicher Kombination von Gattungen, die miteinander
reagieren können,
um einen Polymer auszubilden, üblicher
Weise monomeren oder niedrig-molekulargewichtigen Polymervorgängern, die
gemischt und aufgeschäumt werden,
wenn die Reaktion stattfindet, zu umfassen. Im allgemeinen sind
Gattungen durch die Erfindung umfassend aushärtende Polymere, bei denen
eine signifikante Erhöhung
des Molekulargewichts des Polymers während der Reaktion und während des Aufschäumens aufgrund
der Vernetzung von Polymerkomponenten auftritt, umfasst. Zum Beispiel
sind Polyamide des Kondensations- und Zusatztyps (Eng.: condensation
and addition type) umfassend aliphatische und aromatische Polyamide,
wie beispielsweise Plyhexamethylenadipamid, Poly(e-caprolactam), Polyene,
wie beispielsweise Cycloaromatische Polymere, umfassend Polydicyclopentadien, Acrylpolymere,
wie beispielsweise Polyacrylamid, Polyacrylamat, Acrylesterpolymere,
wie beispielsweise 2-Cyanoacrylesterpolymere,
Acrylonitrilpolymere und Kombinationen davon.
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Vorzugsweise
wird ein thermoplastischer Polymer oder eine Kombination aus thermoplastischen Polymeren
aus unter anderem amorphen, semikristallinen und kristallinen Materialien,
umfassend Polyaromatica, wie beispielsweise Styrenpolymere, umfassend
Polystyren, Polyolefine, wie beispielsweise Polyethylen und Polypropylen,
Fluorpolymere, vernetzbare Polyolefine, Polyamide und Polyvinylchlorid ausgewählt. Thermoplastischen
Elastomere können ebenfalls
verwendet werden, insbesondere Metallocenkatalysiertes Polyethylen.
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Üblicherweise
verwendet das Einführen
des Vorpolymervorgängers
einen Standardtrichter 44 zum Beinhalten von geperltem
Polymerwerkstoff, der in den Extruderzylinder durch eine Öffnung 46 einzuspeisen
ist, obwohl ein Vorgänger
ein fluidförmiges Vorpolymermaterial
sein kann, das durch eine Öffnung
eingespritzt wird und innerhalb des Zylinders über z. B. zusätzliche
Polymerisationsmittel polymerisiert wird. In Verbindung mit der
vorliegenden Erfindung ist es lediglich wichtig, dass eine Fluidströmung von
Polymerwerkstoff in dem System hergestellt wird.
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Bei
dieser Ausführungsform
steht entlang des Zylinders 32 des Systems 30 wenigstens
eine Öffnung 54 in
Fluidverbindung mit der Quelle 56 eines physikalischen
Treibmittels. Jedes beliebige physikalische Treibmittel aus einer
großen
Vielzahl von Treibmitteln, die dem Fachmann bekannt sind, wie beispielsweise
Kohlenwasserstoffe, Fluorchlor-Kohlenwasserstoffe, Stickstoff, Kohlendioxid
und ähnliche
können
in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden oder auch Mischungen
davon und gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
stellt die Quelle 56 Kohlendioxid als ein Treibmittel bereit. Überkritische
fluidförmige
Treibmittel sind insbesondere bevorzugt, insbesondere überkritisches
Kohlendioxid. Bei einer Ausführungsform
wird nur überkritisches Kohlendioxid
als Treibmittel verwendet. Überkritisches
Kohlendioxid kann in den Extruder eingeführt werden und dazu gebracht
werden, schnell eine einphasige Lösung mit dem Polymerwerkstoff
entweder durch Einspritzen von Kohlendioxid als ein überkritisches
Fluid oder Einspritzen von Kohlendioxid als ein Gas oder eine Flüssigkeit
und Zulassen von Bedingungen innerhalb des Extruders, um das Kohlendioxid überkritisch
zu machen, auszubilden. Das Einspritzen von Kohlendioxid in den
Extruder in einem überkritischen
Zustand ist bevorzugt. Die einphasige Lösung aus überkritischem Kohlendioxid
und Polymerwerkstoff, die in dieser Art und Weise ausgebildet wurde,
weist eine sehr geringe Viskosität
auf, wodurch vorteilhafter Weise ein Niedrigetemperaturgießen, sowie
eine schnelle Befüllung
von Gussformen mit engen Toleranzen, um sehr dünne gegossene Teile auszubilden,
zugelassen wird, was im folgenden genauer diskutiert wird.
