RU2848178C2 - Articles from polymer foam and methods of producing polymer foams - Google Patents
Articles from polymer foam and methods of producing polymer foamsInfo
- Publication number
- RU2848178C2 RU2848178C2 RU2021138692A RU2021138692A RU2848178C2 RU 2848178 C2 RU2848178 C2 RU 2848178C2 RU 2021138692 A RU2021138692 A RU 2021138692A RU 2021138692 A RU2021138692 A RU 2021138692A RU 2848178 C2 RU2848178 C2 RU 2848178C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- article
- molten
- polymer foam
- polymer
- inches
- Prior art date
Links
Abstract
Description
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИCROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
[0001] Настоящая заявка утверждает приоритет Предварительной Патентной Заявки США № 62/867,516, поданной 27 июня 2019 года, и озаглавленной «Способ литья под давлением вспененных деталей из расплавленной пены». Тем самым Предварительная Патентная Заявка США № 62/867,516 включена здесь ссылкой, как если бы полностью была здесь изложена.[ 0001 ] This application claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 62/867,516, filed June 27, 2019, and entitled "Method for Injection Molding Foamed Parts from Molten Foam." U.S. Provisional Patent Application No. 62/867,516 is hereby incorporated by reference as if fully set forth herein.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY
[0002] Изделия из полимерной пены находят широкое применение в промышленности благодаря высокой желательной характеристике в создании высокой прочности, связанной с твердыми полимерными изделиями, в то же время также обеспечивая снижение плотности, и поэтому сокращение количества полимера, используемого для формирования изделия с выбранным объемом. Кроме того, для промышленности достигаются такие преимущества, как снижение веса вспененного изделия сравнительно с его сплошным аналогом, в то же время получая преимущества в отношении прочности, жесткости, ударной вязкости, и т.д., которые обеспечивает сам полимер.Polymer foam products are widely used in industry due to their desirable properties of providing the high strength associated with solid polymer products, while also providing a reduction in density and, therefore, a reduction in the amount of polymer used to form a product of a given volume. Furthermore, the industry achieves advantages such as a reduction in the weight of the foamed product compared to its solid counterpart, while simultaneously receiving the advantages in strength, rigidity, impact strength, etc., which are provided by the polymer itself.
[0003] Тем самым в промышленности был разработан ряд нетрадиционных способов введения газа в термопластичные полимеры, чтобы сделать такие вспененные изделия. Для формования изделия из вспененного термопластичного материала с использованием газа, согласно коммерческим нормативам и промышленной практике, применяют устройство для смешения в расплаве, действующее с поддерживанием давления для ограничения расширения газа внутри устройства, в то же время смешивая в расплаве газ или источник газа с термопластичным полимером, кроме того, при температуре выше температуры плавления термопластичного полимера. Такие способы и устройства разработаны для минимизации образования заполненных газом полостей (пневматоцеле, пневмополостей), или газовых карманов, которые в противном случае формировались бы расширением газа в расплавленном термопластичном полимере. Таким образом, будучи находящимся внутри и размещенным внутри устройства для смешения в расплаве, термопластичный полимер может включать источник газа или сам газ, растворенный или диспергированный в нем, в то же время не включая пневмополости или по существу не включая пневмополости. Смесь расплавленного термопластичного полимера и газа, которая находится при температуре или выше нее, при которой могли бы возникать пневмополости при атмосферном давлении, в то же время не содержащая пневмополости или по существу не включающая пневмополости, может быть названа расплавленной пневматической смесью. Температура, при которой газ, или пневматоген, образовывал бы пневмополости в расплавленной пневматической смеси при атмосферном давлении, может быть названа критической температурой. Устройства для смешения в расплаве, общеизвестные в технологии, тем самым разработаны и приспособлены для создания и дозирования расплавленных пневматических смесей. Кроме того, такие устройства пригодны для получения расплавленных пневматических смесей добавлением образующегося, скрытого или потенциального газа, который выделяется при характеристической температуре, или который возникает в результате экзотермической или эндотермической химической реакции при характеристической температуре. Критическая температура образующегося, скрытого или потенциального газа представляет собой температуру, при которой протекает реакция, или газ выделяется в термопластичный полимер. Все такие материалы и способы хорошо понятны, и устройства для смешения в расплаве с различными конструкциями общедоступны в промышленном исполнении для этой цели. Традиционно применяемые устройства для смешения в расплаве представляют собой одношнековые или двухшнековые экструдеры, модифицированные имеющими напорную камеру под давлением на дальнем конце шнека для приема заданного количества, или «впрыскиваемого материала», расплавленной пневматической смеси, которая проходит во время смешения в результате работы шнека, чтобы стимулировать продвижение расплавленной пневматической смеси в сторону напорной камеры.[ 0003 ] Thus, a number of non-traditional methods for introducing gas into thermoplastic polymers to form such foamed articles have been developed in the industry. To form an article from a foamed thermoplastic material using gas, according to commercial standards and industrial practice, a melt mixing device is used, which operates by maintaining pressure to limit the expansion of the gas within the device, while mixing the gas or a gas source with the thermoplastic polymer in the melt, furthermore, at a temperature above the melting point of the thermoplastic polymer. Such methods and devices are designed to minimize the formation of gas-filled voids (pneumatoceles, pneumoceles), or gas pockets that would otherwise be formed by the expansion of gas in the molten thermoplastic polymer. Thus, when contained within and positioned within a melt mixing device, the thermoplastic polymer may include a gas source or the gas itself, dissolved or dispersed therein, while not including pneumoceles or substantially not including pneumoceles. A mixture of a molten thermoplastic polymer and a gas at or above a temperature that would cause air voids to form at atmospheric pressure, but that does not contain air voids or is substantially free of air voids, may be called a molten pneumatic mixture. The temperature at which a gas, or pneumatogen, would cause air voids to form in a molten pneumatic mixture at atmospheric pressure may be called the critical temperature. Melt mixing devices, commonly known in the art, are thus designed and adapted for creating and metering molten pneumatic mixtures. Such devices are also suitable for producing molten pneumatic mixtures by adding a nascent, latent, or potential gas that is released at a characteristic temperature, or that results from an exothermic or endothermic chemical reaction at a characteristic temperature. The critical temperature of a nascent, latent, or potential gas is the temperature at which the reaction occurs or the gas is released into the thermoplastic polymer. All such materials and methods are well understood, and melt-mixing devices of various designs are readily available in industrial designs for this purpose. Traditionally used melt-mixing devices are single- or twin-screw extruders, modified to include a pressurized pressure chamber at the far end of the screw to receive a predetermined amount, or "injection material," of molten pneumatic mixture, which is expelled during mixing by the screw. This stimulates the movement of the molten pneumatic mixture toward the pressure chamber.
[0004] По мере накопления заданного количества или впрыскиваемого материала в напорной камере расплавленную пневматическую смесь дозируют из устройства для смешения в расплаве и направляют через сообщающиеся по текучей среде трубопроводы, трубы, и т.д., в полость пресс-формы, с получением тем самым желательной формы. Как правило, дозирование проводят для максимизации степени вспенивания (формирования пневмополостей), которое происходит в полости пресс-формы вследствие снижения давления, тогда как термопластичный полимер является все еще расплавленным. Затем вспученную пену в полости охлаждают с образованием вспененного изделия. Вспененные детали, сформованные с использованием этой методологии, называются в технологии образованными литьем под давлением пеноматериалами. Как правило, эти способы ограничены рамками изготовлениия деталей, имеющих толщины около 2 см или менее.[ 0004 ] As a predetermined amount or injection material accumulates in the pressure chamber, the molten pneumatic mixture is metered from a melt mixing device and directed through fluidly communicating conduits, pipes, etc., into the mold cavity, thereby producing the desired shape. Typically, the metering is performed to maximize the degree of foaming (formation of air voids) that occurs in the mold cavity due to the reduction in pressure while the thermoplastic polymer is still molten. The expanded foam in the cavity is then cooled to form a foamed article. Foamed parts formed using this methodology are referred to in the industry as injection molded foams. These methods are generally limited to producing parts having thicknesses of approximately 2 cm or less.
[0005] Способы литья под давлением, в которых используют источники пневматогенов для создания вспененной структуры в формованных деталях, могут быть поняты из недавней обзорной журнальной статьи авторов Bociaga и др., «The influence of foaming agent addition, talc filler content, and injection velocity on selected properties, surface state, and structure of polypropylene injection molded parts» («Влияние добавления пенообразователя, содержания талька как наполнителя и скорости впрыска на выбранные свойства, состояние поверхности и структуру полипропиленовых образованных литьем под давлением деталей»), Cellular Polymers, 2020, том 39 (вып. 1), стр. 3-30. В этой публикации технологические условия, обычно применяемые для формования стандартных образованных литьем под давлением образцов для ISO-испытаний на растяжение с толщиной 4,1 мм, систематически изменяли для создания 16 различных комбинаций технологических настроек и переменных составов (концентрации источника пневматогена, содержания наполнителя, скорости впрыска, длительности выдерживания и давления при выдерживании). Авторы описывают, что регулирование технологических условий и составов приводит к некоторым изменениям структуры пены в полученных вспененных деталях, но все различные полученные детали имели «кожный слой», каковым термином в технологии описывают плотную характеристическую область вблизи поверхности образованного литьем под давлением вспененного изделия, которая не содержит или по существу не включает пневмополости.[ 0005 ] Injection molding processes that utilize pneumatogen sources to create a foamed structure in molded parts can be understood from a recent review journal article by Bociaga et al., “The influence of foaming agent addition, talc filler content, and injection velocity on selected properties, surface state, and structure of polypropylene injection molded parts,” Cellular Polymers , 2020, Vol. 39 (Issue 1), pp. 3-30. In this publication, process conditions typically used for molding standard 4.1 mm thick ISO tensile test specimens by injection molding were systematically varied to create 16 different combinations of process settings and compositional variables (pneumatogen source concentration, filler content, injection rate, hold time, and hold pressure). The authors describe that adjusting the process conditions and compositions resulted in some changes in the foam structure of the resulting foamed parts, but all the different parts produced had a "skin layer," a term used in the industry to describe a dense, characteristic region near the surface of an injection molded foamed article that does not contain or is substantially free of air voids.
[0006] Исследование поверхности образованного литьем под давлением вспененного изделия и области, протяженной на расстояние около 500 микрон (мкм) ниже поверхности в любом направлении, показывает непрерывную термопластичную зону - то есть, область, которая не содержит или по существу не включает пневмополости. Вспененные детали, образованные литьем под давлением в соответствии с традиционными способами литья под давлением, включают кожный слой как признак. Кроме того, кожный слой в большинстве таких деталей является значительно более толстым, чем 500 мкм, и может составлять 1 мм, 2 мм, 3 мм, или быть даже толще, в зависимости от используемых способов, оборудования и материалов.[ 0006 ] Examination of the surface of an injection-molded foam part and a region extending approximately 500 microns (µm) below the surface in any direction reveals a continuous thermoplastic zone—that is, a region that does not contain or is substantially free of air voids. Foamed parts formed by injection molding using traditional injection molding methods include a skin layer as a feature. Furthermore, the skin layer in most such parts is significantly thicker than 500 µm and can be 1 mm, 2 mm, 3 mm, or even thicker, depending on the methods, equipment, and materials used.
[0007] Чтобы изготовить крупные вспененные детали (например, такие как поддоны или корпуса тачек), вышеуказанные стандартные способы непригодны, так как полости крупных пресс-форм обусловливают чрезмерное падение давления, когда расплавленная пневматическая смесь поступает и расширяется во время заполнения пресс-формы, и пневмополости могут возникать, но затем сливаться или протекать из потока вязкого полимера во время заполнения. Таким образом, в некоторых случаях одновременно применяют формование «структурированной пены» из множества сопел для быстрого заполнения крупных или толстых полостей пресс-форм. В других ситуациях внутри полости пресс-формы может быть приложено значительное противодавление для предотвращения образования пневмополостей во время заполнения; сбрасывание давления после заполнения пресс-формы, обеспечивая возможность формирования пневмополостей по существу внутри полости пресс-формы. Оба подхода часто применяют в едином процессе.[ 0007 ] For the production of large foamed parts (such as pallets or wheelbarrow bodies), the above standard methods are unsuitable because the cavities of large molds experience excessive pressure drop as the molten air mixture enters and expands during mold filling, and air voids may form but then merge or leak from the viscous polymer flow during filling. Thus, in some cases, multiple-nozzle "structured foam" molding is used simultaneously to quickly fill large or thick mold cavities. In other situations, significant back pressure may be applied within the mold cavity to prevent air void formation during filling; the pressure may be released after the mold is filled, allowing air voids to form substantially within the mold cavity. Both approaches are often used in a single process.
[0008] Однако вышеуказанные способы формования структурированной пены не разрешают проблему, которая весьма серьезно препятствовала разработке промышленного производства очень крупных деталей. Совершенно понятно, что области вблизи поверхности расплавленной массы будут охлаждаться гораздо быстрее, чем ее внутренность, и при охлаждении внутри массы развивается температурный градиент. Скорость охлаждения в самых глубоких местах внутри массы оказывается самой медленной. В отношении крупных полостей пресс-форм, заполняемых массой расплавленного полимера или пневматической смеси, внутренняя область массы может охлаждаться так медленно, что течение вязкого термопластичного материала обусловливает слияние возникших пневмополостей, образование крупных не содержащих полимер карманов и нарушение заданной непрерывной полимерной матрицы, образующей такие пены. Этот эффект может быть усугублен усадкой полимера в объеме, когда он охлаждается до температуры ниже температуры перехода его в расплавленное состояние. Для крупных вспененных деталей этот эффект может даже приводить к полному разрушению структуры пены внутри детали.[ 0008 ] However, the above methods for forming structured foam do not solve a problem that has seriously hampered the development of industrial production of very large parts. It is clear that the areas near the surface of the molten mass will cool much faster than its interior, and during cooling, a temperature gradient develops within the mass. The cooling rate in the deepest parts of the mass is the slowest. For large cavities of molds filled with a mass of molten polymer or pneumatic mixture, the interior of the mass can cool so slowly that the flow of the viscous thermoplastic material causes the resulting pneumatic cavities to coalesce, forming large polymer-free pockets and disrupting the desired continuous polymer matrix that forms such foams. This effect can be aggravated by shrinkage of the polymer in volume when it cools to a temperature below its transition temperature to the molten state. For large foamed parts, this effect can even lead to the complete destruction of the foam structure inside the part.
[0009] Совокупное снижение прочности и плотности, связанное со вспененными изделиями, не происходит без непрерывной полимерной матрицы на всем протяжении детали. Вспененные детали, имеющие крупные не содержащие полимер области или полости, ухудшают структурную целостность детали, что делает такие детали непригодными для предполагаемого их использования. Эти серьезные технические проблемы ограничивали промышленное применение полимерных пен в отношении многих весьма полезных в ином случае благоприятных вариантов применения. Соответственно этому, в настоящее время существует настоятельная потребность в создании улучшенных способов получения вспененных изделий, в частности, крупных или толстых вспененных изделий. В настоящее время существует настоятельная потребность в получении деталей, имеющих непрерывную структуру пены на всем их протяжении. Существует особенная потребность в получении деталей, имеющих толщину более 2 см, и имеющих непрерывную структуру пены на всем их протяжении. В настоящее время в промышленности существует нужда в удовлетворении таких потребностей с использованием стандартных устройств и материалов.[ 0009 ] The overall reduction in strength and density associated with foamed articles does not occur without a continuous polymer matrix throughout the entire length of the article. Foamed articles that contain large polymer-free regions or voids degrade the structural integrity of the article, rendering such articles unsuitable for their intended use. These serious technical problems have limited the industrial use of polymer foams for many otherwise highly desirable applications. Accordingly, there is currently a pressing need to develop improved methods for producing foamed articles, particularly large or thick foamed articles. There is currently a pressing need to produce articles that have a continuous foam structure throughout their entire length. There is a particular need to produce articles that are greater than 2 cm thick and that have a continuous foam structure throughout their entire length. There is currently a need in industry to meet such needs using standard devices and materials.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯESSENCE OF THE INVENTION
[0010] Здесь описан способ получения расплавленной полимерной пены. Способ включает: добавление термопластичного полимера и источника пневматогена в экструдер; нагревание и смешение термопластичного полимера и источника пневматогена в экструдере под давлением с образованием расплавленной пневматической смеси, причем температура расплавленной пневматической смеси превышает критическую температуру источника пневматогена; накопление количества расплавленной пневматической смеси в сборной зоне экструдера; создание объемного расширения в сборной зоне для обеспечения падения давления в сборной зоне; обеспечение возможности истечения периода времени расширения после создания; и дозирование расплавленной полимерной пены из сборной зоны. В вариантах исполнения объем расширения выбирают составляющим между 10% и 300% общего предполагаемого объема расплавленной пены в сборной зоне. В вариантах исполнения период расширения составляет между 5 секундами и 600 секундами. В вариантах исполнения расплавленную пневматическую смесь оставляют непотревоженной или по существу непотревоженной на протяжении периода расширения.[ 0010 ] A method for producing molten polymer foam is described herein. The method comprises: adding a thermoplastic polymer and a pneumatogen source to an extruder; heating and mixing the thermoplastic polymer and the pneumatogen source in the extruder under pressure to form a molten pneumatic mixture, wherein the temperature of the molten pneumatic mixture exceeds the critical temperature of the pneumatogen source; accumulating a quantity of molten pneumatic mixture in a collection zone of the extruder; creating a volumetric expansion in the collection zone to provide a pressure drop in the collection zone; allowing a period of time of expansion to expire after creation; and dosing molten polymer foam from the collection zone. In embodiments, the expansion volume is selected to be between 10% and 300% of the total expected volume of molten foam in the collection zone. In embodiments, the expansion period is between 5 seconds and 600 seconds. In embodiments, the molten pneumatic mixture is left undisturbed or substantially undisturbed during the expansion period.
[0011] В вариантах исполнения дозирование представляет собой распределение в формующий элемент; в некоторых вариантах исполнения формующий элемент представляет собой пресс-форму. В вариантах исполнения существует сообщение по текучей среде между экструдером и пресс-формой. В вариантах исполнения дозирование представляет собой свободное течение расплавленной полимерной пены. В вариантах исполнения дозирование представляет собой линейное течение расплавленной полимерной пены.[ 0011 ] In embodiments, the dosing is distribution into a forming element; in some embodiments, the forming element is a mold. In embodiments, there is fluid communication between the extruder and the mold. In embodiments, the dosing is a free flow of molten polymer foam. In embodiments, the dosing is a linear flow of molten polymer foam.
[0012] В вариантах исполнения способ дополнительно включает охлаждение дозированной расплавленной полимерной пены до температуры ниже температуры перехода термопластичного полимера в расплавленное состояние. В вариантах исполнения в экструдер вводят один или более дополнительные материалы, причем один или более дополнительные материалы выбирают из окрашивающих веществ, стабилизаторов, осветлителей, зародышеобразователей, волокон, дисперсных материалов и наполнителей. В вариантах исполнения источник пневматогена представляет собой пневматоген, и добавление представляет собой введение под давлением. В других вариантах исполнения источник пневматогена включает бикарбонат, поликарбоновую кислоту или ее соль или сложный эфир, или их смесь.[ 0012 ] In embodiments, the method further comprises cooling the dosed molten polymer foam to a temperature below the transition temperature of the thermoplastic polymer into the molten state. In embodiments, one or more additional materials are introduced into the extruder, wherein the one or more additional materials are selected from colorants, stabilizers, clarifiers, nucleating agents, fibers, dispersed materials and fillers. In embodiments, the pneumatogen source is a pneumatogen, and the addition is injection under pressure. In other embodiments, the pneumatogen source includes bicarbonate, a polycarboxylic acid or its salt or ester, or a mixture thereof.
[0013] Также здесь раскрыто изделие из полимерной пены, выполненное с использованием описываемых здесь способов, материалов и устройств. В вариантах исполнения изделие из полимерной пены имеет структуру пены на всем его протяжении, характеризуемую как непрерывная полимерная матрица, образующая множество пневмополостей в ней. В вариантах исполнения поверхностная область изделия из полимерной пены включает пневмополости. В вариантах исполнения поверхностная область представляет собой область, протяженную на 500 микрон (мкм) от поверхности изделия.[ 0013 ] Also disclosed herein is a polymer foam article made using the methods, materials, and devices described herein. In embodiments, the polymer foam article has a foam structure throughout its entire length, characterized as a continuous polymer matrix that forms a plurality of air cavities therein. In embodiments, the surface region of the polymer foam article includes air cavities. In embodiments, the surface region is an area extending 500 microns (μm) from the surface of the article.
[0014] Здесь также раскрыты изделия из вспененного термопластичного полимера, причем изделие имеет структуру пены на всем его протяжении, которая представляет собой непрерывную полимерную матрицу, образующую множество пневмополостей в ней, кроме того, причем поверхностная область изделия включает сжатые пневмополости. В некоторых вариантах исполнения поверхностная область представляет собой область изделия, протяженную на 500 микрон (мкм) от его поверхности. В некоторых вариантах исполнения изделие включает сжатые пневмополости более чем в 500 микронах (мкм) от его поверхности. В вариантах исполнения изделие из полимерной пены имеет толщину более 2 см; в других вариантах исполнения изделие из полимерной пены имеет объем более 1000 см3, от 1000 см3 до 5000 см3, или даже свыше 5000 см3; и в еще других вариантах исполнения изделие из полимерной пены имеет объем более 1000 см3 и толщину более 2 см, объем между 1000 см3 и 5000 см3, и толщину более 2 см, или объем более 5000 см3 и толщину свыше 2 см.[ 0014 ] Also disclosed here are articles made of foamed thermoplastic polymer, wherein the article has a foam structure throughout its length, which is a continuous polymer matrix that forms a plurality of air cavities therein, furthermore, wherein a surface region of the article includes compressed air cavities. In some embodiments, the surface region is an area of the article that extends 500 microns (μm) from its surface. In some embodiments, the article includes compressed air cavities more than 500 microns (μm) from its surface. In embodiments, the article made of polymer foam has a thickness of more than 2 cm; in other embodiments, the article made of polymer foam has a volume of more than 1000 cm 3 , from 1000 cm 3 to 5000 cm 3 , or even over 5000 cm 3 ; and in still other embodiments, the polymer foam product has a volume greater than 1000 cm3 and a thickness greater than 2 cm, a volume between 1000 cm3 and 5000 cm3 and a thickness greater than 2 cm, or a volume greater than 5000 cm3 and a thickness greater than 2 cm.
[0015] В вариантах исполнения материалы, используемые для получения изделий из полимерной пены, не являются конкретно ограниченными, и включают термопластичные полимеры, выбранные из полиолефинов, полиамидов, полиимидов, сложных полиэфиров, поликарбонатов, полимолочных кислот, акрилонитрил-бутадиен-стирольных сополимеров, полистиролов, полиуретанов, поливинилхлоридов, сополимеров тетрафторэтилена, простых полиэфирсульфонов, полиацеталей, полиарамидов, полифениленоксидов, полибутиленов, полибутадиенов, полиакрилатов и полиметакрилатов, иономерных полимеров, блок-сополимеров простых полиэфиров и амидов, простых полиарилэфиркетонов, полисульфонов, полифениленсульфидов, полиамид-имидных сополимеров, полибутиленсукцинатов, целлюлозных материалов, полисахаридов, и их сополимеров, сплавов, компаундов и смесей. В некоторых вариантах исполнения термопластичный полимер представляет собой поток смешанных пластмассовых отходов. Непрерывная полимерная матрица необязательно дополнительно включает один или более дополнительные материалы, выбранные из окрашивающих веществ, стабилизаторов, осветлителей, зародышеобразователей, волокон, дисперсных материалов и наполнителей.[ 0015 ] In embodiments, materials used to produce polymer foam articles are not particularly limited and include thermoplastic polymers selected from polyolefins, polyamides, polyimides, polyesters, polycarbonates, polylactic acids, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers, polystyrenes, polyurethanes, polyvinyl chlorides, tetrafluoroethylene copolymers, polyether sulfones, polyacetals, polyaramids, polyphenylene oxides, polybutylenes, polybutadienes, polyacrylates and polymethacrylates, ionomeric polymers, block copolymers of polyethers and amides, polyarylether ketones, polysulfones, polyphenylene sulfides, polyamide-imide copolymers, polybutylene succinates, cellulosic materials, polysaccharides, and their copolymers, alloys, compounds and blends. In some embodiments, the thermoplastic polymer is a stream of mixed plastic waste. The continuous polymer matrix optionally further includes one or more additional materials selected from colorants, stabilizers, brighteners, nucleating agents, fibers, dispersed materials, and fillers.
[0016] Другие цели и признаки будут отчасти очевидными, и отчасти особо отмеченными далее.[ 0016 ] Other purposes and characteristics will be partly obvious and partly specially noted below.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
[0017] ФИГ. 1А-1В иллюстрируют устройство для смешения в расплаве, пригодное для исполнения описываемых здесь способов.[ 0017 ] FIGS. 1A-1B illustrate a melt mixing apparatus suitable for performing the methods described herein.
[0018] ФИГ. 2-1 представляет фотографическое изображение детали, сформованной согласно стандартному способу формования пены, как описано в Примере 1. ФИГ. 2-2 представляет фотографическое изображение детали, сформованной согласно способу инжекционного формования расплавленной пены (MFIM), как описано в Примере 1. ФИГ. 2-3 и 2-5 представляют фотографические изображения фрагмента, вырезанного из детали, сформованной согласно стандартному способу формования пены, как описано в Примере 1. ФИГ. 2-2 и 2-3 представляют фотографические изображения фрагмента, вырезанного из детали, сформованной согласно MFIM-способу, как описано в Примере 1.[ 0018 ] FIG. 2-1 is a photographic image of a part molded according to a standard foam molding method as described in Example 1. FIG. 2-2 is a photographic image of a part molded according to a molten foam injection molding (MFIM) method as described in Example 1. FIGS. 2-3 and 2-5 are photographic images of a section cut from a part molded according to a standard foam molding method as described in Example 1. FIGS. 2-2 and 2-3 are photographic images of a section cut from a part molded according to the MFIM method as described in Example 1.
[0019] ФИГ. 3А представляет фотографическое изображение поперечного сечения Детали А, полученной согласно стандартному способу формования пены и разрезанной на два фрагмента для обнажения поперечного сечения, как описано в Примере 2. ФИГ. 3В представляет фотографическое изображение поперечного сечения Детали В, полученной согласно MFIM-способу, и разрезанной на два фрагмента для обнажения поперечного сечения, как описано в Примере 2.[ 0019 ] FIG. 3A is a photographic image of a cross-section of Part A produced according to a standard foam molding method and cut into two pieces to expose the cross-section as described in Example 2. FIG. 3B is a photographic image of a cross-section of Part B produced according to the MFIM method and cut into two pieces to expose the cross-section as described in Example 2.
[0020] ФИГ. 4А представляет фотографическое изображение поперечного сечения Детали С, полученной согласно MFIM-способу и разрезанной на два фрагмента для обнажения поперечного сечения, как описано в Примере 2. ФИГ. 4В представляет фотографическое изображение поперечного сечения Детали D, полученной согласно стандартному способу формования пены, и разрезанной на два фрагмента для обнажения поперечного сечения, как описано в Примере 2.[ 0020 ] FIG. 4A is a photographic image of a cross-section of Part C produced according to the MFIM method and cut into two pieces to expose the cross-section as described in Example 2. FIG. 4B is a photographic image of a cross-section of Part D produced according to the standard foam molding method and cut into two pieces to expose the cross-section as described in Example 2.
[0021] ФИГ. 5 представляет график, включающий кривые зависимости плотности детали от объема декомпрессии для различных продолжительностей декомпрессии для Испытания В, как описано в Примере 3.[ 0021 ] FIG. 5 is a graph including curves of part density versus decompression volume for various decompression durations for Test B, as described in Example 3.
[0022] ФИГ. 6 представляет график, включающий кривые зависимости деформации от времени для деталей, полученных в Испытаниях А, В и С, как описано в Примере 4.[ 0022 ] FIG. 6 is a graph including the strain-time curves for the parts obtained in Tests A, B, and C, as described in Example 4.
[0023] ФИГ. 7 представляет фотографические изображения видов в различных аспектах Деталей А, В и С, как описано в Примере 4.[ 0023 ] FIG. 7 shows photographic images of views in various aspects of Parts A, B and C, as described in Example 4.
[0024] ФИГ. 8 представляет фотографические изображения видов поперечных сечений Детали А’, В’, С’и D’, как описано в Примере 4.[ 0024 ] FIG. 8 is a photographic representation of cross-sectional views of Parts A', B', C' and D' as described in Example 4.
[0025] ФИГ. 9 представляет изображение двух деталей, как описано в Примере 5.[ 0025 ] FIG. 9 is an illustration of two parts as described in Example 5.
[0026] ФИГ. 10 представляет изометрическое изображение, полученное томографическим сканированием первой детали, сформованной согласно MFIM-способу, как описано в Примере 6.[ 0026 ] FIG. 10 is an isometric image obtained by tomographic scanning of a first part formed according to the MFIM method as described in Example 6.
[0027] ФИГ. 11 представляет изображение плоскости поперечного сечения, показанного в ФИГ. 10, как описано в Примере 6.[ 0027 ] FIG. 11 is an illustration of the cross-sectional plane shown in FIG. 10, as described in Example 6.
[0028] ФИГ. 12 представляет график, включающий кривые среднего размера ячеек и числа ячеек сравнительно с округлостью ячеек для первой детали, полученной, как описано в Примере 6.[ 0028 ] FIG. 12 is a graph including curves of average cell size and cell number versus cell roundness for the first part produced as described in Example 6.
[0029] ФИГ. 13 представляет диаграмму рентгеновского томографического изображения поперечного сечения второй (сферической) детали, как описано в Примере 6.[ 0029 ] FIG. 13 is a diagram of an X-ray tomographic image of a cross-section of the second (spherical) part, as described in Example 6.
[0030] ФИГ. 14 представляет график, включающий кривые среднего размера ячеек и числа ячеек сравнительно с округлостью ячеек для второй (сферической) детали, полученной, как описано в Примере 6.[ 0030 ] FIG. 14 is a graph including curves of average cell size and cell number versus cell roundness for a second (spherical) part produced as described in Example 6.
[0031] ФИГ. 15 представляет микрофотографию поверхности излома расколотой композитной сферы с трехдюймовым (7,62 мм) диаметром, полученной MFIM-способом, как описано в Примере 7.[ 0031 ] FIG. 15 is a micrograph of the fracture surface of a cleaved three-inch (7.62 mm) diameter composite sphere produced by the MFIM method as described in Example 7.
[0032] ФИГ. 16 представляет микрофотографическое изображение поверхности излома расколотой композитной сферы с трехдюймовым (7,62 мм) диаметром, полученной MFIM-способом, как описано в Примере 7.[ 0032 ] FIG. 16 is a photomicrograph of the fracture surface of a cleaved three-inch (7.62 mm) diameter composite sphere produced by the MFIM method as described in Example 7.
[0033] ФИГ. 17 представляет микрофотографию поверхности излома расколотой композитной сферы с трехдюймовым (7,62 мм) диаметром, полученной MFIM-способом, как описано в Примере 7.[ 0033 ] FIG. 17 is a micrograph of the fracture surface of a cleaved three-inch (7.62 mm) diameter composite sphere produced by the MFIM method as described in Example 7.
[0034] ФИГ. 18 представляет микрофотографическое изображение поверхности излома расколотой композитной сферы с трехдюймовым (7,62 мм) диаметром, полученной MFIM-способом, как описано в Примере 7.[ 0034 ] FIG. 18 is a photomicrograph of the fracture surface of a cleaved three-inch (7.62 mm) diameter composite sphere produced by the MFIM method as described in Example 7.
[0035] ФИГ. 19 показывает микрофотографические изображения поперечных сечений образцов для ISO-испытаний на растяжение, полученных согласно стандартному способу формования пены в экспериментах 10, 11, 14 и 15, как описано в Примере 8.[ 0035 ] FIG. 19 shows micrographs of cross-sections of ISO tensile test specimens prepared according to the standard foam molding method in Experiments 10, 11, 14, and 15, as described in Example 8.
[0036] ФИГ. 20 показывает микрофотографические изображения поперечных сечений частей образцов для ISO-испытаний на растяжение, полученных MFIM-способом в экспериментах 9, 10, 15 и 16, как описано в Примере 8.[ 0036 ] FIG. 20 shows micrographs of cross-sections of portions of ISO tensile test specimens obtained by the MFIM method in Experiments 9, 10, 15, and 16, as described in Example 8.
[0037] ФИГ. 21 показывает микрофотографические изображения поперечного сечения части образца для ISO-испытаний на растяжение, полученного MFIM-способом в Эксперименте 9, и кривые зависимости «напряжение-деформация» в повторно полученных MFIM-способом деталях в Эксперименте 9, как описано в Примере 8.[ 0037 ] FIG. 21 shows micrographs of a cross-section of a portion of the ISO tensile test specimen produced by the MFIM method in Experiment 9 and stress-strain curves in the re-produced MFIM parts in Experiment 9, as described in Example 8.
[0038] ФИГ. 22 включает микрофотографию поперечного сечения части образца для ISO-испытаний на растяжение, полученного стандартным способом формования пены в Эксперименте 10, и кривые зависимости «напряжение-деформация» в повторно полученных MFIM-способом деталях в Эксперименте 10, как описано в Примере 8.[ 0038 ] FIG. 22 includes a micrograph of a cross-section of a portion of an ISO tensile test specimen produced by the standard foam molding method in Experiment 10 and stress-strain curves in re-produced MFIM parts in Experiment 10, as described in Example 8.
[0039] ФИГ. 23 включает два полученных рентгеновской томографией изображения части образца для ISO-испытаний на растяжение, сформированного стандартным способом формования пены в Эксперименте 15, как описано в Примере 8.[ 0039 ] FIG. 23 includes two X-ray tomographic images of a portion of an ISO tensile test specimen formed by the standard foam forming method in Experiment 15, as described in Example 8.
[0040] ФИГ. 24 включает два полученных рентгеновской томографией изображения части образца для ISO-испытаний на растяжение, сформированного MFIM-способом в Эксперименте 9, как описано в Примере 8.[ 0040 ] FIG. 24 includes two X-ray tomography images of a portion of the ISO tensile test specimen formed by the MFIM method in Experiment 9, as described in Example 8.
[0041] ФИГ. 25 представляет полученное рентгеновским сканированием изображение части большого образца для испытаний на растяжение, сформированного MFIM-способом, как описано в Примере 9.[ 0041 ] FIG. 25 is an X-ray scan image of a portion of a large tensile test specimen formed by the MFIM method as described in Example 9.
[0042] ФИГ. 26 включает виды поперечных сечений восьми больших образцов для растяжения, сформированных MFIM-способом, как описано в Примере 9.[ 0042 ] FIG. 26 includes cross-sectional views of eight large tensile specimens formed by the MFIM method as described in Example 9.
[0043] ФИГ. 27 включает полученное рентгеновской томографией изображение части большого образца для испытаний на растяжение, сформированного MFIM-способом, как описано в Примере 9.[ 0043 ] FIG. 27 includes an X-ray tomographic image of a portion of a large tensile test specimen formed by the MFIM method as described in Example 9.
[0044] ФИГ. 28 включает серию полученных рентгеновской томографией изображений на различных глубинах внутри части образца для испытаний на растяжение, сформированного MFIM-способом, и серию изображений на различных глубинах внутри части образца для испытаний на растяжение, полученного стандартным способом формования пены, как описано в Примере 10.[ 0044 ] FIG. 28 includes a series of X-ray tomography images at various depths within a portion of a tensile test specimen formed by the MFIM method and a series of images at various depths within a portion of a tensile test specimen formed by the standard foam molding method as described in Example 10.
[0045] ФИГ. 29 представляет график, включающий кривую числа ячеек в зависимости от глубины для части образца для испытаний на растяжение, сформированного MFIM-способом, и кривую числа ячеек в зависимости от глубины для части образца для испытаний на растяжение, полученного стандартным способом формования пены, как описано в Примере 10.[ 0045 ] FIG. 29 is a graph including a cell number versus depth curve for a portion of a tensile test specimen formed by the MFIM method and a cell number versus depth curve for a portion of a tensile test specimen produced by the standard foam molding method, as described in Example 10.
[0046] ФИГ. 30 представляет график, включающий кривую округлости ячеек в зависимости от глубины для части образца для испытаний на растяжение, сформированного MFIM-способом, и кривую округлости ячеек в зависимости от глубины для части образца для испытаний на растяжение, полученного стандартным способом формования пены, как описано в Примере 10.[ 0046 ] FIG. 30 is a graph including a cell circularity versus depth curve for a portion of a tensile test specimen formed by the MFIM method and a cell circularity versus depth curve for a portion of a tensile test specimen produced by the standard foam molding method, as described in Example 10.
