Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein Verfahren, Apparatur und Produkte
zur Herstellung von Artikeln aus geschäumten Polymeren und insbesondere Verfahren
zur halbkontinuierlichen Produktion von solchen Materialien. Die geschäumten Polymere
können mikrozellular mit einer mittleren Blasengröße im Bereich von 2–25 &mgr;m
sein, oder sie können Blasengrößen aufweisen, welche kleiner oder größer als mikrozelluläre
Schäume sind. Die geschäumten Polymere sind normalerweise nicht-poröse Materialien
mit geschlossener Zelle.
Hintergrund der Erfindung
Im festen Zustand geschäumte Polymere sind im Allgemeinen Plastschaumstoffe
mit geschlossener Zelle, welche eine große Anzahl an sehr kleinen Zellen oder Blasen
enthalten. Typischerweise besitzen solche Schäume eine Blasendichte von mehr als
108 Zellen pro cm3 mit Blasendurchmessern in der Größenordnung
von 10 &mgr;m. Verglichen mit herkömmlichen Feststoff-Polymeren bieten im festen
Zustand geschäumte Polymere die Möglichkeit einer 20–80%igen Verringerung
bezüglich des verwendeten Materials, obgleich die essenziellen mechanischen Eigenschaften
des Polymeren bei einem relativ hohen Ausmaß gehalten werden. Dies bietet seinerseits
signifikante Einsparnisse bezüglich der Material- und Transportkosten. Solche leichtgewichtigen
Polymere sind besonders brauchbar für Anwendungen, bei denen das Gewicht ein kritischer
Faktor ist, zum Beispiel in Flugzeugen. Darüber hinaus legen vorausgehende Daten
nahe, dass mikrozelluläre Polymere eine verbesserte Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit
besitzen. Dies kann durch die einfache Tatsache erklärt werden, dass diese Schäume
von einem Polymer im plastischen Feststoffzustand im Gegensatz zum Schmelzzustand
abgeleitet sind. Wenn ein amorphes Polymer bei seiner Glasübergangstemperatur oder
etwas darüber gereckt wird, wird das resultierende gereckte Polymer zu einem Ausmaß
orientiert, dass es gereckt ist. Festzustandsschäume zeigen deshalb Polymerzellwände
im orientierten Zustand.
Geschäumte Polymere, die sich vom geschmolzenen Zustand ableiten,
besitzen Zellwände, welche im nicht orientierten Zustand sind. Nicht orientierte
Zellwände, die sich vom Schmelzzustand ableiten, und orientierte Zellwände, welche
vom Feststoffzustand abgeleitet sind, besitzen analoge Eigenschaften bezüglich heiß
geblasenen oder nicht orientierten Folien bzw. orientierten Folien. Heiß geblasene
Folien zeigen eine niedrige Zugfestigkeit, hohe Dehnung, wenig Schrumpfung und Schrumpfungskraft
und schlechte Biegelebensdauer. Orientierte Folien zeigen auf der anderen Seite
eine hohe Zugfestigkeit, niedrige Dehnung, hohe Schrumpfung und Schrumpfungskraft
und hohe Biegelebensdauer.
Aus dieser Analogie kann man sehen, dass Schäume, die vom Feststoffzustand
abgeleitet sind, in einmaliger Weise sich von den Schäumen unterscheiden, welche
vom Schmelzzustand abgeleitet sind. Es ist dann nicht überraschend, dass Eigenschaften
wie Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit ziemlich unterschiedlich gegenüber Schäumen
wären, die von dem Schmelzzustand abgeleitet sind.
Es ist bekannt, dass mikrozelluläre Polymere durch ein Zwei-Stufen-Satzverfahren
hergestellt werden können, bei welchem ein festes Polymer zuerst einem nicht reagierenden
Gas, wie Kohlendioxid oder Stickstoff, bei erhöhtem Druck während eines ausreichenden
Zeitraums, um eine Konzentration an Gas in dem Polymer zu erreichen, welche ausreichend
ist, um eine Blasennukleierung zu ermöglichen, ausgesetzt wird. Die minimale Gaskonzentration,
die zur Blasennukleierung erforderlich ist, variiert mit dem Gas/Polymer-System.
Zum Beispiel kann mit Polycarbonat und Kohlendioxid ein Schaum gebildet werden,
indem 20–120 mg Kohlendioxid pro Gramm Polycarbonat zur Anwendung kommen.
Eine höhere Gaskonzentration führt zur Nukleierung einer höheren Anzahl an Blasen,
was zu einer kleinen Blasengröße im Schaum führt. Die Gaskonzentration kann einheitlich
oder nicht einheitlich sein. Die Einheitlichkeit der Konzentration führt zu einer
homogeneren Blasenstruktur.