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Ein
Beispiel des Verwendens eines physikalischen Treibmittels anstelle
eines chemischen Treibmittels besteht in der Maximierung der Recyclingfähigkeit
des Produkts. Die Verwendung eines chemischen Treibmittels reduziert üblicher
Weise die Recyclingattraktivität
eines Polymers, da das verbleibende chemische Treibmittel und Treibmittelnebenprodukte zu
einem insgesamt nicht gleichmäßigen recycelbaren
Materialzusammenschluss beitragen. Da Schäume, die mit chemischen Treibmitteln
ausgeblasen sind, inhärent
verbleibendes, nicht reagiertes chemisches Treibmittel, nachdem
ein Endschaumprodukt hergestellt wurde, sowie chemische Nebenprodukte der
Reaktion, die ein Treibmittel bildet, umfassen, umfasst Material
der vorliegenden Erfindung bei dieser Gruppe von Ausführungsformen
verbleibendes chemisches Treibmittel oder ein Reaktionsnebenprodukt
des chemischen Treibmittels in einer Menge weniger als die in Gegenständen, die
mit 0,1% Massenanteil chemischem Treibmittel oder mehr ausgeblasen
wurden, vorzugsweise in einer Menge weniger als die in Gegenständen, die
mit 0,05% Massenanteil chemischem Treibmittel oder mehr ausgeblasen
wurden, inhärent
vorkommen. Bei insbesondere bevorzugten Ausführungsformen ist das Material
dadurch gekennzeichnet, dass es im wesentlichen frei von verbleibendem
chemischem Treibmittel oder frei von Reaktionsnebenprodukten des
chemischen Treibmittels ist. Das heißt, sie umfassen weniger verbleibendes
chemisches Treibmittel oder Nebenprodukte als das in Gegenständen, die
mit einem beliebigen chemischen Treibmittel ausgeblasen wurden,
vorkommt.
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Eine
Druck- und Dosierungseinrichtung 58 ist üblicher
Weise zwischen der Treibmittelquelle 56 und der wenigstens
einen Öffnung 54 angeordnet. Die
Einrichtung 58 kann verwendet werden, um das Treibmittel
zu dosieren, um so die Menge des Treibmittels in dem Polymerstrom
innerhalb des Extruders zu regeln, um das Treibmittel gemäß einer
Gruppe von Ausführungsformen
auf einem Niveau von ungefähr
1% und 25% Massenanteil, vorzugsweise zwischen ungefähr 6% und
20% Massenanteil, mehr bevorzugt zwischen ungefähr 8% und 15% Massenanteil,
noch mehr bevorzugt zwischen ungefähr 10% und 12% Massenanteil
auf Grundlage der Gewichts des Polymerstroms und des Treibmittels
zu halten. Das speziell verwendete Treibmittel (Kohlendioxid, Stickstoff
etc.) und die Menge des verwendeten Treibmittels hängen oft
von dem Polymer, der Dichtereduzierung, der Zellengröße und den
physikalischen Eigenschaften, die erwünscht sind, ab.
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Die
Druck- und Dosiereinrichtung kann mit einem (nicht dargestellten)
Regler verbunden sein, der ferner mit einem Antriebsmotor 40 verbunden
ist, um die Dosierung des Treibmittels in Beziehung mit der Polymerwerkstoffströmung zu
regeln, um die Gewichtsprozent Treibmittel in der fluidförmigen Polymermischung
sehr präzise
zu regeln.