[0047] ФИГ. 31 представляет график, включающий кривую размера ячеек в зависимости от глубины для части образца для испытаний на растяжение, сформированного MFIM-способом, и кривую размера ячеек в зависимости от глубины для части образца для испытаний на растяжение, полученного стандартным способом формования пены, как описано в Примере 10.[ 0047 ] FIG. 31 is a graph including a cell size versus depth curve for a portion of a tensile test specimen formed by the MFIM method and a cell size versus depth curve for a portion of a tensile test specimen formed by the standard foam molding method, as described in Example 10.
[0048] ФИГ. 32 представляет фотографию Образца 20, полученного обратным MFIM-способом, как описано в Примере 12.[ 0048 ] FIG. 32 is a photograph of Sample 20 obtained by the inverse MFIM method as described in Example 12.
[0049] ФИГ. 32 представляет фотографию Образца 20, полученного обратным MFIM-способом, как описано в Примере 12.[ 0049 ] FIG. 32 is a photograph of Sample 20 obtained by the inverse MFIM method as described in Example 12.
[0050] ФИГ. 33 представляет фотографию Образца 10, полученного MFIM-способом, как описано в Примере 12.[ 0050 ] FIG. 33 is a photograph of Sample 10 obtained by the MFIM method as described in Example 12.
[0051] ФИГ. 34 представляет фотографию, показывающую поперечное сечение Образца 20, полученного обратным MFIM-способом, как описано в Примере 12.[ 0051 ] FIG. 34 is a photograph showing a cross-section of Sample 20 produced by the inverse MFIM method as described in Example 12.
[0052] ФИГ. 35 представляет фотографию, показывающую поперечное сечение Образца 10, полученного MFIM-способом, как описано в Примере 12.[ 0052 ] FIG. 35 is a photograph showing a cross-section of Sample 10 produced by the MFIM method as described in Example 12.
[0053] ФИГ. 36 представляет график числа ячеек в зависимости от глубины (дистанции от поверхности) для Образца 10 (MFIM) и Образца 20 (обратный MFIM), как описано в Примере 12.[ 0053 ] FIG. 36 is a graph of cell number versus depth (distance from surface) for Sample 10 (MFIM) and Sample 20 (inverse MFIM), as described in Example 12.
[0054] ФИГ. 37 представляет кривую размера ячеек в зависимости от глубины (дистанции от поверхности) для Образца 10 (MFIM) и Образца 20 (обратный MFIM), как описано в Примере 12.[ 0054 ] FIG. 37 is a plot of cell size versus depth (distance from surface) for Sample 10 (MFIM) and Sample 20 (inverse MFIM), as described in Example 12.
[0055] ФИГ. 38 представляет график, включающий кривую среднего напряжения в зависимости от деформации для Образца 10 (MFIM) и кривую для Образца 20 (обратный MFIM) по измерениям модуля объемной деформации, как описано в Примере 12.[ 0055 ] FIG. 38 is a graph including the average stress versus strain curve for Sample 10 (MFIM) and the curve for Sample 20 (inverse MFIM) based on bulk modulus measurements as described in Example 12.
[0056] ФИГ. 39 представляет график, включающий кривую среднего напряжения в зависимости от деформации для Образца 10 (MFIM) и кривую для Образца 20 (обратный MFIM) по измерениям модуля изгиба, как описано в Примере 12.[ 0056 ] FIG. 39 is a graph including the average stress versus strain curve for Sample 10 (MFIM) and the curve for Sample 20 (inverse MFIM) based on flexural modulus measurements as described in Example 12.
[0057] ФИГ. 40 представляет график кривых «напряжение-деформация» из измерений модуля объемной деформации, полученный на трех материалах из металлоценового полиэтилена (mPE) с различными плотностями, и сформированных MFIM-способами, как описано в Примере 14.[ 0057 ] FIG. 40 is a graph of stress-strain curves from bulk modulus measurements obtained on three metallocene polyethylene (mPE) materials of different densities formed by MFIM methods as described in Example 14.
[0058] ФИГ. 41 иллюстрирует конфигурацию пресс-формы, применимой для исполнения описываемых здесь способов.[ 0058 ] FIG. 41 illustrates a mold configuration useful for performing the methods described herein.
[0059] Соответствующие кодовые обозначения позиций показывают соответствующие части на всем протяжении чертежей.[ 0059 ] Corresponding reference numbers indicate corresponding parts throughout the drawings.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0060] Хотя настоящее изобретение представляет ссылки на предпочтительные варианты осуществления, квалифицированным в этой области технологии специалистам будет понятно, что могут быть сделаны изменения в форме и в подробностях без выхода за пределы смысла и области изобретения. Различные варианты осуществления будут подробно описаны со ссылкой на чертежи, в которых сходные кодовые номера позиций представляют сходные части и сборные узлы на протяжении ряда видов. Ссылка на различные варианты осуществления не ограничивает область пунктов прилагаемой здесь формулы изобретения. Кроме того, любые примеры, изложенные в этом описании, не предполагаются быть ограниченными, и изложены только некоторые из многих возможных вариантов исполнения для пунктов прилагаемой формулы изобретения.[ 0060 ] Although the present invention makes reference to preferred embodiments, it will be understood by those skilled in the art that changes in form and detail may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Various embodiments will be described in detail with reference to the drawings, in which like reference numerals represent like parts and assemblies throughout the views. Reference to various embodiments does not limit the scope of the claims appended hereto. Furthermore, any examples set forth in this description are not intended to be limiting, and only some of the many possible embodiments for the claims appended hereto are set forth.
[0061] Если не оговорено иное, все использованные здесь технические и научные термины имеют такое же значение, каковое обыкновенно понимается специалистом с обычной квалификацией в этой области технологии. В случае противоречия будет главенствующим настоящий документ, в том числе определения. Ниже описаны предпочтительные способы и материалы, хотя на практике или при тестировании в настоящем изобретении могут быть применены способы и материалы, подобные или эквивалентные описываемым здесь. Все упомянутые здесь публикации, патентные заявки, патенты и прочие литературные источники включены ссылкой во всей их полноте. Раскрытые здесь материалы, способы и примеры являются только иллюстративными, и не предполагаются быть ограничивающими.[ 0061 ] Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. In case of conflict, the present document, including definitions, will control. Preferred methods and materials are described below, although methods and materials similar or equivalent to those described herein can be used in the practice or testing of the present invention. All publications, patent applications, patents, and other literature references mentioned herein are incorporated by reference in their entirety. The materials, methods, and examples disclosed herein are illustrative only and are not intended to be limiting.
[0062] Как применяемые здесь, «полимерная матрица», в том числе «непрерывная полимерная матрица», «матрица термопластичного полимера», «расплавленная полимерная матрица», и тому подобные термины, подразумевают сплошную/непрерывную твердую или расплавленную фазу термопластичного полимера или количество твердого термопластичного полимера, формирующего непрерывную фазу.[ 0062 ] As used herein, " polymer matrix ," including "continuous polymer matrix,""thermoplastic polymer matrix,""molten polymer matrix," and the like, means a continuous/continuous solid or molten phase of a thermoplastic polymer or a quantity of solid thermoplastic polymer forming a continuous phase.
[0063] Как используемая здесь, «расплавленная смесь» подразумевает расплавленный термопластичный полимер или смесь расплавленных термопластичных полимеров, необязательно включающие один или более дополнительные материалы, смешанные с расплавленным термопластичным полимером или его смесью.[ 0063 ] As used herein, " molten mixture " means a molten thermoplastic polymer or a mixture of molten thermoplastic polymers, optionally including one or more additional materials mixed with the molten thermoplastic polymer or mixture thereof.
[0064] Как применяемая здесь, «расплавленная пневматическая смесь» означает смесь термопластичного полимера и источника пневматогена, в которой полимер находится при температуре выше температуры его плавления, и температура смеси превышает критическую температуру источника пневматогена, кроме того, причем смесь характеризуется как не имеющая пневмополости или по существу не содержащая пневмополости. Расплавленная пневматическая смесь находится под давлением, достаточным для предотвращения образования пневмополостей, или по существу предотвращающим образование пневмополостей, или обусловливающим растворение или диспергирование источника пневматогена внутри термопластичного полимера либо в виде газа, или в виде сверхкритической жидкости. «По существу предотвращение образования пневмополостей», «по существу без пневмополостей», и подобные термины в отношении расплавленной пневматической смеси означают, что в то время, как условия давления могут быть использованы для предотвращения образования пневмополостей в расплавленной смеси, дефекты, изношенные детали, и тому подобные, в обрабатывающем оборудовании могут вызывать непреднамеренную потерю давления, которая в целом не помешает получению и поддерживанию расплавленной смеси при надлежащем давлении.[ 0064 ] As used herein, " molten pneumatic mixture " means a mixture of a thermoplastic polymer and a pneumatogen source in which the polymer is at a temperature above its melting point and the temperature of the mixture exceeds the critical temperature of the pneumatogen source, further characterized as being void-free or substantially void-free. The molten pneumatic mixture is under a pressure sufficient to prevent the formation of voids, or substantially prevent the formation of voids, or to cause the pneumatogen source to dissolve or disperse within the thermoplastic polymer either as a gas or as a supercritical fluid. "Substantially void-free,""substantiallyvoid-free," and similar terms in relation to a molten pneumatic mixture mean that while pressure conditions may be used to prevent the formation of voids in the molten mixture, defects, worn parts, and the like in the processing equipment may cause an unintended loss of pressure that will not generally interfere with the production and maintenance of the molten mixture at the proper pressure.
[0065] Как используемые здесь, «пена», «полимерная пена», «пена термопластичного полимера», «расплавленная пена», «расплавленная полимерная пена», и подобные термины в общем и целом имеют отношение к сплошной/непрерывной полимерной матрице, образующей множество пневмополостей в виде диспергированной в ней дисперсной фазы.[ 0065 ] As used herein, " foam ", "polymer foam", "thermoplastic polymer foam", "molten foam", "molten polymer foam", and similar terms generally refer to a continuous/uninterrupted polymer matrix forming a plurality of air voids as a dispersed phase dispersed therein.
[0066] Как применяемый здесь, термин «пневмополость (пневматоцеле)» означает дискретную полость, определенную и окруженную непрерывной матрицей термопластичного полимера.[ 0066 ] As used herein, the term " pneumatocele " means a discrete cavity defined by and surrounded by a continuous matrix of thermoplastic polymer.
[0067] Как используемый здесь, термин «пневматоген» подразумевает газообразное соединение, способное определять пневмополости внутри расплавленной матрицы термопластичного полимера.[ 0067 ] As used herein, the term " pneumatogen " means a gaseous compound capable of defining pneumatogenous voids within a molten thermoplastic polymer matrix.
[0068] Как применяемый здесь, термин «критическая температура» означает температуру, при которой источник пневматогена образует пневматоген при атмосферном давлении.[ 0068 ] As used herein, the term " critical temperature " means the temperature at which a pneumatogen source forms a pneumatogen at atmospheric pressure.
[0069] Как используемый здесь, термин «источник пневматогена» подразумевает скрытый, потенциальный или возникающий пневматоген, добавленный к термопластичной полимерной матрице или присутствующий внутри нее, такой как растворенный в матрице и/или наличествующий в ней как сверхкритическая жидкость; или в форме органического соединения, которое образует пневматоген в результате химической реакции; или их комбинацию; или же источник пневматогена представляет собой пневматоген, становится пневматогеном или образует пневматоген при критической температуре, характеристической для источника пневматогена.[ 0069 ] As used herein, the term " pneumatogen source " means a latent, potential, or emergent pneumatogen added to or present within a thermoplastic polymer matrix, such as dissolved in the matrix and/or present therein as a supercritical fluid; or in the form of an organic compound that forms a pneumatogen as a result of a chemical reaction; or a combination thereof; or the pneumatogen source is a pneumatogen, becomes a pneumatogen, or forms a pneumatogen at a critical temperature characteristic of the pneumatogen source.
[0070] Термины «включают», «включает», «заключают в себе» «заключает в себе», «имеющий», «имеет», «может», «содержат», «содержит», и их варианты, как применяемые здесь, предполагаются быть неограничивающими переходными выражениями, терминами или словами, которые не исключают возможности дополнительных действий или структур. Формы единственного числа «a», «and» и «the» включают ссылки на многочисленные объекты, если контекст четко не оговаривает иное. Настоящее изобретение также рассматривает другие варианты осуществления, «включающие», «состоящие из» и «по существу состоящие из», варианты осуществления или элементы, будь то представленные в нем в прямой форме или нет.[ 0070 ] The terms "include,""includes,""comprises,""has,""may,""contain,""contains," and variants thereof, as used herein, are intended to be open-ended transitional expressions, terms, or words that do not exclude the possibility of additional acts or structures. The singular forms "a,""and," and "the" include references to multiple entities unless the context clearly dictates otherwise. The present invention also contemplates other embodiments, "including,""consistingof," and "consisting essentially of," embodiments or elements, whether or not expressly set forth herein.
[0071] Как применяемый здесь, термин «необязательный» или «необязательно» означает, что описываемое за ним событие или обстоятельство может, но не обязательно должно произойти, и что описание включает примеры, где событие или обстоятельство происходит, и примеры, в которых это не имеет места.[ 0071 ] As used herein, the term "optional" or "optionally" means that the event or circumstance described by it may, but does not necessarily, occur, and that the description includes instances in which the event or circumstance occurs and instances in which it does not.
[0072] Как используемый здесь, термин «около» модифицирует, например, количество ингредиента в композиции, концентрацию, объем, технологическую температуру, продолжительность процесса, выход, величину расхода потока, давление, и тому подобные значения, и обозначает их диапазоны, будучи применяемым в описании вариантов осуществления изобретения, имеет отношение к вариации численного количества, которое может быть определено, например, обычным измерением и методиками обработки, применяемыми для получения соединений, композиций, концентратов, или использования композиций; обусловленный ошибкой вследствие невнимательности при исполнении этих методик; вследствие различий в изготовлении, источнике или чистоте исходных материалов или ингредиентов, применяемых для исполнения способов, и тому подобных непосредственных обстоятельств. Термин «около» также подразумевает количества, которые отличаются вследствие старения композиции от конкретной начальной концентрации или смеси, и количества, которые отличаются вследствие смешения или обработки композиции от конкретной начальной концентрации или смеси. Будучи модифицированными термином «около», пункты прилагаемой формулы изобретения включают эквиваленты таких количеств. Кроме того, там, где «около» используют для описания диапазона значений, например, «от около 1 до 5», перечисление означает «от 1 до 5», и «от около 1 до около 5», и «от 1 до около 5», и «от около 1 до 5», если только это конкретно не ограничено контекстом.[ 0072 ] As used herein, the term "about" modifies, for example, the amount of an ingredient in a composition, concentration, volume, process temperature, process time, yield, flow rate, pressure, and the like, and denotes ranges thereof, when used in describing embodiments of the invention, refers to a variation in a numerical amount that can be determined, for example, by routine measurement and processing techniques used to prepare the compounds, compositions, concentrates, or use the compositions; due to error due to carelessness in the performance of these techniques; due to differences in the manufacture, source, or purity of starting materials or ingredients used to perform the methods, and the like immediate circumstances. The term "about" also includes amounts that differ due to aging of the composition from a particular initial concentration or mixture, and amounts that differ due to mixing or processing of the composition from a particular initial concentration or mixture. When modified by the term "about," the appended claims include equivalents of such amounts. Furthermore, where "about" is used to describe a range of values, such as "from about 1 to 5," the enumeration means "from 1 to 5" and "from about 1 to about 5" and "from 1 to about 5" and "from about 1 to 5" unless specifically limited by context.
[0073] Как применяемый здесь, термин «по существу» означает «состоящий по существу из», как этот термин трактован в патентном законе США, и включает «состоящий из», как этот термин трактован в патентном законе США. Например, композиция, которая «по существу не содержит» конкретное соединение или материал, может не включать эти соединение или материал, или может иметь небольшое количество этого присутствующего соединения или материала, такого как неизбежная примесь, продукт побочной реакции или результат неполной очистки. «Небольшое количество» может представлять собой следы, неизмеряемое количество, количество, которое не мешает ценности или характеристике, или некоторое иное количество, как указанное в контексте. Композиция, которая имеет «по существу только» представленный список компонентов, может состоять только из этих компонентов, или иметь следовое количество некоторого иного присутствующего компонента, или иметь один или более дополнительные компоненты, которые не оказывают материального влияния на свойства композиции. Кроме того, «по существу» модифицирует, например, тип или количество ингредиента в композиции, свойство, измеримое количество, способ, значение или диапазон, используемые в описании вариантов осуществления изобретения, имея отношение к вариации, которая не влияет на общую указанную композицию, свойство, количество, способ, значение, или диапазон их таким образом, что сводит на нет предполагаемые композицию, свойство, количество, способ, значение, или диапазон. Там, где модифицированы термином «по существу», пункты прилагаемой формулы изобретения включают эквиваленты согласно этому определению.[ 0073 ] As used herein, the term "essentially" means "consisting essentially of" as that term is understood in U.S. patent law, and includes "consisting of" as that term is understood in U.S. patent law. For example, a composition that is "substantially free" of a particular compound or material may not include that compound or material, or may have a small amount of that compound or material present, such as an unavoidable impurity, a product of a side reaction, or the result of incomplete purification. A "small amount" may be a trace, an immeasurable amount, an amount that does not interfere with a value or characteristic, or some other amount as indicated by the context. A composition that has "essentially only" the recited list of components may consist only of those components, or have a trace amount of some other component present, or have one or more additional components that do not materially affect the properties of the composition. Furthermore, "substantially" modifies, for example, the type or amount of an ingredient in a composition, property, measurable amount, method, value, or range used in describing embodiments of the invention, referring to a variation that does not affect the overall stated composition, property, amount, method, value, or range thereof in a way that nullifies the intended composition, property, amount, method, value, or range. Where modified by the term "substantially," the claims of the appended claims include equivalents within the meaning of this definition.
[0074] Как используемые здесь, любые указанные диапазоны значений подразумеваются включающими все значения в пределах диапазона, и не должны толковаться как поддержка для пунктов формулы изобретения, перечисляющих любые поддиапазоны, имеющие конечные точки, которые фактически представляют собой численные значения в пределах указанного диапазона. В порядке гипотетического иллюстративного примера, изобретение в этом описании диапазона от 1 до 5 следует рассматривать как аргументацию для пунктов формулы изобретения в отношении любого из следующих диапазонов: 1-5; 1-4; 1-3; 1-2; 2-5; 2-4; 3-5; 3-4; и 4-5.[ 0074 ] As used herein, any recited ranges of values are intended to include all values within the range, and should not be construed as support for claims listing any subranges having endpoints that actually represent numerical values within the recited range. By way of hypothetical illustrative example, the invention in this description of the range 1 to 5 should be considered as support for claims with respect to any of the following ranges: 1-5; 1-4; 1-3; 1-2; 2-5; 2-4; 3-5; 3-4; and 4-5.
[0075] В раскрытых здесь вариантах исполнения способ экструдирования расплавленной полимерной пены включает, состоит по существу, или состоит в добавлении термопластичного полимера и источника пневматогена во впускной канал, находящийся на первом конце экструдера; нагревание и перемешивание термопластичного полимера и источника пневматогена в экструдере с образованием расплавленной пневматической смеси, причем температура расплавленной пневматической смеси превышает критическую температуру источника пневматогена; накопление количества расплавленной пневматической смеси в зоне барабана экструдера, находящейся вблизи второго конца экструдера; создание объемного расширения в зоне барабана, в результате чего происходит падение давления в зоне барабана; обеспечение возможности истечения периода времени после падения давления; и дозирование расплавленной полимерной пены из экструдера.[ 0075 ] In the embodiments disclosed herein, a method for extruding molten polymer foam includes, consists essentially of, or consists of adding a thermoplastic polymer and a source of pneumatogen to an inlet located at a first end of an extruder; heating and mixing the thermoplastic polymer and the source of pneumatogen in the extruder to form a molten pneumatic mixture, wherein the temperature of the molten pneumatic mixture exceeds a critical temperature of the source of pneumatogen; accumulating a quantity of molten pneumatic mixture in a region of a barrel of the extruder located near a second end of the extruder; creating a volumetric expansion in the barrel region, resulting in a pressure drop in the barrel region; allowing a period of time to elapse after the pressure drop; and dispensing molten polymer foam from the extruder.
[0076] В вариантах исполнения экструдер представляет собой любую машину, сконструированную и приспособленную для расплавления, перемешивания и дозирования термопластичных полимеров и их смесей, необязательно с одним или многими материалами, такими как наполнители, зародышеобразователи, разбавители, стабилизаторы, осветлители, и тому подобные; и, кроме того, при этом экструдер включает сборную зону для накопления массы смешанного расплавленного материала, и, кроме того, способен производить объемное расширение в сборной зоне, которое связано с падением давления. Экструдеры являются общеизвестными в промышленности и находят широкое применение для расплавления, смешения и обработки расплавленных термопластичных полимеров. В вариантах исполнения экструдер приспособлен и рассчитан для расплавления, смешения и дозирования смеси термопластичного полимера и источника пневматогена. Такие экструдеры предназначены для получения расплавленных пневматических смесей при давлении, достаточном для предотвращения или по существу предотвращения образования пневмополостей в расплавленной пневматической смеси.[ 0076 ] In embodiments, the extruder is any machine designed and adapted for melting, mixing and dosing thermoplastic polymers and mixtures thereof, optionally with one or more materials such as fillers, nucleating agents, diluents, stabilizers, clarifiers, and the like; and, in addition, the extruder includes a collecting zone for accumulating a mass of mixed molten material, and, in addition, is capable of producing a volumetric expansion in the collecting zone, which is associated with a drop in pressure. Extruders are well known in the industry and are widely used for melting, mixing and processing molten thermoplastic polymers. In embodiments, the extruder is adapted and designed to melt, mix and dosing a mixture of a thermoplastic polymer and a source of pneumatogen. Such extruders are designed to produce molten pneumatic mixtures at a pressure sufficient to prevent or substantially prevent the formation of pneumatogen voids in the molten pneumatic mixture.
[0077] В вариантах исполнения экструдеры, применимые для исполнения данных способов, включают внутренний объем, называемый в технологии «барабаном» экструдера, предназначенный и приспособленный для принятия твердого термопластичного полимера, кроме того, для исполнения расплавления и перемешивания его. В вариантах исполнения экструдер определяет внутренний объем, рассчитанный на поступление твердого термопластичного полимера и пневматогена или источника пневматогена, кроме того, для проведения расплавления по меньшей мере полимера, и для смешения пневматогена или источника пневматогена с расплавленным полимером, для получения расплавленной пневматической смеси. В вариантах исполнения экструдер дополнительно включает сборную зону для накопления массы материала расплавленной пневматической смеси. В вариантах исполнения экструдер дополнительно включает устройство для создания объемного расширения в сборной зоне, которое связано с падением давления.[ 0077 ] In embodiments, extruders applicable for performing these methods include an internal volume, referred to in the technology as the "drum" of the extruder, intended and adapted to receive a solid thermoplastic polymer, and also to perform melting and mixing thereof. In embodiments, the extruder defines an internal volume designed to receive a solid thermoplastic polymer and a pneumatogen or a source of a pneumatogen, and also to perform melting of at least the polymer, and to mix the pneumatogen or a source of a pneumatogen with the molten polymer, to obtain a molten pneumatic mixture. In embodiments, the extruder additionally includes a collection zone for accumulating a mass of the molten pneumatic mixture material. In embodiments, the extruder additionally includes a device for creating a volumetric expansion in the collection zone, which is associated with a pressure drop.
[0078] В вариантах исполнения экструдер представляет собой устройство для литья под давлением. В вариантах исполнения экструдер представляет собой формующую машину SODICKTM, продаваемую фирмой Plustech Inc. в Шаумбурге, Иллинойс. В вариантах исполнения экструдер включает либо один, либо два элемента, известные в технологии как «шнеки», размещенные внутри внутреннего объема, известного в технологии как «барабан». В вариантах исполнения шнеки имеют правильную круглую цилиндрическую форму по всей длине, и, кроме того, включают один или более выступающие винтовые элементы, называемые «крыльями». В некоторых вариантах исполнения экструдер представляет собой одношнековый экструдер, определяемый как включающий один шнек, размещенный подвижным внутри барабана для вращения цилиндра вокруг его оси, для бокового перемещения цилиндра вдоль его оси, или комбинированного перемещения, включающего как вращение, так и боковое смещение. В других вариантах исполнения экструдер представляет собой двухшнековый экструдер, определяемый как включающий два шнека, размещенных подвижными внутри барабана в по существу параллельной и ближайшей взаимосвязи относительно друг друга, кроме того, где каждый шнек размещен подвижным внутри барабана для вращения цилиндра вокруг его оси, для бокового перемещения цилиндра вдоль его оси, или комбинированного перемещения, включающего как вращение, так и боковое смещение. Кроме того, шнеки двухшнекового экструдера размещены так, что действие шнеков, когда они вращаются в противоположных направлениях, определяет заданный режим перемешивания и продвижения расплавленного термопластичного полимера, находящегося внутри барабана.[ 0078 ] In embodiments, the extruder is an injection molding machine. In embodiments, the extruder is a SODICK ™ molding machine sold by Plustech Inc. of Schaumburg, Illinois. In embodiments, the extruder includes either one or two elements known in the art as "screws" housed within an internal volume known in the art as a "barrel." In embodiments, the screws have a regular round cylindrical shape along their entire length and further include one or more projecting screw elements called "wings." In some embodiments, the extruder is a single-screw extruder, defined as including a single screw housed movably within the barrel for rotating the barrel about its axis, for lateral movement of the barrel along its axis, or a combined movement including both rotation and lateral displacement. In other embodiments, the extruder is a twin-screw extruder, defined as comprising two screws positioned movably within a barrel in a substantially parallel and intimate relationship with one another, wherein each screw is positioned movably within the barrel to rotate the barrel about its axis, to move the barrel laterally along its axis, or to perform a combined movement comprising both rotation and lateral displacement. Furthermore, the screws of a twin-screw extruder are positioned such that the action of the screws, when they rotate in opposite directions, determines the desired mixing and propelling mode of the molten thermoplastic polymer located within the barrel.
[0079] В вариантах исполнения экструдер дополнительно приспособлен и рассчитан на принятие твердого термопластичного полимера. В вариантах исполнения барабан экструдера дополнительно приспособлен и рассчитан на введение твердого термопластичного полимера наличием впускного канала, находящегося вблизи первого конца экструдера и предназначенного для добавления твердого термопластичного полимера в барабан. Твердый термопластичный полимер добавляют во впускной канал в любой подходящей форме, например, в виде зерен, гранул, порошка, ленточек, плиток, все из которых представляют собой знакомые квалифицированным специалистам в этой области технологии формы. В вариантах исполнения экструдер включает второй, третий, или даже четвертый, или большее число, впускные каналы, приспособленные и рассчитанные для добавления или введения одного или многих дополнительных материалов, включающих одно или более из твердых материалов, жидкостей или газов, во внутренний объем экструдера, для дополнительного смешения одного или многих добавочных материалов с термопластичным полимером. Внутренний объем экструдера приспособлен для принятия, содержания и расплавления термопластичного полимера и, необязательно, одного или многих дополнительных материалов; и подвергания термопластичного полимера и необязательных одного или многих дополнительных материалов воздействию тепла, сдвиговой нагрузке и перемешиванию с образованием расплавленной смеси, вместе с тем с одновременным продвиганием расплавленной смеси по направлению, как правило, протяженному от его первого конца до его второго конца. В вариантах исполнения, где экструдер представляет собой одношнековый экструдер или двухшнековый экструдер, сдвиг, перемешивание и передвижение выполняется вращением шнека или двух противоходных шнеков.[ 0079 ] In embodiments, the extruder is further adapted and designed to receive a solid thermoplastic polymer. In embodiments, the barrel of the extruder is further adapted and designed to introduce a solid thermoplastic polymer by having an inlet port located near the first end of the extruder and designed to add the solid thermoplastic polymer to the barrel. The solid thermoplastic polymer is added to the inlet port in any suitable form, such as grains, granules, powder, ribbons, tiles, all of which are forms familiar to those skilled in the art. In embodiments, the extruder includes a second, third, or even a fourth, or more, inlet ports adapted and designed to add or introduce one or more additional materials, including one or more solid materials, liquids or gases, into the internal volume of the extruder, for further mixing the one or more additional materials with the thermoplastic polymer. The internal volume of the extruder is adapted to receive, contain and melt the thermoplastic polymer and, optionally, one or more additional materials; and subjecting a thermoplastic polymer and optionally one or more additional materials to heat, shear, and mixing to form a molten mixture, while simultaneously advancing the molten mixture in a direction typically extending from its first end to its second end. In embodiments where the extruder is a single-screw extruder or a twin-screw extruder, the shearing, mixing, and advancing are accomplished by rotating the screw or two counter-rotating screws.
[0080] В вариантах исполнения экструдера внутренний объем или его часть окружены или частично окружены одним или многими источниками тепла. Источники тепла, надлежащим образом предназначенные для нагревания внутреннего объема экструдера, включают, в различных вариантах исполнения, нагревательные водяные рубашки, нагревательные масляные рубашки, электрические резистивные нагреватели, источники открытого или экранированного пламени, или еще один источник тепла. Источник тепла действует для повышения температуры во внутреннем объеме экструдера. Температуру надлежащим образом выбирает оператор для расплавления термопластичного полимера и/или поддерживания желательной температуры внутри участка внутреннего объема экструдера. В вариантах исполнения экструдер сформирован включающим более, чем один источник тепла, причем источники тепла действуют независимо, чтобы обеспечить квалифицированному специалисту возможность создавать ряд температурных «зон» на протяжении внутреннего объема. Дополнительные температурные зоны в некоторых экструдерах могут быть предусмотрены в связи с добавлением одного или многих материалов на их впускные каналы, или для выведения одного из многих материалов из их выпускных каналов. В вариантах исполнения температуры внутри одной или многих температурных зон настраивает оператор для большего контроля и оптимизации плавления, перемешивания, создания сдвиговой нагрузки и продвижения термопластичного полимера и, необязательно, одного или многих дополнительных материалов.[ 0080 ] In embodiments of the extruder, the internal volume or a portion thereof is surrounded or partially surrounded by one or more heat sources. Heat sources suitably configured to heat the internal volume of the extruder include, in various embodiments, heating water jackets, heating oil jackets, electrical resistive heaters, open or shielded flame sources, or another heat source. The heat source operates to increase the temperature in the internal volume of the extruder. The temperature is suitably selected by the operator to melt the thermoplastic polymer and/or maintain a desired temperature within a portion of the internal volume of the extruder. In embodiments, the extruder is formed to include more than one heat source, wherein the heat sources operate independently to provide a skilled person with the ability to create a number of temperature "zones" throughout the internal volume. Additional temperature zones in some extruders may be provided in connection with the addition of one or more materials to their inlet ports, or to remove one of the many materials from their outlet ports. In embodiments, temperatures within one or more temperature zones are adjusted by the operator to provide greater control and optimization of melting, mixing, shearing, and advancement of the thermoplastic polymer and, optionally, one or more additional materials.
[0081] Экструдер, как правило, сконструирован и приспособлен для приложения и поддерживания давления в его внутреннем объеме во время нагревания, перемешивания и продвижения расплавленной смеси. В вариантах исполнения экструдер приспособлен и рассчитан на приложение и поддерживание первого давления во внутреннем объеме или барабане во время нагревания, перемешивания и продвижения расплавленной смеси. В вариантах исполнения давление внутри барабана во время нагревания, перемешивания и продвижения расплавленной пневматической смеси является достаточным для предотвращения или по существу предотвращения утечки расплавленной пневматической смеси из барабана. В вариантах исполнения давление внутри барабана является достаточным для предотвращения образования пневмополостей в расплавленной пневматической смеси, когда температура внутри барабана превышает критическую температуру источника пневматогена. В вариантах исполнения давление внутри барабана является по существу достаточным для предотвращения образования пневмополостей в расплавленной пневматической смеси, когда температура внутри барабана превышает критическую температуру источника пневматогена. В таких вариантах исполнения, описанных в этом абзаце, выражение «по существу» подразумевает случайную утечку материала или случайное падение давления в барабане вследствие условий изготовления, старения или режима применения экструдера и/или шнека, как это известно квалифицированному специалисту. Кроме того, в таких вариантах исполнения «по существу» в контексте «достаточным для предотвращения образования пневмополостей в расплавленной пневматической смеси» означает, что небольшая процентная доля, такая как до 10% пневматогена, может ненамеренно формировать пневмополости, когда давление поддерживают в расплавленной пневматической смеси; но цель оператора состоит в поддерживании достаточного давления для предотвращения образования пневмополостей.[ 0081 ] The extruder is generally designed and adapted to apply and maintain pressure in its internal volume during heating, mixing and moving the molten mixture. In embodiments, the extruder is adapted and designed to apply and maintain a first pressure in the internal volume or drum during heating, mixing and moving the molten mixture. In embodiments, the pressure inside the drum during heating, mixing and moving the molten pneumatic mixture is sufficient to prevent or substantially prevent leakage of the molten pneumatic mixture from the drum. In embodiments, the pressure inside the drum is sufficient to prevent the formation of air cavities in the molten pneumatic mixture when the temperature inside the drum exceeds the critical temperature of the pneumatogen source. In embodiments, the pressure inside the drum is substantially sufficient to prevent the formation of air cavities in the molten pneumatic mixture when the temperature inside the drum exceeds the critical temperature of the pneumatogen source. In such embodiments described in this paragraph, the term "substantially" includes accidental leakage of material or accidental pressure drop in the barrel due to manufacturing conditions, aging, or operating conditions of the extruder and/or screw, as known to a skilled person. Furthermore, in such embodiments, "substantially" in the context of "sufficient to prevent the formation of voids in the molten pneumatic mixture" means that a small percentage, such as up to 10% of the pneumatogen, may inadvertently form voids when pressure is maintained in the molten pneumatic mixture; however, the operator's goal is to maintain sufficient pressure to prevent the formation of voids.
[0082] В вариантах исполнения барабан экструдера включает сборную зону для накопления массы расплавленной смеси в подготовке к дозированию расплавленной смеси из экструдера. Эту массу расплавленной смеси выбирает пользователь. В вариантах исполнения расплавленная смесь представляет собой расплавленную пневматическую смесь. В таких вариантах исполнения термином, применяемым в технологии для описания накопления массы расплавленной пневматической смеси в сборной зоне барабана экструдера, называют «накопление впрыскиваемого материала». Как будет понятно квалифицированному специалисту в области технологии инжекционного формования, для накопления впрыскиваемого материала массу расплавленной пневматической смеси собирают продвижением расплавленной пневматической смеси от первого конца в сторону второго конца экструдера - то есть, к сборной зоне и в ней - вращением шнека или шнеков (или еще одним смесительным элементом), и тем самым обеспечением возможности накопления расплавленной пневматической смеси в сборной зоне, пока вся желательная масса расплавленной пневматической смеси не будет собрана и размещена в сборной зоне барабана. Сборная зона находится между шнеком или шнеками и вторым концом экструдера, и сообщается под давлением с остальным барабаном.[ 0082 ] In embodiments, the extruder barrel includes a collection zone for accumulating a mass of molten mixture in preparation for dispensing the molten mixture from the extruder. This mass of molten mixture is selected by the user. In embodiments, the molten mixture is molten pneumatic mixture. In such embodiments, the term used in the art to describe the accumulation of the mass of molten pneumatic mixture in the collection zone of the extruder barrel is called "injection accumulation." As will be understood by one skilled in the art of injection molding technology, to accumulate the injected material, the mass of molten pneumatic mixture is collected by advancing the molten pneumatic mixture from a first end toward the second end of the extruder - that is, toward and in the collection zone - by rotation of the screw or screws (or another mixing element), and thereby allowing the accumulation of molten pneumatic mixture in the collection zone until all of the desired mass of molten pneumatic mixture is collected and placed in the collection zone of the barrel. The collection area is located between the screw or screws and the second end of the extruder, and is in pressure communication with the rest of the barrel.
[0083] В традиционном инжекционном формовании для получения термопластичных полимерных пен массу расплавленной пневматической смеси, или «впрыскиваемый материал», собирают или «накапливают» в сборной зоне продвижением расплавленной пневматической смеси в сторону сборной зоны и в ней вращением шнека или шнеков (или еще одним смесительным элементом). Впрыскиваемый материал считают накопленным, когда вся выбранная масса расплавленной пневматической смеси размещена внутри сборной зоны. Квалифицированному специалисту будет понятно, что приведенное выше описание устройств для смешения в расплаве, таких как механические элементы и признаки экструдера или другого устройства для смешения в расплаве, и, кроме того, приведенное выше описание способов получения и накопления расплавленных пневматических смесей во впрыскиваемом материале, соответствуют стандартным устройствам и способам применения таких устройств для получения расплавленных пневматических смесей и накопления их для впрыска.[ 0083 ] In conventional injection molding for producing thermoplastic polymer foams, a mass of molten pneumatic compound, or "injection material," is collected or "accumulated" in a collection zone by propelling the molten pneumatic compound toward and into the collection zone by rotation of a screw or screws (or another mixing element). The injection material is said to be accumulated when the entire selected mass of molten pneumatic compound is located within the collection zone. One skilled in the art will understand that the above description of melt mixing devices, such as the mechanical elements and features of an extruder or other melt mixing device, and further the above description of the methods for producing and accumulating molten pneumatic compounds in the injected material, correspond to conventional devices and methods for using such devices for producing molten pneumatic compounds and accumulating them for injection.
