CN1241963A - 用于冲压塑性材料的模具和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于冲压洗涤剂块的设备,所述洗涤剂块包括肥皂、合成洗净活性剂或它们的混合物,所述设备包括模具。模具(11)具有在至少一个块冲压表面涂敷有至少一种弹性体涂层(16),并且包括凸缘(30),凸缘(30)的刚性高于弹性体涂层(16)的刚性。在模具不需要速冷的条件下,可以很好地从模具中脱出洗涤剂块。使用刚性凸缘增加了涂层的使用寿命。

Description

用于冲压塑性材料的模具和方法

发明领域

本发明涉及一种采用模具冲压塑性材料以成形制品的设备、方法和装置。特别是，本发明涉及冲制洗涤剂块的方法。

本文中的“洗涤剂块”是指包括一定剂量的表面活性剂的片状物、块状物或条状物，其中包括肥皂、合成活性洗涤剂或它们的混合物，其含量至少占块状物的20％(重量)。

发明背景

在制造洗涤剂块的过程中，包括所有块状成分的预成型的组合物通常从喷嘴挤出，形成连续的“棒”，将该棒切割成为具有预定长度的小块段，一般称为“坯料”。然后，将这些坯料供给冲压机，或者采用例如与块表面有相同尺寸的模具，在坯料的一个或多个表面上进行压印。通过锤或辊状模具施加作用力，以冲击块状物的表面。

通常，冲冲压机具有由两个半块组成的模具，每半块具有在冲压操作期间与坯料接触的表面。这些表面适于闭合，并达到预定的分开距离，因此在两半模具之间冲压坯料，使块状物具有最终形状和外表，然后，模具分开。当模具闭合时，多余的组合物从两半模具中向外挤出。一般，这称为“飞边”。然后，使肥皂块通过“去飞边板”中的孔，将飞边与肥皂条分开。

常规的模具冲压机包括“销轴式模具”成型机，其中在压实步骤期间，一对相对置的模具元件或两半模相遇，还包括“箱体式模具”机，其中一对相对置的模具元件冲压在箱体支架的通孔中夹持的块状物，但是在压实过程中不相遇，由箱体支架限制块状物的周边表面。

两半模具常常分别设有模具或喷管插入物。一般借助弹簧使其在两半模中保持闭合，但是可以借助压缩空气或机械装置将其推开，以便有助于块状物从模具中脱模。在两半模的闭合过程中，可通过抽真空排除位于洗涤剂块和模具表面之间的凹处所截留的空气，在采用转动模具的情况下，这种真空有助于在设备转动过程中使块状物保持定位。

通过对洗涤剂块进行冲压，可使其获得可再现的形状、光滑表面和/或在块状物的至少部分表面上获得压印设计图，例如标识、商标或类似物。

但是，由于模具一阻滞的结果，在连续使用模具期间，在两半模中遗留适量的剩余洗涤剂，这常常形成块状物的表面外观缺陷，或者块状物不能从模具表面脱模。

对于这种问题，专业人员已经提出了许多解决方案。其中一个方案涉及在冲压操作过程中，快速冷却两半模。使用快速冷却消耗资源，特别消耗能源。

另一种解决方案在英国专利GB-A-746,769中公开，其中模具组包括箱体模具和一对配合的模具元件，其由塑料材料制造，所述塑料材料包括具有特殊弹性模量的聚合物。这个系统的缺陷是必须采用模具脱模剂，以便防止洗涤剂粘合在模具上，并且对后续的压块产生表面损害。

Luckow的美国专利US-1,817,157公开了一种肥皂支架。

Pinto的美国专利US-3,127,457公开了一种使用碳氟化合物薄膜作为模压聚氨酯制品的脱模剂。

Krugg的美国专利US-3,539,144公开了一种用于生产聚氨酯泡沫体的模具，其包括物品的结构模型和设置在结构模型上的热硫化硅橡胶的涂层，以及设置在热硫化硅橡胶的涂层上的冷硫化硅橡胶涂层。