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Obwohl
die Öffnung 54 an
jeglicher beliebigen Position unter einer Vielzahl von Positionen
entlang des Zylinders angeordnet sein kann, ist sie gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
gerade stromaufwärts
eines Mischabschnitts 60 der Schnecke und an einem Treibmittel-Aufnahmeabschnitt 62 der
Schnecke, an dem die Schraube ununterbrochene Schraubengänge umfasst,
angeordnet. Der Mischabschnitt 60 ist insbesondere zum
Mischen des Treibmittels und des Polymers nützlich, um die Bildung einer
einphasigen Lösung
aus Polymer und Treibmittel innerhalb des Extruders zu fördern.
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Die
beschriebene Anordnung erleichtert ein Verfahren, das gemäß mehrerer
Ausführungsformen der
Erfindung ausgeführt
werden kann in Kombination mit Spritzgießen oder Ausspritzen von Polymerwerkstoff über einen
Stempel. Das Verfahren beinhaltet das Einführen eines Treibmittels in
einen fluidförmigen
Polymerwerkstoff, der bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 180 bis
ungefähr
640 g/h (von ungefähr
0,5 bis ungefähr
1,4 lbs/hr) strömt,
der unter Raumbedingungen ein Gas ist und in der Zeitdauer von weniger
als einer Minute eine einphasige Lösung des Treibmittelfluids
in dem Polymer erzeugt. Das Treibmittelfluid liegt in der Lösung in
einer Menge von wenigstens ungefähr
2,5 Massenanteil auf Grundlage des Gewichts der Lösung in
dieser Anordnung vor. Bei einigen Ausführungsformen beträgt die Geschwindigkeit
der Strömung
des fluidförmigen
Polymerwerkstoffs von ungefähr
2,7 bis ungefähr
5,4 kg/h (ungefähr
6–12 lbs/hr).
Bei diesen Anordnungen wird das Treibmittelfluid zugesetzt und eine
einphasige Lösung
innerhalb einer Minute ausgebildet, wobei das Treibmittel in der
Lösung
in einer Menge von wenigstens ungefähr 3 Massenprozent, mehr bevorzugt ungefähr 5 Massenprozent,
mehr bevorzugt ungefähr
7% und noch mehr bevorzugt wenigstens ungefähr 10% vorliegt (obwohl, wie
es erwähnt
wurde, bei einer anderen Gruppe von bevorzugten Ausführungsformen
niedrigere Treibmittel-Niveaus verwendet werden). Bei diesen Anordnungen
wird wenigstens 1,1 kg (ungefähr
2,4 lbs) pro Stunde Treibmittel, vorzugsweise CO2 in
die Fluidströmung
eingeführt und
darin vermischt, um eine einphasige Lösung auszubilden. Die Einführgeschwindigkeit
des Treibmittels ist mit der Geschwindigkeit der Strömung des
Polymers abgestimmt, um die optimale Treibmittelkonzentration zu
erreichen.
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Das
Beschränkungselement 35 ist
stromaufwärts
der Öffnung 54 angeordnet
und somit stromaufwärts
eines Treibmittel-Aufnahmeabschnitts 62 und üblicherweise
stromabwärts
eines Dosierabschnitts 63 der Schnecke 38. Das
Beschränkungselement
ist ein Beispiel einer Anordnung, bei der der Extruder derart ausgestaltet
und angeordnet ist, um eine Lösung
aus Polymer und Treibmittel innerhalb eines Polymer-Aufbearbeitungsraums
zwischen dem Treibmitteleinlass und des Extruderauslass (Stempel,
Einlass in eine Gussform oder anderer Auslass) während eines Einspritz- oder
Ausspritzzyklus auf einem relativ hohen Druck zu halten. Der Fachmann versteht
die strukturelle Bedeutung eines Extruders, der ausgestaltet und
angeordnet ist, um einen Druck in dieser Art und Weise aufrecht
zu erhalten und Beispiele sind hier angegeben, die nicht dazu gedacht sind,
den Umfang der Erfindung zu beschränken. Das Beschränkungselement 35 kann
eine Vielzahl von Formen annehmen, die im Stand der Technik zum
Beschränken
der Stromaufwärtsströmung von Polymerwerkstoff
bekannt sind, wie beispielsweise eine Blase (Engl.: blister), einen
Damm quer über den
Förderabschnitt
der Schraube, einen Umkehrschraubengang oder ein Ventil. Bei bevorzugten Ausführungsformen,
die in den 1–4 dargestellt sind, ist das
Beschränkungselement 35 ein
Ringsperrventil.