[0084] В соответствии с этими известными способами и устройствами, во впрыскиваемом материале расплавленной пневматической смеси традиционно предотвращают или по существу предотвращают образование пневмополостей, когда она находится в барабане, в том числе во время смешения, нагревания, продвижения и накопления, и, кроме того, при размещении внутри сборной зоны. Как правило, когда в сборной зоне накоплено желательное количество впрыскиваемого материала, открывают заслонку или дверцу, размещенную между сборной зоной и выпускным каналом, находящимся на втором конце экструдера, создавая сообщение по текучей среде из барабана с выпускным каналом для дозирования впрыскиваемого материала из экструдера. В некоторых вариантах исполнения, когда открывают заслонку или дверцу, механический плунжер проталкивает расплавленную пневматическую смесь из барабана и через выпускной канал. В вариантах исполнения шнек или шнеки надлежащим образом используют в боковом продвижении по направлению ко второму концу экструдера, который, в свою очередь, проталкивает расплавленную пневматическую смесь из сборной зоны барабана и через выпускной канал.[ 0084 ] According to these known methods and devices, the injected molten pneumatic mixture material is conventionally prevented or substantially prevented from forming air voids while it is in the barrel, including during mixing, heating, advancing, and accumulation, and further while placed within a collection zone. Typically, when a desired amount of injected material has accumulated in the collection zone, a valve or door located between the collection zone and an outlet channel located at the second end of the extruder is opened, creating fluid communication from the barrel with the outlet channel for metering the injected material from the extruder. In some embodiments, when the valve or door is opened, a mechanical plunger pushes the molten pneumatic mixture out of the barrel and through the outlet channel. In embodiments, the screw or screws are suitably used in a lateral advance towards the second end of the extruder, which in turn pushes the molten pneumatic mixture out of the collecting area of the barrel and through the discharge channel.
[0085] Авторы настоящего изобретения нашли, что после накопления впрыскиваемого материала расплавленной пневматической смеси в сборной зоне экструдера полезно формировать, создавать или определять объемное расширение в сборной зоне экструдера, причем создание его сопровождается падением давления в сборной зоне; обеспечивать истечение периода времени после создания, называемого здесь периодом расширения; и дозирования впрыскиваемого материала из экструдера после периода расширения. Впрыскиваемый материал в таких вариантах исполнения дозируют в форме расплавленной полимерной пены. В вариантах исполнения объемное расширение создают вблизи впрыскиваемого материала, находящегося внутри сборной зоны экструдера. В вариантах исполнения впрыскиваемый материал не перемешивают или не подвергают приложенной сдвиговой нагрузке или растяжению, когда объемное расширение находится в процессе развития. В вариантах исполнения впрыскиваемый материал не продвигают во время периода расширения. В вариантах исполнения впрыскиваемый материал оставляют в неподвижном состоянии, или выдерживании, непотревоженным или по существу непотревоженным в сборной зоне во время периода расширения. В любом из вышеуказанных вариантов исполнения впрыскиваемый материал может быть нагрет во время периода расширения; однако в некоторых вариантах исполнения во время периода расширения тепло к впрыскиваемому материалу не подводят.[ 0085 ] The inventors of the present invention have found that, after accumulation of the injected material of the molten pneumatic mixture in the collection zone of the extruder, it is useful to form, create or determine a volumetric expansion in the collection zone of the extruder, wherein the creation thereof is accompanied by a drop in pressure in the collection zone; to allow a period of time to elapse after the creation, referred to herein as an expansion period; and to meter the injected material from the extruder after the expansion period. The injected material in such embodiments is metered in the form of a molten polymer foam. In embodiments, the volumetric expansion is created near the injected material located inside the collection zone of the extruder. In embodiments, the injected material is not mixed or subjected to an applied shear load or tension when the volumetric expansion is in the process of developing. In embodiments, the injected material is not advanced during the expansion period. In embodiments, the injected material is left in a stationary state, or holding, undisturbed or substantially undisturbed in the collection zone during the expansion period. In any of the above embodiments, the injected material may be heated during the expansion period; however, in some embodiments, heat is not supplied to the injected material during the expansion period.
[0086] После истечения или завершения периода расширения расплавленная полимерная пена может быть выведена из второго конца экструдера. Расплавленная полимерная пена включает множество пневмополостей. Без намерения вдаваться в теорию, авторы настоящего изобретения полагают, что пневмополости образуются, когда расплавленную пневматическую смесь подвергают объемному расширению и сопровождающему падению давления (второго давления). В соответствии с известными физическими принципами, образование пневмополостей, вероятно, обусловлено созданием объемного расширения и сопутствующим падением давления в сборной зоне барабана, вместе с периодом расширения, в котором пневмополости образуются действием пневматогена. В некоторых вариантах исполнения создание объемного расширения после накопления впрыскиваемого материала приводит к превосходным свойствам, присущим расплавленной полимерной пене, которую дозируют. Иначе говоря, авторы настоящего изобретения нашли, что формирование расплавленной пневматической смеси под давлением, с последующим снижением давления и сопутствующим образованием определенного объема перед дозированием смеси (таким как в полость пресс-формы), приводит к образованию расплавленной полимерной пены, которая при охлаждении создает изделие из затвердевшей полимерной пены, имеющее неожиданные и весьма благоприятные физические свойства.[ 0086 ] After the expiration or completion of the expansion period, the molten polymer foam may be discharged from the second end of the extruder. The molten polymer foam includes a plurality of air voids. Without intending to be bound by theory, the inventors believe that the air voids are formed when the molten pneumatic mixture is subjected to volumetric expansion and an accompanying pressure drop (second pressure). In accordance with known physical principles, the formation of air voids is likely due to the creation of volumetric expansion and an accompanying pressure drop in the collection area of the drum, together with the expansion period in which the air voids are formed by the action of the pneumatogen. In some embodiments, the creation of volumetric expansion after accumulation of the injected material results in superior properties inherent in the molten polymer foam that is dosed. In other words, the inventors of the present invention have found that forming a molten pneumatic mixture under pressure, followed by a reduction in pressure and the concomitant formation of a certain volume before dispensing the mixture (such as into a mold cavity), results in the formation of a molten polymer foam, which, upon cooling, creates a product from a hardened polymer foam having unexpected and very favorable physical properties.
[0087] Авторы настоящего изобретения обнаружили, что расплавленные полимерные пены, выводимые из экструдера соответственно вышеуказанным способам, обеспечивают значительные технические преимущества. Эти преимущества проявляются в отвержденных полимерных пенах, которые образованы охлаждением расплавленной полимерной пены до температуры ниже температуры перехода термопластичного полимера в расплавленное состояние. Структура изделий, полученных с использованием расплавленной полимерной пены, дозированной из экструдера после периода расширения, отличается как макроскопически, так и микроскопически от полимерных пен, полученных стандартными способами; и проявляет превосходные свойства, пригодные, например, для конструкционных элементов. Изделия из полимерной пены, образованные с использованием описываемых здесь способов, устройств и материалов, характеризуются имеющими непрерывную термопластичную матрицу на всем их протяжении, и множеством пневмополостей, распределенных во всем изделии из полимерной пены. Эта характеристика действительна для изделий, имеющих толщины свыше 2 см, объемы более 1000 см3, или толщины свыше 2 см в дополнение к объемам более 1000 см3, между 1000 см3 до 5000 см3, или даже более 5000 см3; и, кроме того, для изделий, имеющих объем более 1000 см3 и толщину более 2 см, объем между 1000 см3 до 5000 см3 и толщину свыше 2 см, или объем более 5000 см3 и толщину свыше 2 см.[ 0087 ] The inventors of the present invention have discovered that molten polymer foams discharged from an extruder according to the above-described methods provide significant technical advantages. These advantages are manifested in cured polymer foams, which are formed by cooling the molten polymer foam to a temperature below the transition temperature of the thermoplastic polymer in the molten state. The structure of articles obtained using molten polymer foam dosed from the extruder after a period of expansion differs both macroscopically and microscopically from polymer foams obtained by standard methods; and exhibits excellent properties suitable, for example, for structural elements. Articles made of polymer foam formed using the methods, devices and materials described herein are characterized by having a continuous thermoplastic matrix throughout their length, and a plurality of air cavities distributed throughout the polymer foam article. This characteristic is valid for products with thicknesses exceeding 2 cm, volumes exceeding 1,000 cm3 , or thicknesses exceeding 2 cm in addition to volumes exceeding 1,000 cm3 , between 1,000 cm3 and 5,000 cm3 , or even more than 5,000 cm3 ; and, in addition, for products with a volume exceeding 1,000 cm3 and a thickness exceeding 2 cm, a volume between 1,000 cm3 and 5,000 cm3 and a thickness exceeding 2 cm, or a volume exceeding 5,000 cm3 and a thickness exceeding 2 cm.
[0088] В вариантах исполнения создание объемного расширения в одношнековом экструдере надлежащим образом достигают боковым продвижением шнека в сторону первого конца экструдера и смещением от сборной зоны экструдера, где накапливается впрыскиваемый материал. В вариантах исполнения создание объемного расширения в двухшнековом экструдере достигают боковым сдвиганием обоих шнеков в сторону первого конца экструдера и смещением от сборной зоны экструдера, где накапливается впрыскиваемый материал. Боковое смещение необязательно сопровождается вращением шнека или шнеков. То есть, один или два шнека могут вращаться во время бокового сдвигания, или же вращение может быть остановлено во время бокового сдвигания. Будет понятно, что создание объемного расширения боковым сдвиганием одного или двух шнеков благоприятным образом выбирает оператор экструдера для получения выбранного объемного расширения. То есть, дистанцию бокового смещения шнека или шнеков для создания объемного расширения надлежащим образом выбирает оператор.[ 0088 ] In embodiments, creating a volumetric expansion in a single-screw extruder is suitably achieved by lateral advancement of the screw toward the first end of the extruder and displacement from the collection zone of the extruder where the injected material accumulates. In embodiments, creating a volumetric expansion in a twin-screw extruder is achieved by lateral displacement of both screws toward the first end of the extruder and displacement from the collection zone of the extruder where the injected material accumulates. The lateral displacement is not necessarily accompanied by rotation of the screw or screws. That is, one or two screws can rotate during the lateral displacement, or the rotation can be stopped during the lateral displacement. It will be understood that creating a volumetric expansion by lateral displacement of one or two screws is favorably selected by the extruder operator to obtain the selected volumetric expansion. That is, the distance of lateral displacement of the screw or screws to create a volumetric expansion is suitably selected by the operator.
[0089] Соответственно этому, в вариантах исполнения объемное расширение задает оператор для добавления достаточного объема сборной зоне, чтобы разместить весь предполагаемый объем расплавленной полимерной пены; или некоторой процентной доли ее. Общий предполагаемый объем расплавленной полимерной пены впрыскиваемого материала может быть рассчитан на основе количества термопластичного полимера и источника пневматогена плюс любые дополнительные материалы, добавленные для накопления впрыскиваемого материала, причем при допущении, что весь источник пневматогена будет участвовать в формировании пневмополостей в получаемой расплавленной полимерной пене. Квалифицированным специалистам будет понятно, что полученные промышленным путем источники пневматогена поставляются с информацией, пригодной для расчета совокупного предполагаемого объема расплавленной полимерной пены на основе количества источника пневматогена, добавляемого для формирования впрыскиваемого материала, и других технологических условий. В вариантах исполнения объемное расширение представляет собой разность между объемом впрыскиваемого материала и ожидаемым объемом расплавленной полимерной пены. В вариантах исполнения объемное расширение задают для достижения между 10% и 100% общего ожидаемого объема расплавленной полимерной пены, например, между 15% и 100%, или между 20% и 100%, или между 25% и 100%, или между 30% и 100%, или между 35% и 100%, или между 40% и 100%, или между 45% и 100%, или между 50% и 100%, или между 55% и 100%, или между 60% и 100%, или между 65% и 100%, или между 70% и 100%, или между 75% и 100%, или между 80% и 100%, или между 85% и 100%, или между 90% и 100%, или между 10% и 95%, или между 10% и 90%, или между 10% и 85%, или между 10% и 80%, или между 10% и 75%, или между 10% и 70%, или между 10% и 65%, или между 10% и 60%, или между 10% и 55%, или между 10% и 50%, или между 10% и 45%, или между 10% и 40%, или между 10% и 35%, или между 10% и 30%, или между 10% и 25%, или между 10% и 20%, или между 10% и 15%, или между 15% и 20%, или между 20% и 25%, или между 25% и 30%, или между 30% и 35%, или между 35% и 40%, или между 40% и 45%, или между 45% и 50%, или между 50% и 55%, или между 55% и 60%, или между 60% и 65%, или между 65% и 70%, или между 70% и 75%, или между 75% и 80%, или между 80% и 85%, или между 85% и 90%, или между 90% и 95%, или между 95% и 100% разности между объемом впрыскиваемого материала и ожидаемым объемом расплавленной полимерной пены. В еще других вариантах исполнения объемное расширение составляет величину между 100% и 300% разности между объемом впрыскиваемого материала и ожидаемым объемом расплавленной полимерной пены, такую как от 100% до 105%, или от 100% до 110%, или от 100% до 115%, или от 100% до 120%, или от 105% до 110%, или от 110% до 115%, или от 115% до 120%, или от 120% до 125%, или от 120% до 150%, или от 150% до 200%, или от 200% до 250%, или от 250% до 300% разности между объемом впрыскиваемого материала и ожидаемым объемом расплавленной полимерной пены.[ 0089 ] Accordingly, in embodiments, the volumetric expansion is specified by the operator to add sufficient volume to the collection zone to accommodate the entire anticipated volume of molten polymer foam; or some percentage thereof. The total anticipated volume of molten polymer foam of the injected material may be calculated based on the amount of thermoplastic polymer and the pneumatogen source plus any additional materials added to accumulate the injected material, with the assumption that the entire pneumatogen source will participate in forming pneumatogen voids in the resulting molten polymer foam. Those skilled in the art will understand that commercially available pneumatogen sources are supplied with information suitable for calculating the total anticipated volume of molten polymer foam based on the amount of pneumatogen source added to form the injected material and other process conditions. In embodiments, the volumetric expansion is the difference between the volume of injected material and the expected volume of molten polymer foam. In embodiments, the volumetric expansion is set to achieve between 10% and 100% of the total expected volume of the molten polymer foam, such as between 15% and 100%, or between 20% and 100%, or between 25% and 100%, or between 30% and 100%, or between 35% and 100%, or between 40% and 100%, or between 45% and 100%, or between 50% and 100%, or between 55% and 100%, or between 60% and 100%, or between 65% and 100%, or between 70% and 100%, or between 75% and 100%, or between 80% and 100%, or between 85% and 100%, or between 90% and 100%, or between 10% and 95%, or between 10% and 90%, or between 10% and 85%, or between 10% and 80%, or between 10% and 75%, or between 10% and 70%, or between 10% and 65%, or between 10% and 60%, or between 10% and 55%, or between 10% and 50%, or between 10% and 45%, or between 10% and 40%, or between 10% and 35%, or between 10% and 30%, or between 10% and 25%, or between 10% and 20%, or between 10% and 15%, or between 15% and 20%, or between 20% and 25%, or between 25% and 30%, or between 30% and 35%, or between 35% and 40%, or between 40% and 45%, or between 45% and 50%, or between 50% and 55%, or between 55% and 60%, or between 60% and 65%, or between 65% and 70%, or between 70% and 75%, or between 75% and 80%, or between 80% and 85%, or between 85% and 90%, or between 90% and 95%, or between 95% and 100% of the difference between the volume of material injected and the expected volume of molten polymer foam. In still other embodiments, the volumetric expansion is a value between 100% and 300% of the difference between the volume of the injected material and the expected volume of the molten polymer foam, such as from 100% to 105%, or from 100% to 110%, or from 100% to 115%, or from 100% to 120%, or from 105% to 110%, or from 110% to 115%, or from 115% to 120%, or from 120% to 125%, or from 120% to 150%, or from 150% to 200%, or from 200% to 250%, or from 250% to 300% of the difference between the volume of the injected material and the expected volume of the molten polymer foam.
[0090] После создания объемного расширения выжидают, пока пройдет или истечет период времени перед дозированием расплавленной полимерной пены из экструдера. В вариантах исполнения период времени называется периодом расширения. В некоторых вариантах исполнения во время периода расширения не проводят перемешивание, продвижение, приложение сдвиговой нагрузки, другие физические воздействия, или не выполняют другие дополнительные изменения объема внутри сборной зоны во время периода расширения. Вместо этого, в таких вариантах исполнения впрыскиваемый материал оставляют выдерживаемым внутри сборной зоны на время периода расширения. В конце периода расширения расплавленную полимерную пену выводят из выпускного канала экструдера. В вариантах исполнения расплавленную полимерную пену дозируют в полость пресс-формы, и расплавленную полимерную пену охлаждают до температуры ниже температуры перехода термопластичного полимера в расплавленное состояние для получения изделия из отвержденной полимерной пены.[ 0090 ] After volume expansion is created, a period of time is allowed to pass or lapse before metering the molten polymer foam from the extruder. In embodiments, the period of time is referred to as the expansion period. In some embodiments, no mixing, moving, shearing, other physical actions, or other additional volume changes are performed within the collection zone during the expansion period. Instead, in such embodiments, the injected material is allowed to remain within the collection zone for the duration of the expansion period. At the end of the expansion period, the molten polymer foam is withdrawn from the outlet channel of the extruder. In embodiments, the molten polymer foam is metered into a mold cavity, and the molten polymer foam is cooled to a temperature below the transition temperature of the thermoplastic polymer to the molten state to produce an article made of cured polymer foam.
[0091] В вариантах исполнения период расширения оператор выбирает составляющим от около 5 секунд до 600 секунд, в зависимости от массы образца, источника и количества пневматогена, и любых дополнительных материалов во впрыскиваемом материале. В вариантах исполнения период расширения составляет от 5 секунд до 600 секунд, или от 5 секунд до 500 секунд, или от 5 секунд до 400 секунд, или от 5 секунд до 300 секунд, или от 20 секунд до 600 секунд, или от 20 секунд до 500 секунд, или от 20 секунд до 400 секунд, или от 20 секунд до 300 секунд, или от 10 секунд до 200 секунд, или от 20 секунд до 200 секунд, или от 30 секунд до 200 секунд, или от 40 секунд до 200 секунд, или от 50 секунд до 200 секунд, или от 5 секунд до 190 секунд, или от 5 секунд до 180 секунд, или от 5 секунд до 170 секунд, или от 5 секунд до 160 секунд, или от 5 секунд до 150 секунд, или от 5 секунд до 140 секунд, или от 5 секунд до 130 секунд, или от 5 секунд до 120 секунд, или от 5 секунд до 110 секунд, или от 5 секунд до 100 секунд, или от 5 секунд до 90 секунд, или от 5 секунд до 80 секунд, или от 5 секунд до 70 секунд, или от 5 секунд до 60 секунд, или от 5 секунд до 50 секунд, или от 5 секунд до 40 секунд, или от 5 секунд до 30 секунд, или от 5 секунд до 20 секунд, или от 5 секунд до 10 секунд, или от 10 секунд до 15 секунд, или от 15 секунд до 20 секунд, или от 20 секунд до 25 секунд, или от 25 секунд до 30 секунд, или от 30 секунд до 35 секунд, или от 35 секунд до 40 секунд, или от 40 секунд до 45 секунд, или от 45 секунд до 50 секунд, или от 50 секунд до 55 секунд, или от 55 секунд до 60 секунд, или от 60 секунд до 70 секунд, или от 70 секунд до 80 секунд, или от 80 секунд до 90 секунд, или от 90 секунд до 100 секунд, или от 100 секунд до 110 секунд, или от 110 секунд до 120 секунд, или от 120 секунд до 130 секунд, или от 130 секунд до 140 секунд, или от 140 секунд до 150 секунд, или от 150 секунд до 160 секунд, или от 160 секунд до 170 секунд, или от 170 секунд до 180 секунд, или от 180 секунд до 190 секунд, или от 190 секунд до 200 секунд, или от 200 секунд до 250 секунд, от 250 секунд до 300 секунд, или от 300 секунд до 350 секунд, или от 350 секунд до 400 секунд, или от 400 секунд до 450 секунд, или от 450 секунд до 500 секунд, или от 500 секунд до 550 секунд, или от 550 секунд до 600 секунд.[ 0091 ] In embodiments, the expansion period is selected by the operator to be between about 5 seconds and 600 seconds, depending on the sample mass, the source and amount of pneumatogen, and any additional materials in the injected material. In embodiments, the expansion period is from 5 seconds to 600 seconds, or from 5 seconds to 500 seconds, or from 5 seconds to 400 seconds, or from 5 seconds to 300 seconds, or from 20 seconds to 600 seconds, or from 20 seconds to 500 seconds, or from 20 seconds to 400 seconds, or from 20 seconds to 300 seconds, or from 10 seconds to 200 seconds, or from 20 seconds to 200 seconds, or from 30 seconds to 200 seconds, or from 40 seconds to 200 seconds, or from 50 seconds to 200 seconds, or from 5 seconds to 190 seconds, or from 5 seconds to 180 seconds, or from 5 seconds to 170 seconds, or from 5 seconds to 160 seconds, or from 5 seconds to 150 seconds, or from 5 seconds to 140 seconds, or from 5 seconds to 130 seconds, or from 5 seconds to 120 seconds, or from 5 seconds to 110 seconds, or from 5 seconds to 100 seconds, or from 5 seconds to 90 seconds, or from 5 seconds to 80 seconds, or from 5 seconds to 70 seconds, or from 5 seconds to 60 seconds, or from 5 seconds to 50 seconds, or from 5 seconds to 40 seconds, or from 5 seconds to 30 seconds, or from 5 seconds to 20 seconds, or from 5 seconds to 10 seconds, or from 10 seconds to 15 seconds, or from 15 seconds to 20 seconds, or from 20 seconds to 25 seconds, or from 25 seconds to 30 seconds, or from 30 seconds to 35 seconds, or from 35 seconds to 40 seconds, or from 40 seconds to 45 seconds, or from 45 seconds to 50 seconds, or from 50 seconds to 55 seconds, or from 55 seconds to 60 seconds, or from 60 seconds to 70 seconds, or from 70 seconds to 80 seconds, or from 80 seconds to 90 seconds, or from 90 seconds to 100 seconds, or from 100 seconds to 110 seconds, or from 110 seconds to 120 seconds, or from 120 seconds to 130 seconds, or from 130 seconds to 140 seconds, or from 140 seconds to 150 seconds, or from 150 seconds to 160 seconds, or from 160 seconds to 170 seconds, or from 170 seconds to 180 seconds, or from 180 seconds to 190 seconds, or from 190 seconds to 200 seconds, or from 200 seconds to 250 seconds, from 250 seconds to 300 seconds, or from 300 seconds to 350 seconds, or from 350 seconds to 400 seconds, or from 400 seconds to 450 seconds, or from 450 seconds to 500 seconds, or from 500 seconds to 550 seconds, or from 550 seconds to 600 seconds.
[0092] Применение вышеуказанных способов имеет результатом образование расплавленной полимерной пены, которая получает некоторые значительные технические преимущества, описанных в приведенных ниже разделах, когда расплавленную полимерную пену охлаждают до температуры ниже температуры перехода термопластичного полимера в расплавленное состояние для получения отвержденной полимерной пены. Изделия из полимерной пены в общем и целом характеризуются как монолитные изделия, имеющие непрерывную полимерную матрицу, образующую множество пневмополостей, распределенных во всем объеме изделия. В вариантах исполнения изделия из полимерной пены, в частности, характеризуются как имеющие непрерывную полимерную матрицу, образующую множество пневмополостей, распределенных в поверхностной области, причем поверхностная область определяется как область изделия между поверхностью изделия (поверхностью раздела «полимерная пена-воздух») и на дистанции 500 микрон (мкм) внутрь от поверхности.[ 0092 ] The use of the above methods results in the formation of a molten polymer foam that obtains certain significant technical advantages, described in the sections below, when the molten polymer foam is cooled to a temperature below the molten transition temperature of the thermoplastic polymer to form a cured polymer foam. Polymer foam articles are generally characterized as monolithic articles having a continuous polymer matrix that forms a plurality of air cavities distributed throughout the volume of the article. In embodiments, polymer foam articles are particularly characterized as having a continuous polymer matrix that forms a plurality of air cavities distributed in a surface region, wherein the surface region is defined as the region of the article between the surface of the article (the polymer foam-air interface) and at a distance of 500 microns (μm) inward from the surface.
[0093] Показательный вариант исполнения устройства, эффективно применяемого для исполнения вышеуказанных способов, показан в ФИГ. 1А. ФИГ. 1А представляет схематическое изображение примерного одношнекового устройства 20 для инжекционного формования в соответствии с раскрытыми здесь вариантами исполнения, которое пригодно для исполнения описываемых здесь способов, для получения расплавленных полимерных пен и изделий из полимерной пены, также раскрытых здесь. Как показано в ФИГ. 1А, система 20 инжекционного формования включает барабан 21, присоединенный к двигателю или приводной секции 24 и к секции 26 пресс-формы. Барабан 21 включает первый конец 21а, второй конец 21b, и определяет полую внутреннюю секцию 22 барабана. Секция 22 барабана дополнительно определяет сопло 36 вблизи второго конца 21b барабана. Шнек 30 размещен внутри внутренней секции 22 барабана и включает оконечный участок 34 шнека. Шнек 30 функционально связан с моторной секцией 24 для вращения шнека 30 вокруг его центральной оси; или для бокового смещения, обозначенного стрелкой Z. Боковое смещение шнека 30 может происходить по направлению от первого конца 21а барабана в сторону второго конца 21b барабана; или по направлению от второго конца 21b барабана в сторону первого конца 21а барабана. Боковое смещение шнека 30 в любом направлении необязательно сопряжено с вращательным движением. Шнек 30 дополнительно включает один или более крылья 31, которые представляют собой смесительные элементы для перемешивания и продвижения материалов, присутствующих внутри секции 22 барабана, в основном от первого конца 21а барабана в сторону второго конца 21b барабана. Шнек 30 размещен внутри секции 22 барабана в герметичной под давлением взаимосвязи с ним, для создания давлений, превышающих атмосферное давление, поддерживаемых внутри секции 22 барабана, крыльями 31 шнека внутри барабана 21 и, кроме того, состоянием обратного клапана 32. Запорный клапан 37 соединен с барабаном вблизи второго конца 20b, и действует для регулирования сообщения по текучей среде, соединения под давлением, или обоих, между соплом 36 и секцией 26 пресс-формы. Обратный клапан 32 размещен внутри секции 22 барабана и окружает шнек 30 для предотвращения противодавления, которое побуждало бы находящиеся в секции 22 барабана материалы двигаться в сторону первого конца 21а барабана, и тем самым создает герметичную под давлением, герметизированную текучим материалом, или герметизированную текучим материалом под давлением взаимосвязь между запорным клапаном 37 и обратным клапаном 32.[ 0093 ] An exemplary embodiment of a device effectively used to perform the above methods is shown in FIG. 1A. FIG. 1A is a schematic illustration of an exemplary single-screw injection molding device 20 in accordance with the embodiments disclosed herein, which is suitable for performing the methods described herein for producing molten polymeric foams and polymeric foam articles also disclosed herein. As shown in FIG. 1A, the injection molding system 20 includes a barrel 21 connected to a motor or drive section 24 and to a mold section 26. The barrel 21 includes a first end 21a, a second end 21b, and defines a hollow inner barrel section 22. The barrel section 22 further defines a nozzle 36 near the second end 21b of the barrel. The screw 30 is located within the inner barrel section 22 and includes a screw end portion 34. The screw 30 is operatively connected to the motor section 24 for rotating the screw 30 about its central axis; or for lateral displacement, indicated by the arrow Z. The lateral displacement of the screw 30 can occur in the direction from the first end 21a of the drum towards the second end 21b of the drum; or in the direction from the second end 21b of the drum towards the first end 21a of the drum. The lateral displacement of the screw 30 in any direction is not necessarily associated with a rotational movement. The screw 30 further includes one or more wings 31, which are mixing elements for mixing and moving materials present inside the drum section 22, mainly from the first end 21a of the drum towards the second end 21b of the drum. The screw 30 is placed inside the section 22 of the drum in a pressure-tight relationship with it, for creating pressures exceeding the atmospheric pressure, maintained inside the section 22 of the drum, by the wings 31 of the screw inside the drum 21 and, in addition, by the state of the check valve 32. The shut-off valve 37 is connected to the drum near the second end 20b, and acts to regulate the communication by fluid medium, the connection under pressure, or both, between the nozzle 36 and the section 26 of the mold. The check valve 32 is placed inside the section 22 of the drum and surrounds the screw 30 to prevent back pressure, which would induce the materials located in the section 22 of the drum to move towards the first end 21a of the drum, and thereby creates a pressure-tight, sealed by a flowing material, or sealed by a flowing material under pressure relationship between the shut-off valve 37 and the check valve 32.
[0094] Кроме того, в отношении ФИГ. 1А, секция 26 пресс-формы включает две секции 38 пресс-формы, как показано. Секции 38 пресс-формы разъемно соединены друг с другом, определяя полость 39. В некоторых вариантах исполнения одна или более из секций 38 пресс-формы являются подвижными, обеспечивая извлечение из них изделия из отвержденной полимерной пены. В некоторых вариантах исполнения секции 38 пресс-формы находятся в прижатом друг к другу положении; в других вариантах исполнения секции 38 пресс-формы отделены друг от друга зазором.[ 0094 ] Furthermore, with respect to FIG. 1A, the mold section 26 includes two mold sections 38, as shown. The mold sections 38 are removably connected to each other, defining a cavity 39. In some embodiments, one or more of the mold sections 38 are movable, allowing for the removal of an article made of cured polymer foam therefrom. In some embodiments, the mold sections 38 are in a pressed position against each other; in other embodiments, the mold sections 38 are separated from each other by a gap.
[0095] В вариантах исполнения раскрытые здесь способы надлежащим образом исполняют с использованием такого устройства, как система 20, показанная в ФИГ. 1А-1В. В ФИГ. 1А выбранную массу смеси 42А, включающую выбранное количество термопластичного полимера, источника пневматогена, и, необязательно, одного или многих дополнительных материалов, добавляют в секцию 22 барабана через впускной канал 28, как показано стрелкой А. В некоторых вариантах исполнения источник пневматогена представляет собой пневматоген, впускной канал 28 или еще один впускной канал (не показан) представляет собой газовпускной канал в соединении под давлением с секцией 22 барабана; и пневматоген добавляют в газовпускной канал при выбранном давлении, тогда как негазообразные материалы вводят через впускной канал 28. Во время добавления смеси 42А в секцию 22 барабана через впускной канал 28 двигатель 24 действует для вращения шнека 30. Вращение шнека 30 продвигает и перемешивает смесь 42А к оконечности 34 шнека. Источник тепла (не показан) надлежащим образом используют для подведения тепла к смеси 42А внутри секции 22 барабана. Двигатель 24 вращает шнек 30 для продвижения смеси 42А, находящейся в секции 22 барабана, по направлению, обычно протяженному от первого конца 21а барабана 21 в сторону второго конца 21b, пока она не достигнет оконечности 34 шнека. Кроме того, вращение шнека 30 обеспечивает перемешивание смеси 42А во время продвижения. Когда смесь 42А продвигается и перемешивается в результате вращения шнека 30, нагревательные элементы или ленточные нагреватели (не показаны) вблизи секции 22 барабана действуют для нагревания смеси 42А. Множество нагревательных зон могут находиться вблизи секции 22 барабана для вариации температуры внутри секции 22 барабана между первым концом 21а и вторым концом 21b барабана 21. Во время продвижения шнек 30, вращающийся внутри секции 22 барабана, действует для перемешивания смеси 42А; и к смеси по мере ее продвижения подводят тепло, тем самым повышая температуру смеси выше температуры плавления термопластичного полимера для преобразования смеси 42А в расплавленную пневматическую смесь, по меньшей мере по достижении второго конца 21b барабана 21. Кроме того, положение шнека 30 внутри секции 22 барабана, при котором крылья 31 находятся в контакте с барабаном 21 во время вращения шнека 30; в сочетании с обратным клапаном 32, запорным клапаном 37 в закрытом положении, или обоими из них, создает герметичную под давлением взаимосвязь внутри секции 22 барабана, в результате чего расплавленная пневматическая смесь 42В находится в секции 22 барабана под давлением, превышающим атмосферное давление. Давление внутри секции 22 барабана является достаточным для предотвращения или по существу предотвращения образования пневмополостей, даже если источник пневматогена нагрет выше его критической температуры.[ 0095 ] In embodiments, the methods disclosed herein are suitably performed using an apparatus such as the system 20 shown in FIGS. 1A-1B. In FIG. 1A, a selected mass of mixture 42A including a selected amount of a thermoplastic polymer, a pneumatogen source, and optionally one or more additional materials is added to a drum section 22 through an inlet 28, as shown by arrow A. In some embodiments, the pneumatogen source is a pneumatogen, the inlet 28 or another inlet (not shown) is a gas inlet in pressure communication with the drum section 22; and the pneumatogen is added into the gas inlet channel at a selected pressure, while non-gaseous materials are introduced through the inlet channel 28. During the addition of the mixture 42A into the section 22 of the drum through the inlet channel 28, the motor 24 operates to rotate the screw 30. The rotation of the screw 30 advances and mixes the mixture 42A to the end 34 of the screw. A heat source (not shown) is suitably used to supply heat to the mixture 42A inside the section 22 of the drum. The motor 24 rotates the screw 30 to advance the mixture 42A located in the section 22 of the drum in a direction generally extending from the first end 21a of the drum 21 towards the second end 21b until it reaches the end 34 of the screw. In addition, the rotation of the screw 30 provides for mixing of the mixture 42A during advancement. When the mixture 42A is advanced and mixed as a result of rotation of the screw 30, heating elements or band heaters (not shown) near the drum section 22 act to heat the mixture 42A. A plurality of heating zones may be located near the drum section 22 to vary the temperature inside the drum section 22 between the first end 21a and the second end 21b of the drum 21. During advancement, the screw 30 rotating inside the drum section 22 acts to mix the mixture 42A; and heat is supplied to the mixture as it advances, thereby raising the temperature of the mixture above the melting temperature of the thermoplastic polymer to transform the mixture 42A into a molten pneumatic mixture, at least upon reaching the second end 21b of the drum 21. In addition, the position of the screw 30 inside the drum section 22, in which the wings 31 are in contact with the drum 21 during rotation of the screw 30; in combination with the check valve 32, the shut-off valve 37 in the closed position, or both of them, creates a pressure-tight relationship within the drum section 22, as a result of which the molten pneumatic mixture 42B is in the drum section 22 at a pressure exceeding atmospheric pressure. The pressure within the drum section 22 is sufficient to prevent or substantially prevent the formation of air pockets, even if the pneumatogen source is heated above its critical temperature.
[0096] Кроме того, вращение шнека 30 создает продвижение сжатой расплавленной пневматической смеси в сторону оконечности 34 шнека, перемещая или накапливая выбранную массу сжатой расплавленной пневматической смеси 42В внутри сборной секции 40 секции 22 барабана. Сборную секцию 40 определяют как область внутри объема секции 22 барабана, протяженную между обратным клапаном 32 и запорным клапаном 37 в ФИГ. 1А, кроме того, как область секции 22 барабана, протяженную вдоль дистанции Х барабана 21. Выбранную массу, или «впрыскиваемый материал», сжатой расплавленной пневматической смеси 42В собирают, или накапливают, в сборной секции 40 секции 22 барабана. Давление внутри сборной секции 40 является достаточным для предотвращения или по существу предотвращения образования пневмополостей в расплавленной пневматической смеси. В вариантах исполнения впрыскиваемый материал по существу заполняет сборную секцию 40.[ 0096 ] Furthermore, the rotation of the screw 30 creates a movement of the compressed molten pneumatic mixture toward the end 34 of the screw, moving or accumulating a selected mass of the compressed molten pneumatic mixture 42B within the collection section 40 of the drum section 22. The collection section 40 is defined as an area within the volume of the drum section 22 extended between the check valve 32 and the shut-off valve 37 in FIG. 1A, in addition, as an area of the drum section 22 extended along the distance X of the drum 21. The selected mass, or "injection material", of the compressed molten pneumatic mixture 42B is collected, or accumulated, in the collection section 40 of the drum section 22. The pressure within the collection section 40 is sufficient to prevent or substantially prevent the formation of air voids in the molten pneumatic mixture. In embodiments, the injected material substantially fills the collecting section 40.