Ladney的美国专利US-3,889,919公开了一种用于成型室的塑性排气插口，以便模制塑性元件。成型室26包括周边唇部28。

Cavanugh的美国专利US-4,035,122公开了一种压制肥皂块剩余物的省肥皂的装置。

Austin的美国专利US-4,076,207公开了一种食品压制模具，其包括衬板和刚性夹持器，其中衬板具有固定到夹持器上的凸缘。

Roussel的美国专利US-4,809,945公开了一种模具腔体，以便成型例如肥皂块的制品。

Watanabe的美国专利US-5,332,190公开了一种由弹性成型模具，其由弹性叠层薄膜和其中不包含填充剂的最内层构成。

在美国专利US-5,269,997中，为两个肥皂成型模具的每一个提供横模具表面延伸的弹性隔板。对于商业生产的快速要求，这种系统过于复杂，而且涂层太薄，其极可能被撕裂，标识再现的质量会下降。

在国际专利WO 96/00278中公开了一种用于冲压制洗涤剂块的设备，其包括模具，该模具的至少一个块冲制表面中设有弹性体涂层，弹性体涂层的总厚度小于200微米。在优选的实施方案中，弹性体涂层是块冲制表面仅有的弹性材料。

在欧洲专利EP-276,971和美国专利US-4,793,959和US-4,822,273中提出了其他技术解决方案，其中涉及使用两个模具元件，各模具元件包括非弹性部件和弹性部件。在冲压过程中，接触肥皂块的弹性部件包括厚度至少为200微米的弹性体涂层，并具有特定的弹性模量。

制造厚涂层模具比较复杂，而且制造成本昂贵。因此，非常希望大大延长这种涂层的使用寿命。

使用这种弹性体涂层遇到的困难是其使用寿命太短，只有几天或稍长些时间。这样引起的问题将是明显的。

发明概述

已经发现，导致模具的弹性涂层使用寿命短的原因是由于在冲压肥皂的过程中，在模具的边缘具有高应力作用。这由高的冲压制肥皂的剪切作用力产生，此作用力趋于把弹性体涂层从模具的金属底座上剥离。这种问题将使采用弹性涂层模具的优点消失，例如，可避免使用昂贵的金属冷却模具。

已经发现，作用在弹性体涂层上的应力可由使用凸缘或突边而减小，所述凸缘或突边的刚性高于模具的弹性体涂层，尤其是，凸缘或突边本身涂敷弹性体。最好，边缘或突边由金属或其他硬的或刚性材料制造。采用金属边缘，由于低应力作用在弹性体上，将导致弹性体的撕裂减少。优选是，边缘沿着弹性体的导边延伸，因此，在冲压期间，防止弹性体受应力作用。这显然改善了模具的弹性体涂层的使用寿命，而且，使具有涂层的模具的优点显示出来，而不存在涂层的使用寿命短的缺陷。

虽然，可以容易地采用与模具相同的材料制造边缘，但是，这不是必须的。

边缘或凸缘可以由多种材料制造，其包括塑性聚氨酯和复合物。在优选的实施方案中，边缘呈“T”形或“伞”形结构，其中弹性体在伞顶部下方得到保护。

本发明特别适用于制造洗涤剂块的模具，洗涤剂块具有侧壁，其一般沿着垂直于块状物的纵向方向延伸，即“带状块”。可以相信，用于带状块的弹性模具与缺少垂直侧壁的块状物或者垂直侧壁的延伸尺寸仅占块状物的高度的很小的百分比的弹性模具相比，可以承受更高的应力。

本发明的边缘或凸缘也可以用于采用弹性材料制造的模具上，而不是仅仅用其涂敷。一般，模具的边缘可以采用比模具材料的硬度高的材料制造。

为了更加清楚完整的理解本发明的上述和其他特征和优点，参照下面的附图及本发明的优选实施方案的详细描述。

附图的简要描述

图1是本发明的模具的立体图。

图2是本发明的模具的侧面横向剖视图。

图3是本发明的模具的正视横向剖视图。

图4是图3中所示模具的横向剖视图，其中模具上覆盖有弹性材料的涂层。

发明的详细描述

在欧洲专利EP-276,971和美国专利US-4,793,959和US-4,822,273中描述了在肥皂块冲压过程中厚弹性体涂层的应用，其中公开的内容引此作为参考。

在本文中，术语“表面装饰”是指具有均匀的形状，光滑的表面，如标识、商标或类似物的设计图。

在本发明中提到的“弹性性的”是指一种符合ISO(国际标准)1382的、作为“弹性体”或“橡胶”之类的材料。在本发明中限定的“弹性体的”材料还包括热塑性弹性体、共聚物、弹性体与热塑性塑料的弹性体和橡胶的共混物。