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Das
Ringsperrventil umfasst einen Ring, der sich um den Durchmesser
eines kleinen Abschnitts der Schraube erstreckt und zwischen einer
ersten Position, die die Durchströmung von Material erlaubt und
einer zweiten Position, die die Durchströmung von Material verhindert,
seitlich bewegbar ist. Der äußere Durchmesser
des Rings ist derart dimensioniert, um im wesentlichen die Strömung von
Kunststoff zwischen dem Ring und dem Zylinder zu verhindern, während dennoch
erlaubt wird, den Ring seitlich zu bewegen. In der ersten Position,
die in 2 dargestellt
ist, kontaktiert eine innere Kante 76 des Rings 72 eine
Sperrfläche 78,
die sich von dem Körper
der Schnecke 38 erstreckt. Der Ring 72 wird außer Eingriff
von einer Dichtfläche 74 der
Schraube gebracht, um einen Raum dazwischen bereitzustellen, durch welchen
Polymerwerkstoff in einer Stromabwärtsrichtung dem Weg 80 folgend
strömen
kann. In dieser Position strömt
Polymerwerkstoff durch einen inneren Durchgang 82 in dem
Ring, um stromabwärts
des Beschränkungselements
zu treten. In der zweiten Position, wie sie in 4 dargestellt ist, ist der Ring 72 in
einer Stromaufwärtsrichtung
versetzt und steht mit der Dichtfläche 74 der Schraube
in Eingriff, um eine Beschränkung
gegenüber
einer Stromaufwärtsströmung von
Polymerwerkstoff bereitzustellen. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen
verhindert der Eingriff zwischen dem Ring und der Dichtfläche im wesentlichen
die Stromaufwärtsströmung von
Polymerwerkstoff dazwischen. In anderen Fällen sind der Ring und die
Dichtfläche
derart ausgestaltet, um eine geringe Menge einer Stromaufwärtsströmung zuzulassen,
wenn sie in Eingriff stehen (z. B. über Kanäle zwischen dem Ring und der
Dichtfläche,
die vorkommen, wenn sich der Ring in der zweiten Position befindet).
Die Dichtfläche
und die Fläche
des Rings können,
wie es dargestellt ist, verjüngt
sein, um eine dichte Abdichtung bereitzustellen, insbesondere dann,
wenn die Verhinderung der Stromaufwärtsströmung erwünscht ist.
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Die
Relativposition des Rings hängt
von den Kräften,
die auf ihn wirken, ab. Insbesondere hängt die Ringposition von dem
Druckunterschied zwischen dem Druck der Polymerwerkstoffs stromaufwärts des
Rings und dem Druck des Polymerwerkstoff stromabwärts des
Rings ab. Bei bevorzugten Ausführungsformen
ist der Ring ausgestaltet, um sich in der ersten Position zu befinden,
wenn der Druck stromaufwärts
größer ist
als der Druck stromabwärts
und um sich in die zweite Position zu bewegen, wenn der Druck stromabwärts größer ist
als der Druck stromaufwärts.