[0097] Накопление впрыскиваемого материала расплавленной пневматической смеси 42В достигается с использованием стандартных способов, знакомых квалифицированным специалистам. Традиционные и известные вариации способов и материалов, используемых для накопления впрыскиваемого материала, охвачены описанными здесь способами. Как только впрыскиваемый материал накоплен, он может быть подвергнут обработке раскрытыми здесь способами для получения всех раскрытых здесь технических преимуществ в отношении формирования полимерных пен и изделий из полимерной пены. Например, для формования впрыскиваемого материала надлежащим образом применяют такие способы, как способ MUCELL® под высоким давлением от фирмы Trexel Inc., Уилмингтон, Массачусетс, в котором добавляют источник пневматогена в виде газа непосредственно в экструдер при перемешивании под давлением для предотвращения или по существу предотвращения образования пневмополостей с последующим накоплением впрыскиваемого материала. Различные патентные документы и отраслевые издания дополнительно описывают специализированные варианты исполнения смешения в расплаве и продвижения для получения расплавленных пневматических смесей и формирования впрыскиваемого материала, такие как специализированные конструкции шнеков для характеристик перемешивания и противотока, и тому подобные; любые из них могут быть эффективно использованы в связи с вышеуказанными способами и устройствами для формирования впрыскиваемого материала, для получения впрыскиваемого материала, как здесь описываемого, и накопления впрыскиваемого материала под давлением внутри сборной зоны устройства для смешения в расплаве.[ 0097 ] The accumulation of the injectable material of the molten pneumatic mixture 42B is achieved using standard methods familiar to those skilled in the art. Conventional and known variations of the methods and materials used to accumulate the injectable material are encompassed by the methods described herein. Once the injectable material has been accumulated, it can be processed by the methods disclosed herein to obtain all of the technical advantages disclosed herein with respect to the formation of polymeric foams and polymeric foam articles. For example, methods such as the MUCELL® high-pressure process from Trexel Inc., Wilmington, Massachusetts, which adds a pneumatogen source in the form of a gas directly to the extruder under pressure mixing to prevent or substantially prevent the formation of air voids and subsequent accumulation of the injectable material, are suitably used to form the injectable material. Various patent documents and trade publications further describe specialized embodiments of melt mixing and propelling for producing molten pneumatic mixtures and forming an injectable material, such as specialized screw designs for mixing and counter-current characteristics, and the like; any of which can be effectively used in connection with the above-mentioned methods and apparatuses for forming an injectable material, for producing an injectable material as described herein, and accumulating the injectable material under pressure within a collecting zone of the melt mixing apparatus.
[0098] Как только впрыскиваемый материал сформирован и накоплен в сборной зоне, в ней создают объемное расширение, причем, кроме того, расширение сопровождается снижением давления в сборной зоне и близко к впрыскиваемому материалу. Соответственно этому, ФИГ. 1А изображает устройство 20 для расплавленной пневматической смеси, в котором шнек 30 размещен для сбора впрыскиваемого материала в сборной зоне 40. Впрыскиваемый материал включает выбранную массу расплавленной пневматической смеси 42В и находится под давлением внутри сборной зоны 40. На этой стадии способа, в дополнение к ФИГ. 1А, ФИГ. 1В изображает устройство 20, в котором шнек 30 размещен для создания объемного расширения 44 внутри сборной зоны 40. В некотором отношении более подробно, ФИГ. 1В показывает шнек 30 в положении, полученном в результате бокового смещения шнека 30 в сторону первого конца 21а барабана; то есть, шнек 30 в ФИГ. 1В втянут относительно ФИГ. 1А. Втягивание и достигнутое частичное смещение шнека 30 от сборной зоны 40 определяет объемное расширение 44 внутри сборной зоны 40 и дополнительно обусловливает снижение давления внутри сборной зоны 40. В некоторых вариантах исполнения вращение шнека 30 останавливают перед втягиванием. В некоторых вариантах исполнения вращение шнека 30 останавливают во время втягивания или после завершения втягивания. Дистанцию втягивания шнека 30, то есть, дистанцию бокового смещения шнека 30 в сторону первого конца 21а барабана, выбирает оператор для создания надлежащего объемного расширения 44.[ 0098 ] Once the injected material is formed and accumulated in the collection zone, a volumetric expansion is created therein, and the expansion is further accompanied by a decrease in pressure in the collection zone and close to the injected material. Accordingly, FIG. 1A shows an apparatus 20 for a molten pneumatic mixture in which a screw 30 is arranged to collect the injected material in a collection zone 40. The injected material includes a selected mass of molten pneumatic mixture 42B and is under pressure within the collection zone 40. At this stage of the method, in addition to FIG. 1A, FIG. 1B shows an apparatus 20 in which a screw 30 is arranged to create a volumetric expansion 44 within the collection zone 40. In some more detail, FIG. 1B shows the screw 30 in a position obtained by lateral displacement of the screw 30 toward the first end 21a of the drum; that is, the screw 30 in FIG. 1B is retracted relative to FIG. 1A. The retraction and the achieved partial displacement of the screw 30 from the collecting zone 40 determines the volumetric expansion 44 inside the collecting zone 40 and additionally causes a decrease in pressure inside the collecting zone 40. In some embodiments, the rotation of the screw 30 is stopped before retraction. In some embodiments, the rotation of the screw 30 is stopped during retraction or after completion of retraction. The retraction distance of the screw 30, that is, the distance of lateral displacement of the screw 30 toward the first end 21a of the drum, is selected by the operator to create the appropriate volumetric expansion 44.
[0099] В некоторых вариантах исполнения, представленных в ФИГ. 1В, объемное расширение 44 выбирает оператор для создания сборной зоны 40, имеющей общий объем, который соответствует предполагаемому объему расплавленной полимерной пены из впрыскиваемого материала; в таких вариантах исполнения общий объем в сборной зоне 40 после добавления объемного расширения 44 представляет собой совокупный предполагаемый объем расплавленной полимерной пены расплавленной пневматической смеси 42В в ФИГ. 1В. В других вариантах исполнения объемное расширение 44 выбирает оператор для создания сборной зоны 40, имеющей общий объем, который соответствует процентной доле предполагаемого объема расплавленной полимерной пены из впрыскиваемого материала, или впрыскиваемого материала, находящегося в сборной зоне 40; то есть, общий объем в сборной зоне 40 после добавления объемного расширения 44 равен величине от около 50% до 120% общего ожидаемого объема расплавленной полимерной пены. В некоторых вариантах исполнения объемное расширение задают для создания общего объема в сборной зоне для размещения 100% всего ожидаемого объема расплавленной полимерной пены. Общий предполагаемый объем расплавленной полимерной пены впрыскиваемого материала может быть рассчитан на основе количества термопластичного полимера и источника пневматогена плюс любые дополнительные материалы, добавленные для накопления впрыскиваемого материала, причем при допущении, что весь источник пневматогена будет участвовать в формировании пневмополостей в получаемой расплавленной полимерной пене.[ 0099 ] In some embodiments shown in FIG. 1B, the volume expansion 44 is selected by the operator to create a collection zone 40 having a total volume that corresponds to the expected volume of molten polymer foam from the injected material; in such embodiments, the total volume in the collection zone 40 after the addition of the volume expansion 44 is the total expected volume of molten polymer foam of the molten pneumatic mixture 42B in FIG. 1B. In other embodiments, the volume expansion 44 is selected by the operator to create a collection zone 40 having a total volume that corresponds to a percentage of the expected volume of molten polymer foam from the injected material, or of the injected material located in the collection zone 40; that is, the total volume in the collection zone 40 after the addition of the volume expansion 44 is equal to a value of from about 50% to 120% of the total expected volume of molten polymer foam. In some embodiments, volumetric expansion is set to create a total volume in the collection zone to accommodate 100% of the total expected volume of molten polymer foam. The total expected volume of molten polymer foam injected can be calculated based on the amount of thermoplastic polymer and the pneumatogen source, plus any additional materials added to accumulate the injected material, assuming that the entire pneumatogen source will contribute to the formation of air voids in the resulting molten polymer foam.
[00100] После втягивания шнека 30 для создания объемного расширения 44, как показано в ФИГ. 1В, дожидаются, пока не истечет или пройдет период времени, называемый «периодом расширения», тогда как впрыскиваемый материал выдерживают внутри сборной зоны 40, как показано в ФИГ. 1В, более конкретно, при этом сборная зона 40 включает объемное расширение 44. Период расширения оператор выбирает составляющим между 5 секундами и 200 секундами. В вариантах исполнения во время периода расширения впрыскиваемый материал оставляют стоять непотревоженным или по существу непотревоженным внутри сборной зоны 40. В вариантах исполнения под «непотревоженным» подразумевают, что впрыскиваемый материал не подвергают никаким воздействиям, вызывающим перемешивание, сдвиг или перемещение (течение) впрыскиваемого материала во время периода расширения. В вариантах исполнения «по существу непотревоженный» означает, что спокойное состояние впрыскиваемого материала целенаправленно не подвергают воздействиям, приводящим к перемешиванию, сдвигу или продвижению во время периода расширения, но, например, разности температур, утечка и прочие технологические проблемы могут вести к случайному напряжению или деформации впрыскиваемого материала, находящегося в сборной зоне во время периода расширения.[ 00100 ] After the screw 30 is retracted to create a volumetric expansion 44, as shown in FIG. 1B, a period of time called the "expansion period" is allowed to elapse or pass, while the injected material is held inside the collection zone 40, as shown in FIG. 1B, more specifically, wherein the collection zone 40 includes the volumetric expansion 44. The expansion period is selected by the operator to be between 5 seconds and 200 seconds. In embodiments, during the expansion period, the injected material is left to stand undisturbed or substantially undisturbed inside the collection zone 40. In embodiments, "undisturbed" means that the injected material is not subjected to any influences that cause mixing, shearing or movement (flow) of the injected material during the expansion period. In embodiments, "substantially undisturbed" means that the quiescent state of the injected material is not intentionally subjected to influences that lead to mixing, shearing or movement during the expansion period, but, for example, temperature differences, leakage and other process problems may lead to accidental stress or deformation of the injected material located in the collection zone during the expansion period.
[00101] По истечении периода расширения открывают запорный клапан 37 сопла, как показано в ФИГ. 1В, и расплавленную полимерную пену дозируют из барабана 22. В вариантах исполнения, как показано в ФИГ. 1А-1В, расплавленная полимерная пена течет в полость 39. Дозирование может представлять собой выведение под давлением посредством механического устройства, такого как вытеснение с использованием бокового смещения шнека, или подачей сжатого газа в сборную зону, но в некоторых вариантах исполнения приложение давления не является обязательным для дозирования расплавленной полимерной пены. В вариантах исполнения давление на сопле 36, как показано в ФИГ. 1А-1В, во время выпуска расплавленной полимерной пены составляет от 1 psi до 20 psi сверх силы тяжести, такое как от 3 psi до 20 psi, от 5 psi до 20 psi, от 7 psi до 20 psi, от 10 psi до 20 psi, от 15 psi до 20 psi, от 1 psi до 15 psi, от 1 psi до 10 psi, от 1 psi до 7 psi, от 1 psi до 5 psi, от 2 psi до 5 psi, от 5 psi до 10 psi, от 10 psi до 15 psi, или от 15 psi до 20 psi, без добавления внешних источников давления, таких как выдавливание расплавленной полимерной пены с использованием дополнительного бокового смещения шнека 30 в сторону второго конца 21b барабана в ФИГ. 1A-1B. В вариантах исполнения дозирование выполняют с сохранением сообщения по текучей среде между соплом 36 и полостью 39. В некоторых таких вариантах исполнения сообщение по текучей среде дополнительно представляет собой сообщение под давлением.[ 00101 ] After the expansion period, the nozzle shut-off valve 37 is opened, as shown in FIG. 1B, and the molten polymer foam is metered from the drum 22. In embodiments, as shown in FIGS. 1A-1B, the molten polymer foam flows into the cavity 39. The metering may be by means of a pressurized discharge using a mechanical device, such as displacement using the lateral displacement of a screw, or by supplying compressed gas to the collection area, but in some embodiments, the application of pressure is not necessary for metering the molten polymer foam. In embodiments, the pressure at the nozzle 36, as shown in FIG. 1A-1B, during the discharge of molten polymer foam is from 1 psi to 20 psi above gravity, such as from 3 psi to 20 psi, from 5 psi to 20 psi, from 7 psi to 20 psi, from 10 psi to 20 psi, from 15 psi to 20 psi, from 1 psi to 15 psi, from 1 psi to 10 psi, from 1 psi to 7 psi, from 1 psi to 5 psi, from 2 psi to 5 psi, from 5 psi to 10 psi, from 10 psi to 15 psi, or from 15 psi to 20 psi, without adding external pressure sources, such as extruding molten polymer foam using additional lateral displacement of screw 30 towards the second end 21b of the drum in FIGS. 1A-1B. In embodiments, dosing is performed while maintaining fluid communication between nozzle 36 and cavity 39. In some such embodiments, the fluid communication additionally comprises a pressure communication.
[00102] Сразу после размещения внутри полости 39, образованной частями 38 пресс-формы, показанными в ФИГ. 1А-1В, расплавленную полимерную пену охлаждают, пока она не достигнет температуры ниже температуры перехода термопластичного полимера в расплавленное состояние, такой, как в условиях окружающей среды. В некоторых вариантах исполнения, где объемное расширение настроено на создание общего объема в сборной зоне, который составляет менее 100% общего предполагаемого объема расплавленной полимерной пены, пневмополости могут продолжать зарождаться и/или развиваться (увеличиваться в размерах) после того, как расплавленная полимерная пена была дозирована, и до того, как температура была снижена в достаточной мере для достижения температуры перехода термопластичного полимера в расплавленное состояние. Охлаждение расплавленной полимерной пены проводят с использованием традиционных способов охлаждения полученных инжекционным формованием изделий, и включает погружение пресс-формы в жидкостный хладагент, имеющий заданную температуру, или орошение пресс-формы жидкостным хладагентом, таким как жидкая вода; обдувание пресс-формы потоком воздуха; охлаждение в окружающем воздухе; и тому подобные, без ограничения.[ 00102 ] Immediately after placement within the cavity 39 formed by the mold portions 38 shown in FIGS. 1A-1B, the molten polymer foam is cooled until it reaches a temperature below the melt transition temperature of the thermoplastic polymer, such as under ambient conditions. In some embodiments where volumetric expansion is configured to create a total volume in the collection zone that is less than 100% of the total intended volume of the molten polymer foam, air voids may continue to nucleate and/or develop (increase in size) after the molten polymer foam has been dispensed and before the temperature has been reduced sufficiently to reach the melt transition temperature of the thermoplastic polymer. Cooling of the molten polymer foam is carried out using traditional methods for cooling injection molded products, and includes immersing the mold in a liquid coolant having a predetermined temperature, or spraying the mold with a liquid coolant, such as liquid water; blowing an air stream onto the mold; cooling in ambient air; and the like, without limitation.
[00103] В альтернативном варианте исполнения вышеуказанных способов, устройство 20, конфигурированное, как показано в ФИГ. 1В, используют для формирования расплавленной полимерной пены. ФИГ. 1В показывает шнек 30 в положении, достигнутом боковым смещением шнека 30 в сторону первого конца 21а барабана; то есть, шнек 30 в ФИГ. 1В является втянутым сравнительно с ФИГ. 1А. Втягивание и результирующее частичное смещение шнека 30 от сборной зоны 40 определяет объемное расширение 44 внутри сборной зоны 40 и дополнительно обусловливает падение давления внутри сборной зоны 40. Устройство 20 с конфигурацией, как показанной в ФИГ. 1В, используют для смешения, нагревания и продвижения расплавленной пневматической смеси 42В в сторону второго конца 21b барабана 21 по существу таким же путем, как описано выше. Кроме того, положение шнека 30 внутри секции 22 барабана, тогда как его крылья 31 находятся в контакте с барабаном 21 во время вращения шнека 30; в сочетании с обратным клапаном 32, запорным клапаном 37 в закрытом положении, или обоими из них, создает герметичную под давлением взаимосвязь внутри секции 22 барабана, в результате чего расплавленная пневматическая смесь 42В находится в секции 22 барабана под давлением, превышающим атмосферное давление. Давление внутри секции 22 барабана является достаточным для предотвращения или по существу предотвращения образования пневмополостей, даже если источник пневматогена нагрет выше его критической температуры. Однако в этом альтернативном варианте исполнения расплавленная пневматическая смесь продвигается через обратный клапан 32 и в сборную секцию 40, дополнительно увеличенную объемным расширением 44.[ 00103 ] In an alternative embodiment of the above methods, the device 20 configured as shown in FIG. 1B is used to form the molten polymer foam. FIG. 1B shows the screw 30 in a position achieved by lateral displacement of the screw 30 toward the first end 21a of the drum; that is, the screw 30 in FIG. 1B is retracted compared to FIG. 1A. The retraction and the resulting partial displacement of the screw 30 from the collection zone 40 determines a volumetric expansion 44 inside the collection zone 40 and further causes a pressure drop inside the collection zone 40. The device 20 configured as shown in FIG. 1B is used to mix, heat and propel the molten pneumatic mixture 42B toward the second end 21b of the drum 21 in substantially the same way as described above. In addition, the position of the screw 30 inside the section 22 of the drum, while its wings 31 are in contact with the drum 21 during the rotation of the screw 30; in combination with the check valve 32, the shut-off valve 37 in the closed position, or both of them, creates a hermetically sealed pressure relationship inside the section 22 of the drum, as a result of which the molten pneumatic mixture 42B is in the section 22 of the drum under a pressure exceeding the atmospheric pressure. The pressure inside the section 22 of the drum is sufficient to prevent or substantially prevent the formation of pneumatic cavities, even if the source of the pneumatogen is heated above its critical temperature. However, in this alternative embodiment, the molten pneumatic mixture moves through the check valve 32 and into the collecting section 40, further increased by the volumetric expansion 44.
[00104] Преимущество раскрытых теперь способов состоит в том, что для исполнения способов пригодны традиционные материалы и устройства для экструзии и литья под давлением. Не нужны никакие специализированные требования к оборудованию и материалам для исполнения раскрытых способов. Таким образом, любые термопластичный материал или его смесь, которые пригодны для литья под давлением и/или для формирования полимерных пен, эффективно могут быть объединены с любым используемым в промышленности источником пневматогена с использованием традиционной технологии, такой как стандартное устройство для инжекционного формования, необязательно вместе с одним или многими дополнительными материалами, выбранными оператором устройства.[ 00104 ] An advantage of the now disclosed methods is that conventional materials and devices for extrusion and injection molding are suitable for performing the methods. No specialized requirements for equipment and materials are needed for performing the disclosed methods. Thus, any thermoplastic material or mixture thereof that is suitable for injection molding and/or for forming polymer foams can be effectively combined with any industrially used pneumatogen source using conventional technology, such as a standard injection molding device, optionally together with one or more additional materials selected by the operator of the device.
[00105] В вариантах исполнения термопластичные полимеры, пригодные в связи с описанными здесь способами, устройствами и изделиями, включают любые термопластичные материалы или их смеси, которые известны в промышленности как применимые для инжекционного формования, или литья под давлением изделий из полимерной пены; и смеси таких полимеров. Применимые полимеры характеризуются имеющими вязкость текучего расплава, пригодную для применения в инжекционном формовании, таком как формование впрыскиваемого материала. Как таковые, термопластичные полимеры могут иметь степень сшивания, которая является термообратимой, или которая иным образом не препятствует достаточной вязкости текучего расплава для процессов инжекционного формования.[ 00105 ] In embodiments, thermoplastic polymers useful in connection with the methods, devices, and articles described herein include any thermoplastic materials or mixtures thereof that are known in the industry as useful for injection molding or injection molding of polymer foam articles; and mixtures of such polymers. Useful polymers are characterized by having a melt flow viscosity suitable for use in injection molding, such as injection molding. As such, the thermoplastic polymers may have a degree of crosslinking that is thermoreversible or that otherwise does not prevent sufficient melt flow viscosity for injection molding processes.
[00106] В вариантах исполнения термопластичные полимеры, пригодные в связи с описанными здесь способами, устройствами и изделиями, включают олефиновые полимеры, такие как полиэтилен, полипропилен, поли-α-олефины, и различные сополимеры и разветвленные/сшитые варианты их, включающие, но без ограничения, полиэтилен низкой плотности (LDPE), полиэтилен высокой плотности (HDPE), линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE), термопластичный полиолефиновый эластомер (TPE), полиэтилен со сверхвысокой молекулярной массой (UHMWPE), и тому подобные; полиамиды (PA), полиимиды (PI), сложные полиэфиры, такие как полиэтилентерефталат (PET) и полибутилентерефталат (PBT), полигидроксиалканоаты (PHA), такие как полигидроксибутират (PHB), поликарбонаты (PC), полимолочные кислоты (PLA), акрилонитрил-бутадиен-стирольные сополимеры (ABS), полистиролы, полиуретаны, в том числе термопластичные полиуретановые эластомеры (PU, TPU), поликапролактоны, поливинилхлориды (PVC), сополимеры тетрафторэтилена, простые полиэфирсульфоны (PES), полиацетали, полиарамиды, полифениленоксиды (PPO), полибутилены, полибутадиены, полиакрилаты и метакрилаты (производные акриловых кислот), иономерные полимеры (SURLYN® и подобные олефиновые сополимеры с ионными функциональными группами), простые полиэфир-амидные блок-сополимеры (PEBAX®), простые полиарилэфиркетоны (PAEK), полисульфоны, полифениленсульфиды (PPS), полиамид-имидные сополимеры, полибутиленсукцинаты, целлюлозные материалы, полисахариды, и их сополимеры, сплавы, компаунды и смеси, эффективно используемые в связи с описанными здесь способами, без ограничения.[ 00106 ] In embodiments, thermoplastic polymers useful in connection with the methods, devices, and articles described herein include olefin polymers such as polyethylene, polypropylene, poly-α-olefins, and various copolymers and branched/crosslinked versions thereof, including, but not limited to, low density polyethylene (LDPE), high density polyethylene (HDPE), linear low density polyethylene (LLDPE), thermoplastic polyolefin elastomer (TPE), ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE), and the like; polyamides (PA), polyimides (PI), polyesters such as polyethylene terephthalate (PET) and polybutylene terephthalate (PBT), polyhydroxyalkanoates (PHAs) such as polyhydroxybutyrate (PHB), polycarbonates (PC), polylactic acids (PLA), acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers (ABS), polystyrenes, polyurethanes including thermoplastic polyurethane elastomers (PU, TPU), polycaprolactones, polyvinyl chlorides (PVC), tetrafluoroethylene copolymers, polyether sulfones (PES), polyacetals, polyaramids, polyphenylene oxides (PPO), polybutylenes, polybutadienes, polyacrylates and methacrylates (derivatives of acrylic acids), ionomeric polymers (SURLYN® and similar olefin copolymers with ionic functional groups), ethers polyether-amide block copolymers (PEBAX®), polyaryletherketones (PAEK), polysulfones, polyphenylene sulfides (PPS), polyamide-imide copolymers, polybutylene succinates, cellulosic materials, polysaccharides, and their copolymers, alloys, compounds and blends useful in connection with the methods described herein, without limitation.
[00107] В отношении неограниченного применения полимерных компаундов и смесей, авторы настоящего изобретения нашли, что потоки смешанных пластмассовых отходов для повторного использования применимы в вариантах исполнения как термопластичные полимеры. Так, в вариантах исполнения пластмассовые отходы из океанов представляют собой потоки смешанных пластмассовых отходов, выловленные из океанов и собранные на берегах, и имеющие примерное содержание 10%-90% полиолефинов, содержание 10%-90% PET, содержание 1%-25% полистирола, и содержание от 1% до 50% неизвестного полимера. Такие потоки смешанных пластиков и потоки пластмассовых отходов, не ограниченные собранными из океанов и с берегов, подобным образом пригодны для формирования расплавленных полимерных пен и изделий из полимерной пены с использованием описанных здесь способов и устройств.[ 00107 ] With respect to the unlimited use of polymer compounds and blends, the inventors of the present invention have found that mixed plastic waste streams for recycling are applicable in embodiments as thermoplastic polymers. Thus, in embodiments, ocean plastic waste is a mixed plastic waste stream caught from the oceans and collected on the shores and has an approximate content of 10%-90% polyolefins, a content of 10%-90% PET, a content of 1%-25% polystyrene, and a content of 1% to 50% unknown polymer. Such mixed plastic streams and plastic waste streams, not limited to those collected from the oceans and from the shores, are similarly suitable for forming molten polymer foams and polymer foam articles using the methods and devices described herein.
[00108] Источники пневматогенов являются общедоступными в промышленности, и условия, пригодные для введения пневматогенов во время смешения в расплаве, общеизвестны и обстоятельно описаны. Соответственно этому, любой источник пневматогена, применимый для инжекционного формования, реакционного инжекционного формования, или других способов получения полимерных пен, пригоден здесь для формирования расплавленных полимерных пен и изделий из отвержденных полимерных пен в соответствии с описанными здесь способами, устройствами и изделиями из полимерной пены. Пневматогены, применимые в связи с описанными здесь способами и устройствами, включают воздух, СО2 и N2, либо как инкапсулированные внутри термопластичного материала в форме зерен, гранул и тому подобных, либо в латентной форме, при химической реакции которой выделяется СО2 или N2, когда ее нагревают внутри устройства для смешения в расплаве. Такие химические реакции обычно являются экзотермическими или эндотермическими, без ограничения в отношении их использования в связи с описанными здесь способами и устройствами. Подходящие источники пневматогенов включают бикарбонат натрия, соединения на основе поликарбоновых кислот, такие как лимонная кислота, или ее соль или сложный эфир, такой цитрат натрия или триметиловый сложный эфир цитрата натрия; смеси бикарбоната натрия с поликарбоновой кислотой, такой как лимонная кислота; сульфонилгидразиды, включающие пара-толуиленсульфонилгидразид (p-TSH) и 4,4’-оксибис-(бензолсульфонилгидразид) (OBSH), чистые и модифицированные азодикарбонамиды, семикарбазиды, тетразолы, и диазиноны. В любом из вышеуказанных источник пневматогена необязательно дополнительно инкапсулирован в полимерном носителе, рассчитанном на расплавление во время нагревания, смешения и накопления впрыскиваемого материала.[ 00108 ] Sources of pneumatogens are commonly available in the industry, and conditions suitable for introducing pneumatogens during melt mixing are well known and described in detail. Accordingly, any source of pneumatogen useful for injection molding, reaction injection molding, or other methods for producing polymeric foams is useful herein for forming molten polymeric foams and cured polymeric foam articles in accordance with the methods, apparatuses, and polymeric foam articles described herein. Pneumatogens useful in connection with the methods and apparatuses described herein include air, CO2 , and N2 , either as encapsulated within a thermoplastic material in the form of beads, granules, and the like, or in a latent form that chemically reacts to release CO2 or N2 when heated within a melt mixing device. Such chemical reactions are typically exothermic or endothermic, without limitation with respect to their use in connection with the methods and apparatuses described herein. Suitable sources of pneumatogens include sodium bicarbonate, polycarboxylic acid compounds such as citric acid, or a salt or ester thereof, such as sodium citrate or sodium citrate trimethyl ester; mixtures of sodium bicarbonate with a polycarboxylic acid, such as citric acid; sulfonyl hydrazides, including para -toluenesulfonyl hydrazide (p-TSH) and 4,4'-oxybis-(benzenesulfonyl hydrazide) (OBSH), pure and modified azodicarbonamides, semicarbazides, tetrazoles, and diazinones. In any of the above, the pneumatogen source is optionally further encapsulated in a polymeric carrier designed to melt during heating, mixing, and accumulation of the injected material.
[00109] В вариантах исполнения применимые источники пневматогенов включают имеющиеся в продаже на рынке композиции, такие как HYDROCEROL® BIH 70, HYDROCEROL® BIH CF-40-T, или HYDROCEROL® XH-901, все производства фирмы Clariant AG, Швейцария; FCX 7301, производства фирмы RTP Company, Уинона, Миннесота; FCX 27314, производства фирмы RTP Company, Уинона, Миннесота; CELOGEN ® 780, производства фирмы CelChem LLC, Нейплс, Флорида; ACTAFOAM® 780, производства фирмы Galata Chemicals, Саутбери, Коннектикут; ACTAFOAM® AZ, производства фирмы Galata Chemicals, Саутбери, Коннектикут; ORGATER MB.BA.20, производства фирмы ADEKA Polymer Additives Europe, Мюлуз, Франция; ENDEX 1750TM, производства фирмы Endex International, Рокфорд, Иллинойс; и FOAMAZOLTM 57, производства фирмы Bergen International, Ист-Ратерфорд, Нью-Джерси.[ 00109 ] In embodiments, useful pneumatogen sources include commercially available compositions such as HYDROCEROL® BIH 70, HYDROCEROL® BIH CF-40-T, or HYDROCEROL® XH-901, all manufactured by Clariant AG, Switzerland; FCX 7301, manufactured by RTP Company, Winona, Minnesota; FCX 27314, manufactured by RTP Company, Winona, Minnesota; CELOGEN® 780, manufactured by CelChem LLC, Naples, Florida; ACTAFOAM® 780, manufactured by Galata Chemicals, Southbury, Connecticut; ACTAFOAM® AZ, manufactured by Galata Chemicals, Southbury, Connecticut; ORGATER MB.BA.20, manufactured by ADEKA Polymer Additives Europe, Mulhouse, France; ENDEX 1750 ™ , manufactured by Endex International, Rockford, Illinois; and FOAMAZOL ™ 57, manufactured by Bergen International, East Rutherford, New Jersey.
[00110] В некоторых вариантах исполнения источник пневматогена представляет собой пневматоген, причем пневматоген подают в виде газа в устройство для смешения в расплаве, такое как устройство, подобное показанному в ФИГ. 1А-1В экструдеру. В таких вариантах исполнения обеспечивают растворение газа в термопластичном полимере непосредственным добавлением под давлением и перемешиванием внутри устройства для смешения в расплаве. В некоторых вариантах исполнения газ становится сверхкритической жидкостью при сжатии, либо до растворения, либо одновременно с растворением в расплавленном термопластичном полимере. Введение пневматогена непосредственно в устройство для инжекционного формования называется в промышленности как MUCELL®-процесс, применяемый фирмой Trexel Inc., Уилмингтон, Делавэр. Для этой технологии требуется специальное оборудование, такое как регулируемое сообщение по текучей среде под давлением (резервуар, баллон, и т.д.) с впускным каналом экструдерного устройства для создания связи под давлением с барабаном, когда также термопластичный полимер добавляют в барабан и расплавляют. Где имеется такое специализированное оборудование, пневматоген обычно используют как источник пневматогена в связи с описываемыми здесь способами непосредственным введением пневматогена в термопластичный полимер и один или более дополнительные материалы с образованием расплавленной пневматической смеси.[ 00110 ] In some embodiments, the pneumatogen source is a pneumatogen, and the pneumatogen is fed as a gas to a melt mixing device, such as an extruder similar to that shown in FIGS. 1A-1B. In such embodiments, the gas is allowed to dissolve in the thermoplastic polymer by direct addition under pressure and mixing within the melt mixing device. In some embodiments, the gas becomes a supercritical fluid upon compression, either before dissolving or simultaneously with dissolving in the molten thermoplastic polymer. Injecting the pneumatogen directly into the injection molding device is referred to in the industry as the MUCELL® process, practiced by Trexel Inc., Wilmington, Del. This technology requires specialized equipment, such as a controlled pressurized fluid connection (a reservoir, cylinder, etc.) to the extruder inlet to create a pressure connection with the barrel, where the thermoplastic polymer is also added to the barrel and melted. Where such specialized equipment is available, a pneumatogen is typically used as the pneumatogen source, in conjunction with the methods described herein for directly incorporating the pneumatogen into the thermoplastic polymer and one or more additional materials to form a molten pneumatic mixture.
[00111] Источник пневматогена добавляют к термопластичному полимеру, и любым необязательным одному или многим дополнительным материалам, в количестве, которое обеспечивает выбранное снижение плотности термопластичного полимера, в соответствии со стандартной технологией, связанной с желательной плотностью полимерной пены и действием пневматогенов и источников пневматогенов с образованием термопластичных полимерных пен. Количество источника пневматогена, добавляемого к термопластичному полимеру, не является конкретно ограниченным; соответственно этому, авторы настоящего изобретения нашли, что достигаются до 85% снижения плотности без применения полимерных или стеклянных пустотелых шариков или тому подобных, для создания изделия из полимерной пены, имеющего уникальные и неожиданные характеристики, описанные ниже, и, кроме того, проявляющего заданное снижение плотности вплоть до 85%. Как используемое здесь, «снижение плотности» означает процентное значение сокращения массы в изделии из полимерной пены сравнительно с таким же изделием без добавления пневматогена (источника) для получения изделия (то есть, полимерного изделия, исключая или по существу исключая пневмополости). Так, в вариантах исполнения расплавленные полимерные пены и изделия из полимерной пены благоприятным образом не содержат стеклянные или полимерные пустотелые шарики, в то же время обеспечивая выбранное снижение плотности вплоть до 85%, например, от 30% до 85%, такое как от 35% до 85%, от 40% до 85%, от 45% до 85%, от 50% до 85%, от 55% до 85%, от 60% до 85%, от 65% до 85%, от 70% до 85%, от 75% до 85%, от 30% до 35%, от 35% до 40%, от 40% до 50%, от 50% до 55%, от 55% до 60%, от 60% до 65%, от 65% до 70%, от 70% до 75%, от 75% до 80%, или от 80% до 85%. Введение стеклянных или полимерных пустотелых шариков обеспечивает дополнительное расширение достижимого снижения плотности изделия из полимерной пены, выполненного в соответствии с приведенными здесь способами. В некоторых вариантах исполнения может быть достигнуто более чем 85%-ное снижение плотности. Тем не менее, изделия из полимерной пены, достоинством которых является снижение плотности, характеризуются как имеющие непрерывную полимерную матрицу во всем объеме с распределенными в ней пневмополостями, в том числе формованные изделия, имеющие объем более 1000 см3, от 1000 см3 до 5000 см3, или даже свыше 5000 см3; и формованные изделия с объемом более 1000 см3 и толщиной более 2 см, с объемом между 1000 см3 и 5000 см3 и толщиной более 2 см, или с объемом более 5000 см3 и толщиной более 2 см.[ 00111 ] A pneumatogen source is added to the thermoplastic polymer, and any optional one or more additional materials, in an amount that provides a selected reduction in the density of the thermoplastic polymer, in accordance with standard technology related to the desired density of the polymer foam and the action of pneumatogens and pneumatogen sources to form thermoplastic polymer foams. The amount of the pneumatogen source added to the thermoplastic polymer is not particularly limited; accordingly, the inventors of the present invention have found that up to 85% of the density reduction is achieved without the use of polymer or glass hollow beads or the like, to create a polymer foam article having the unique and unexpected characteristics described below and, in addition, exhibiting the desired density reduction of up to 85%. As used herein, "density reduction" means the percentage reduction in mass in a polymeric foam article compared to the same article without the addition of a pneumatogen (source) to produce the article (i.e., the polymeric article excluding or substantially excluding air voids). Thus, in embodiments, the molten polymer foams and polymer foam articles advantageously do not contain glass or polymer hollow beads, while providing a selected density reduction of up to 85%, for example, from 30% to 85%, such as from 35% to 85%, from 40% to 85%, from 45% to 85%, from 50% to 85%, from 55% to 85%, from 60% to 85%, from 65% to 85%, from 70% to 85%, from 75% to 85%, from 30% to 35%, from 35% to 40%, from 40% to 50%, from 50% to 55%, from 55% to 60%, from 60% to 65%, from 65% to 70%, from 70% to 75%, from 75% to 80%, or from 80% to 85%. The introduction of glass or polymer hollow beads provides a further extension of the achievable density reduction of a polymer foam article made in accordance with the methods described herein. In some embodiments, more than 85% density reduction can be achieved. However, polymer foam articles that have the advantage of density reduction are characterized as having a continuous polymer matrix throughout the volume with air cavities distributed therein, including molded articles having a volume of more than 1000 cm 3 , from 1000 cm 3 to 5000 cm 3 , or even over 5000 cm 3 ; and moulded articles with a volume exceeding 1000 cm3 and a thickness exceeding 2 cm, with a volume between 1000 cm3 and 5000 cm3 and a thickness exceeding 2 cm, or with a volume exceeding 5000 cm3 and a thickness exceeding 2 cm.