弹性体定义为具有长柔性链的聚合物，通过添加硫化剂或交联剂引起交联，并形成交联网状结构，从而转化为不同于原材料中的分子结构。分子的网状结构保持大分子链的分子的移动性，其结果是，在使材料变形的作用力消失后，这种材料可以迅速返回其原始大小和形状。

随着温度增加，弹性体在软化后通过橡胶相并保持其弹性和弹性模量，直到其达到其分解温度。

热塑性塑料弹性体包括无定形和结晶相。在低于环境温度条件下，无定形相具有软化区域，因此，其相当于弹性弹簧，而结晶部分的软化范围高于环境温度，其相当于交联点阵。

最好，本发明的弹性材料选自美国试验和材料学会(AmericanSociety for Testing and Materials)D1418中所述的那些类别，其包括：

1.不饱和碳链弹性体(R类)，其包括天然橡胶，例如标准的马来西亚橡胶；丁二烯，例如由Bunawsks Huls出品的BUNA产品；以及丁二烯-丙烯腈共聚物，例如，由Bayer出品的Perbunan产品。

2.饱和碳链弹性体(M类)，其包括乙烯-丙烯类，例如由DuPont出品的Nordel产品，以及含氟类，例如由DuPont出品的Viton产品。

3.取代硅橡胶的替代物(Q类)，其包括液体硅橡胶，例如由DowCorning出品的Silastic 9050/50 P(A+B)。

4.在聚合物链中含碳、氮和氧的弹性体(U类)，其包括聚氨酯，例如由Belzona出品的聚氨酯。

在本文中所述的“弹性的”材料可经预处理，例如，在其被用于涂敷模具表面之前，形成在商业上可以购买的弹性体的溶液。弹性体、橡胶、共聚物或它们的共混物一般在模具表面进行就地固化或交联。例如，包含基本弹性材料、交联剂和其他材料如加速剂等组分在涂敷成涂层之前，可进行混合。一旦涂敷到模具上，涂层就地固化。也可借助于加热或者其他加速方法，例如施加压力、辐射或紫外线。

弹性材料能够以液体或半液体状态进行涂敷。例如，当以液体涂敷时，两个半模具按预定的距离分开夹持，允许弹性体出现在两部分之间的空间内。最好，在压力条件下，向模具内填充弹性材料。

在某些情况下，材料由合适的溶剂溶解，再涂敷到模具上，接着排除溶剂。

在热塑性材料的情况下，可加热到熔融状态，再涂敷到模具上，经冷却和再固化。

适合作本发明的弹性体涂层的材料最好具有弹性模量为0.1～50MPa，更好是1～35MPa。

通过记录使涂层出现凹痕所需要的力与凹痕深度的函数，来测量弹性体涂层的弹性模量。一般，使用的压头具有球形尖端，并且测定作用力作为凹痕深度3/2次方的函数。凹痕深度是压头在首先接触涂层表面之后向涂层内移动的距离。通常，需要校正测量的凹痕深度，以便适应于测量设备。因此，实际的凹痕深度d与测量的表现数值d’的关系通过下式表示：

d＝d’-(F·C)

其中F是压出凹痕的作用力。适应系数C由压头压刚性表面的压力和记录的位移的函数关系来确定，其斜率等于C。弹性模量E通过下式计算：

E＝3/4：s1/(R)^1/2(1～b²)

其中s＝F/d^3/2，R是压头圆球顶部的半径，b是涂层的泊松比，对于弹性体其等于0.5。

在所述的一定条件下，由于涂有涂层的刚性材料的影响，上述压痕方法可能给出错误的大数值的弹性模量。为了确实避免产生上述问题，必须保证压头与涂层的接触半径不超过涂层厚度的1/10。所述接触半径a与凹痕深度的关系由下式表示：

                     a＝(dR)^1/2

对于小于200μm的涂层，推荐使用毫微压头，其能够采用具有小半径尖端的压头，测量在小凹痕深度时的压痕作用力。这种设备的例子是“NanoIndenter II”(毫微仪器)。另外一方法是测量比较厚的涂层(厚度大于200μm)，这可使用常规的测量设备，例如Model-5566Instron试验机。