Beim üblichen
Betrieb steht der Ring beim Beginn des Einspritz- oder Ausspritzzyklus
im allgemeinen außer
Eingriff mit der Dichtfläche (2), weil der Druck des geschmolzenen
Kunststoffs stromaufwärts
des Rings größer ist
als der Druck stromabwärts,
wodurch zugelassen wird, dass Polymerwerkstoff in einer Stromabwärtsrichtung
an dem Beschränkungselement
vorbei gefördert
wird und sich in dem Bereich 50 ansammelt. Wenn eine ausreichende
Charge Polymer und Treibmittellösung in
dem Bereich 50 gespeichert ist, bewegt sich die Schraube
in einer Stromabwärtsrichtung
von der Speicherposition (1)
in eine Einspritz- oder Ausspritzposition (3), um das gespeicherte Material über ein
Keimbildungsmedium 67, wie es im folgenden genauer diskutiert
wird, in eine Gussform 37 einzuspritzen. Die Stromabwärtsbewegung
der Schraube komprimiert die gespeicherte Charge, wodurch ihr Druck
erhöht
wird. Dies erzeugt einen Hochdruckzustand auf der Stromabwärtsseite
des Rings relativ zu der Stromaufwärtsseite, wodurch verursacht
wird, dass sich der Ring in die zweite Position bewegt, um mit der
Dichtfläche
in Eingriff zu kommen (4), wodurch
die Strömung
von Polymerwerkstoff verhindert wird und der Druck stromabwärts des
Beschränkungselements
aufrecht erhalten wird. Üblicherweise verbleibt
der Ring in der zweiten Position, bis der Druck stromaufwärts des
Beschränkungselements den
Druck stromabwärts überschreitet,
an welchem Punkt der Ring in die erste Position zurückkehrt.
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Das
Beschränkungselement
hält während des
gesamten Zyklus den Druck der Polymer- und Treibmittellösung stromabwärts des
Beschränkungselements
oberhalb eines minimalen Drucks. In vielen Fällen hält das Beschränkungselement
einen Druck stromabwärts
des Beschränkungselements über den gesamten
Zyklus von wenigstens 7 MPa (1000 psi), in einigen Fällen von
wenigstens 14 MPa (2000 psi) und in einigen Fällen von wenigstens 21 MPa
(3000 psi). Bei bevorzugten Ausführungsformen
wird der Druck stromabwärts
des Beschränkungselements über den
gesamten Zyklus größer als
der kritische Druck gehalten, der für eine einphasige Lösung aus Polymerwerkstoff
und Treibmittel für
gegebene festgelegte Betriebsbedingungen erforderlich ist. Der kritische
Druck hängt
von den Gew-% Treibmittel, das in dem Polymerwerkstoff gelöst ist,
ab, und auch anderen Betriebsbedindungen wie der Temperatur. Durch Halten
der einphasigen Polymer- und Treibmittellösung auf einem Druck überhalb
dem kritischen Druck sichert das Beschränkungselement, dass das Treibmittel
innerhalb des Extruders nicht frühzeitig
vor dem Keimbildungsschritt aufgrund eines Druckverlustes, der aus
der Stromaufwärtsströmung des
Polymerwerkstoffs während
dem Einspritzen oder Ausspritzen herrührt, aus der Lösung austritt.
Weil Systeme zum Verarbeiten bzw. Aufbereiten mikrozellularer Schäume das
Aufrechterhalten einer einphasigen Lösung vor dem Keimbildungsschritt
erfordern, ist das Beschränkungselement
somit in derartigen Systemen besonders vorteilhaft. Üblicherweise
können keine
mikrozellularen Materialien ausgebildet werden, wenn das Treibmittel
und der Polymerwerkstoff vor der Keimbildung keine einphasige Lösung bilden.
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Bei
einigen bevorzugten Ausführungsformen,
die ein Ringsperrventil verwenden, besteht eine nicht vernachlässigbare
Zeitdauer, während
sich der Ring von der ersten Position in die zweite Position bewegt.
Während
dieser Zeitdauer erlaubt das Ringsperrventil eine begrenzte Stromaufwärtsdurchströmung von
Polymerwerkstoff vor dem in Eingriff kommen mit der Dichtfläche, was
beim Absenken der Hochdruckbedingung stromabwärts des Beschränkungselements
vorteilhaft sein kann. Diese begrenzte Stromaufwärtsströmung verhindert einen unsicheren
Hochdruckzustand (z. B. einen Druckzustand größer als der Betriebsdruck des
Extruders), welcher resultieren könnte, wenn das Beschränkungselement die
gesamte Stromaufwärtsströmung des
Polymerwerkstoffes nach dem Element eliminieren würde. Der
Grad der Druckentspannung hängt
von dem Ausmaß dieser
Zeitdauer ab, welche eine Funktion der Viskosität des geschmolzenen Polymers,
der Ringgestaltung und der Einspritzgeschwindigkeit ist und entsprechend
durch den Fachmann eingestellt werden kann.