[00112] Как упомянуто выше, количество источника пневматогена, добавляемого к термопластичному полимеру, не является конкретно ограниченным; соответственно этому, авторы настоящего изобретения нашли, что до 70% общего объема изделия из полимерной пены включают пневмополости. Объем пневмополостей как процентная доля общего объема изделия из полимерной пены называется «коэффициентом пустот» изделия; так, коэффициент пустот (пористость) вплоть до около 70% достигается без включения полимерных или стеклянных пустотелых шариков или тому подобных, для получения изделия из полимерной пены, имеющего уникальные и неожиданные характеристики, описанные ниже, и, кроме того, имеющего заданную пористость вплоть до 70% объема изделия из полимерной пены. Так, в вариантах исполнения описанные здесь расплавленные полимерные пены и изделия из полимерной пены благоприятным образом не содержат стеклянные или полимерные пустотелые шарики, в то же время обеспечивая коэффициент пустот вплоть до 70%, например, от 5% до 70%, такой как от 10% до 70%, от 15% до 70%, от 20% до 70%, от 25% до 70%, от 30% до 70%, от 35% до 70%, от 40% до 70%, от 45% до 70%, от 50% до 70%, от 55% до 70%, от 60% до 70%, от 5% до 10%, от 10% до 15%, от 15% до 20%, от 20% до 25%, от 25% до 30%, от 30% до 35%, от 35% до 40%, от 40% до 50%, от 50% до 55%, от 55% до 60%, от 60% до 65%, или от 65% до 70%. Введение стеклянных или полимерных пустотелых шариков обеспечивает дополнительное расширение достижимой пористости изделия из полимерной пены, выполненного в соответствии с приведенными здесь способами. В некоторых вариантах исполнения может быть достигнута более чем 70%-ная пористость. Тем не менее, изделия из полимерной пены, имеющие 70%-ную пористость, характеризуются как имеющие непрерывную полимерную матрицу во всем объеме с распределенными в ней пневмополостями, в том числе формованные изделия, имеющие объем более 5000 см3, толщину более 2 см, или как объем свыше 5000 см3, так и толщину более 2 см.[ 00112 ] As mentioned above, the amount of the pneumatogen source added to the thermoplastic polymer is not particularly limited; accordingly, the inventors of the present invention have found that up to 70% of the total volume of the polymer foam article includes air voids. The volume of air voids as a percentage of the total volume of the polymer foam article is called the "void ratio" of the article; thus, a void ratio (porosity) of up to about 70% is achieved without including polymer or glass hollow beads or the like, to obtain a polymer foam article having the unique and unexpected characteristics described below and, in addition, having a desired porosity of up to 70% of the volume of the polymer foam article. Thus, in embodiments, the molten polymer foams and polymer foam articles described herein advantageously do not contain glass or polymer hollow beads, while providing a void ratio of up to 70%, such as 5% to 70%, such as 10% to 70%, 15% to 70%, 20% to 70%, 25% to 70%, 30% to 70%, 35% to 70%, 40% to 70%, 45% to 70%, 50% to 70%, 55% to 70%, 60% to 70%, 5% to 10%, 10% to 15%, 15% to 20%, 20% to 25%, 25% to 30%, from 30% to 35%, from 35% to 40%, from 40% to 50%, from 50% to 55%, from 55% to 60%, from 60% to 65%, or from 65% to 70%. The introduction of glass or polymer hollow beads provides for further expansion of the achievable porosity of the polymer foam article made in accordance with the methods described herein. In some embodiments, more than 70% porosity can be achieved. However, polymer foam articles having 70% porosity are characterized as having a continuous polymer matrix throughout its volume with air cavities distributed therein, including molded articles having a volume greater than 5000 cm 3 , a thickness greater than 2 cm, or both a volume greater than 5000 cm 3 and a thickness greater than 2 cm.
[00113] В некоторых вариантах исполнения термопластичный полимер и источник пневматогена смешивают до введения смеси в устройство для смешения в расплаве, для нагревания и перемешивания. В других вариантах исполнения термопластичный полимер и источник пневматогена добавляют по отдельности в устройство для смешения в расплаве, так, как через два отдельных впускных канала или порта, имеющихся для введения материалов в устройство для смешения в расплаве. В еще других вариантах исполнения твердую смесь, включающую как термопластичный полимер, так и источник пневматогена, добавляют через единственный впускной канал устройства для смешения в расплаве для нагревания и перемешивания.[ 00113 ] In some embodiments, the thermoplastic polymer and the pneumatogen source are mixed before the mixture is introduced into the melt mixing device for heating and mixing. In other embodiments, the thermoplastic polymer and the pneumatogen source are added separately to the melt mixing device, such as through two separate inlet channels or ports provided for introducing materials into the melt mixing device. In still other embodiments, the solid mixture, including both the thermoplastic polymer and the pneumatogen source, is added through a single inlet channel of the melt mixing device for heating and mixing.
[00114] В вариантах исполнения в устройство для смешения в расплаве вместе с термопластичным полимером и источником пневматогена вводят или добавляют один или более дополнительные материалы; такие дополнительные материалы обычно примешивают или смешивают с термопластичным полимером и источником пневматогена, или с обоими; или один или более дополнительные материалы добавляют в устройство для смешения в расплаве по отдельности, например, через индивидуальный порт или впускной канал. Примеры подходящих дополнительных материалов включают окрашивающие вещества (красители и пигменты), стабилизаторы, осветлители, зародышеобразователи, волокна, дисперсные материалы и наполнители. Конкретные примеры некоторых пригодных материалов включают тальк, диоксид титана, стеклянные полые шарики или бусинки, частицы термопластичного полимера, волокна, бусинки или полые шарики, и частицы термореактивного полимера, волокна, бусинки или полые шарики. Дополнительные примеры пригодных материалов включают волокна, такие как стеклянные волокна, углеродные волокна, целлюлозные волокна, и включающая волокна целлюлоза, натуральные волокна, такие как хлопковые или шерстяные волокна, и синтетические волокна, такие как сложнополиэфирные, полиамидные или арамидные волокна; и включают микроволокна, нановолокна, извитые волокна, нарезанные или нарубленные волокна, смешанные фазоразделенные волокна, такие как двухкомпонентные волокна, включающие любые из вышеуказанных полимеров, и термореактивные материалы, образованные из любых из вышеуказанных полимеров. Дополнительными примерами подходящих дополнительных материалов являются материалы отходов, надлежащим образом нарезанные или нарубленные, и включающие текстильные или нетканые материалы, тряпки или бумагу; песок, гравий, дробленый камень, шлак, повторно используемый бетон и геосинтетические заполнители; и прочие биологические, органические и минеральные отходы и смешанные потоки их. Дополнительными примерами подходящих добавочных материалов являются минералы, такие как карбонат кальция и доломит, глины, такие как монтмориллонит, сепиолит и бентонит, слюды, волластонит, смеси гидромагнезита и хантита, синтетические минералы, кремнеземные агломераты или коллоиды, гидроксид алюминия, алюмосиликатные композитные коллоиды и дисперсии, нанотрубки из халлоизита, гидроксид магния, основный карбонат магния, осажденный карбонат кальция, и оксид сурьмы. Дополнительные примеры подходящих добавочных материалов включают углеродсодержащие наполнители, такие как графит, графен, графеновые квантовые точки, углеродные нанотрубки, и C60-фуллерены. Дополнительные примеры подходящих добавочных материалов включают теплопроводные наполнители, такие как нитрид бора (BN) и поверхностно-обработанный BN.[ 00114 ] In embodiments, one or more additional materials are introduced or added to the melt mixing device along with the thermoplastic polymer and the pneumatogen source; such additional materials are typically mixed or blended with the thermoplastic polymer and the pneumatogen source, or both; or one or more additional materials are added to the melt mixing device separately, such as through an individual port or inlet. Examples of suitable additional materials include colorants (dyes and pigments), stabilizers, clarifiers, nucleating agents, fibers, particulate materials, and fillers. Specific examples of some suitable materials include talc, titanium dioxide, glass hollow spheres or beads, thermoplastic polymer particles, fibers, beads, or hollow spheres, and thermosetting polymer particles, fibers, beads, or hollow spheres. Further examples of suitable materials include fibers such as glass fibers, carbon fibers, cellulose fibers, and fiber-containing cellulose, natural fibers such as cotton or wool fibers, and synthetic fibers such as polyester, polyamide, or aramid fibers; and include microfibers, nanofibers, crimped fibers, chopped or sliced fibers, mixed phase-separated fibers such as bicomponent fibers including any of the above polymers, and thermosetting materials formed from any of the above polymers. Further examples of suitable additional materials are waste materials, suitably chopped or sliced, and including textile or non-woven materials, rags, or paper; sand, gravel, crushed stone, slag, recycled concrete, and geosynthetic aggregates; and other biological, organic, and mineral wastes and mixed streams thereof. Additional examples of suitable additive materials include minerals such as calcium carbonate and dolomite, clays such as montmorillonite, sepiolite, and bentonite, micas, wollastonite, mixtures of hydromagnesite and huntite, synthetic minerals, silica agglomerates or colloids, aluminum hydroxide, aluminosilicate composite colloids and dispersions, halloysite nanotubes, magnesium hydroxide, basic magnesium carbonate, precipitated calcium carbonate, and antimony oxide. Additional examples of suitable additive materials include carbon-containing fillers such as graphite, graphene, graphene quantum dots, carbon nanotubes, and C 60 -fullerenes. Additional examples of suitable additive materials include thermally conductive fillers such as boron nitride (BN) and surface-treated BN.
[00115] В вариантах исполнения один или более дополнительные материалы вводят или добавляют в устройство для смешения в расплаве вместе с термопластичным материалом и источником пневматогена в количестве от около 0,1% до 50% массы термопластичного полимера, например, от 0,1% до 45%, от 0,1% до 40%, от 0,1% до 35%, от 0,1% до 30%, от 0,1% до 25%, от 0,1% до 20%, от 0,1% до 15%, от 0,1% до 10%, от 0,1% до 9%, от 0,1% до 8%, от 0,1% до 7%, от 0,1% до 6%, от 0,1% до 5%, от 0,1% до 4%, от 0,1% до 3%, от 0,1% до 2%, от 0,1% до 1%, от 1% до 50%, от 2% до 50%, от 3% до 50%, от 4% до 50%, от 5% до 50%, от 6% до 50%, от 7% до 50%, от 8% до 50%, от 9% до 50%, от 10% до 50%, от 11% до 50%, от 12% до 50%, от 13% до 50%, от 14% до 50%, от 15% до 50%, от 20% до 50%, от 25% до 50%, от 30% до 50%, от 35% до 50%, от 40% до 50%, от 45% до 50%, от 0,1% до 2%, от 2% до 5%, от 5% до 10%, от 10% до 15%, от 15% до 20%, от 20% до 25%, от 25% до 30%, от 30% до 35%, от 35% до 40%, от 40% до 45%, или от 45% до 50% массы термопластичного полимера, добавляемого в устройства для смешения в расплаве с образованием впрыскиваемого материала.[ 00115 ] In embodiments, one or more additional materials are introduced or added to the melt mixing device together with the thermoplastic material and the pneumatogen source in an amount of from about 0.1% to 50% by weight of the thermoplastic polymer, such as from 0.1% to 45%, from 0.1% to 40%, from 0.1% to 35%, from 0.1% to 30%, from 0.1% to 25%, from 0.1% to 20%, from 0.1% to 15%, from 0.1% to 10%, from 0.1% to 9%, from 0.1% to 8%, from 0.1% to 7%, from 0.1% to 6%, from 0.1% to 5%, from 0.1% to 4%, from 0.1% to 3%, from 0.1% to 2%, from 0.1% to 1%, from 1% to 50%, from 2% to 50%, from 3% to 50%, from 4% to 50%, from 5% to 50%, from 6% to 50%, from 7% to 50%, from 8% to 50%, from 9% to 50%, from 10% to 50%, from 11% to 50%, from 12% to 50%, from 13% to 50%, from 14% to 50%, from 15% to 50%, from 20% to 50%, from 25% to 50%, from 30% to 50%, from 35% to 50%, from 40% to 50%, from 45% to 50%, from 0.1% to 2%, 2% to 5%, 5% to 10%, 10% to 15%, 15% to 20%, 20% to 25%, 25% to 30%, 30% to 35%, 35% to 40%, 40% to 45%, or 45% to 50% by weight of the thermoplastic polymer added to the melt mixing devices to form the injection material.
[00116] Соответственно этому, в отношении устройств для смешения в расплаве, которые не являются экструдерами, квалифицированному специалисту будет понятно, что следующие способы будут иметь результатом расплавленную полимерную пену, имеющую значительные технические преимущества, описанные в приведенных ниже разделах. Способ формировании и сбора расплавленной полимерной пены включает следующее: нагревание и смешение термопластичного полимера и источника пневматогена с образованием расплавленной пневматической смеси, причем температура расплавленной пневматической смеси превышает критическую температуру источника пневматогена, и давление, прилагаемое к расплавленной пневматической смеси, является достаточным для по существу предотвращения образования пневмополостей; накопление выбранного количества расплавленной пневматической смеси в сборной зоне; создание объемного расширения в сборной зоне вблизи расплавленной пневматической смеси, которое приводит к падению давления; поддерживание объемного расширения в течение времени периода расширения; и сбор расплавленной полимерной пены из сборной зоны. В вариантах исполнения расплавленная пневматическая смесь остается непотревоженной или по существу непотревоженной во время периода расширения.[ 00116 ] Accordingly, with respect to melt mixing devices that are not extruders, it will be understood by one skilled in the art that the following methods will result in a molten polymer foam having significant technical advantages as described in the sections below. A method of forming and collecting molten polymer foam comprises the following: heating and mixing a thermoplastic polymer and a pneumatogen source to form a molten pneumatic mixture, wherein the temperature of the molten pneumatic mixture exceeds a critical temperature of the pneumatogen source and a pressure applied to the molten pneumatic mixture is sufficient to substantially prevent the formation of pneumatogen voids; accumulating a selected amount of the molten pneumatic mixture in a collection area; creating a volumetric expansion in the collection area near the molten pneumatic mixture that causes a pressure drop; maintaining the volumetric expansion during the expansion period; and collecting the molten polymer foam from the collection area. In embodiments, the molten pneumatic mixture remains undisturbed or substantially undisturbed during the expansion period.
[00117] В некоторых вариантах исполнения сбор расплавленной полимерной пены включает введение расплавленной полимерной пены в полость, образованную пресс-формой; и охлаждение расплавленной полимерной пены ниже температуры плавления термопластичного полимера для получения изделия из полимерной пены. В вариантах исполнения, где расплавленную полимерную пену вводят в полость пресс-формы, охлажденная полимерная пена приобретает форму и размеры пресс-формы, причем тогда полимерная пена характеризуется как непрерывная полимерная матрица, имеющая пневмополости, распределенные во всем объеме изделия. В вариантах исполнения расплавленную полимерную пену вводят в полость пресс-формы с возможностью течения расплавленной полимерной пены и поступления ее в полость пресс-формы под действием силы тяжести; в некоторых таких вариантах исполнения течение является беспрепятственным и обеспечивающим заполнение открытой полости. В других вариантах исполнения расплавленную полимерную пену вводят в режиме напорного течения в формующий элемент. В вариантах исполнения расплавленную полимерную пену подают в полость пресс-формы в сообщении по текучей среде с нею через сопло или другое устройство для подачи расплавленной полимерной пены из сборной зоны устройства для смешения в расплаве.[ 00117 ] In some embodiments, collecting molten polymer foam includes introducing molten polymer foam into a cavity formed by a mold; and cooling the molten polymer foam below the melting temperature of the thermoplastic polymer to form an article made of polymer foam. In embodiments where molten polymer foam is introduced into the mold cavity, the cooled polymer foam takes on the shape and dimensions of the mold, and then the polymer foam is characterized as a continuous polymer matrix having air cavities distributed throughout the volume of the article. In embodiments, molten polymer foam is introduced into the mold cavity with the ability of the molten polymer foam to flow and enter the mold cavity under the action of gravity; in some such embodiments, the flow is unimpeded and ensures filling of the open cavity. In other embodiments, molten polymer foam is introduced in a pressurized flow mode into the molding element. In embodiments, molten polymer foam is fed into the mold cavity in fluid communication with it through a nozzle or other device for feeding molten polymer foam from the collection zone of the melt mixing device.
[00118] Например, в вариантах исполнения экструдер приспособлен и предназначен для дозирования расплавленной смеси из выпускного канала в формующий элемент, который представляет собой пресс-форму, образующую полость в ней, и рассчитанную и приспособленную для принятия расплавленной полимерной смеси, такой как расплавленная пневматическая смесь. В вариантах исполнения формующий элемент представляет собой пресс-форму, конфигурированную и приспособленную для принятия расплавленного термопластичного полимера, выводимого из выпускного канала, причем, кроме того, пресс-форма, как правило, характеризуется как формирующая выемку или полость, имеющую выбранные форму и размеры желательного изделия.[ 00118 ] For example, in embodiments, the extruder is adapted and designed to dispense molten mixture from an outlet port into a forming element, which is a mold that forms a cavity therein and is designed and adapted to receive the molten polymer mixture, such as a molten pneumatic mixture. In embodiments, the forming element is a mold configured and adapted to receive the molten thermoplastic polymer discharged from the outlet port, and, in addition, the mold is typically characterized as forming a recess or cavity having a selected shape and dimensions of the desired article.
[00119] В вариантах исполнения дозирование из экструдера выполняют механическим нагнетанием, приложением давления газообразного материала изнутри барабана экструдера, или их комбинацией. В других вариантах исполнения после истечения периода расширения просто открывают выпускной канал, клапан, заслонку, сопло или дверцу в сборной зоне, и расплавленная полимерная пена может вытекать беспрепятственно через выпускной канал; затем поток расплава направляют для заполнения формующего элемента. В других вариантах исполнения формующий элемент находится в сообщении по текучей среде с выпускным каналом, и дополнительно рассчитан и приспособлен для заполнения расплавленной смесью так, что расплавленная смесь приобретает выбранную форму, когда охлаждается и затвердевает. В некоторых вариантах исполнения формующий элемент находится в сообщении по текучей среде с выпускным каналом экструдера так, что поддерживают давление между сборной зоной, выпускным каналом и формующим элементом или пресс-формой. В любом традиционном способе формования или литья термопластичного материала, связанном с инжекционным формованием полимерных изделий, таких как изделия из полимерной пены, надлежащим образом применяют формование описанных здесь расплавленных полимерных пен.[ 00119 ] In embodiments, dispensing from the extruder is accomplished by mechanical pumping, by applying pressure of gaseous material from within the extruder barrel, or by a combination thereof. In other embodiments, after the expansion period has elapsed, an outlet channel, valve, damper, nozzle, or door in the collection area is simply opened, and the molten polymer foam is allowed to flow unimpeded through the outlet channel; the melt stream is then directed to fill the molding element. In other embodiments, the molding element is in fluid communication with the outlet channel, and is further designed and adapted to be filled with the molten mixture so that the molten mixture takes on a selected shape when it cools and solidifies. In some embodiments, the molding element is in fluid communication with the outlet channel of the extruder so that pressure is maintained between the collection area, the outlet channel, and the molding element or mold. Any conventional thermoplastic molding or casting process involving injection molding of polymeric articles, such as polymeric foam articles, properly utilizes the molding of the molten polymeric foams described herein.
[00120] В вариантах исполнения, где обеспечивают свободное течение расплавленной полимерной пены через выпускной канал, или вытесняют ее под давлением из выпускного канала без дополнительного сопротивления течения, поток расплава в конечном счете сталкивается с поверхностью, такой как поверхность, обычно перпендикулярная направлению течения расплава. Авторы настоящего изобретения наблюдали, что поток в таких обстоятельствх затем приобретает в целом цилиндрическую (закручивающуюся в спираль) и планарную (складчатую) форму во время непрерывного течения расплава, такую, как сообщают авторы Batty и Bridson, «Accurate Viscous Free Surfaces for Buckling, Coiling, and Rotating Liquids», Symposium on Computer Animation (материалы Симпозиума по компьютерной анимации), Дублин, июль 2008 года. В вариантах исполнения расплавленной полимерной пене дают вытекать, или свободно «выливаться» из выпускного канала устройства для смешения в расплаве и поступать в пресс-форму, которая сформирована как открытый контейнер. В вариантах исполнения пресс-форму в виде открытого контейнера целиком заполняют расплавленной полимерной пеной; в других вариантах исполнения пресс-форму в виде открытого контейнера частично заполняют расплавленной полимерной пеной.[ 00120 ] In embodiments where molten polymer foam is allowed to flow freely through an outlet port, or is forced under pressure from an outlet port without additional flow resistance, the melt flow eventually encounters a surface, such as a surface generally perpendicular to the direction of melt flow. The inventors of the present invention have observed that the flow in such circumstances then takes on a generally cylindrical (spiraling) and planar (folded) shape during continuous melt flow, such as reported by Batty and Bridson, "Accurate Viscous Free Surfaces for Buckling, Coiling, and Rotating Liquids," Symposium on Computer Animation, Dublin, July 2008. In embodiments, molten polymer foam is allowed to flow, or "spill," freely from the outlet port of a melt mixing device and enter a mold that is formed as an open container. In some embodiments, the open container mold is completely filled with molten polymer foam; in other embodiments, the open container mold is partially filled with molten polymer foam.
[00121] В некоторых вариантах исполнения, имеющих отношение к описанному выше спиральному течению расплава, поток расплава по существу не испытывает сдвиговой нагрузки, или по существу представляет собой линейный поток расплава, или представляет собой поток расплава, который является по существу линейным и свободным от сдвиговой нагрузки, создавая сообщение по текучей среде между выпускным каналом экструдера и внутренностью полости пресс-формы. В некоторых таких вариантах исполнения поток расплава может приобретать спиральную форму течения расплава, либо в результате столкновения с перпендикулярной поверхностью, либо при стекании вниз по существу по вертикальной стенке или стороне полости пресс-формы, и собираясь на дне полости пресс-формы. Схематическое представление одного из таких вариантов исполнения показано в ФИГ. 41, которая показывает вариант экструдера из ФИГ. 1А-1В, в котором пресс-форма 26 устройства 20 находится на по существу горизонтальной поверхности 100. В ссылке на элементы, как показанные в ФИГ. 1А-1В, отсутствует запорный клапан 37 на дальнем конце 21b барабана 21; вместо него в ФИГ. 41 сборная зона 40 распространяется до клапана 137 пресс-формы, размещенного рядом с полостью 39 пресс-формы. Таким образом, клапан 137 пресс-формы действует как формирующий сборную зону 40, или для создания выпускного канала для дозирования расплавленной полимерной пены в полость 39 пресс-формы в виде по существу линейного горизонтального потока 110. Клапан 137 пресс-формы находится на высоте Н выше горизонтальной поверхности 100, и на высоте Н2 над полом или дном 120 пресс-формы 26, как находящейся на горизонтальной поверхности 100. Со ссылкой на ФИГ. 41, клапан 137 пресс-формы селективно открывается для создания сообщения по текучей среде между сборной зоной 40 и полостью 39 пресс-формы. Таким образом, клапан 137 пресс-формы избирательно открывается для создания по существу линейного горизонтального течения 110 расплавленной полимерной пены, поступающей в полость 39 пресс-формы. При поступлении в полость 39 пресс-формы линейный поток стекает вниз на дистанцию Н2, и в некоторых вариантах исполнения приобретает спиральную форму потока расплава, когда происходит заполнение полости 39 пресс-формы. Другие родственные варианты способов и устройств рассматриваются в отношении создания закрученного потока расплава, как здесь описано.[ 00121 ] In some embodiments relating to the above-described spiral melt flow, the melt flow is substantially shear-free, or is a substantially linear melt flow, or is a melt flow that is substantially linear and shear-free, creating fluid communication between the outlet of the extruder and the interior of the mold cavity. In some such embodiments, the melt flow may acquire a spiral melt flow pattern either as a result of impinging on a perpendicular surface or by flowing down a substantially vertical wall or side of the mold cavity and collecting at the bottom of the mold cavity. A schematic representation of one such embodiment is shown in FIG. 41, which shows an embodiment of the extruder of FIGS. 1A-1B, in which the mold 26 of the device 20 is on a substantially horizontal surface 100. In reference to elements as shown in FIG. 1A-1B, there is no shut-off valve 37 at the distal end 21b of the drum 21; instead, in FIG. 41, the collecting zone 40 extends to the mold valve 137 located near the mold cavity 39. Thus, the mold valve 137 acts as forming the collecting zone 40, or to create a discharge channel for dosing the molten polymer foam into the mold cavity 39 in the form of a substantially linear horizontal flow 110. The mold valve 137 is at a height H above the horizontal surface 100, and at a height H2 above the floor or bottom 120 of the mold 26, as located on the horizontal surface 100. With reference to FIG. 41, the mold valve 137 is selectively opened to create a fluid communication between the collecting zone 40 and the mold cavity 39. Thus, the mold valve 137 is selectively opened to create a substantially linear horizontal flow 110 of molten polymer foam entering the mold cavity 39. Upon entering the mold cavity 39, the linear flow flows downward at a distance H2, and in some embodiments, takes on a spiral melt flow shape when the mold cavity 39 is filled. Other related embodiments of methods and devices are considered with respect to the creation of a swirling melt flow, as described herein.
[00122] В вариантах исполнения при охлаждении и извлечении изделия из полимерной пены из открытого контейнера или пресс-формы, размещенной, как показано в ФИГ. 41, картина закручивания и сминания течения видна на поверхности изделия. Один пример такой видимой картины течения можно видеть, например, в ФИГ. 2-2 и 2-4. При криогенном раздроблении и обследовании под микроскопом внутренней части изделий из полимерной пены, сформированных с использованием закрученного и складчатого потока, внутренняя часть изделия не содержит или по существу не содержит картин течения, поверхностей раздела, или других свидетельств закручиваний и сминаний. Например, криогенное измельчение таких изделий из полимерной пены не происходит с растрескиванием по любой различимой поверхности раздела между витками и складками; и как макроскопическое, так и микроскопическое обследование внутренности таких изделий из полимерной пены дает однородный внешний вид в отношении картины течения. Физические свойства таких изделий из полимерной пены согласуются с физическими свойствами, полученными подверганием расплавленной полимерной пены направленному течению жидкости, в условиях сообщения по текучей среде между выпускным каналом устройства для смешения в расплаве и пресс-формой, или подверганием расплавленной полимерной пены направленному течению жидкости под давлением.[ 00122 ] In embodiments, when a polymer foam article is cooled and removed from an open container or mold positioned as shown in FIG. 41, a swirling and wrinkled flow pattern is visible on the surface of the article. One example of such a visible flow pattern can be seen, for example, in FIGS. 2-2 and 2-4. When the interior of polymer foam articles formed using swirling and wrinkled flow is cryogenically crushed and examined under a microscope, the interior of the article is free or substantially free of flow patterns, interfaces, or other evidence of swirling and wrinkled flow. For example, cryogenic crushing of such polymer foam articles does not result in cracking at any discernible interface between swirls and folds; and both macroscopic and microscopic examination of the interior of such polymer foam articles yields a uniform appearance with respect to the flow pattern. The physical properties of such polymer foam articles are consistent with the physical properties obtained by subjecting molten polymer foam to a directed flow of liquid under conditions of fluid communication between the outlet channel of the melt mixing device and the mold, or by subjecting molten polymer foam to a directed flow of liquid under pressure.
[00123] В некоторых вариантах исполнения способы здесь включают по существу заполнение пресс-формы расплавленной полимерной пеной, образованной в соответствии с описанными выше способами, затем охлаждение расплавленной полимерной пены с образованием отвержденной полимерной пены; и, кроме того, в вариантах исполнения удаление изделия из отвержденной полимерной пены из пресс-формы. В вариантах исполнения охлаждение представляет собой остывание до температуры ниже температуры перехода термопластичного полимера в расплавленное состояние. В вариантах исполнения охлаждение представляет собой остывание до температуры в равновесии с температурой окружающей среды. В некоторых вариантах исполнения пресс-форма дополнительно включает одно или более вентиляционные отверстия для выравнивания давления в пресс-форме во время ее заполнения расплавленной полимерной пеной, но в других вариантах исполнения вентиляционные отверстия не присутствуют. После охлаждения изделие из полимерной пены может быть извлечено из пресс-формы для дополнительного модифицирования или использования.[ 00123 ] In some embodiments, the methods herein include essentially filling a mold with molten polymer foam formed in accordance with the above-described methods, then cooling the molten polymer foam to form a cured polymer foam; and, further, in embodiments, removing an article of the cured polymer foam from the mold. In embodiments, cooling is cooling to a temperature below the transition temperature of the thermoplastic polymer in the molten state. In embodiments, cooling is cooling to a temperature in equilibrium with the ambient temperature. In some embodiments, the mold further includes one or more vents to equalize pressure in the mold during its filling with molten polymer foam, but in other embodiments, vents are not present. After cooling, the article of the polymer foam can be removed from the mold for further modification or use.
[00124] В соответствии с любым из приведенных выше описаний, Таблица 1 представляет полезные, но не ограничивающие примеры условий обработки, использованные для получения расплавленной полимерной пены с применением стандартного одношнекового экструдера типа устройства для реакционного инжекционного формования, кроме того, с использованием одного или многих показательных термопластичных полимеров и источника пневматогена на основе лимонной кислоты, как указано.[ 00124 ] In accordance with any of the above descriptions, Table 1 presents useful, but non-limiting, examples of processing conditions used to produce molten polymer foam using a standard single-screw extruder of the reaction injection molding type, further using one or more representative thermoplastic polymers and a citric acid-based pneumatogen source, as indicated.
[00125] Таблица 1. Показательные термопластичные полимеры и условия,[ 00125 ] Table 1. Representative thermoplastic polymers and conditions,
применимые для получения и формования расплавленных полимерных пен.applicable for the production and formation of molten polymer foams.
/70% PP30% LDPE
/70% PP
Hydrocerol BIH 70 (эндотермический) или
Hydrocerol XH-901 (экзотермический)Foaming agent, %
Hydrocerol BIH 70 (endothermic) or
Hydrocerol XH-901 (exothermic)
+0,5% (экзо-терми-ческий)3% (endo)
+0.5% (exothermic)
[00126] В вариантах исполнения размеры пресс-форм, эффективно применяемые для формования изделий из полимерной пены, полученных с использованием раскрытых здесь способов и материалов, включают пресс-формы, которые определяют полости, которые могут быть заполнены единственным впрыском расплавленной полимерной пены, или серии полостей, которые могут быть заполнены единственным впрыском расплавленной полимерной пены. Сам по себе размер полости пресс-формы ограничен только величиной впрыскиваемого материала, который может быть накоплен в устройстве для смешения в расплаве, применяемом пользователем. Показательные полости пресс-форм, имеющие объемы вплоть до 1×105 см3, применимы для получения крупных деталей, таких как автомобильная кабина или наружные детали, конструкционные детали в виде двутавровых (I) балок, и другие крупные пластмассовые детали, в которых эффективно применяют полимерную пену. Кроме того, форма полостей пресс-форм не является конкретно ограниченной, и может быть сложной в плане общих очертаний, и с плоскими поверхностными профилями и признаками, например, формы, распознаваемые как гантели, столовые приборы, декоративные глобусы с выступающими географическими элементами, формы в виде людей, или животных, или насекомых, форму рамки или футляра для обрамления или упаковки, например, электронных изделий, приборов, автомобилей, и тому подобных, формы для последующего размещения и пригонки винтов, болтов и прочих нетермопластичных предметов в изделии из полимерной пены или через него; и тому подобные представляют собой все пригодные профили пресс-форм для формования изделия из полимерной пены, как здесь описано. В некоторых вариантах исполнения полость включает градиент толщины вплоть до 300% от одного или многих участков полости.[ 00126 ] In embodiments, mold sizes that are effectively used to form polymer foam articles produced using the methods and materials disclosed herein include molds that define cavities that can be filled with a single injection of molten polymer foam, or a series of cavities that can be filled with a single injection of molten polymer foam. The mold cavity size itself is limited only by the amount of injected material that can be accumulated in the melt mixing device used by the user. Exemplary mold cavities having volumes of up to 1×10 5 cm 3 are useful for producing large parts such as automotive cabin or exterior parts, I-beam structural parts, and other large plastic parts that effectively utilize polymer foam. Furthermore, the shape of the mold cavities is not particularly limited and may be complex in terms of overall outlines and with flat surface profiles and features, such as shapes recognizable as dumbbells, cutlery, decorative globes with protruding geographic elements, shapes in the form of people, animals, or insects, the shape of a frame or case for framing or packaging, for example, electronic products, devices, automobiles, and the like, shapes for the subsequent placement and fitting of screws, bolts and other non-thermoplastic objects in or through an article made of polymer foam; and the like are all suitable profiles of molds for molding an article made of polymer foam, as described herein. In some embodiments, the cavity includes a thickness gradient of up to 300% from one or more regions of the cavity.
[00127] В соответствии с любым из приведенных выше описаний, Таблица 2 представляет полезные, но не ограничивающие примеры объемов и размеров полостей пресс-форм для формования расплавленных полимерных пен, либо при течении под давлением, или при свободном течении расплавленной полимерной пены в пресс-форму. Кроме того, большие объемы пресс-форм, такие как до 100000 см3 или больше, применимы, где масса впрыскиваемого материала надлежащим образом увеличена.[ 00127 ] In accordance with any of the above descriptions, Table 2 provides useful, but non-limiting, examples of mold cavity volumes and sizes for molding molten polymer foams, either by flowing under pressure or by free flowing molten polymer foam into the mold. In addition, larger mold volumes, such as up to 100,000 cm3 or more, are applicable where the mass of material injected is suitably increased.
[00128] Таблица 2. Показательные объемы и размеры полостей пресс-форм, применимых для формования расплавленных полимерных пен.[ 00128 ] Table 2. Representative volumes and dimensions of mold cavities applicable for molding molten polymer foams.
[00129] Любые способы, процессы, варианты применения, машины, устройства, или их индивидуальные признаки, описанные выше, могут быть свободно комбинированы друг с другом с образованием полимерных пен и изделий из полимерной пены, имеющих уникальные и неожиданные характеристики. Так, в вариантах исполнения изделие из полимерной пены формируют с использованием описанных выше способов, материалов и устройств. Изделие из полимерной пены представляет собой обособленный монолитный объект, полученный формованием или литьем расплавленной полимерной пены в соответствии с любыми из раскрытых выше способов и материалов, а также их вариаций, которые могут быть сочетаемыми в любой части и любым путем с образованием расплавленной полимерной пены, как описано выше.[ 00129 ] Any of the methods, processes, applications, machines, devices, or individual features thereof described above may be freely combined with one another to form polymer foams and polymer foam articles having unique and unexpected characteristics. Thus, in embodiments, the polymer foam article is formed using the methods, materials, and devices described above. The polymer foam article is a separate monolithic object obtained by molding or casting molten polymer foam in accordance with any of the methods and materials disclosed above, as well as variations thereof, which may be combined in any part and in any way to form molten polymer foam, as described above.
[00130] Соответственно этому, терминология, использованная для обозначения способов, материалов и устройств в приведенном выше обсуждении, применена ниже для указания изделий, выполненных с использованием одного или многих способов, материалов и устройств, описанных в приведенном выше обсуждении.[ 00130 ] Accordingly, the terminology used to refer to methods, materials, and devices in the above discussion is used below to refer to articles made using one or more of the methods, materials, and devices described in the above discussion.
[00131] В вариантах исполнения любая комбинация вышеуказанных способов имеет результатом образование изделия из полимерной пены, включающего, состоящего по существу из непрерывной матрицы термопластичного полимера, или состоящего из нее, образующей множество пневмополостей. Непрерывная матрица термопластичного полимера включает, состоит из твердого термопластичного материала, или по существу состоит из него, то есть, термопластичный полимер присутствует при температуре ниже температуры перехода в расплавленное состояние. В вариантах исполнения непрерывная матрица термопластичного полимера, кроме того, включает один или более дополнительные материалы, диспергированные в твердом термопластичном полимере.[ 00131 ] In embodiments, any combination of the above methods results in the formation of an article from a polymer foam, which comprises, consists essentially of, or consists of a continuous matrix of a thermoplastic polymer, forming a plurality of air cavities. The continuous matrix of a thermoplastic polymer comprises, consists of, or consists essentially of a solid thermoplastic material, that is, the thermoplastic polymer is present at a temperature below the transition temperature to the molten state. In embodiments, the continuous matrix of a thermoplastic polymer, furthermore, includes one or more additional materials dispersed in the solid thermoplastic polymer.
[00132] Изделия из полимерной пены имеют сниженные плотности, в расчете на плотность термопластичного полимера и любых других материалов, добавленных с образованием полимерной пены, на выбранное число процентов, на основе количества источника пневматогена, добавленного во впрыскиваемый материал. В вариантах исполнения снижение плотности составляет на 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, и даже до 80% сниженную плотность, как выбрано пользователем. В вариантах исполнения снижение плотности до 85% достигают только благодаря присутствию пневмополостей, непрерывно распределенных в полимерной матрице. В вариантах исполнения изделия из полимерной пены не содержат полые дисперсные частицы, такие как полимерные или стеклянные пустотелые шарики, добавленные во впрыскиваемый материал перед формованием изделия из полимерной пены с использованием описанных здесь способов и устройств.[ 00132 ] Polymer foam articles have reduced densities, based on the density of the thermoplastic polymer and any other materials added to form the polymer foam, by a selected number of percent, based on the amount of the pneumatogen source added to the injected material. In embodiments, the density reduction is 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, and even up to 80% reduced density, as selected by the user. In embodiments, a density reduction of up to 85% is achieved solely due to the presence of air cavities continuously distributed in the polymer matrix. In embodiments, the polymer foam articles do not contain hollow dispersed particles, such as polymer or glass hollow beads, added to the injected material before molding the polymer foam article using the methods and devices described herein.