Nachdem das Polymer dem Gas ausgesetzt worden ist, wird es anschließend
zum normalen Druck rückgeführt, wodurch eine übergesättigte Probe erzeugt wird,
und es wird zur Schäumungstemperatur erhitzt, welche oberhalb der Glasübergangstemperatur
des gas-gesättigten Polymeren liegt, wodurch erreicht wird, dass eine große Anzahl
von Blasen in dem Polymer nukleieren. Das Polymer wird bei der Schäumungstemperatur
während eines Zeitraumes gehalten, der ausreichend ist, damit ein Schaum mit der
gewünschten Dichte erhalten wird, und dann gekühlt wird, um die Blasennukleierung
und das -wachstum zu beenden.
Die mittlere Blasengröße wird teilweise durch die Anzahl an Blasen,
welche nukleieren bestimmt, was seinerseits durch die Konzentration an Gas im Polymer
beeinflusst wird. Die Dichte des mikrozellulären Polymeren kann reguliert werden,
indem der Gassättigungsdruck, die Schäumungszeit und die Schäumungstemperatur variiert
werden.
Unter Anwendung dieses Verfahrens sind mikrozelluläre Schäume erfolgreich
aus vielen unterschiedlichen amorphen Polymeren wie Polyvinylchlorid (PVC), Polycarbonat,
Polystyrol und ABS-Copolymer hergestellt worden. Zum Beispiel beschreibt
das US-Patent Nr. 4 473 665 die Herstellung von mikrozellulärem Polystyrol durch
Sättigung mit Stickstoff. Für eine Übersicht der jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet
von mikrozellulären Polymeren siehe Kumar, V. (1993), Progress in Rubber and Plastics
Technology, Bd. 9, S. 54–70.
Während Verfahren zur Herstellung von diskreten Blöcken oder Sektionen
von mikrozellulärem Polymer im Fachbereich allgemein bekannt sind, waren Versuche
zur Herstellung von kontinuierlichen Tafeln bzw. Bahnen oder Streifen dieser Materialien
unter Anwendung des oben beschriebenen Zwei-Stufen-Verfahrens nicht erfolgreich.
Die Sättigung von gewalzten Polymertafeln mit nicht reagierendem Gas ist ineffektiv,
wobei das Gas nur an den exponierten Oberflächen der Rolle absorbiert wird. Beim
Aussetzen der mit Gas behandelten Rolle an erhöhte Temperaturen tritt das Schäumen
nur an der Peripherie der Polymertafel auf.
Derzeitige Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von mikrozellulären
Polymertafeln bestehen aus dem Düsenextrudieren von geschmolzenem Polymer, das ein
Schäumungsmittel enthält, und Führen des extrudierten Polymeren durch ein Paar von
gekühlten Walzen (siehe z. B. US-Patent Nr. 4 456 571). Park und Suh haben kontinuierliche
mikrozelluläre Filamente durch Sättigen eines geschmolzenen Polymeren mit einem
Gas bei einer spezifischen Temperatur und einem spezifischen Druck vor der Initiierung
der Blasennukleierung hergestellt, indem die Temperatur des Polymeren erhöht wurde,
während der Gasdruck bei dem Level gehalten wurde, der für die Sättigung zur Anwendung
kam (Park, C. und Suh, N. P., "Extrusion of a Microcellular Filament", Cellular
Polymers, V. Kumar und S. G. Advani, Herausgeber, MD Bd. 38, ASME, 1992, S. 69).
Das US-Patent 4 761 256 von Hardenbrook et al. beschreibt ein Verfahren
zur kontinuierlichen Herstellung eines mikrozellulären Kunststoffnetzmaterials mit
einer nicht-modifizierten integralen glatten Haut, wobei eine gas-imprägnierte Kunststoffbahn
kontinuierlich einer Entgasungsvorrichtung zugeführt wird. Die gas-imprägnierte
Kunststoffbahn wird entweder durch Düsenextrusion unter ausreichend hohem Druck,
um eine Blasennukleierung zu verhindern, oder durch kontinuierliches Ziehen einer
nicht-imprägnierten Bahn durch eine unter Druck gesetzte Kammer, die ein inertes
Gas enthält, hergestellt. Die letztere Technik ist praktisch nur für relativ dünne
Bahnen, und sie wird notwendigerweise eine sehr große Druckkammer und komplexe dynamische
Dichtungen erfordern, um eine ausreichende Gaskonzentration in dem Polymer zu erreichen.