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Bei
vielen Spritzguss-Ausführungsformen
erfolgt die Keimbildung der einphasigen Lösung aus Polymerwerkstoff und
Treibmittel durch Einspritzen über
ein Druckabfall-Keimbildungsmedium 67, das eine Fluidverbindung
zwischen dem Speicherbereich und der Gussform herstellt. Üblicherweise
umfasst das System ein Ventil, welches die Materialströmung durch
das Keimbildungsmedium regelt und in Verbindung mit dem Einspritzzyklus
arbeitet. Wie es hier verwendet wird, ist unter "Keimbildungsmedium" im Zusammenhang mit einem schlagartigen
Druckverlust die Definition eines Mediums zu verstehen, das einen
Teil einer mikrozellularen Polymerschaum-Extrusionsvorrichtung bildet und in
dem bei Bedingungen, für
die Vorrichtung zum Betrieb ausgelegt ist, üblicherweise bei Drücken von
ungefähr
10,5 bis ungefähr
210 MPa (von ungefähr
1500 bis ungefähr 30.000
psi) stromaufwärts
des Keimbilders und bei Strömungsgeschwindigkeiten
von mehr als ungefähr 5
lbs Polymerwerkstoff pro Stunde – der Druck einer einphasigen
Lösung
aus Polymerwerkstoff vermischt mit Treibmittel in dem System unterhalb
den Sättigungsdruck
der speziellen Treibmittelkonzentration bei einer Geschwindigkeit
oder Geschwindigkeiten, die die Keimbildung erleichtern, fällt. Das
keimbildende Medium 67 umfasst ein Einlassende 69 zum
Aufnehmen einer einphasigen Lösung
aus Polymerwerkstoffvorgänger
und Treibmittel als ein fluidförmiger
Polymerstrom und ein keimgebildetes Polymer-Auslassende 70 zum
Liefern des keimgebildeten Polymerwerkstoffs in den Formenhohlraum
oder die Gussform 37. Der Keimbilder 66 kann an
verschiedenartigen Orten stromabwärts des Bereichs 50 und stromaufwärts der
Gussform 37 angeordnet sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
steht der Keimbilder 66 in direkter Fluidverbindung mit
der Gussform 37, so dass der Keimbilder eine Düse definiert, die
den Extruder mit dem Formenhohlraum verbindet und das keimgebildete
Polymer-Auslassende 70 definiert eine Öffnung des Formenhohlraums 37.
Obwohl es nicht dargestellt ist, umfasst eine andere Ausführungsform
des Keimbilders 76 ein keimbildendes Medium 67,
das ausgelegt und angeordnet ist, um eine variable Querschnittsdimension
aufzuweisen, d. h. eine Medium, das im Querschnitt eingestellt werden
kann. Ein keimbildendes Medium mit variablem Querschnitt erlaubt
es, die Druckverlustgeschwindigkeit aus einem Strom aus fluidförmigem Polymerwerkstoff,
der hindurchtritt, zu variieren, um eine gewünschte Keimdichte zu erreichen.
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Bei
einer Ausführungsform
wird ein keimbildendes Medium, das sich entlang seiner Länge in seinen
Querschnittdimensionen ändert,
verwendet. Insbesondere kann ein keimbildendes Medium, das sich
in seinen Querschnittsdimensionen in einer Stromabwärtsrichtung
verringert, dadurch die Druckverlustgeschwindigkeit signifikant
erhöhen,
wodurch die Bildung mikrozellularen Materials mit einer sehr hohen
Zelldichte unter Verwendung relativ geringer Niveaus an Treibmittel
ermöglicht
wird. Diese und andere beispielhafte und bevorzugte Keimbilder sind
in der parallel anhängigen
internationalen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer PCT/US 97/15088
mit dem Titel "Verfahren
und Vorrichtung zur mikrozellularen Polymerextrusion" von Anderson et
al, auf die zuvor Bezug genommen wurde, beschrieben.