[00133] Кроме того, в связи со сниженной плотностью, как упомянуто выше, изделия из полимерной пены здесь характеризуются как имеющие непрерывную матрицу термопластичного полимера на всем их протяжении, или по существу на всем их протяжении. Авторы настоящего изобретения нашли, что крупные изделия из полимерной пены могут быть эффективно сформованы из описанных здесь расплавленных полимерных пен, будучи включающими непрерывную полимерную матрицу, содержащую множество пневмополостей. «Крупные» изделия представляют собой такие, которые имеют объемы 1000 см3 или более, например, 2000 см3 или более, 3000 см3 или более, 4000 см3 или более, или 5000 см3 или более, или любые объемы между 1000 см3 и 5000 см3; и включающие объемы до 10000 см3, до 20000 см3, до 50000 см3, или даже до 100000 см3 или больше. Так, крупные изделия из полимерной пены могут быть эффективно сформованы включающими непрерывную полимерную матрицу, содержащую множество пневмополостей на всем ее протяжении. Объем изделия ограничен только размером полости пресс-формы и величиной впрыскиваемого материала, который может быть накоплен в устройстве для смешения в расплаве. В вариантах исполнения крупное изделие формуют единственным впрыском, дозированным из единственного выпускного канала устройства для смешения в расплаве, то есть, без разделения потока расплавленной полимерной пены на многочисленные одновременно распределяющие трубы, сопла, или другие способы направления многих потоков одновременно в единственную полость пресс-формы.[ 00133 ] Furthermore, in connection with the reduced density as mentioned above, the polymeric foam articles herein are characterized as having a continuous thermoplastic polymer matrix throughout, or substantially throughout, their entire length. The inventors of the present invention have found that large polymeric foam articles can be effectively formed from the molten polymeric foams described herein by including a continuous polymer matrix containing a plurality of air voids. "Large" articles are those having volumes of 1000 cm3 or more, such as 2000 cm3 or more, 3000 cm3 or more, 4000 cm3 or more, or 5000 cm3 or more, or any volumes between 1000 cm3 and 5000 cm3 ; and including volumes of up to 10,000 cm3 , up to 20,000 cm3 , up to 50,000 cm3 , or even up to 100,000 cm3 or more. Thus, large polymer foam articles can be effectively molded by incorporating a continuous polymer matrix containing multiple air cavities throughout its entire length. The article volume is limited only by the mold cavity size and the amount of injected material that can accumulate in the melt mixing device. In embodiments, a large article is molded with a single injection, dosed from a single outlet channel of the melt mixing device, that is, without dividing the flow of molten polymer foam into multiple simultaneous distribution pipes, nozzles, or other methods of directing multiple streams simultaneously into a single mold cavity.
[00134] Кроме того, авторы настоящего изобретения нашли, что толстые изделия из полимерной пены могут быть эффективно сформованы включающими непрерывную полимерную матрицу, содержащую множество пневмополостей. Толщина, как здесь указанная, подразумевает прямолинейное расстояние сквозь внутренность изделия из полимерной пены между любыми двумя точками на его поверхности. «Толстые» изделия определяют как имеющие толщину 2 см или более, такую как 3 см, 4 см, 5 см, 6 см, 7 см, 8 см, 9 см, 10 см, 15 см, 20 см, 25 см, 30 см, 35 см, 40 см, 45 см, или даже 50 см или более. В некоторых вариантах исполнения изделие из полимерной пены сформировано с использованием описанных здесь способов и материалов, которое характеризуется как крупное и толстое, причем, кроме того, крупное, толстое изделие из полимерной пены тем не менее характеризуется как имеющее непрерывную полимерную матрицу, содержащую множество пневмополостей на всем протяжении изделия. В вариантах исполнения крупное, толстое изделие сформовано единственным впрыском, дозированным из единственного выпускного канала устройства для смешения в расплаве, то есть, без разделения потока расплавленной полимерной пены на многочисленные одновременно распределяющие трубы, сопла, или другие способы направления многих потоков одновременно в единственную полость пресс-формы.[ 00134 ] Furthermore, the inventors of the present invention have found that thick polymer foam articles can be effectively formed by including a continuous polymer matrix containing a plurality of air voids. Thickness, as referred to herein, means the straight-line distance through the interior of the polymer foam article between any two points on its surface. "Thick" articles are defined as having a thickness of 2 cm or more, such as 3 cm, 4 cm, 5 cm, 6 cm, 7 cm, 8 cm, 9 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm, 30 cm, 35 cm, 40 cm, 45 cm, or even 50 cm or more. In some embodiments, a polymer foam article formed using the methods and materials described herein is characterized as large and thick. Furthermore, the large, thick polymer foam article is characterized as having a continuous polymer matrix containing multiple air voids throughout the article. In these embodiments, the large, thick article is formed with a single injection, dosed from a single outlet port of a melt mixing device, i.e., without dividing the molten polymer foam flow into multiple simultaneous distribution pipes, nozzles, or other methods of directing multiple streams simultaneously into a single mold cavity.
[00135] Изготовление крупных, толстых, или крупных и толстых изделий из полимерной пены в промышленности является проблематичным вследствие градиента охлаждения расплавленной пены после дозирования ее в полость, имеющую такие размеры. Внутренность таких изделий склонна к очень медленному охлаждению, и некоторая часть термопластичного полимера, находящегося в полости пресс-формы, может оставаться при температуре выше температуры его плавления, обусловливая значительное слияние пневмополостей до отверждения термопластичного материала (по достижении температуры ниже его перехода в расплавленное состояние). В резком контрасте с этим, авторы настоящего изобретения нашли, что крупные изделия, толстые изделия, и крупные, толстые изделия надлежащим образом сформированы с использованием раскрытых здесь способов, материалов и устройств, причем, кроме того, сформованное изделие из полимерной пены характеризуется непрерывной полимерной матрицей, имеющей пневмополости, распределенные на всем протяжении изделия. Медленное охлаждение крупных изделий проявляет минимальное или вообще отсутствующее свидетельство слияния пневмополостей во время охлаждения. Пневмополости остаются незатронутыми или по существу незатронутыми во время охлаждения расплавленной полимерной пены, и не сливаются во время охлаждения, приводя к непрерывной полимерной матрице независимо от размера, толщины или объема сформированного изделия из полимерной пены.[ 00135 ] The manufacture of large, thick, or large and thick polymer foam articles is challenging in industry due to the cooling gradient of the molten foam after it is dispensed into a cavity of such dimensions. The interior of such articles tends to cool very slowly, and some of the thermoplastic polymer in the mold cavity may remain above its melting temperature, causing significant fusion of the air voids before the thermoplastic material cures (reaches a temperature below its molten transition state). In sharp contrast, the inventors of the present invention have found that large articles, thick articles, and large, thick articles are properly formed using the methods, materials, and apparatuses disclosed herein, wherein the molded polymer foam article is further characterized by a continuous polymer matrix having air voids distributed throughout the article. Slow cooling of the large articles exhibits minimal or no evidence of fusion of the air voids during cooling. The air voids remain intact or substantially intact during cooling of the molten polymer foam and do not coalesce during cooling, resulting in a continuous polymer matrix regardless of the size, thickness, or volume of the formed polymer foam article.
[00136] Этот признак описанных здесь изделий из полимерной пены оказывается неожиданным и непредсказуемым: способы согласно прототипу имеют результатом пены, которые склонны испытывать слияние пневмополостей во время охлаждения. Соответственно этому, расплавленная полимерная пена по традиционной технологии, находящаяся во внутреннем объеме пресс-формы, может остывать настолько медленно, что пневмополости способны полностью сливаться, и, следовательно, внутренность крупного или толстого изделия, сформированного с использованием стандартных способов вспенивания полимеров, могут получать очень большие проемы или даже полностью разрушенную структуру в их внутренности. В резком контрасте с этим, расплавленные полимерные пены, образованные согласно настоящим способам, не подвержены существенному слиянию или разрушению непрерывной полимерной матрицы во время охлаждения расплавленной полимерной пены. Соответственно этому, крупные и толстые изделия из полимерной пены со непрерывной полимерной матрицей на всем их протяжении достигнуты с использованием описанных здесь способов, материалов и устройств.[ 00136 ] This feature of the polymer foam articles described herein is unexpected and unpredictable: the methods according to the prior art result in foams that are prone to merging of the air cavities during cooling. Accordingly, molten polymer foam according to the traditional technology, located in the interior volume of the mold, can cool so slowly that the air cavities are capable of completely merging, and, consequently, the interior of a large or thick article formed using standard polymer foaming methods can receive very large openings or even a completely destroyed structure in their interior. In sharp contrast to this, molten polymer foams formed according to the present methods are not subject to significant merging or destruction of the continuous polymer matrix during cooling of the molten polymer foam. Accordingly, large and thick polymer foam articles with a continuous polymer matrix throughout their entire length are achieved using the methods, materials and devices described herein.
[00137] Непрерывная полимерная матрица как структурный признак изделий из полимерной пены в соответствии с вышеуказанными способами, устройствами и материалами, характеризуется как наличествующая на всем протяжении изделия из полимерной пены, в том числе в его поверхностной области. Поверхностная область может быть соответственно охарактеризована как внутренняя область изделия из полимерной пены, которая находится в 500 микронах (мкм) или менее от поверхности. Поверхностная область, как здесь определяемая, представляет собой часть области вспененного изделия, обычно называемую «кожным слоем», который представляет собой зону, не содержащую пневмополости или по существу свободную от пневмополостей в изделии из полимерной пены, полученного с использованием стандартных способов. Традиционно сформированные изделия из полимерной пены включают кожный слой, который является по меньшей мере столь же толстым, как поверхностная область, то есть, с толщиной 500 микрон (мкм); но часто кожный слой является гораздо более толстым, и может пролегать так далеко, как на 1 мм, 1,5 мм, 2 мм, 2,5 мм, даже на 3 мм, от поверхности изделия. Однако изделия из полимерной пены, полученные с использованием раскрытых теперь способов, получают подлинную вспененную структуру от их поверхности и по всем их толщине и объему. В вариантах исполнения микроскопическое обследование показало доказательство наличия пневмополостей на поверхности изделий из полимерной пены, сформированных с использованием раскрытых здесь условий, способов и материалов. Соответственно этому, раскрытые здесь способы дают неожиданные результаты в плане непрерывного характера структуры полимерной матрицы на всем протяжении изделия из полимерной пены, по любому направлению, и в любой его области внутри очень крупных и/или толстых изделий из полимерной пены, и также у поверхности и в поверхностной области изделия.[ 00137 ] The continuous polymer matrix as a structural feature of polymer foam articles according to the above methods, devices and materials is characterized as being present throughout the polymer foam article, including in the surface region thereof. The surface region may accordingly be characterized as an internal region of the polymer foam article that is 500 microns (μm) or less from the surface. The surface region, as defined herein, is a portion of the region of the foam article commonly referred to as the "skin layer", which is an area that does not contain air voids or is substantially free of air voids in a polymer foam article produced using standard methods. Conventionally formed polymer foam articles include a skin layer that is at least as thick as the surface region, i.e., 500 microns (μm) thick; but often the skin layer is much thicker and can extend as far as 1 mm, 1.5 mm, 2 mm, 2.5 mm, even 3 mm from the surface of the article. However, polymer foam articles produced using the methods now disclosed possess a true foam structure from their surface and throughout their entire thickness and volume. In embodiments, microscopic examination has shown evidence of the presence of air voids on the surface of polymer foam articles formed using the conditions, methods, and materials disclosed herein. Accordingly, the methods disclosed herein yield unexpected results in terms of the continuous nature of the polymer matrix structure throughout the entire length of the polymer foam article, in any direction, and in any region within very large and/or thick polymer foam articles, as well as at the surface and in the surface region of the article.
[00138] Приведенные ниже Примеры включают анализы поверхностной области многих изделий из полимерной пены, выполненных с использованием раскрытых здесь способов, и которые проявляют эту непрерывную пенную структуру. При макроскопическом обследовании изделие из полимерной пены, сформированное с использованием раскрытых здесь способов, может выглядеть имеющим кожный слой; то есть, поверхностная область изделия может иметь вид, отличный от внутренней области изделия. Однако авторы настоящего изобретения нашли, что в резком контрасте с кожным слоем, который отличается отсутствием пневмополостей, поверхностные области изделий из полимерной пены, полученных настоящими способами, включают множество сжатых пневмополостей. При макроскопическом обследовании сжатые пневмополости создают внешний вид, напоминающий кожный слой; однако макроскопическим обследованием показано, что визуально явное отличие возникает вследствие «сплющенного» или сжатого состояния непрерывной полимерной матрицы вблизи поверхности изделия.[ 00138 ] The following Examples include analyses of the surface region of multiple polymer foam articles formed using the methods disclosed herein and which exhibit this continuous foam structure. When examined macroscopically, a polymer foam article formed using the methods disclosed herein may appear to have a dermal layer; that is, the surface region of the article may have a different appearance than the interior region of the article. However, the inventors of the present invention have found that, in sharp contrast to the dermal layer, which is characterized by the absence of air voids, the surface regions of polymer foam articles produced by the present methods include a plurality of compressed air voids. When examined macroscopically, the compressed air voids create an appearance resembling a dermal layer; however, macroscopic examination has shown that the visually apparent difference arises from the "flattened" or compressed state of the continuous polymer matrix near the surface of the article.
[00139] Таким образом, для примера, как можно видеть в ФИГ. 17 и ФИГ. 18, существует постепенный переход от сферических к сжатым пневмополостям, если двигаться в сторону поверхности изделия из полимерной пены, сформированного с использованием раскрытых здесь условий, способов и материалов. Так, в вариантах исполнения поверхностная область изделия из полимерной пены, изготовленного с использованием раскрытых здесь способов, включает множество сжатых пневмополостей. В вариантах исполнения сжатые пневмополости присутствуют в поверхностной области изделия из полимерной пены, образованного с использованием раскрытых здесь способов. В некоторых таких вариантах исполнения сжатые пневмополости присутствуют внутри внутренней области изделия из полимерной пены, которая находится на расстоянии 500 микрон (мкм) или менее от поверхности. В некоторых таких вариантах исполнения сжатые пневмополости присутствуют внутри внутренней области изделия из полимерной пены, которая отдалена от поверхности на 2 см. Сжатые пневмополости определяются как пневмополости, имеющие округлость менее 1, причем значение округлости, равное нулю, означает полностью несферическую пневмополость, и значение 1 представляет совершенную сферическую пневмополость. В вариантах исполнения пневмополости, имеющие округлость менее 0,9, обнаруживаются в поверхностной области изделий из полимерной пены, причем, кроме того, от 10% до 90%, или от 10% до 80%, или от 10% до 70%, или от 10% до 60%, или от 10% до 50%, или от 10% до 40%, или от 10% до 30%, или от 10% до 20%, или от 20% до 80%, или от 20% до 70%, или от 20% до 60%, или от 20% до 50%, или от 20% до 40%, или от 20% до 30%, или от 30% до 70%, или от 30% до 60%, или от 30% до 50%, или от 30% до 40% пневмополостей в поверхностной области имеют округлость 0,9 или менее. В вариантах исполнения средняя округлость в поверхностной области изделий из полимерной пены составляет величину от 0,70 до 0,95, такую как от 0,75 до 0,95, или от 0,80 до 0,95, или от 0,85 до 0,95, или от 0,90 до 0,95, или от 0,70 до 0,90, или от 0,70 до 0,85, или от 0,70 до 0,80, или от 0,70 до 0,75, или от 0,70 до 0,75, или от 0,75 до 0,80, или от 0,80 до 0,85, или от 0,85 до 0,90, или от 0,90 до 0,95.[ 00139 ] Thus, by way of example, as can be seen in FIG. 17 and FIG. 18, there is a gradual transition from spherical to compressed air cavities as one moves toward the surface of the polymer foam article formed using the conditions, methods, and materials disclosed herein. Thus, in embodiments, a surface region of the polymer foam article made using the methods disclosed herein includes a plurality of compressed air cavities. In embodiments, compressed air cavities are present in a surface region of the polymer foam article formed using the methods disclosed herein. In some such embodiments, compressed air cavities are present within an interior region of the polymer foam article that is located at a distance of 500 microns (μm) or less from the surface. In some such embodiments, compressed air cavities are present within an internal region of the polymer foam product that is 2 cm from the surface. Compressed air cavities are defined as air cavities having a circularity of less than 1, where a circularity value of zero represents a completely non-spherical air cavity, and a value of 1 represents a perfectly spherical air cavity. In embodiments, air cavities having a roundness of less than 0.9 are found in the surface area of polymer foam articles, and, in addition, from 10% to 90%, or from 10% to 80%, or from 10% to 70%, or from 10% to 60%, or from 10% to 50%, or from 10% to 40%, or from 10% to 30%, or from 10% to 20%, or from 20% to 80%, or from 20% to 70%, or from 20% to 60%, or from 20% to 50%, or from 20% to 40%, or from 20% to 30%, or from 30% to 70%, or from 30% to 60%, or from 30% to 50%, or from 30% to 40% of the air cavities in the surface region have a roundness of 0.9 or less. In embodiments, the average roundness in the surface region of the polymer foam articles is from 0.70 to 0.95, such as from 0.75 to 0.95, or from 0.80 to 0.95, or from 0.85 to 0.95, or from 0.90 to 0.95, or from 0.70 to 0.90, or from 0.70 to 0.85, or from 0.70 to 0.80, or from 0.70 to 0.75, or from 0.70 to 0.75, or from 0.75 to 0.80, or from 0.80 to 0.85, or from 0.85 to 0.90, or from 0.90 to 0.95.
[00140] В вариантах исполнения сжатые пневмополости присутствуют в изделии из полимерной пены на расстоянии более 500 микрон (мкм) от его поверхности. Например, в вариантах исполнения сжатые пневмополости присутствуют на расстоянии до 1 мм от поверхности изделия из полимерной пены, или до 2 мм, 3 мм, 4 мм, 5 мм, 6 мм, 7 мм, 8 мм, 1 см, или более, от его поверхности. В некоторых вариантах исполнения область сжатых пневмополостей в изделии из полимерной пены соответствует величине от 0,01% до 70% общего объема изделия, например, от 0,1% до 70%, или от 0,5% до 70%, или от 1% до 70%, или от 2% до 70%, или от 3% до 70%, или от 4% до 70%, или от 5% до 70%, или от 6% до 70%, или от 7% до 70%, или от 8% до 70%, или от 9% до 70%, или от 10% до 70%, или от 15% до 70%, или от 20% до 70%, или от 30% до 70%, или от 40% до 70%, или от 50% до 70%, или от 60% до 70%, или от 0,01% до 60%, или от 0,01% до 60%, или от 0,01% до 50%, или от 0,01% до 40%, или от 0,01% до 30%, или от 0,01% до 20%, или от 0,01% до 10%, или от 0,01% до 9%, или от 0,01% до 8%, или от 0,01% до 7%, или от 0,01% до 6%, или от 0,01% до 5%, или от 0,01% до 4%, или от 0,01% до 3%, или от 0,01% до 2%, или от 0,01% до 1%, или от 0,01% до 0,1% общего объема изделия.[ 00140 ] In embodiments, compressed air cavities are present in the polymer foam article at a distance of more than 500 microns (µm) from its surface. For example, in embodiments, compressed air cavities are present at a distance of up to 1 mm from the surface of the polymer foam article, or up to 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 1 cm, or more, from its surface. In some embodiments, the area of compressed air cavities in the polymer foam product corresponds to a value from 0.01% to 70% of the total volume of the product, for example, from 0.1% to 70%, or from 0.5% to 70%, or from 1% to 70%, or from 2% to 70%, or from 3% to 70%, or from 4% to 70%, or from 5% to 70%, or from 6% to 70%, or from 7% to 70%, or from 8% to 70%, or from 9% to 70%, or from 10% to 70%, or from 15% to 70%, or from 20% to 70%, or from 30% to 70%, or from 40% to 70%, or from 50% to 70%, or from 60% to 70%, or from 0.01% to 60%, or from 0.01% to 60%, or from 0.01% to 50%, or from 0.01% to 40%, or from 0.01% to 30%, or from 0.01% to 20%, or from 0.01% to 10%, or from 0.01% to 9%, or from 0.01% to 8%, or from 0.01% to 7%, or from 0.01% to 6%, or from 0.01% to 5%, or from 0.01% to 4%, or from 0.01% to 3%, or from 0.01% to 2%, or from 0.01% to 1%, or from 0.01% to 0.1% of the total volume of the product.
[00141] ФИГ. 12 и 14 показывают кривую среднего размера пневмополостей и среднее число пневмополостей относительно средней округлости пневмополостей для двух изделий из полимерной пены, полученных с использованием раскрытых теперь способов. Количественный анализ размера и распределения пневмополостей показал обратную зависимость между средним размером пневмополостей и числом пневмополостей.[ 00141 ] FIGS. 12 and 14 show a curve of the average air void size and the average number of air voids versus the average circularity of the air voids for two polymer foam articles produced using the presently disclosed methods. Quantitative analysis of the size and distribution of air voids revealed an inverse relationship between the average air void size and the number of air voids.
[00142] ФИГ. 18 дополнительно показывает визуальное подтверждение, что пневмополости присутствуют у поверхности изделий из полимерной пены, полученных с использованием способов, материалов и устройств, как здесь описанных. ФИГ. 18 дополнительно показывает визуальное подтверждение того, что множество сжатых пневмополостей присутствуют по существу в 500 микронах (мкм) от поверхности изделий из полимерной пены, полученных с использованием способов, материалов и устройств, как здесь описанных. В этом смысле раскрытые теперь изделия из полимерной пены значительно отличаются от вспененных изделий согласно прототипу. В то время как «кожный слой», или первые 500 микрон (мкм) толщины вспененного изделия, полученного стандартными способами, не включают пневмополости или по существу не содержат их, признак вспененных изделий согласно прототипу главным образом состоит в том, что пневмополости являются сферическими, где бы они ни находились. Таким образом, по толщине стандартного вспененного изделия, где наблюдаются пневмополости, они, как правило, сферические, имеющие округлость, близкую к 1 или около такой. Сжатые пневмополости не образуются при применении традиционной методологии для получения вспененных изделий, и поэтому в таких стандартных вспененных изделиях не выявлено распределение округлости пневмополостей по величине. Кроме того, пневмополости даже не образуются в первых 500 микронах (мкм) толщины вспененного изделия, полученного стандартным способом, так что нельзя провести сравнение в отношении пневмополостей в поверхностной области изделий из полимерной пены, как здесь описываемых, и вспененных изделий, сформированных традиционными способами инжекционного формования.[ 00142 ] FIG. 18 further shows visual confirmation that air voids are present at the surface of polymer foam articles produced using the methods, materials, and devices described herein. FIG. 18 further shows visual confirmation that a plurality of compressed air voids are present substantially 500 microns (μm) from the surface of polymer foam articles produced using the methods, materials, and devices described herein. In this sense, the now disclosed polymer foam articles are significantly different from the foam articles according to the prior art. While the "skin layer," or the first 500 microns (μm) of the thickness of the foam article produced by standard methods, does not include air voids or is substantially free of them, a feature of the foam articles according to the prior art is primarily that the air voids are spherical wherever they are located. Thus, within the thickness of a standard foamed product, where air voids are observed, they are typically spherical, with a circularity close to 1 or similar. Compressed air voids are not formed when using traditional foam manufacturing methods, and therefore, no circularity distribution of air voids is observed in such standard foamed products. Furthermore, air voids do not even form within the first 500 microns (µm) of the foamed product thickness produced by the standard method, so a comparison cannot be made between the air voids in the surface region of polymer foam products, as described here, and foamed products formed by traditional injection molding methods.
[00143] Кроме того, раскрытые здесь условия, способы и материалы надлежащим образом оптимизированы для образования изделий из полимерной пены, имеющих различные физические свойства в зависимости от целевого конечного использования или варианта применения. Например, плотность изделия из полимерной пены должным образом варьирует как функция объемного расширения. Сокращением объемного расширения может быть снижена плотность полученного в результате этого изделия из полимерной пены по существу в линейной зависимости, например, как показано в ФИГ. 5. В ФИГ. 5 также можно видеть, что увеличение времени периода расширения вызывает образование более плотного изделия из полимерной пены. Такие условия и прочие переменные величины, все из которых находятся в пределах раскрытых здесь условий, способов и материалов, эффективно используются для вариации физических свойств образованных в результате этого изделий из полимерной пены.[ 00143 ] Furthermore, the conditions, methods, and materials disclosed herein are suitably optimized to form polymeric foam articles having different physical properties depending on the intended end use or application. For example, the density of the polymeric foam article is suitably varied as a function of volumetric expansion. By reducing volumetric expansion, the density of the resulting polymeric foam article can be reduced in a substantially linear relationship, such as shown in FIG. 5. It can also be seen in FIG. 5 that increasing the time of the expansion period causes the formation of a denser polymeric foam article. Such conditions and other variables, all of which are within the limits of the conditions, methods, and materials disclosed herein, are effectively used to vary the physical properties of the resulting polymeric foam articles.
[00144] В одной вариации раскрытых здесь условий, способов и материалов расплавленную полимерную пену должным образом дозируют разделением потока расплавленной полимерной пены на 2, 3, 4 или более протоков, направляемых во множество пресс-форм или секций пресс-формы, с образованием множества изделий из полимерной пены из единственного впрыскиваемого материала. В еще одной вариации раскрытых здесь условий, способов и материалов применяют два впрыскиваемых материала для заполнения единственной пресс-формы, причем первый впрыскиваемый материал отличается от второго впрыскиваемого материала в плане содержания термопластичного полимера или соотношения смешанных полимеров, источника пневматогена, одного или многих необязательно включенных дополнительных материалов, плотности, пористости, глубины области сжатых пневмополостей, или некоторого иного различия в отношении материала или физического свойства.[ 00144 ] In one variation of the conditions, methods, and materials disclosed herein, molten polymer foam is properly metered by dividing the flow of molten polymer foam into 2, 3, 4, or more ducts directed into a plurality of molds or mold sections to form a plurality of polymer foam articles from a single injected material. In another variation of the conditions, methods, and materials disclosed herein, two injected materials are used to fill a single mold, wherein the first injected material differs from the second injected material in terms of thermoplastic polymer content or blended polymer ratio, pneumatogen source, one or more optionally included additional materials, density, porosity, depth of compressed void area, or some other difference with respect to material or physical property.
[00145] В еще одной вариации раскрытых здесь условий, способов и материалов изделие из полимерной пены, полученное с использованием раскрытых здесь способов, подвергают ускоренному испытанию на вытягивание согласно стандарту ASTM D6117. Изделия из полимерной пены проявляют лучшее сопротивление вытягиванию сравнительно с вспененными изделиями, полученными с использованием традиционных способов вспенивания. Кроме того, изделия из полимерной пены, сформированные с использованием раскрытых здесь условий, способов и материалов, не нуждаются в предварительном просверливании, прокалывании или подгонки для ускорения размещения.[ 00145 ] In yet another variation of the conditions, methods, and materials disclosed herein, a polymeric foam article formed using the methods disclosed herein is subjected to an accelerated pull-out test in accordance with ASTM D6117. The polymeric foam articles exhibit superior pull-out resistance compared to foam articles formed using traditional foaming methods. Furthermore, the polymeric foam articles formed using the conditions, methods, and materials disclosed herein do not require pre-drilling, puncturing, or trimming to expedite placement.
[00146] В еще одной дополнительной вариации раскрытых здесь условий, способов и материалов изделие из полимерной пены, полученное с использованием раскрытых здесь способов, подвергают баллистическому испытанию. С использованием инструкции Национального института правосудия (NIJ) «Ballistic Resistance of Body Armor NIJ Standard-0101.06», серию изделий из полимерной пены толщиной 3 дюйма (7,62 мм) сформировали из блок-сополимеров простых полиэфиров и полиамидов (PEBAX®), линейного полиэтилена низкой плотности (LLDPE), и полипропилена, с использованием источника пневматогена на основе лимонной кислоты. Изделия из полимерной пены, полученные с использованием всех трех из этих термопластичных полимеров, были найдены как останавливающие малокалиберные LR («длинные винтовочные») пули из пистолета 22-ого (5,6 мм) калибра, проходя тем самым тест на уровне I согласно NIJ; и были найдены как останавливающие пули из пистолета LUGER® калибра 9 мм, проходя тем самым тест на уровнях II и IIA согласно NIJ.[ 00146 ] In yet another variation of the conditions, methods, and materials disclosed herein, a polymeric foam article formed using the methods disclosed herein is ballistic tested. Using the National Institute of Justice (NIJ) standard "Ballistic Resistance of Body Armor NIJ Standard-0101.06," a series of 3-inch (7.62 mm) thick polymeric foam articles were formed from polyether-polyamide block copolymers (PEBAX®), linear low-density polyethylene (LLDPE), and polypropylene, using a citric acid-based pneumatogen source. Polymer foam articles formed using all three of these thermoplastic polymers were found to stop LR ("long rifle") small caliber ("long rifle") pistol bullets, thereby passing the NIJ Level I test; and were found to stop bullets from a 9mm LUGER® pistol, thus passing NIJ Levels II and IIA.
[00147] ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ [ 00147 ] EXPERIMENTAL PART
[00148] Нижеследующие примеры предназначены для дополнительного иллюстрирования этого изобретения, и не предполагаются как ограничивающие область изобретения никоим образом. Примеры 1 и 11 были исполнены с использованием установки для инжекционного формования Engel Duo 550 Ton (производства фирмы Engel Machinery Inc., Йорк, Пенсильвания, США). Примеры 2-4 были исполнены с использованием установки для инжекционного формования Van Dorn 300 (производства фирмы Van Dorn Demag, Стронгсвилл, Огайо, США). Если не оговорено иное, остальные примеры были исполнены с использованием установки для инжекционного формования Engel Victory 340 Ton (производства фирмы Engel Machinery Inc., Йорк, Пенсильвания, США).[ 00148 ] The following examples are intended to further illustrate this invention and are not intended to limit the scope of the invention in any way. Examples 1 and 11 were made using an Engel Duo 550 Ton injection molding machine (manufactured by Engel Machinery Inc., York, PA, USA). Examples 2-4 were made using a Van Dorn 300 injection molding machine (manufactured by Van Dorn Demag, Strongsville, OH, USA). Unless otherwise stated, the remaining examples were made using an Engel Victory 340 Ton injection molding machine (manufactured by Engel Machinery Inc., York, PA, USA).
[00149] В приведенных здесь Примерах, «cc» означает «кубический сантиметр» или «кубические сантиметры» (см3), «sec» означает «секунду» или «секунды».[ 00149 ] In the Examples given here, "cc" means "cubic centimeter" or "cubic centimeters" (cm 3 ), "sec" means "second" or "seconds".
Стандартное формование пены и MFIMStandard foam molding and MFIM
[00150] В приведенных здесь Примерах применяли два способа безлитникового литья под давлением расширенной пены, называемые здесь «стандартным формованием пены» и «инжекционным формованием расплавленной пены» («MFIM»).[ 00150 ] The Examples presented herein utilized two methods of injection molding expanded foam, referred to herein as “standard foam molding” and “molten foam injection molding” (“MFIM”).
[00151] При стандартным формованием пены применяли следующую общую методику: А) получали смесь смешением полимера (который может быть в форме зерен, порошка, шариков, гранул, и тому подобных) с пенообразователем (вспенивателем) и любыми другими добавками, такими как наполнитель. Смесь вводили в инжекционный блок, и приводили в движение вращающийся шнек инжекционного блока, продвигающий смесь вперед в барабане инжекционного блока, тем самым формируя нагретый текучий материал в соответствии с нормальными технологиями инжекционного формования. В) Заданный объем материала накапливали в передней части барабана инжекционного блока вращением шнека, тем самым продвигая заданный объем от зоны питания к передней части шнека. Во время этой стадии подачи шнек вращался для продвижения расплавленной смеси вперед в пространство в барабане между шнеком и соплом, тем самым создавая заданный объем. С) Расплавленную смесь впрыскивали в полость пресс-формы продвижением вперед шнека и/или вращением шнека.[ 00151 ] In standard foam molding, the following general procedure was used: A) A mixture was formed by mixing a polymer (which may be in the form of grains, powder, beads, granules, etc.) with a foaming agent and any other additives such as filler. The mixture was introduced into an injection block, and the rotating screw of the injection block was driven, propelling the mixture forward in the barrel of the injection block, thereby forming a heated flowable material in accordance with normal injection molding techniques. B) A predetermined volume of material was accumulated in the front of the barrel of the injection block by rotating the screw, thereby propelling the predetermined volume from the feed zone to the front of the screw. During this feeding stage, the screw rotated to propel the molten mixture forward into the space in the barrel between the screw and the nozzle, thereby creating the predetermined volume. C) The molten mixture was injected into the mold cavity by forward movement of the screw and/or rotation of the screw.
[00152] В способе инжекционного формования расплавленной пены (MFIM) применяли следующую общую методику: А) получали смесь смешением полимера (который может быть в форме пластмассовых гранул, зерен, порошка, шариков, гранул, и тому подобных) с химическим пенообразователем и любыми другими добавками, такими как наполнитель. Смесь вводили в инжекционный блок, и приводили в движение вращающийся шнек инжекционного блока, продвигающий смесь вперед в барабане инжекционного блока, тем самым формируя нагретый текучий материал в соответствии с нормальными технологиями инжекционного формования. В) Заданный объем материала накапливали в передней части барабана инжекционного блока вращением шнека, тем самым продвигая заданный объем от зоны питания к передней части шнека. Во время этой стадии подачи шнек вращался для продвижения расплавленной смеси вперед в пространство в барабане между шнеком и соплом, тем самым создавая заданный объем. С) Когда материал был продвинут к передней части шнека, в стадии, называемой теперь «декомпрессией», шнек отводили назад от сопла без вращения или по существу без вращения, чтобы избежать продвижения материала к передней части шнека.[ 00152 ] The MFIM process employed the following general procedure: A) A mixture was formed by mixing a polymer (which may be in the form of plastic pellets, beads, powder, spheres, granules, and the like) with a chemical blowing agent and any other additives such as a filler. The mixture was introduced into an injection block, and the rotating screw of the injection block was driven, propelling the mixture forward in the barrel of the injection block, thereby forming a heated flowable material in accordance with normal injection molding techniques. B) A predetermined volume of material was accumulated in the front of the barrel of the injection block by rotating the screw, thereby propelling the predetermined volume from the feed zone to the front of the screw. During this feeding stage, the screw rotated to propel the molten mixture forward into the space in the barrel between the screw and the nozzle, thereby creating the predetermined volume. C) When the material had been advanced to the front of the screw, in a stage now called "decompression," the screw was drawn back from the nozzle without rotation or substantially without rotation to avoid advancing the material to the front of the screw.
[00153] Создавали не содержащее смесь пространство между шнеком и соплом внутри барабана, причем специальное созданное пространство называется здесь «объемом декомпрессии». D) Материал выдерживали в барабане между шнеком и соплом в течение периода времени, называемого здесь «временем декомпрессии». На протяжении времени декомпрессии материал вспенивался вследствие падения давления, созданного пространством, добавленным в стадии (С). Е) Расплавленную пену впрыскивали в полость пресс-формы продвижением вперед шнека и/или вращением шнека.[ 00153 ] A mixture-free space was created between the screw and the nozzle inside the barrel, wherein the specially created space is referred to herein as the "decompression volume". D) The material was maintained in the barrel between the screw and the nozzle for a period of time, referred to herein as the "decompression time". During the decompression time, the material foamed due to the pressure drop created by the space added in step (C). E) The molten foam was injected into the mold cavity by the forward advancement of the screw and/or rotation of the screw.
Пример 1Example 1
[00154] Из пены сформовали две детали с использованием смеси полиэтилена низкой плотности, смешанного с 2% по весу пенообразователя Hydrocerol® BIH 70 производства фирмы Clariant AG, Муттенц, Швейцария. Формование проводили с использованием установки для инжекционного формования Engel Duo 550 Ton (производства фирмы Engel Machinery Inc., Йорк, Пенсильвания, США). Полость пресс-форма была (приблизительно) сферической по форме с диаметром шесть дюймов (15,24 см). Первую деталь сформовали с использованием стандартного способа формования пены, и вторую деталь сформовали с использованием MFIM-способа. Для обеих деталей применяли алюминиевую пресс-форму, имеющую холодный литник и систему литникового хода для подачи в полость сферы с диаметром 6 дюймов. Система подачи расплава была одинаковой для каждой детали, как и большинство технологических условий. Технологические настройки для MFIM-способа и стандартного способа формования пены, использованного в качестве контроля, подробно изложены в ТАБЛИЦЕ 3. Из каждого цикла обработки детали были получены с приблизительно эквивалентной массой.[ 00154 ] Two parts were foam molded using a blend of low-density polyethylene mixed with 2% by weight of Hydrocerol® BIH 70 foaming agent (Clariant AG, Muttenz, Switzerland). Molding was performed using an Engel Duo 550 Ton injection molding machine (Engel Machinery Inc., York, Pennsylvania, USA). The mold cavity was approximately spherical in shape with a diameter of six inches (15.24 cm). The first part was molded using a standard foam molding process, and the second part was molded using the MFIM process. An aluminum mold with a cold runner and a runner system was used for both parts to feed a 6-inch diameter sphere into the cavity. The melt feed system was the same for each part, as were most of the process conditions. The process settings for the MFIM method and the standard foam molding method used as a control are detailed in TABLE 3. Parts with approximately equivalent mass were obtained from each processing run.