最好，模具包括刚性材料，其选自金属和其他合金，例如黄铜和其他紫铜合金、铝、包括碳钢和不锈钢的钢类；和其他非弹性体材料，例如热固性和热塑性树脂，例如聚酯、环氧树脂、呋喃树脂、冷铸聚氨酯、陶瓷、复合物和叠层物。

可以将附加材料，例如填料，加入弹性体材料中，以便改变弹性材料的机械和加工性能。加入填料的效果取决于弹性体材料与填料之间的机械和化学的相互作用。

填料可以用于弹性体材料的改性，以便获得需要的材料性能，例如获得抗撕裂性能。合适的填料包括碳黑；二氧化硅；硅酸盐；和有机填料苯乙烯或酚醛树脂。

其他还可以有的添加剂包括摩擦改性剂和抗氧剂。

边缘或凸缘应从模具的壁延伸以覆盖模具腔体涂层的厚度，最好覆盖腔体外的涂层厚度。因此，最佳性能的边缘尺寸决定于所需的涂层的厚度。

为了获得需要的结果，例如，从模具中很好地脱出洗涤剂块，弹性体涂层的厚度和硬度可以随着洗涤剂块组合物、加工温度和/或加工参数如两半模的腔体形状、冲压机的运行速率和两半模的分开距离而改变。对于有更加复杂的标识的模具，或者更加复杂的模具形状，通过利用比较厚的涂层和比较低弹性模量有助于从模具中脱出制品。同样，对于本身很难冲压的块状组合物，采用比较厚的和/或具有比较低的弹性模量的弹性体涂层，可获得合格的模具脱模。

按照本发明的设备，其能够用于冲压洗涤剂块，洗涤剂块包括表面活性剂，表面活性剂主要包括肥皂或合成洗涤剂或肥皂和合成洗涤剂的混合物。已经发现，特别可用于冲压软的和/或粘的含合成表面活性剂的洗涤剂和/或软块；半透明或透明的脂肪含量减小到占总块重63～78％的肥皂块，那些包括护肤剂如润湿剂、多羟基化合物、油、脂肪酸和脂肪醇的块状物。

按照本发明的另一方面，提供一种冲压洗涤剂块的方法，其包括：

i.在具有边缘的模具上形成弹性体涂层，以便延缓弹性体涂层的撕裂；

ii.向步骤i中的模具供给洗涤剂块组合物；

iii.在模具中冲压组合物，以形成冲压的块；

iv.从模具中脱出块，最好，采用以容易再现的方式使表面装饰印在块上。

最好，通过机械和/或化学装置将弹性体涂层粘合到模具冲压表面，以便增加模具和涂层之间的粘合力。

特别优选是用于缓解作用在弹性体涂层上的应力的边缘，其本身也部分涂敷弹性体涂层。最好在边缘上的涂层的厚度比位于模具的块冲压表面处的涂层薄。例如，其厚度范围为1～200微米，特别是10～50微米。

下面参照附图详细描述。图1表示半模10，其包括各个模具12。在每一半模的块冲压表面14上都有弹性体涂层16(图4)。弹性体涂层还设置在半模的非冲压表面18上。一个半模具有在块冲压表面上的标识20。(在某些情况下，两个半模都有标识)。此处也由弹性体涂层涂敷。

模具12包括金属边缘30，其从洗涤剂块的压制腔32的上周边向内凸出。如图4所示，边缘30覆盖涂层16的垂直上升部分的上边缘。最好，面对腔32的边缘30的表面34至少与弹性体16的表面36齐平，所述表面36同样面对腔32。更加优选的方案结构是，其中金属边缘30的边缘34稍微延伸超过涂层16的表面36。

使用本发明的边缘或凸缘构成的模具，当模具切入肥皂时，可使切割边缘附近的软弹性体不被损坏。这是通过采用刚性和强度比较高的材料遮盖模具边缘附近的软的弹性体的结果。遮盖状态类似围绕模具边缘的伞，其稍微与软的弹性体搭接，搭接范围是0.001″～0.015″。这种结构可以防止软的材料在剪切或拉伸时受过大的作用力，这种剪切或拉伸作用将使软的材料加速破坏，导致模具失效。