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Während das
Medium 67 ein keimbildendes Medium definiert, kann einige
Keimbildung auch in der Gussform selbst stattfinden, wenn der Druck
auf den Polymerwerkstoff bei einer sehr hohen Geschwindigkeit während dem
Füllen
der Gussform fällt.
Bei einer anderen Ausführungsform,
die ebenfalls in der auf die gleiche Anmelderin zurückgehende parallel
anhängige
internationale Patentanmeldung mit der Anmeldenummer PCT/US 97/27118
beschrieben ist, tritt keine Keimbildung der einphasigen Lösung des
Polymerwerkstoffs und des Treibmittels quer des Mediums bzw. Pfads,
das den Auslass des Extruders mit dem Einlass der Gussform verbindet, auf.
Bei diesen Ausführungsformen
wird die einphasige Lösung
in die Gussform eingespritzt und als eine einphasige Lösung aufrecht
erhalten, bis die Gussform aufgebrochen wird, d. h. geöffnet wird.
Dieser "Aufbrech"-Vorgang reduziert
den Druck in der Gussform, wodurch die Zellen ausgekeimt werden.
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Das
in den 1–4 dargestellte System stellt
den Betrieb des Beschränkungselements
in Verbindung mit einer sich hin und her bewegenden Schnecke bei
einem Spritzgusssystem dar. Es versteht sich, dass dieses oder andere
Systeme, die hier beschrieben wurde, modifiziert werden können, wie es
im Stand der Technik gut bekannt ist, um als andere Polymeraufbereitungssysteme
zu arbeiten, die sich hin- und herbewegende Schnecken umfassen. Zum
Beispiel ist ein Blasgießsystem
mit einem Speicherbereich innerhalb des Zylinders und einer sich
hin und her bewegenden Schnecke umfasst, das das Beschränkungselement
verwendet, bei dem die zyklische Speicherung und Ausspritzung aus
dem Stempel stattfindet. Im allgemeinen setzen Blasgießsysteme
Blasgießformstempel
ein, die mit dem Polymeraufbereitungsraum in Fluidverbindung stehen und
einen Auslass aufweisen, der gestaltet ist, um ein Extrudat von
Polymerschaum in eine Blasgießform
freizugeben, die den blasgeformten Schaumgegenstand ausbildet. Bevorzugte
Blasformsysteme sind in der parallel anhängigen US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer
09/241,352, eingereicht am 2. Februar 1999, beschrieben. Unter Bezugnahme auf 5 ist bei einer anderen
Ausführungsform
der Erfindung ein Beschränkungselement 35 in
einem System 21 verwendet, das einen Speicher 81 außerhalb
des Extruders 30 umfasst. Ein Einlass 51 des Extruders
liefert eine Lösung
aus Polymerwerkstoff und Treibmittel über eine Leitung 53 zu
einem Einlass 79 des Speichers. Ein Kugelrückschlagventil 85 ist nahe
des Einlasses 79 des Speichers angeordnet, um die Materialströmung in
den Speicher zu regulieren und die Rückströmung des gespeicherten Materials
während
dem Einspritzen (oder Ausspritzen, wenn ein Blasgießen ausgeführt wird)
zu verhindern. Der Speicher 81 umfasst einen Kolben 83,
der ausgestaltet und angeordnet ist, um sich während des Einspritzzyklus axial
innerhalb eines Gehäuses 86 durch
die Wirkung eines hydraulisch gesteuerten Einspritzzylinders (nicht
dargestellt) hin und her zu bewegen. Der Speicher steht in Fluidverbindung
mit dem Einlass 69 eines Keimungbildungspfads, durch welchen
die Lösung
in die Spritzgussform 37 eingespritzt wird.
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Beim
Betrieb ist der Kolben nachfolgend dem Einspritzen von Polymerwerkstoff
in eine Gussform in einer Einspritzposition (5) positioniert. Die Schnecke 38 dreht
sich, um Polymerwerkstoff in einer Stromaufwärtsrichtung zu fördern und
wie es oben beschrieben wurde, wird ein Treibmittel in den Polymerwerkstoff
eingeführt,
um eine Lösung
aus Treibmittel und Polymer auszubilden. Der Extruder stellt die
Polymer- und Treibmittellösung,
welche üblicherweise
eine einphasige Lösung
ist, dem Speicher bereit. Die Speichercharge drückt den Kolben in einer Stromaufwärtsrichtung
in eine Speicherposition (6).