[00155] Сфотографировали первую и вторую детали. ФИГ. 2-1 представляет фотографическое изображение первой детали, сформованной с использованием стандартного способа формования пены. Как видно в изображении, стандартный способ формования пены не привел к детали, которая заполнила полость пресс-формы, и деталь не соответствовала форме сферической полости пресс-формы.[ 00155 ] The first and second parts were photographed. FIG. 2-1 is a photographic image of the first part molded using a standard foam molding method. As can be seen in the image, the standard foam molding method did not result in a part that filled the mold cavity, and the part did not conform to the shape of the spherical mold cavity.
[00156] ФИГ.2-2 представляет фотографическое изображение второй детали, сформованной с использованием MFIM-способа. Как видно в изображении, MFIM-способ привел к получению детали, которая полностью или по существу полностью заполнила сферическую полости пресс-формы, и деталь соответствовала или по существу соответствовала форме сферической полости пресс-формы.[ 00156 ] FIG. 2-2 is a photographic image of a second part formed using the MFIM method. As can be seen in the image, the MFIM method resulted in a part that completely or substantially completely filled the spherical cavity of the mold, and the part matched or substantially matched the shape of the spherical cavity of the mold.
[00157] Первую деталь, сформованную с использованием стандартного способа формования пены, разрезали на два фрагмента. ФИГ. 2-3 и 2-5 представляют фотографические изображения одного из фрагментов детали, образованной согласно стандартному способу формования пены. Как видно в изображениях, первая деталь содержала крупную пустотелую полость.[ 00157 ] The first part, formed using the standard foam molding method, was cut into two pieces. FIGS. 2-3 and 2-5 are photographic images of one of the pieces of the part formed according to the standard foam molding method. As can be seen in the images, the first part contained a large hollow cavity.
[00158] Вторую деталь, сформованную с использованием MFIM-способа, разрезали на два фрагмента. ФИГ. 2-4 и 2-6 представляют фотографические изображения одного из фрагментов второй детали. Как видно в изображениях, во второй детали отсутствовала крупная пустотелая полость, как в детали из стандартного способа вспенивания. MFIM-деталь имела ячеистую структуру во всем объеме.[ 00158 ] The second part formed using the MFIM process was cut into two pieces. FIGS. 2-4 and 2-6 are photographic images of one of the pieces of the second part. As can be seen in the images, the second part did not have a large hollow cavity as in the part from the standard foaming process. The MFIM part had a cellular structure throughout its volume.
Пример 2Example 2
[00159] Инжекционным формованием пены сформовали две детали, Деталь А в соответствии со стандартным способом формования пены, и Деталь В в соответствии с MFIM-способом. В обоих подходах гранулы из LDPE/талька смешали в сухом состоянии с пенообразователем и перемешивали во время загрузки в установку для формования.[ 00159 ] Two parts were formed using foam injection molding, Part A using the standard foam molding method and Part B using the MFIM method. In both approaches, LDPE/talc pellets were dry-mixed with a foaming agent and stirred during loading into the molding machine.
[00160] Для Детали В сформировали смесь полиэтилена низкой плотности (LDPE), талька и Hydrocerol® BIH 70, и подавали в установку для инжекционного формования Van Dorn 300 с образованием полимерного впрыскиваемого материала внутри барабана. После накопления впрыскиваемого материала перед шнеком сдвинули шнек от инжекционного сопла назад без вращения в соответствии с MFIM-способом для создания пространства между шнеком и соплом, причем пространство имело объем декомпрессии. Затем смесь вспенивали в пространстве перед впрыском в пресс-форму.[ 00160 ] For Part B, a mixture of low-density polyethylene (LDPE), talc, and Hydrocerol® BIH 70 was formed and fed into a Van Dorn 300 injection molding machine to form a polymer injection material inside the barrel. After the injection material accumulated in front of the screw, the screw was moved backward from the injection nozzle without rotation according to the MFIM method to create a space between the screw and the nozzle, where the space had a decompression volume. The mixture was then foamed in the space before injection into the mold.
[00161] Такую же процедуру исполнили для Детали А, за исключением того, что после накопления впрыскиваемого материала перед шнеком не сдвигали шнек назад от сопла, то есть, объем декомпрессии был нулевым. Впрыскиваемый материал дозировали для заполнения пресс-формы в условиях стандартного формования пены с целью достижения 10%-ного снижения веса относительно непрерывной детали.[ 00161 ] The same procedure was performed for Part A, except that after the injection material had accumulated in front of the screw, the screw was not moved back from the nozzle, i.e., the decompression volume was zero. The injection material was metered to fill the mold under standard foam molding conditions to achieve a 10% weight reduction relative to a continuous part.
[00162] ТАБЛИЦЫ 4-7 ниже показывают полимер, пресс-форму, установку и технологические настройки, использованные в Примере 2.[ 00162 ] TABLES 4-7 below show the polymer, mold, setup, and process settings used in Example 2.
[00163] Каждую из Деталей А и В разрезали пополам для вскрытия поперечного сечения. ФИГ. 3А и ФИГ. 3В показывают полученные виды поперечных сечений Детали А и Детали В, соответственно. Как показано в ФИГ. 3А, Деталь А имела толстую наружную область, протяженную почти на 0,8 дюйма (20,3 мм) от поверхности, показывая, что более 50% сформованной детали были полностью сплошными/непрерывными. Плотность Детали А составляла 0,84 г/см3.[ 00163 ] Each of Parts A and B was cut in half to reveal the cross-section. FIG. 3A and FIG. 3B show the resulting cross-sectional views of Part A and Part B, respectively. As shown in FIG. 3A, Part A had a thick outer region extending nearly 0.8 inches (20.3 mm) from the surface, indicating that more than 50% of the molded part was completely solid/continuous. The density of Part A was 0.84 g/cm 3 .
[00164] ФИГ. 3В показывает поперечное сечение Детали В, сформованной согласно MFIM-способу с использованием настроек, приведенных в ТАБЛИЦЕ 4 и ТАБЛИЦЕ 5. Как видно из ФИГ. 3В, Деталь В имела вспененную структуру, которая включает распределение ячеек по величинам и формам. Сплошная/непрерывная, невспененная наружная область в Детали В почти отсутствует. Плотность Детали В составляла 0,35 г/см3.[ 00164 ] FIG. 3B shows a cross-section of Part B formed by the MFIM method using the settings given in TABLE 4 and TABLE 5. As can be seen from FIG. 3B, Part B had a foamed structure that included a distribution of cell sizes and shapes. The continuous, unfoamed outer region in Part B was almost absent. The density of Part B was 0.35 g/ cm3 .
[00165] Пресс-форму со сферической полостью использовали для формования дополнительных деталей, Детали С и Детали D, инжекционным формованием пены. Для формования Деталей С и D применяли такой же состав смеси из LDPE, талька, Hydrocerol® BIH 70. Деталь С сформовали MFIM-способом, Деталь D стандартным способом формования пены. Обоими способами образовали сферическую или приблизительно сферическую деталь, имеющую диаметр 6 дюймов (15,24 см). Детали С и D разрезали посередине (самой широкой части) на два фрагмента для вскрытия поперечного сечения детали. ФИГ. 4А представляет фотографическое изображение поперечного сечения Детали С, полученной MFIM-способом (471 г, требуемое время охлаждения 160 секунд). ФИГ. 4В представляет фотографическое изображение поперечного сечения Детали D, полученной стандартным способом формования пены (1360 г, требуемое время охлаждения 800 секунд).[ 00165 ] A spherical cavity mold was used to mold additional parts, Part C and Part D, using foam injection molding. The same LDPE, talc, and Hydrocerol® BIH 70 blend composition was used to mold Parts C and D. Part C was molded using the MFIM process and Part D using a standard foam molding process. Both processes formed a spherical or approximately spherical part having a diameter of 6 inches (15.24 cm). Parts C and D were cut in half at the middle (widest portion) to expose the cross-section of the part. FIG. 4A is a photographic image of the cross-section of Part C formed using the MFIM process (471 g, required cooling time of 160 seconds). FIG. 4B is a photographic cross-sectional image of Part D produced by the standard foam molding process (1360 g, required cooling time 800 seconds).
[00166] Были получены результаты, подобные применению неразъемной пресс-формы. Деталь С, полученная согласно MFIM-способу, показала ячейки во всем объеме детали, тогда как Деталь D, образованная стандартным способом формования пены, показала область рядом с наружной поверхностью детали, которая не содержала или по существу не содержала ячейки («непрерывную»). Деталь С имела меньшую плотность, чем Деталь D.[ 00166 ] Results similar to those obtained using a continuous mold were obtained. Part C, formed using the MFIM method, showed cells throughout the entire volume of the part, while Part D, formed using the standard foam molding method, showed a region near the outer surface of the part that was either free or substantially free of cells (“continuous”). Part C had a lower density than Part D.
Пример 3Example 3
[00167] В Примере 3 были сформованы блочные детали с использованием MFIM-способа при различных объемах декомпрессии (Испытание А), и различных объемах декомпрессии и временах декомпрессии (Испытание В).[ 00167 ] In Example 3, block parts were formed using the MFIM method at different decompression volumes (Test A), and different decompression volumes and decompression times (Test B).
[00168] ТАБЛИЦЫ 8-10 показывают информацию о составе материалов, геометрии пресс-формы и технологических настройках, использованных для Испытаний А и В.[ 00168 ] TABLES 8-10 show information on the material composition, mold geometry, and process settings used for Tests A and B.
[00169] Композитные гранулы из LDPE/талька смешали с пенообразователем непосредственно перед формованием.[ 00169 ] LDPE/talc composite pellets were mixed with a foaming agent immediately prior to molding.
[00170] Испытание А[ 00170 ] Test A
[00171] В Испытании А все переменные величины поддерживали постоянными, за исключением объемного отношения полимера к объему декомпрессии (пустому пространству) в барабане перед впрыском. Настройки для каждого образца в Испытании А показаны В ТАБЛИЦЕ 10:[ 00171 ] In Test A, all variables were held constant except for the volume ratio of polymer to decompression volume (void space) in the barrel prior to injection. The settings for each specimen in Test A are shown in TABLE 10:
177|166171|185|
177|166
177|166171|185|
177|166
177|166171|185|
177|166
177|166171|185|
177|166
177|166171|185|
177|166
[00172] Объем расплавленной пены, впрыснутой в полость для полимера, был постоянным, но плотность расплавленной пены зависела от отношения «полимерный впрыскиваемый материал/объем декомпрессии». Величины «полимерный впрыскиваемый материал/объемы декомпрессии» варьировали, приводя к деталям с весом и плотностью, как показано в ТАБЛИЦЕ 11.[ 00172 ] The volume of molten foam injected into the polymer cavity was constant, but the density of the molten foam depended on the polymer injection material/decompression volume ratio. The polymer injection material/decompression volume ratios were varied, resulting in parts with the weight and density shown in TABLE 11.
[00173] Результаты в ТАБЛИЦЕ 11 показывают, что при снижении массы и объема полимера в расплавленной пене впрыскиваемого материала с соразмерным увеличением объема декомпрессии можно варьировать плотность полученной детали.[ 00173 ] The results in TABLE 11 show that by decreasing the mass and volume of polymer in the molten foam of the injected material with a commensurate increase in the decompression volume, the density of the resulting part can be varied.
[00174] Испытание В[ 00174 ] Test B
[00175] В Испытании В трижды провели пять формований в таких же условиях, как в Испытании А; одно с временем декомпрессии 20 секунд (так же, как в Испытании А), одно с временем декомпрессии 70 секунд, и одно с временем декомпрессии 120 секунд. 15 полученных формованием пены деталей взвесили и рассчитали плотность с использованием объема полости пресс-формы. Плотность деталей нанесли на график как функцию объема декомпрессии для каждого из трех времен декомпрессии. Кривые показаны в ФИГ. 5. Как видно в ФИГ. 5, плотность деталей варьировала как функция объема декомпрессии. Кроме того, как видно в ФИГ. 5, чем длительнее время декомпрессии, тем плотнее деталь.[ 00175 ] In Test B, five molding runs were conducted three times under the same conditions as in Test A; one with a decompression time of 20 seconds (the same as in Test A), one with a decompression time of 70 seconds, and one with a decompression time of 120 seconds. The 15 foam molded parts were weighed and the density was calculated using the mold cavity volume. The density of the parts was plotted as a function of decompression volume for each of the three decompression times. The curves are shown in FIG. 5. As can be seen in FIG. 5, the density of the parts varied as a function of decompression volume. Furthermore, as can be seen in FIG. 5, the longer the decompression time, the denser the part.
Пример 4Example 4
[00176] В Примере 4 провели две серии испытаний с использованием MFIM-способа, Серию I и Серию II. В Серии I использовали постоянную скорость впрыска, но варьировали высоту замыкания пресс-формы. В Серии II увеличивали высоту замыкания пресс-формы с повышением скорости впрыска. В Серии II все условия выдерживали постоянными, за исключением скорости впрыска (см3/сек) и высоты замыкания пресс-формы. В испытаниях гранулы из LDPE/талька смешали в сухом состоянии с пенообразователем и перемешивали во время загрузки в установку для формования.[ 00176 ] In Example 4, two series of tests were conducted using the MFIM method, Series I and Series II. In Series I, a constant injection speed was used, but the mold closure height was varied. In Series II, the mold closure height was increased with increasing injection speed. In Series II, all conditions were held constant except for the injection speed ( cm3 /sec) and the mold closure height. In the tests, LDPE/talc pellets were dry-mixed with a foaming agent and stirred during loading into the molding machine.
[00177] ТАБЛИЦЫ 12-13 ниже показывают состав материала впрыскиваемой смеси и конфигурацию базовой пресс-формы, использованных для испытаний.[ 00177 ] TABLES 12-13 below show the composition of the injection mixture material and the configuration of the basic mold used for the tests.
[00178] Серия I[ 00178 ] Series I
[00179] В Серии I использовали скорость впрыска 394 кубических сантиметра в секунду, и провели три испытания, Испытание А с высотой замыкания пресс-формы 1,02 мм с образованием Детали А; Испытание В с высотой замыкания пресс-формы 0,76 мм с образованием Детали В; и Испытание С с высотой замыкания пресс-формы 0,51 мм с образованием Детали С. Настройки для испытаний Серии I показаны в ТАБЛИЦЕ 14:[ 00179 ] Series I used an injection speed of 394 cubic centimeters per second and conducted three tests, Test A with a mold closure height of 1.02 mm to form Part A; Test B with a mold closure height of 0.76 mm to form Part B; and Test C with a mold closure height of 0.51 mm to form Part C. The settings for the Series I tests are shown in TABLE 14:
[00180] Во время каждого цикла формования (каждого из Испытания А, Испытания в и Испытания С) смонтировали измеритель деформации (тензодатчик Kistler Surface Strain Sensor типа 9232A, производства фирмы Kistler Holding AG, Винтертур, Швейцария) непосредственно над полостью пресс-формы или внутри нее. Измеритель деформации содержал два пьезоэлектрических датчика, которые измеряли деформацию алюминиевой полости как функцию времени на протяжении цикла формования. Измерение деформации использовали как непосредственную меру силы, действующей на поверхность полости пресс-формы, обусловленной впрыском расплавленной пены и любым последующим дополнительным вспениванием, которое происходило внутри полости пресс-формы. Измерения деформации полости показаны в ФИГ. 6 для Испытания А, высота просвета 1,02 мм (линия А); Испытания В, высота замыкания пресс-формы 0,76 мм (линия В); и Испытания С, высота замыкания пресс-формы 0,51 мм (линия С). В ФИГ. 6 величину деформации (расширения блока в расчете на единицу длины) нанесли на график относительно времени в секундах. Кривые деформации показывают, что давление было выше в Испытании С, чем в Испытании В, и в Испытании В выше, чем в Испытании А.[ 00180 ] During each molding cycle (each of Test A, Test B, and Test C), a strain gauge (Kistler Surface Strain Sensor Type 9232A , manufactured by Kistler Holding AG, Winterthur, Switzerland ) was mounted directly above or within the mold cavity. The strain gauge contained two piezoelectric sensors that measured the deformation of the aluminum cavity as a function of time during the molding cycle. The strain measurement was used as a direct measure of the force acting on the mold cavity surface due to the injection of the molten foam and any subsequent additional foaming that occurred within the mold cavity. The cavity strain measurements are shown in FIG. 6 for Test A, clearance height 1.02 mm (line A); Test B, mold closure height 0.76 mm (line B); and Test C, the mold closure height was 0.51 mm (line C). In FIG. 6, the deformation value (block expansion per unit length) was plotted against time in seconds. The deformation curves show that the pressure was higher in Test C than in Test B, and higher in Test B than in Test A.
[00181] ФИГ. 7 включает фотографические изображения, показывающие вид сбоку, вид сверху, косую проекцию и вид снизу Деталей А, В и С. Детали А и В показали свидетельства сплющивания, так как детали недостаточно соответствовали форме полости пресс-формы. Деталь А проявила большее сплющивание, чем Деталь В. Деталь С была более полно сформована, чем обе Детали А и В в том плане, что кромки Детали С были лучше определены, и Деталь С лучше соответствовала контуру полости пресс-формы, и внутренность детали выглядела более однородной.[ 00181 ] FIG. 7 includes photographic images showing a side view, a top view, an oblique view, and a bottom view of Parts A, B, and C. Parts A and B showed evidence of flattening because the parts did not adequately conform to the mold cavity shape. Part A showed more flattening than Part B. Part C was more fully formed than both Parts A and B in that the edges of Part C were better defined, and Part C conformed better to the contour of the mold cavity, and the interior of the part appeared more uniform.
[00182] Как представляется, детали могли бы частично сплющиваться в полости во время формования, если бы не поддерживалось достаточное давление для стабилизации пены в полости во время отверждения. Соответственно этому, в Серии II пресс-форму закрывали более плотно при более медленных скоростях впрыска, чтобы поддерживать достаточное давление для предотвращения сплющивания детали во время формования.[ 00182 ] It appears that parts could partially collapse in the cavity during molding if sufficient pressure was not maintained to stabilize the foam in the cavity during curing. Accordingly, in Series II, the mold was closed more tightly at slower injection speeds to maintain sufficient pressure to prevent part collapse during molding.
[00183] Серия II[ 00183 ] Series II
[00184] В Серии II просвет между половинами пресс-формы, высоту замыкания пресс-формы. систематически сокращали по мере снижения скорости впрыска. Использованные условия формования были такими же, как в Серии I, за исключением того, что использованные скорости впрыска и высоты замыкания пресс-формы были такими, как показано в ТАБЛИЦЕ 15:[ 00184 ] In Series II, the clearance between the mold halves and the mold closing height were systematically reduced as the injection speed was reduced. The molding conditions used were the same as in Series I, except that the injection speeds and mold closing heights used were as shown in TABLE 15:
[00185] В Испытаниях A’, B’, C’ и D’ получили четыре детали A’, B’, C’ и D’, соответственно.[ 00185 ] In Tests A', B', C' and D', four parts were obtained, A', B', C' and D', respectively.
[00186] Каждую из Деталей A’, B’, C’ и D’ разрезали на две части, и сфотографировали поперечные сечения. Фотографические изображения показаны в ФИГ. 8. Чтобы получить деталь, которая не разрушалась перед отверждением, половины пресс-формы были закрыты во все большей и большей степени, как показано в ТАБЛИЦЕ 15, пока они фактически не были прижаты друг к другу (как показано отрицательной величиной размера).[ 00186 ] Each of Parts A', B', C', and D' was cut into two pieces, and the cross-sections were photographed. The photographic images are shown in FIG. 8. To obtain a part that would not collapse before curing, the mold halves were closed to a greater and greater extent, as shown in TABLE 15, until they were actually pressed together (as shown by the negative dimension value).
[00187] Детали A’, B’, C’ и D’ не показали свидетельств сплющивания, имели четко определенные кромки и поверхности, и выглядели вполне однородными. Соответственно этому, детали были получены с использованием MFIM-способа с использованием резко различающихся скоростей впрыска регулированием давления внутри полости во время впрыска, например, вариацией высоты замыкания пресс-формы.[ 00187 ] Parts A', B', C', and D' showed no evidence of flattening, had well-defined edges and surfaces, and appeared quite uniform. Accordingly, the parts were produced using the MFIM method with sharply varying injection speeds by controlling the cavity pressure during injection, for example, by varying the mold closure height.
Пример 5Example 5
[00188] В Примере 5 применяли такой же LDPE-композитный материал, как в Примерах 1-3, в нестандартной пресс-форме с двумя полостями, с параметрами формования, как показанными в ТАБЛИЦАХ 16-18.[ 00188 ] Example 5 used the same LDPE composite material as Examples 1-3 in a custom two-cavity mold with molding parameters as shown in TABLES 16-18.
[00189] В Примере 5 получены детали 51, показанные в ФИГ. 9. Во время впрыска поток расплавленной пены поступал через литник 52 и разделялся на два отдельных канала для заполнения деталей 51 по существу одновременно. Соответственно этому, MFIM-способ мог бы быть использован для формования деталей разделением расплава на многие протоки в пресс-форме.[ 00189 ] In Example 5, parts 51 shown in FIG. 9 were obtained. During injection, the flow of molten foam entered through the gate 52 and was divided into two separate channels to fill the parts 51 substantially simultaneously. Accordingly, the MFIM method could be used to form parts by dividing the melt into multiple channels in the mold.
Пример 6Example 6
[00190] Первую деталь сформовали с использованием композиции из 15 вес.% талька/85 вес.% поликарбоната, композит смешали с 3 вес.% Hydrocerol® XH-901 перед загрузкой в установку для инжекционного формования. Первую деталь сформовали с использованием MFIM-способа. Подробности способа представлены в ТАБЛИЦАХ 19 и 20. Деталь сформовали с использованием блочной пресс-формы с размерами 4×2×2 (5,08×10,16×10,16 см) с объемом полости пресс-формы 524,4 см3 и объемом литника 17,4 см3. Литник срезали с детали, и затем деталь подвергли исследованию методом рентгеновской томографии для количественной оценки ячеистой структуры, образованной внутри геометрической формы с размером 5,08×10,16×10,16 см.[ 00190 ] The first part was molded using a 15 wt% talc/85 wt% polycarbonate composite, the composite was mixed with 3 wt% Hydrocerol® XH-901 before loading into the injection molding machine. The first part was molded using the MFIM process. Details of the process are provided in TABLES 19 and 20. The part was molded using a 4 x 2 x 2 (5.08 x 10.16 x 10.16 cm) block mold with a mold cavity volume of 524.4 cm 3 and a sprue volume of 17.4 cm 3 . The sprue was cut from the part and then the part was subjected to X-ray tomography to quantify the cellular structure formed within the 5.08×10.16×10.16 cm geometric shape.
[00191] Рентгеновскую томографию проводили с использованием системы формирования изображений Zeiss Metrotom 800, 130 кВ (производства фирмы Carl Zeiss AG, Оберкохен, Германия). Прибор измерял ослабление рентгеновского излучения вследствие компонента геометрической формы и плотности использованного материала. Данные в колонке были рассчитаны с использованием алгоритма реконструкции Фельдкампа (Feldkamp), стандартного метода для промышленности. Прибор имел плоский пластинчатый детектор на 1536×1920 пикселей для предельного разрешения 3,5 мкм в условиях этого измерения.[ 00191 ] X-ray tomography was performed using a Zeiss Metrotom 800, 130 kV imaging system (Carl Zeiss AG, Oberkochen, Germany). The instrument measured the attenuation of X-rays due to the geometric shape and density components of the material used. Column data were calculated using the Feldkamp reconstruction algorithm, an industry standard method. The instrument had a 1536 × 1920 pixel flat plate detector for a maximum resolution of 3.5 μm under these measurement conditions.
[00192] Изометрическое изображение полного томографического Zeiss-3D-сканирования первой детали показано в ФИГ. 10, со непрерывной долей полимера, показанной как прозрачной, причем ячейки затенены для визуализации, и плоскость А-А разреза показана для единственного поперечного сечения. ФИГ. 11 представляет одну плоскость поперечного сечения, выбранную из данных рентгеновского исследования с анализом порогового значения, приведенными для дискретной идентификации ячеек и последующего количественного анализа.[ 00192 ] An isometric image of a full Zeiss 3D tomographic scan of a first part is shown in FIG. 10, with a continuous portion of the polymer shown as transparent, with cells shaded for visualization, and a section plane A-A shown for a single cross-section. FIG. 11 represents a single cross-sectional plane selected from the X-ray data with threshold analysis provided for discrete cell identification and subsequent quantitative analysis.
[00193] Получили значения округлости ячеек в поперечном сечении. Округлость этих поперечных сечений использовали как меру сферичности ячеек. Соответственно этому, округлость и сферичность использовали в Примерах как равноценные. Количественный анализ, показанный в ФИГ. 12, показал распределение ячеек как по числу, так и по среднему размеру, как функцию округлости каждой ячейки. Нулевое значение округлости означает полностью несферическую ячейку, и значение 1 представляет совершенную сферическую ячейку. Данные показали распределение ячеек по размерам и формам. За исключением наиболее деформированных ячеек (обозначенных как 0,1-0,2 на шкале округлости), проявилась обратная зависимость между средним размером ячеек и числом ячеек с данной округлостью. Кроме того, имеется обратная зависимость между средним размером ячеек и числом ячеек.[ 00193 ] The roundness values of the cells in the cross-section were obtained. The roundness of these cross-sections was used as a measure of the sphericity of the cells. Accordingly, roundness and sphericity were used interchangeably in the Examples. The quantitative analysis shown in FIG. 12 revealed the distribution of cells by both number and average size as a function of the roundness of each cell. A roundness value of zero indicates a completely non-spherical cell, and a value of 1 represents a perfectly spherical cell. The data showed a distribution of cell sizes and shapes. With the exception of the most deformed cells (designated as 0.1-0.2 on the roundness scale), an inverse relationship was found between the average cell size and the number of cells with a given roundness. In addition, there is an inverse relationship between the average cell size and the number of cells.
[00194] С использованием MFIM-способа сформовали вторую, сферическую, деталь с диаметром шесть дюймов (15,24 см) из полиэтилена низкой плотности (LDPE) с применением полимерной композиции и параметров обработки, как обрисованных в ТАБЛИЦЕ 21 и ТАБЛИЦЕ 22. Гранулы из LDPE/талька смешали в сухом состоянии с пенообразователем, Hydrocerol® BIH 70, и перемешивали во время загрузки в установку для инжекционного формования.[ 00194 ] A second, six-inch (15.24 cm) diameter spherical part was molded using the MFIM process from low density polyethylene (LDPE) using the polymer composition and processing parameters outlined in TABLE 21 and TABLE 22. The LDPE/talc pellets were dry mixed with a foaming agent, Hydrocerol® BIH 70, and mixed while loading into the injection molding machine.
[00195] ФИГ. 13 представляет полученное рентгеновской томографией изображение поперечного сечения сферы. Как видно в ФИГ. 13, наружная область содержала изобилие малоразмерных ячеек с крупными ячейками в центральной области.[ 00195 ] FIG. 13 is an X-ray tomography image of a cross section of a sphere. As can be seen in FIG. 13, the outer region contained an abundance of small cells with large cells in the central region.
[00196] ФИГ. 14 показывает кривую среднего размера ячеек и среднего числа ячеек отосительно средней округлости ячеек, и проявляет обратную зависимость между средним размером ячеек и округлостью, и обратную зависимость между средним размером ячеек и числом ячеек.[ 00196 ] FIG. 14 shows a curve of average cell size and average cell number versus average cell roundness, and shows an inverse relationship between average cell size and roundness, and an inverse relationship between average cell size and cell number.
Пример 7Example 7
[00197] Использовали MFIM-способ для формования LDPE-композитной сферы (92 вес.% полимера, 5 вес.% талька и 3 вес.% Hydrocerol® BIH 70) с диаметром три дюйма (7,62 см), и образованной структурой ячеек пены, подробно представленной в ФИГ. 15-18. Условия формования приведены в ТАБЛИЦЕ 23. Деталь сформовали на прессе для инжекционного формования Engel Victory 340 Ton в выполненной по заказу алюминиевой пресс-форме с водяным охлаждением. Объем полости пресс-формы составлял 15,38 дюйм3 (252 см3), величина впрыска составляла 5 дюйм3 (82 см3), и объем декомпрессии в барабане составлял 5 дюйм3 (82 см3). Время декомпрессии составляло 77 секунд. Вес сформованной детали составлял 80,31 г, обусловливая конечную плотность детали 0,32 г/см3.[ 00197 ] An MFIM process was used to mold a three-inch (7.62 cm) diameter LDPE composite sphere (92 wt% polymer, 5 wt% talc, and 3 wt% Hydrocerol® BIH 70) with a foam cell structure detailed in FIGS. 15-18. Molding conditions are provided in TABLE 23. The part was molded on an Engel Victory 340 Ton injection molding press in a custom-made water-cooled aluminum mold. The mold cavity volume was 15.38 in3 (252 cm3 ), the shot size was 5 in3 (82 cm3 ), and the decompression volume in the barrel was 5 in3 (82 cm3 ). The decompression time was 77 seconds. The weight of the molded part was 80.31 g, resulting in a final part density of 0.32 g/ cm3 .
[00198] После извлечения из пресс-формы деталь состарили при комнатной температуре в течение 24 часов, затем процарапали и погрузили в жидкий азот на две минуты. После извлечения из жидкого азота сферу раскололи вдоль процарапанной линии поверхности, и получили изображение поверхности разлома с использованием экологического сканирующего электронного микроскопа (ESEM) (FEI Quanta FEG 650). Изображения, показанные в ФИГ. 15-18, представляют микрофотографии при различных увеличениях, полученные с поверхности разлома сферической детали с использованием фотоприемника с большим полем зрения, при напряжении 5,0 кВ и давлении 40 Па.[ 00198 ] After removal from the mold, the part was aged at room temperature for 24 hours, then scratched and immersed in liquid nitrogen for two minutes. After removal from the liquid nitrogen, the sphere was fractured along the scratched surface line, and an image of the fracture surface was obtained using an environmental scanning electron microscope (ESEM) (FEI Quanta FEG 650). The images shown in FIGS. 15-18 are micrographs at different magnifications obtained from the fracture surface of the spherical part using a large field of view photodetector, at a voltage of 5.0 kV and a pressure of 40 Pa.
[00199] Белый блок в ФИГ. 15 обозначает область, подробно показанную в ФИГ. 16. Белый блок в ФИГ. 16 обозначает область, подробно показанную в ФИГ. 17.[ 00199 ] The white block in FIG. 15 denotes the region shown in detail in FIG. 16. The white block in FIG. 16 denotes the region shown in detail in FIG. 17.
[00200] В ФИГ. 17 ячейки на левой стороне изображения являются крупными и относительно сферическими, тогда как те же ячейки на правой стороне фотографии видны как все более уплощенными по мере приближения к поверхности сферы.[ 00200 ] In FIG. 17, the cells on the left side of the image are large and relatively spherical, while the same cells on the right side of the photograph are seen to become increasingly flattened as they approach the surface of the sphere.
[00201] Изображение в ФИГ. 18 подробно представляет область, выделенную белым блоком в ФИГ. 17. Как видно в ФИГ. 18, имеется постепенный переход от сферических ячеек к «уплощенным» или сжатым при приближении к поверхности детали.[ 00201 ] The image in FIG. 18 shows in detail the area highlighted by the white block in FIG. 17. As can be seen in FIG. 18, there is a gradual transition from spherical cells to "flattened" or compressed ones as they approach the surface of the part.
Пример 8Example 8
[00202] Для выявления базовых различий между деталями, полученными со стандартной толщиной в условиях стандартного формования пены, использовали недавно опубликованное исследование стандартного инжекционного формования пены (авторы Paultkiewicz и др., Cellular Polymers, том 39, стр. 3-30 (2020)) для установления базовых параметров формования с использованием 16-циклового статистического анализа в подходе моделирования экспериментов (DOE). Материал (полипропилен стандартного сорта для формования с 0 вес.%, 10 вес.% и 20 вес.% талька; и 0 вес.%, 1 вес.% и 2 вес.% Hydrocerol® BIH 70 (пенообразователя)) компаундировали согласно описанным в публикации инструкциям, чтобы обеспечить как можно более точную имитацию базового исследования. Исследование было рассчитано на изучение влияния концентрации пенообразователя, содержания талька и технологических условий на выбранные свойства образованных инжекционным формованием пены деталей. Применяли пресс-форму для получения стандартного согласно ISO-образца для испытания на растяжение, имеющую полость с размерами 4,1 мм по толщине, 10 мм по ширине вдоль длины базы измерения, и 170 мм по длине. Для пресс-формы ISO-образца не предусматривали специальные вентиляционные отверстия. После обеспечения того, что установка для инжекционного формования, составы материалов и окно процесса способны воспроизводить результаты, опубликованные авторами Paultkiewicz и др., провели второе исследование с использованием технологических переменных параметров, специфичных для MFIM, более конкретно, объема декомпрессии и времени декомпрессии, тогда как давление и время выдерживания (важные характеристики в опубликованном исследовании) были настроены на постоянное нулевое значение в кН и ноль секунд, соответственно.[ 00202 ] To identify baseline differences between parts produced with standard thicknesses under standard foam molding conditions, a recently published study on standard foam injection molding (Paultkiewicz et al. , Cellular Polymers, vol. 39 , pp . 3–30 (2020)) was used to establish baseline molding parameters using a 16-cycle statistical analysis in a design of experiments (DOE) approach. The material (standard molding grade polypropylene with 0 wt%, 10 wt%, and 20 wt% talc; and 0 wt%, 1 wt%, and 2 wt% Hydrocerol® BIH 70 (foaming agent)) was compounded according to the instructions described in the publication to ensure that the baseline study was simulated as closely as possible. The study was designed to examine the effects of foaming agent concentration, talc content, and process conditions on selected properties of foam injection molded parts. An ISO standard tensile specimen mold with a cavity measuring 4.1 mm in thickness, 10 mm in gauging width, and 170 mm in length was used. No vents were provided for the ISO specimen mold. After ensuring that the injection molding machine, material compositions, and process window were capable of reproducing the results published by Paultkiewicz et al. , a second study was conducted using MFIM-specific process variables, specifically decompression volume and decompression time, while pressure and holding time (important characteristics in the published study) were set to a constant value of zero kN and zero seconds, respectively.
[00203] Формование проводили с использованием устройства Engel Victory 340 Ton, оснащенного водяным охлаждением. Постоянные и переменные технологические условия, которые были использованы, показаны в ТАБЛИЦЕ 24 как для «стандартного» способа формования пены, так и для MFIM-способа формования.[ 00203 ] Molding was performed using an Engel Victory 340 Ton machine equipped with water cooling. The constant and variable process conditions used are shown in TABLE 24 for both the "standard" foam molding method and the MFIM molding method.
[00204] Для разработанного исследования потребовались 16 комбинаций условий обработки/полимерной композиции (16 экспериментальных циклов) для исследований каждого из стандартного формования и MFIM-формования. Были проведены многочисленные повторные опыты в каждом цикле, с образованием воспроизведенных деталей для каждого эксперимента. ТАБЛИЦА 25 представляет вариации между циклами как для заданных стандартных, так и для MFIM-циклов. Циклы были проведены в произвольно выбранном порядке во избежание предвзятости. Отношение L/T для образца для испытания на растяжение согласно ISO составляет 40,5.[ 00204 ] The designed study required 16 combinations of processing conditions/polymer composition (16 experimental cycles) for each of the standard and MFIM molding studies. Multiple replicates of each cycle were conducted, producing replicated parts for each experiment. TABLE 25 presents the variations between cycles for both the given standard and MFIM cycles. The cycles were run in a random order to avoid bias. The L/T ratio for the ISO tensile test specimen is 40.5.