Mithin besteht nach wie vor im Fachbereich der Bedarf nach einem einfachen,
wirksamen und günstigen Verfahren zur kontinuierlichen oder halb-kontinuierlichen
Herstellung von mikrozellulären Polymerartikeln, -tafeln oder -filamenten.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Apparatur für die halb-kontinuierliche Herstellung von mikrozellulären Polymerartikeln,
-tafeln oder -filamenten sowie geschäumten Polymeren bereitzustellen, wobei die
durchschnittliche Teilchengröße außerhalb des Bereiches von 2 bis 25 &mgr;m (weniger
als 2 &mgr;m oder mehr als 25 &mgr;m) liegt, was traditionell als ein mikrozellulärer
Schaum angesehen wird.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung von mikrozellulären Polymerartikeln, -tafeln oder -filamenten mit
minimalen Kosten bereitzustellen.
Es ist ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
bereitzustellen, welches einfach und mit allgemein verfügbaren Treibgasen mit optionaler
Verwendung von Nukleierungsmitteln durchgeführt werden kann. Calciumcarbonat und
andere bekannte Nukleierungsmittel können zur Anwendung kommen.
Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ein solches
Verfahren bereitzustellen, welches inerte Gase anwendet, die für die Umwelt nicht
gefährlich sind.
Ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
von geschäumten Polymerartikeln, -tafeln oder -filamenten, die aus dem obigen Verfahren
abgeleitet sind, und geschäumten Artikeln, Tafeln oder Filamenten mit Zellwänden
aus Polymer im orientierten Zustand.
Diese und andere Ziele werden gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht,
indem ein Gaskanalisierungs- oder -aussetzungsmittel, eingeschlossen oder positioniert
zwischen den Schichten von einem Polymerartikel, -tafel oder -filament, vorgesehen
wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Schäumen von
polymeren Materialien bereitgestellt, umfassend die Schritte:
- (a) Interleaving bzw. Einschießen eines Artikels aus polymerem Material mit
einem Gas-Kanalisierungsmittel;
- (b) Unterwerfen des durch- bzw. eingeschossenen Artikels bei einem erhöhten
Druck einem nicht-reagierenden Gas, welches in dem Polymer löslich ist, während
einer ausreichenden Zeit, um eine gewünschte Konzentration von Gas in dem Polymer
zu erzielen, und zwar unter Bildung eines exponierten polymeren
Artikels, welcher zumindest teilweise gasgesättigt ist;
- (c) Separieren des exponierten Polymerartikels von dem eingeschossenen bzw.
dazwischen gelegten Gas-Kanalisierungsmittel; und
- (d) ausreichendes Erhitzen des exponierten Polymerartikels zur Initiierung einer
Blasennukleierung und zur Erzielung des gewünschten Blasenwachstums.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum
Schäumen polymerer Materialien bereitgestellt, umfassend:
- (a) Gas-Kanalisierungsmittel, welches zwischen den Schichten eines Polymerartikels
zur Bildung eines eingeschossenen Artikels eingeschossen wird;
- (b) Mittel zum Sättigen des eingeschossenen Artikels mit einem nicht reagierenden
Gas, welches in dem Polymer löslich ist.
- (c) Mittel zum Erhitzen des Polymers zur Initiierung von Blasennukleierung und
Blasenwachstum;
- (d) Mittel zum Kühlen des Polymers zur Beendigung der Blasennukleierung und
des Blasenwachstums;
- (e) Mittel zum Montieren des gesättigten eingeschossenen Artikels in der Nähe
des Heiz- und Kühlmittels;
- (f) Mittel zum Trennen des Polymerartikels von dem eingeschossenen Gas-Kanalisierungsmittel;
- (g) Mittel zum Ziehen des abgetrennten Polymerartikels durch das Heiz- und Kühlmittel
bzw. -vorrichtung; und
- (h) Mittel zum Spannen des Polymerartikels vor dem Ziehen durch das Heiz- und
Kühlmittel.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine polymere Struktur
bereitgestellt, umfassend:
- (a) eine Vielzahl an geformten schäumbaren Polymerartikeln:
- (b) Gas-Kanalisierungsmittel, eingeschossen zwischen den Polymerartikeln, wobei
die Polymerartikel zumindest teilweise mit einem Gas bei erhöhtem Druck gesättigt
werden, wobei es zu keiner Blasennukleierung in dem polymeren Material kam.
Das Gaskanalisierungs- oder -aussetzungsmittel umfasst vorzugsweise
eine Schicht aus flexiblem, gasdurchlässigem Material, wie Gaze, porösem Papierblatt,
nicht gewebtem Material, oder teilchenförmigem Material wie Maisstärke. Es wurde
herausgefunden, dass die Verwendung des Gasaussetzungsmaterials die Permeation von
Gas in den Körper des Artikels, der Tafel oder des Filaments erleichtert, wodurch
es Gas ermöglicht wird, in die Polymeroberfläche einzudringen und dadurch die Zeit
der Gasdiffusion in dem polymeren Artikel zu verringern.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
eine Tafel aus festem Polymer auf eine Tafel aus gasdurchlässigem Material aufgelegt,
und die zwei Materialschichten werden unter Bildung einer Rolle gewalzt, bestehend
aus Schichten vom Polymer mit eingelegtem gasdurchlässigem Material. Die Rolle aus
zwischengelegtem Polymer und gasdurchlässigem Material kann dann erfolgreich unter
Anwendung des folgenden Verfahrens geschäumt werden.