Nachdem eine ausreichende Charge gespeichert wurde, stoppt die Schnecke 38 die
Drehung, d. h. die Schnecke ist nicht in Betrieb. Der Kolben 83 bewegt
sich dann in einer Stromabwärtsrichtung
aus der Speicherposition in die Einspritzposition, um die Charge
in die Gussform einzuspritzen, wodurch der Einspritzzyklus abgeschlossen
wird.
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Während der
Stillstandsperiode der Schnecke verhindert das Beschränkungselement 35 die Rückströmung von
Polymerwerkstoff und hält
somit den Druck stromabwärts
des Beschränkungselements
oberhalb eines Minimalwerts. In üblichen
Systemen, die kein Beschränkungselement
umfassen, fällt
der Druck in dem Zylinder signifikant, wenn die Schnecke still steht
und in vielen Fällen
unterhalb den Druck, der zum Aufrechterhalten einer einphasigen
Lösung
aus Polymerwerkstoff und Treibmittel erforderlich ist. Das Beschränkungselement 35 kann eine
beliebige der oben beschriebenen Formen annehmen. Vorzugsweise ist
das Beschränkungselement
bei Systemen mit getrenntem Speicher ein federbelastetes Ringsperrventil,
wie es in den 7 und 8 dargestellt ist.
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Bezug
nehmend auf die 7 und 8 umfasst das federbelastete
Sperrventil ein Federelement 88, das zwischen einer Rückhaltefläche 90,
die sich von der Schnecke erstreckt, und einer Innenfläche 92 des Rings
angeordnet ist. Wird der Polymerwerkstoff durch die drehende Schnecke
gefördert,
drückt
er mit einer ausreichenden Kraft, um das Federelement 88 zu
komprimieren, in einer Stromabwärtsrichtung
auf den Ring 72, wodurch ein Raum zwischen der Dichtfläche 74 und
dem Ring erzeugt wird, durch welchen der Polymerwerkstoff dem Pfad 94 folgend
strömt (7). Wie es oben beschrieben
wurde, umfasst der Ring einen inneren Durchgang 82, um
die Strömung
des Polymerwerkstoffs zu der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements
zu erlauben. Steht die Schnecke still, wird der Polymerwerkstoff nicht
länger
in einer Stromabwärtsrichtung
gefördert und
stellt daher keine Stromabwärtskraft
auf das Federelement bereit. Das Federelement dehnt sich aus, um
den Ring 72 in einer Stromaufwärtsrichtung zu beaufschlagen,
um ihn mit der Dichtfläche 74 in
Eingriff zu bringen (8).
Wie es oben beschrieben wurde, verhindert das in Eingriff kommen
das Rings und der Dichtfläche
die Stromaufwärtsströmung des Polymerwerkstoffs
und dadurch wird der Druck stromabwärts des Beschränkungselements
oberhalb des Minimalwerts gehalten.
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Das
in den 5–8 dargestellte System stellt
den Betrieb des Beschränkungselements
in Verbindung mit einem externen Speicher bei einem Spritzgusssystem
dar. Es ist verständlich,
dass das System, wie es im Stand der Technik gut bekannt ist, modifiziert
werden kann, um als ein anderes Polymeraufbearbeitungssystem mit
einen Speicher außerhalb
der Schnecke zu arbeiten. Insbesondere Blasgusssysteme sind vergegenwärtigt.
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Es
ist selbstverständlich,
dass während
die Erfindung in Verbindung mit der genauen Beschreibung davon beschrieben
wurde, die vorstehende Beschreibung dazu gedacht ist, die Erfindung
darzustellen und den Umfang der Erfindung nicht zu beschränken, welcher
durch den Umfang der beigefügten
Patentansprüche
definiert ist.