(кПа)(kPa)
[00205] После формования 32 уникальных технологических комбинаций двух 16-цикловых DOE-исследований, пять образцов каждой серии подвергли механическим испытаниям на прочность при растяжении, и после разрыва получали изображения поверхности разрыва. Показательные выбранные поперечные сечения ISO-образцов из Опытов 10, 11, 14 и 15 по стандартному способу формования пены показаны в ФИГ. 19, и показательные выбранные поперечные сечения ISO-образцов из Опытов 9, 10, 15 и 16 по MFIM-способу показаны в ФИГ. 20.[ 00205 ] After molding 32 unique process combinations of two 16-cycle DOE studies, five specimens of each series were subjected to mechanical tensile strength testing, and images of the fracture surface were obtained after rupture. Representative selected cross-sections of ISO specimens from Runs 10, 11, 14, and 15 by the standard foam molding method are shown in FIG. 19, and representative selected cross-sections of ISO specimens from Runs 9, 10, 15, and 16 by the MFIM method are shown in FIG. 20.
[00206] Различия между стандартным способом формования пены как заимствованным из недавней литературной публикации, и MFIM-способом стали очевидными, когда были изучены изображения поперечных сечений. Структура в полученных стандартным способом образцах для испытаний на растяжение состоит из относительно немногих, но хорошо определенных сферических ячеек, размещенных сбоку на всех сторонах толстой области не содержащих полимер ячеек. Изображения поперечных сечений образцов, полученных стандартным способом формования пены, находятся в хорошем согласовании с приведенными в публикации авторов Paultkiewicz и др., и показательны для современного промышленного стандарта. Напротив, типичные поперечные сечения образцов для ISO-испытаний, полученных MFIM-способом, показывают структуру ячеек с более асимметричными, деформированными ячейками.[ 00206 ] The differences between the standard foam molding method as adopted from a recent literature publication and the MFIM method became apparent when the cross-sectional images were examined. The structure in the tensile test specimens produced by the standard method consists of relatively few but well-defined spherical cells located laterally on all sides of a thick region of polymer-free cells. The cross-sectional images of the specimens produced by the standard foam molding method are in good agreement with those reported by Paultkiewicz et al . and are representative of the current industry standard. In contrast, typical cross-sections of ISO test specimens produced by the MFIM method show a cellular structure with more asymmetric, deformed cells.
[00207] Ячейки в поперечном сечении образцов согласно MFIM также пролегают до соседней с поверхностью области почти во всех случаях, подобно предыдущим описанным здесь примерам, и, несмотря на это, составляют гораздо более тонкую часть с гораздо более высоким L/T-отношением (40,5), чем ранее описано. Результаты четко показывают, что включение стадии декомпрессии в MFIM, в сочетании с исключением переменных параметров стандартного способа формования пены в отношении давления и времени выдерживания, обусловливают значительно отличающуюся структуру ячеек в формованных деталях.[ 00207 ] The cells in the cross-section of the MFIM samples also extend to the adjacent surface region in almost all cases, similar to the previous examples described here, and yet they form a much thinner section with a much higher L/T ratio (40.5) than previously described. The results clearly show that the inclusion of the decompression step in MFIM, combined with the exclusion of the standard foam molding process variables of pressure and holding time, result in a significantly different cell structure in the molded parts.
[00208] Были проведены испытания на растяжение пяти репликатных деталей из Опыта 9 согласно MFIM. ФИГ. 21 показывают характерное поперечное сечение, и серия кривых «напряжение/деформация» для пяти испытанных деталей из Опыта 9 согласно MFIM.[ 00208 ] Tensile tests were conducted on five replicate parts from MFIM Run 9. FIG. 21 shows a representative cross-section and a series of stress/strain curves for the five tested parts from MFIM Run 9.
[00209] Были проведены испытания на растяжение пяти репликатных деталей из Опыта 10, полученных стандартным способом формования пены. ФИГ. 22 показывают характерное поперечное сечение, и серия кривых «напряжение/деформация» для пяти испытанных деталей из Опыта 10, полученных стандартным способом формования пены.[ 00209 ] Tensile tests were conducted on five replicate parts from Run 10, produced by the standard foam molding process. FIG. 22 shows a representative cross-section and a series of stress/strain curves for the five tested parts from Run 10, produced by the standard foam molding process.
[00210] Средняя прочность при растяжении пяти деталей из Опыта 9 согласно MFIM была меньшей, чем в среднем пяти деталей из Опыта 10, полученных стандартным способом формования пены. Однако MFIM-детали проявили более высокую деформацию (относительное удлинение) при разрыве.[ 00210 ] The average tensile strength of the five MFIM parts from Experiment 9 was lower than the average of the five standard foam molded parts from Experiment 10. However, the MFIM parts exhibited higher strain (elongation) at break.
[00211] В поперечном сечении MFIM-детали из Опыта 9 было видно больше ячеек (102 ячейки), чем в полученной стандартным способом формования пены из Опыта 10 (19 ячеек).[ 00211 ] The cross-section of the MFIM part from Run 9 showed more cells (102 cells) than the conventionally molded foam from Run 10 (19 cells).
[00212] Сканирования методом рентгеновской томографии (выполненным в условиях, описанных в Примере 5) были проведены для случайно выбранной репликатной детали из Опыта 15 согласно стандартному способу формования пены (показанному в ФИГ. 23) и для случайно выбранной репликатной детали, полученной во время Опыта 9 согласно MFIM-способу (показанной в ФИГ. 24). Как ФИГ. 23, так и ФИГ. 24 показывают «вид сверху», полученный на 50%-ной глубине, и «вид сбоку», также полученный на 50%-ной глубине.[ 00212 ] X-ray tomography scans (performed under the conditions described in Example 5) were performed on a randomly selected replicate part from Run 15 using the standard foam molding method (shown in FIG. 23) and on a randomly selected replicate part produced during Run 9 using the MFIM method (shown in FIG. 24). Both FIG. 23 and FIG. 24 show a "top view" taken at 50% depth and a "side view" also taken at 50% depth.
[00213] В сформированной структуре ячеек образца для ISO-испытаний на растяжение, полученного стандартным способом формования пены (ФИГ. 23), ячейки были округлыми по форме, и области, смежные с поверхностью образца, не содержали ячейки.[ 00213 ] In the formed cell structure of the ISO tensile test specimen produced by the standard foam molding method (FIG. 23), the cells were round in shape, and the areas adjacent to the surface of the specimen did not contain cells.
[00214] Напротив, образец для ISO-испытаний на растяжение, как показано в ФИГ. 24, включает большое количество удлиненных ячеек, и ячейки обнаружены в области, соседней с поверхностью детали.[ 00214 ] In contrast, the ISO tensile test specimen as shown in FIG. 24 includes a large number of elongated cells, and the cells are found in the region adjacent to the surface of the part.
Пример 9Example 9
[00215] Для изучения зависимости конечный структуры ячеек в условиях MFIM-обработки, сформовали восемь образцов для испытаний на растяжение из LDPE с использованием MFIM-способа на установке для инжекционного формования Engel Victory 340 Ton. Пресс-форма содержала полость из алюминиевого материала для модифицированного образца для испытаний на растяжение, имеющую размеры 24 см по длине, толщину 2,54 см и переменную ширину с базовой длиной 6 см и базовой длиной 2,54 см, сужающуюся к концам до ширины 3,5 см. Большой образец для испытаний на растяжение подавали из холодного литника, и систему приводили в действие через дверцу с диаметром 1,0 см. Составы материала содержали LDPE с тальком и без него, всегда с содержанием 2 вес.% пенообразователя Clariant Hydrocerol® BIH 70. Температуру расплава регулировали на профиль, подробно показанный в ТАБЛИЦЕ 26, и время пребывания в барабане составляло 13 минут перед накоплением впрыскиваемого материала для впрыска. После накопления впрыскиваемого материала шнек втянули назад для создания объема декомпрессии либо 4,0 кубических дюймов (66 см3), либо 6,0 кубических дюймов (98 см3), и обеспечивали вспенивание смеси LDPE с пенообразователем в течение либо 15, либо 45 секунд в пустом пространстве барабана перед впрыском. Исследование провели как для LDPE без наполнителя, так и для LDPE с наполнителем в виде 15% талька. Подробности условий способа показаны в ТАБЛИЦЕ 26.[ 00215 ] To study the dependence of the final cell structure under MFIM processing conditions, eight tensile test specimens were molded from LDPE using the MFIM method on an Engel Victory 340 Ton injection molding machine. The mold contained a modified tensile test specimen cavity made of aluminum material measuring 24 cm in length, 2.54 cm in thickness, and a variable width with a 6 cm base length and 2.54 cm base length, tapering to a width of 3.5 cm at the ends. The large tensile test specimen was fed from a cold runner, and the system was actuated through a 1.0 cm diameter door. Material formulations included LDPE with and without talc, always containing 2 wt.% Clariant Hydrocerol® BIH 70 foaming agent. The melt temperature was adjusted to the profile detailed in TABLE 26, and the residence time in the barrel was 13 minutes before the injection material was accumulated for injection. After the injection material had accumulated, the screw was retracted to create a decompression volume of either 4.0 cubic inches (66 cm3 ) or 6.0 cubic inches (98 cm3 ), and the LDPE/foaming agent mixture was allowed to foam for either 15 or 45 seconds in the empty space of the drum before injection. The study was conducted for both unfilled LDPE and LDPE filled with 15% talc. Details of the process conditions are shown in TABLE 26.
[00216] ФИГ. 25 показывает картину рентгеновского сканирования одной из деталей в этом исследовании, изображая общую форму каждой детали.[ 00216 ] FIG. 25 shows an X-ray scan of one of the parts in this study, depicting the general shape of each part.
[00217] ФИГ. 26 изображает поперечное сечение каждого сформованного в исследовании испытательного образца, вырезанного из середины базовой длины, с указанными переменным параметрами. Набор образцов включает две основных группы: образцы, полученные с тальком, и образцы, полученные без талька. В ФИГ. 26 набор образцов на левой стороне изображает те детали, которые выполнены без талька. Эти детали проявляют структуру из более мелких ячеек в сердцевине детали, и целостность возникшей структуры ячеек практически не затронута изменениями величины декомпрессии и времени декомпрессии, показывая, что все величины и продолжительности декомпрессии были в пределах приемлемого диапазона.[ 00217 ] FIG. 26 depicts a cross-section of each test specimen molded in the study, cut from the middle of the gauge length, with the specified variable parameters. The set of specimens includes two main groups: specimens produced with talc and specimens produced without talc. In FIG. 26, the set of specimens on the left side depicts those parts that were produced without talc. These parts exhibit a structure of finer cells in the core of the part, and the integrity of the resulting cell structure is substantially unaffected by changes in the decompression amount and decompression time, indicating that all decompression amounts and durations were within an acceptable range.
[00218] Набор образцов справа изображает те образцы, которые содержат 15 вес.% талька. Некоторые размазывания на поверхностях детали были вызваны повреждением ножом на LDPE с низким модулем упругости, и не являются характерными для качества детали. Структура ячеек в частях с тальком была соответственно большей, и округлость ячеек была слегка более низкой, чем в не содержащих тальк эквивалентах.[ 00218 ] The sample set on the right shows those samples containing 15 wt.% talc. Some smearing on the part surfaces was caused by knife damage to the low-modulus LDPE and is not characteristic of the part quality. The cell structure in the talc-containing parts was correspondingly larger, and the cell roundness was slightly lower than in the talc-free equivalents.
[00219] Изображение рентгеновской томографии было получено с поперечного сечения основной поверхности примерно в 50% MFIM-детали, полученной с 15 вес.% талька, объемом декомпрессии 6 дюйм3 (98 см3), и при 15 секундах времени декомпрессии. Изображение показано в ФИГ. 27.[ 00219 ] An X-ray tomography image was obtained from a cross-section of the major surface of approximately 50% of an MFIM part produced with 15 wt.% talc, a decompression volume of 6 in 3 (98 cm 3 ), and at 15 seconds of decompression time. The image is shown in FIG. 27.
Пример 10Example 10
[00220] Деталь в качестве образца для испытаний на растяжение получили с использованием стандартного способа формования пены из LDPE, содержащего 15 вес.% талька в качестве наполнителя и 2 вес.% Hydrocerol® BIH 70, с использованием технологических параметров, как описанных в Примере 9, но без стадии декомпрессии MFIM-способа. Эту деталь из стандартного способа формования пены сравнивали с MFIM-деталью, образованной с 15% талька, объемом декомпрессии 6 дюйм3 (98 см3), и при 15 секундах времени декомпрессии, из Примера 9. С использованием методов, как описанных в Примере 6, получили изображения рентгеновской томографии центральной части каждой из деталей (MFIM-формованием и стандартным формованием пены) на переменных глубинах от основной поверхности. Изображения поперечных сечений также были зарегистрированы. Изображения показаны в ФИГ. 28.[ 00220 ] A tensile test specimen part was produced using a standard foam molding process from LDPE containing 15 wt.% talc as a filler and 2 wt.% Hydrocerol® BIH 70, using the process parameters described in Example 9, but without the MFIM decompression step. This part from the standard foam molding process was compared to the MFIM part formed with 15% talc, a decompression volume of 6 in3 (98 cm3 ), and at a decompression time of 15 seconds, from Example 9. Using the methods described in Example 6, X-ray tomography images were obtained of the central portion of each of the parts (MFIM molding and standard foam molding) at varying depths from the main surface. Cross-sectional images were also recorded. The images are shown in FIG. 28.
[00221] Анализ методом рентгеновской томографии числа ячеек, округлости ячеек и среднего размера ячеек (самого длинного размера ячейки) выполнили на изображениях каждой детали как образца для испытаний на растяжение (MFIM-материалы и материалы стандартного способа) на каждой глубине от основной поверхности. Число ячеек, округлость ячеек и средний размер ячеек были в каждом случае нанесены на график в виде кривых относительно глубины в поперечном сечении; и соответствующие кривые показаны в ФИГ. 29-31, соответственно.[ 00221 ] X-ray tomography analysis of the cell number, cell circularity, and average cell size (the longest dimension of a cell) was performed on images of each part as a tensile test specimen (MFIM materials and standard method materials) at each depth from the main surface. The cell number, cell circularity, and average cell size were plotted in each case as curves versus the cross-sectional depth; and the corresponding curves are shown in FIGS. 29-31, respectively.
[00222] Как показано в ФИГ. 29, число ячеек было более высоким в сформованной MFIM-способом детали на всех глубинах. Как видно из всех Примеров и Фигур, деталь, сформованная с использованием стандартного способа формования пены, выглядит не содержащей или по существу не содержащей ячейки в области, или «коже», близкой к поверхности, например, на протяжении около первых 2,5 мм глубины от основной поверхности, тогда как ячейки присутствуют в детали, сформованной с использованием MFIM-способа, внутри области между около 2,5 мм ниже поверхности и в поверхности.[ 00222 ] As shown in FIG. 29, the number of cells was higher in the MFIM-molded part at all depths. As can be seen from all of the Examples and Figures, the part molded using the standard foam molding method appears to be cell-free or substantially cell-free in the region, or "skin," close to the surface, such as within about the first 2.5 mm of depth from the main surface, whereas cells are present in the part molded using the MFIM method within the region between about 2.5 mm below the surface and at the surface.
[00223] Как показано в ФИГ. 30, как правило, округлость ячеек была большей в образце, образованном стандартным способом формования пены, чем в MFIM-формованной детали, кроме середины MFIM-детали, где округлость также была высокой в сформованном MFIM-способом образце.[ 00223 ] As shown in FIG. 30, in general, the cell roundness was greater in the sample formed by the standard foam molding process than in the MFIM molded part, except in the middle of the MFIM part, where the roundness was also high in the MFIM molded sample.
[00224] Как показано в ФИГ. 31, размер ячеек в целом был бóльшим в образце для испытаний на растяжение, образованном стандартным способом формования пены, но быстро сокращался до нуля в областях вблизи наружных поверхностей (например, в пределах 2,5 мм от поверхности). Напротив, размер ячеек был более равномерным на протяжении глубины сформованной MFIM-способом детали, и ячейки продолжались вплоть до поверхности.[ 00224 ] As shown in FIG. 31, the cell size was generally larger in the tensile test specimen formed by the standard foam molding method, but quickly decreased to zero in areas near the outer surfaces (e.g., within 2.5 mm from the surface). In contrast, the cell size was more uniform throughout the depth of the MFIM-molded part, and the cells continued all the way to the surface.
[00225] Такие же тенденции обнаружены при визуальном обследовании поперечных сечений, показанных в ФИГ. 28. В пределах 2,5 мм от любой наружной поверхности деталь из стандартного способа формования пены выглядит как не содержащая ячейки, тогда как ячейки различимы на наружной поверхности в MFIM-детали.[ 00225 ] The same trends are observed from visual inspection of the cross-sections shown in FIG. 28. Within 2.5 mm from any outer surface, the standard foam molded part appears to be cell-free, whereas cells are discernible on the outer surface in the MFIM part.
Пример 11Example 11
[00226] Крупный образец выловленного в океане для регенерации пластика проанализировали с использованием дифференциальной сканирующей калориметрии, и оценивали как содержащий приблизительно 85 вес.% HDPE, с остальным количеством, включающим полипропилен и загрязняющие примеси.[ 00226 ] A large sample of ocean-caught plastic for reclamation was analyzed using differential scanning calorimetry and estimated to contain approximately 85 wt% HDPE, with the remainder comprising polypropylene and contaminants.
[00227] Две детали были успешно сформованы из добытого в океане пластика с использованием MFIM-способа в брусок с размером (в дюймах) 4×4×2 (1,57×1,57×0,79 см) и сферу с диаметром 15,24 см. Формование проводили с использованием установки для инжекционного формования Engel Duo 550 Ton (производства фирмы Engel Machinery Inc., Йорк, Пенсильвания, США). Обе части были с центральной заслонкой и заполнены вязким спирально-складчатым потоком.[ 00227 ] Two parts were successfully molded from ocean-recovered plastic using the MFIM method into a 4 x 4 x 2 (1.57 x 1.57 x 0.79 cm) block and a 15.24 cm diameter sphere. Molding was performed using an Engel Duo 550 Ton injection molding machine (Engel Machinery Inc., York, PA, USA). Both parts were center-gate and filled with viscous spiral-fold flow.
[00228] Технологические параметры и характеристики полученной детали перечислены в ТАБЛИЦЕ 27 и ТАБЛИЦЕ 28, соответственно.[ 00228 ] The technological parameters and characteristics of the obtained part are listed in TABLE 27 and TABLE 28, respectively.
Пример 12Example 12
[00229] Сформовали сферу с диаметром девять дюймов (22,86 см), «Образец 10», с использованием описанного здесь MFIM-способа. Кроме того, сформовали вторую сферу с диаметром девять дюймов (22,86 см), Образец 20, с использованием варианта способа. Вариант способа, называемый здесь способом «обратного MFIM», представлял собой следующее:[ 00229 ] A nine-inch (22.86 cm) diameter sphere, Sample 10, was molded using the MFIM method described herein. In addition, a second nine-inch (22.86 cm) diameter sphere, Sample 20, was molded using a variation of the method. The variation of the method, referred to herein as the "reverse MFIM" method, was as follows:
[00230] А) Получили смесь смешением полимера (который может быть в форме зерен, порошка, шариков, гранул, и тому подобныых) с химическим пенообразователем, и любыми другими добавками, такими как наполнитель. Смесь вводили в инжекционный блок, и приводили в движение вращающийся шнек инжекционного блока, продвигающий материал вперед в барабане установки для инжекционного формования, тем самым формируя нагретый текучий материал в соответствии с нормальными технологиями инжекционного формования. В) Шнек отводили назад в сторону загрузочной воронки, преднамеренно создавая пространство между шнеком и соплом внутри барабана. С) Дозировали заданный объем материала в передней части барабана в инжекционном блоке вращением шнека, тем самым продвигая заданный объем от зоны питания к передней части шнека и в созданное в стадии В специальное пространство. Во время этой стадии подачи шнек вращался для продвижения расплавленного материала вперед в пространство в барабане между шнеком и соплом, тем самым создавая заданный объем. Однако заданный объем занимал только часть специального пространства, тем самым создавая объем для преобразования впрыскиваемого материала в пену и расширения, то есть, объем декомпрессии. D) Материал находился в барабане между шнеком и соплом в течение периода времени, называемым здесь «временем декомпрессии». На протяжении времени декомпрессии материал расширялся вследствие вспенивания, заполняя или частично заполняя пространство, созданное в стадии (В). Е) Расплавленную пену впрыскивали в полость пресс-формы продвижением вперед шнека и/или вращением шнека.[ 00230 ] A) A mixture was formed by mixing a polymer (which may be in the form of grains, powder, beads, granules, etc.) with a chemical blowing agent and any other additives such as filler. The mixture was introduced into the injection block and the rotating screw of the injection block was driven, propelling the material forward in the barrel of the injection molding machine, thereby forming a heated flowable material in accordance with normal injection molding techniques. B) The screw was retracted toward the feed hopper, intentionally creating a space between the screw and the nozzle inside the barrel. C) A predetermined volume of material was metered into the front of the barrel in the injection block by rotating the screw, thereby propelling the predetermined volume from the feed zone to the front of the screw and into the special space created in step B. During this feeding stage, the screw rotated to propel the molten material forward into the space in the barrel between the screw and the nozzle, thereby creating a predetermined volume. However, this predetermined volume occupied only a portion of the designated space, thereby creating a volume for the injected material to transform into foam and expand, i.e., the decompression volume. D) The material remained in the barrel between the screw and the nozzle for a period of time, here referred to as the "decompression time." During the decompression time, the material expanded due to foaming, filling or partially filling the space created in stage (B). E) The molten foam was injected into the mold cavity by the forward advancement of the screw and/or the rotation of the screw.
[00231] Тем самым регулярный и обратный MFIM-способы отличаются друг от друга тем, что в MFIM-способе шнек вращался для введения впрыскиваемого материала в переднюю часть барабана перед тем, как шнек отводили назад для образования пространства декомпрессии; тогда как в обратном способе шнек отводили назад для образования пространства декомпрессии до того, как шнек вращался для введения массы впрыскиваемого материала в созданное специальное пространство.[ 00231 ] The regular and reverse MFIM methods thus differ from each other in that in the MFIM method, the screw was rotated to introduce the injection material into the front of the barrel before the screw was retracted to form a decompression space; whereas in the reverse method, the screw was retracted to form a decompression space before the screw was rotated to introduce the mass of injection material into the created special space.
[00232] Оба из Образца 10 и Образца 20 сформовали из чистого LDPE, содержащего 2% Hydrocerol® BIH 70, 2% талька и 1% желтого окрашивающего вещества. Формование проводили на установке для инжекционного формования Engel Duo 550 Ton (производства фирмы Engel Machinery Inc, Йорк, Пенсильвания, США). Пресс-форма имела сферическую полость внутри алюминиевой пресс-формы с подачей через холодный литниковый ход и литник.[ 00232 ] Both Sample 10 and Sample 20 were molded from virgin LDPE containing 2% Hydrocerol® BIH 70, 2% talc, and 1% yellow colorant. Molding was performed on an Engel Duo 550 Ton injection molding machine (Engel Machinery Inc, York, PA, USA). The mold had a spherical cavity within an aluminum mold with cold runner and gate feed.
[00233] Технологические параметры показаны в ТАБЛИЦЕ 29:[ 00233 ] Technological parameters are shown in TABLE 29:
[00234] Плотность деталей, как в Образце 10, так и в Образце 20, составляла 0,214 г/см3, со снижением плотности в обоих случаях на 77%.[ 00234 ] The density of the parts in both Sample 10 and Sample 20 was 0.214 g/ cm3 , a density reduction of 77% in both cases.
[00235] Фотография Образца 20 показана в ФИГ. 32, и Образца 10 в ФИГ. 33, с каждой сферической деталью, установленной на стенде. Как можно видеть в Фигурах, Образец 20, полученный с использованием «обратного MFIM-способа», проявлял неровную поверхность, тогда как поверхность Образца 10, полученного с использованием MFIM-способа, была гораздо более гладкой. Среднюю глубину складок оценивали с использованием оптического микроскопа и рентгеновской томографии. Средняя глубина складок была измерена составляющей менее 50 микрон (мкм) для Образца 10, но 565 микрон (мкм) для Образца 20.[ 00235 ] A photograph of Sample 20 is shown in FIG. 32, and Sample 10 in FIG. 33, with each spherical part mounted on a stand. As can be seen in the Figures, Sample 20, produced using the "inverse MFIM method," exhibited an uneven surface, while the surface of Sample 10, produced using the MFIM method, was much smoother. The average wrinkle depth was evaluated using an optical microscope and X-ray tomography. The average wrinkle depth was measured to be less than 50 microns (μm) for Sample 10, but 565 microns (μm) for Sample 20.
[00236] Каждый из Образца 10 и Образца 20 разрезали пополам по максимальному диаметру для создания поперечного сечения. Поперечное сечение четырех фрагментов сфотографировали. Одна половина Образца 20, образованного обратным MFIM-способом, показана в изображении в ФИГ. 34, и одна половины Образца 10 показана в ФИГ. 35. Более пристальное обследование кромки показало, что в Образце 10 и Образце 20 ячейки находились непосредственно у поверхности, например, в пределах 2,5 мм от поверхности, в отличие от деталей, полученных где-то в Примерах стандартным способом формования пены[ 00236 ] Each of Sample 10 and Sample 20 was cut in half along the maximum diameter to create a cross-section. The cross-section of the four pieces was photographed. One half of Sample 20 formed by the inverse MFIM process is shown in the image in FIG. 34, and one half of Sample 10 is shown in FIG. 35. Closer inspection of the edge revealed that in Sample 10 and Sample 20, the cells were located just at the surface, for example, within 2.5 mm from the surface, unlike parts produced elsewhere in the Examples by the standard foam molding process.
[00237] Выполнили обследование рентгеновской томографией на первом дюйме глубины образца для Образца 10 и Образца 29, и с использованием методов, описанных в Примере 6, измерили число ячеек и размер ячеек для различных дистанций от поверхности каждого образца. Кривые приведены в ФИГ. 36 и 37, в которых «MFIM» относится к Образцу 10, и «обратный MFIM» относится к Образцу 20.[ 00237 ] X-ray tomography examination was performed on the first inch of sample depth for Sample 10 and Sample 29, and using the methods described in Example 6, the number of cells and the cell size were measured for various distances from the surface of each sample. The curves are shown in FIGS. 36 and 37, in which "MFIM" refers to Sample 10, and "inverse MFIM" refers to Sample 20.
[00238] Две дополнительных сферических детали, Детали 6 и 7, получили в таких же условиях и из такой же смеси полимера/талька/окрашивающего вещества/пенообразователя, как в Образце 10, то есть, MFIM-способом. От каждой из Деталей 6 и 7 отрезали по пять частей в форме параллелепипеда, каждый с размером приблизительно 2 дюйма на 2 дюйма на 1 дюйм, и протестировали модуль объемной деформации (напряжение относительно деформации). Среднее напряжение относительно средней деформации (MFIM-способ) показано кривыми в ФИГ. 38.[ 00238 ] Two additional spherical parts, Parts 6 and 7, were produced under the same conditions and from the same polymer/talc/colorant/foaming agent mixture as Sample 10, i.e., by the MFIM method. Five parallelepiped-shaped pieces, each approximately 2 inches by 2 inches by 1 inch, were cut from each of Parts 6 and 7 and tested for bulk modulus (stress versus strain). The average stress versus average strain (MFIM method) is shown by the curves in FIG. 38.
[00239] Две дополнительных сферических детали, Детали 22 и 24, получили в таких же условиях и из такой же смеси полимера/талька/окрашивающего вещества/пенообразователя, как в Образце 20. От каждой из Деталей 22 и 24 отрезали по пять частей в форме параллелепипеда, каждый с размером приблизительно 2 дюйма на 2 дюйма на 1 дюйм (около 5,1 см на 5,1 см на 5,1 см), и протестировали модуль объемной деформации (напряжение относительно деформации). Среднее напряжение относительно средней деформации (обратный MFIM-способ) также показано кривыми в ФИГ. 38. Как видно в ФИГ. 38, модуль объемной деформации деталей, полученных MFIM-способом (средний для Деталей 6 и 7), и деталей, образованных обратным MFIM-способом, (средний для Деталей 22 и 24), является подобным.[ 00239 ] Two additional spherical parts, Parts 22 and 24, were produced under the same conditions and from the same resin/talc/colorant/foaming agent mixture as Sample 20. Five parallelepiped-shaped pieces, each approximately 2 inches by 2 inches by 1 inch (about 5.1 cm by 5.1 cm by 5.1 cm), were cut from each of Parts 22 and 24 and tested for bulk modulus (stress versus strain). The average stress versus average strain (inverse MFIM) is also shown by the curves in FIG. 38. As can be seen in FIG. 38, the bulk modulus of the MFIM parts (average of Parts 6 and 7) and the inverse MFIM parts (average of Parts 22 and 24) are similar.
[00240] От каждой из Деталей 6 и 7 (MFIM) и 22 и 24 (обратный MFIM) отрезали по пять полос. Каждая полоса имела приблизительные размеры 1 дюйм на 1 дюйм на 8 дюймов. Для всех из полос измерили модуль изгиба (напряжение относительно деформации), и усреднили результаты для десяти полученных MFIM-способом полос, и усреднили результаты для десяти полученных обратным MFIM-способом полос. Результаты показаны кривыми в ФИГ. 39.[ 00240 ] Five strips were cut from each of Parts 6 and 7 (MFIM) and 22 and 24 (reverse MFIM). Each strip had approximate dimensions of 1 inch by 1 inch by 8 inches. The flexural modulus (stress versus strain) was measured for all of the strips, and the results were averaged for the ten MFIM strips and the results were averaged for the ten reverse MFIM strips. The results are shown as curves in FIG. 39.
Пример 13Example 13
[00241] Детали были изготовлены с использованием MFIM-способов, как здесь описано, с различными формами и из различных материалов, как показано в ТАБЛИЦЕ 30. Детали разрезали на части. Во всех случаях область вблизи поверхностей включала ячейки меньшего размера, но по мере перехода от поверхности размер ячеек возрастал. Область ячеек с уменьшенным размером ближе к поверхностям переходила в ячейки более крупного размера по мере удаления от поверхности. В то время как переход был постепенным, и тем самым не было отдельного слоя малого размера и отдельного слоя более крупного размера, были визуально оценены с использованием микроскопии относительные зоны области мелких, или «сжатых», ячеек и области более крупных ячеек, и подтверждены посредством световой микроскопии, и показаны в ТАБЛИЦЕ 30. В то время как числа были только оценочными, исследование изображений показало, что глубина области и процентная доля зоны, которая была занята «сжатыми» ячейками, широко варьировала, возможно, в зависимости от формы детали, материала и/или условий эксперимента.[ 00241 ] Parts were manufactured using MFIM methods as described herein, with various shapes and materials, as shown in TABLE 30. The parts were cut into sections. In all cases, the region near the surfaces included smaller cells, but the cell size increased as they moved away from the surface. The region of smaller cells closer to the surfaces transitioned to larger cells as they moved away from the surface. While the transition was gradual, and thus there was no distinct small-cell layer and a distinct larger-cell layer, the relative areas of the small, or "compressed," cell region and the larger cell region were visually estimated using microscopy and confirmed by light microscopy and are shown in TABLE 30. While the numbers were only estimates, examination of the images revealed that the depth of the region and the percentage of the region that was occupied by "compressed" cells varied widely, possibly depending on the part shape, material, and/or experimental conditions.
Пример 14Example 14
[00242] Первую деталь сформовали с использованием композиции из 98 вес.% металлоценового полиэтилена, смешанного с 2 вес.% Hydrocerol® BIH 70, перед загрузкой в установку для инжекционного формования. Первую деталь сформовали с использованием MFIM-способа. Подробности обработки приведены в ТАБЛИЦЕ 31 и ТАБЛИЦЕ 32. Деталь изготовили с использованием блочной пресс-формы с размером (в дюймах) 2×4×4 (5,08×10,16×10,16 см) с объемом полости пресс-формы 524,4 см3 и объемом литника 17,4 см3. Литник срезали с детали, и затем деталь подвергли испытанию на сжатие под нагрузкой для количественной оценки характеристик прочности на сжатие ячеистой структуры, образованной внутри 2×4×4-геометрии (в дюймах).[ 00242 ] The first part was molded using a composition of 98 wt% metallocene polyethylene blended with 2 wt% Hydrocerol® BIH 70 before loading into the injection molding machine. The first part was molded using the MFIM process. Processing details are provided in TABLE 31 and TABLE 32. The part was manufactured using a 2 x 4 x 4 (5.08 x 10.16 x 10.16 cm) block mold with a mold cavity volume of 524.4 cm 3 and a sprue volume of 17.4 cm 3 . The sprue was cut from the part and then the part was subjected to a compression load test to quantify the compressive strength characteristics of the cellular structure formed within the 2x4x4 geometry (in inches).
[00243] Испытание на сжатие проводили на приборе Instron Universal Testing System (производства фирмы Instron USA, Норвуд, Массачусетс, США). Каждый сформованный блок пены поместили между испытательными плитами и перед испытанием стабилизировали внутри камеры для климатических испытаний при 30ºC в течение пяти минут. Прибор был оснащен датчиком нагрузки на 250 кН. Скорость испытания на сжатие составляла 5 мм/мин.[ 00243 ] Compression testing was performed using an Instron Universal Testing System (Instron USA, Norwood, MA, USA). Each molded foam block was placed between test platens and stabilized in a climatic testing chamber at 30ºC for five minutes prior to testing. The system was equipped with a 250 kN load cell. The compression testing speed was 5 mm/min.
[00244] Результаты показали, что модуль объемной деформации составлял 19 МПа для образца A (0,37 г/см3), 39 МПа для образца B (0,45 г/см3), и 55 МПа для образца C (0,57 г/см3). Как показано в ФИГ. 40, прочность на сжатие блоков металлоценового полиэтилена (mPE) возрастает с увеличением плотности.[ 00244 ] The results showed that the bulk modulus was 19 MPa for sample A (0.37 g/cm 3 ), 39 MPa for sample B (0.45 g/cm 3 ), and 55 MPa for sample C (0.57 g/cm 3 ). As shown in FIG. 40, the compressive strength of the metallocene polyethylene (mPE) blocks increases with increasing density.
Claims (42)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US62/867,516 | 2019-06-27 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021138692A RU2021138692A (en) | 2023-07-27 |
| RU2848178C2 true RU2848178C2 (en) | 2025-10-16 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3663668A (en) * | 1968-02-28 | 1972-05-16 | Fmc Corp | Sonic nucleation in foam extrusion |
| US4776356A (en) * | 1986-02-01 | 1988-10-11 | Yukigaya Kagaku Kogyo Kabushiki-Kaisha | Cosmetic applicator |
| WO1998008667A2 (en) * | 1996-08-27 | 1998-03-05 | Trexel, Inc. | Method and apparatus for microcellular polymer extrusion |
| US5866053A (en) * | 1993-11-04 | 1999-02-02 | Massachusetts Institute Of Technology | Method for providing continuous processing of microcellular and supermicrocellular foamed materials |
| RU2561267C2 (en) * | 2009-11-25 | 2015-08-27 | ДАУ ГЛОБАЛ ТЕКНОЛОДЖИЗ ЭлЭлСи | Nanoporous polymer foam having high porosity |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3663668A (en) * | 1968-02-28 | 1972-05-16 | Fmc Corp | Sonic nucleation in foam extrusion |
| US4776356A (en) * | 1986-02-01 | 1988-10-11 | Yukigaya Kagaku Kogyo Kabushiki-Kaisha | Cosmetic applicator |
| US5866053A (en) * | 1993-11-04 | 1999-02-02 | Massachusetts Institute Of Technology | Method for providing continuous processing of microcellular and supermicrocellular foamed materials |
| WO1998008667A2 (en) * | 1996-08-27 | 1998-03-05 | Trexel, Inc. | Method and apparatus for microcellular polymer extrusion |
| RU2561267C2 (en) * | 2009-11-25 | 2015-08-27 | ДАУ ГЛОБАЛ ТЕКНОЛОДЖИЗ ЭлЭлСи | Nanoporous polymer foam having high porosity |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11827763B2 (en) | Polymer foam articles and methods of making polymer foams | |
| KR20120001723A (en) | Microcell injection molding process for personal and consumer care products and packaging | |
| WO2012033979A1 (en) | Polymer pellets containing supercritical fluid and methods of making and using | |
| Garbacz et al. | Effectiveness of blowing agents in the cellular injection molding process | |
| JP7760661B2 (en) | Polymeric foam articles and methods of making polymeric foams | |
| RU2848178C2 (en) | Articles from polymer foam and methods of producing polymer foams | |
| AU2021454207A1 (en) | Polymer foam articles and methods of making polymer foams | |
| Garbacz et al. | Effectiveness of cellular injection molding process | |
| TWI896044B (en) | Polymer foam articles and methods of making polymer foams | |
| EP4010161B1 (en) | Materials and methods | |
| BR112021026336B1 (en) | POLYMER FOAM ARTICLE | |
| WO2018163998A1 (en) | Manufacturing method and manufacturing device for foam molded article | |
| Peng et al. | Comparisons of microcellular PHBV/PBAT parts injection molded with supercritical nitrogen and expandable thermoplastic microspheres: surface roughness, tensile properties, and morphology |