如上所述，虽然模具的应力缓解边缘能是金属，但一般取决于用于制造模具的材料。通常，制造边缘的材料与用于制造模具的材料相同。但是，通常边缘具有相当高的刚性，以便保护弹性体。

在本发明可随常规的冲压设备，例如，Binacchi USN 100一起使用。

最好，边缘具有下切口，以得到较大的机械连接键。

实施例

由碳钢制造一系列半模，并且通过电火花蚀刻，形成表面粗糙值(Ra)，采用丙酮除油，涂底漆，然后涂敷一系列的弹性体材料。

在实施例中也可以采用一系列用黄铜制造的半模。同样，采用丙酮除油，涂底漆，然后涂敷弹性体材料。

弹性体涂层由聚氨酯制成。所述聚氨酯如下制备：

a.产品名为Andur 80-5AP的聚醚基的液体的异氰酸盐封端的预聚物。

供应商：

Anderson Devlopment Co.

1415 E Michigan Street

Adrian，MI 49221-3499；

b.采用的固化剂是产品Voronal 234-630 curative-Triol，

供应商：Dow Chemical Co.2040 Dow CenterMidland，MI 48674。在实施例中采用的块状物成分如下所述：配方A

成分	重量(％)
		无水牛脂皂	52.3
无水椰子油肥皂	29.9
		椰子脂酸	5.2
水和少量的其他成分	～100

配方B

成分	重量(％)
		椰子基羟乙磺酸钠	27.00
椰子酰胺丙基甜芳碱	5.00
		聚二乙醇，中等分子量	33.12
脂肪酸	11.00
		硬脂酸钠	5.00
水和少量的其他成分	～100

配方C

成分	重量(％)
		椰子基羟乙磺酸钠	49.78
82/18肥皂	8.31
		硬脂酸钠	2.98
烷基苯磺酸	2.02
		硬脂酸	20.15
可可脂肪酸	3.08
		羟乙磺酸钠	4.68
水和少量的其他成分	～100

如图4所示，模具包括金属边缘34。已经发现，在进行冲压的过程中，金属边缘缓解作用在模具腔的上边缘的应力，因此，可以延长涂层的使用寿命。

当然，应当理解，上面描述的本发明的特殊形式仅仅是对本发明进行解释说明，在不脱离本发明公开内容的原理情况下，还可以作某些变化。因此，在本发明的权利要求书中所述内容，决定了本发明的全部范围。

Claims (10)

1.一种用于冲压基质的设备，这类设备包括一种模具，该模具至少具有一个覆盖有弹性体涂层的基质冲压表面，该设备特征是：基质冲压表面设有凸缘，凸缘的刚性高于弹性体涂层的刚性。

2.按照权利要求1所述的设备，其特征是：凸缘是金属。

3.按照权利要求1或2所述的设备，其特征是：凸缘由模具材料形成。

4.按照权利要求1～3之一所述的设备，其特征是：凸缘包括弹性体涂层，其厚度比模具的涂层薄。

5.按照上述权利要求之一所述的设备，其特征是：凸缘形成凸边，其与模具的弹性体涂层的导边齐平或超出其导边。

6.按照权利要求1～5之一所述的设备，其特征是：弹性体涂层选自弹性体材料、橡胶、热塑性弹性体和共聚物，以及它们的共混物。

7.按照上述权利要求之一所述的设备，其特征是：模具包括刚性材料，其选自金属及其合金、热塑性和热固性树脂、冷铸聚氨酯、陶瓷、复合物和叠层物。

8.一种用于在冲压基质的设备上形成弹性体涂层的方法，其包括下列步骤：

i.通过化学和/或机械方法对设备进行预处理，形成对弹性体涂层的粘合表面；

ii.向所述设备涂敷弹性体涂层，其特征是：在设备上设有凸缘，凸缘的刚性高于弹性体涂层。

9.一种用于冲压洗涤剂块的方法，其包括下列步骤：

i.在模具的至少一个块冲压表面上形成弹性体涂层，所述模具上具有金属凸缘，以便减小作用在涂层上的应力；

ii.向模具中供给洗涤剂块的组合物；

iii.在模具中冲压该组合物，以形成冲压成的块；

iv.从模具中脱出该块。

10.权利要求l-7所述的设备在冲压洗涤剂块中的应用。