Die eingeschossene Rolle wird unter erhöhtem Druck mit einem nicht
reagierenden Gas, welches in dem Polymer löslich ist, für eine Zeitdauer gesättigt,
die ausreicht, um eine gewünschte Konzentration an Gas innerhalb des Polymeren zu
erreichen. Nachdem wieder der normale Druck erreicht worden ist, wird die Polymertafel
allmählich abgewickelt, von dem gasdurchlässigen Material abgetrennt und durch eine
Heizstation für einen Zeitraum gezogen, der ausreicht, um die gewünschte Schaumdichte
zu erreichen. Eine solche Heizstation kann ein heißes Flüssigkeitsbad, zum Beispiel
ein Heißwasserbad, ein heißes Gas oder Gase, ein Strahlungserhitzer oder andere
Mittel sein, wobei das gesättigte Polymer auf die Schäumungstemperatur erhitzt wird,
um die Blasennukleierung und das Blasenwachstum zu initiieren. Nach der Durchführung
durch die Erhitzungsstation wird das Polymer gekühlt, zum Beispiel durch das Ziehen
durch ein Kaltwasserbad, um die Blasennukleierung und das Blasenwachstum zu beenden.
Um ein Kräuseln der geschäumten Tafel zu verhindern, wird das Polymer unter Spannung
gehalten, während es durch die Heiz- und Kühlstationen gezogen wird.
Vorzugsweise umfasst die Zugvorrichtung zwei Walzen, welche die Enden
des Polymerartikels einklemmen und in entgegengesetzte Richtungen rotieren.
Das Ausmaß des Blasenwachstums und somit die Dichte des resultierenden
Schaums wird dadurch reguliert, dass die Heizstationstemperatur und/oder die Rate,
mit der die Tafel durch den Heiz- und Kühlschritt des Verfahrens bewegt wird, variiert
wird. Vorzugsweise wird die Blasennukleierung und das Blasenwachstum durch Erhitzen
des exponierten Polymerartikels auf eine Temperatur im Bereich von etwa 80°C
bis etwa 200°C initiiert. Amorphe oder halb-kristalline Polymere mit einem Maximum
von etwa 30% Kristallinität, welche zum amorphen Zustand gelöscht worden sind, und
welche durch das oben beschriebene Zwei-Stufen-Satzverfahren geschäumt werden können,
können ebenfalls erfolgreich unter Anwendung der vorliegenden Erfindung behandelt
werden. Diese schließen zum Beispiel Polystyrol, PVC, PMMA, Polycarbonat, ABS-Copolymere
und Polyethylenterephthalat (PET) ein. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck
"nicht-reagierendes Gas" auf ein Gas, welches mit dem zu schäumenden
Polymer nicht reagiert. Gase, welche erfolgreich in der vorliegenden Erfindung zur
Anwendung kommen können, schließen Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Luft und Argon
ein.
Eine Reihe von geformten polymeren Artikeln, die durch Gaskanalisierungs-
oder -einschussvorrichtungen voneinander getrennt sind, können so angeordnet werden,
dass sie leicht in eine Druckkammer hinein und heraus bewegt werden können. Das
Array bzw. die Anordnung kann vorzugsweise eine Rolle aus polymerem Tafelmaterial
sein, wobei ein poröses Papierblatt zwischen Oberflächen der polymeren Tafel eingeschlossen
ist, sodass die Oberflächen des gerollten Tafelmaterials Gas innerhalb einer Druckkammer
ausgesetzt werden wird. Das Array kann ebenfalls ein Stapel von polymeren Tafeln
mit porösem Papier, teilchenförmigem Material oder Netz- oder Non-Woven-Material,
das die polymeren Tafeln trennt, umfassen. Gefaltete, geraffte oder mit Leitfenster
(wicket) unterstützte Array können ebenfalls zur Anwendung kommen.
Die vorliegende Erfindung sieht einen einfachen und wirksamen Weg
zur Bildung von halb-kontinuierlichen mikrozellulären Tafeln aus vielen unterschiedlichen
Polymeren mit minimalen Kosten vor. Die angewendeten Treibgase sind günstig, nicht
gefährlich und leicht verfügbar.
Die oben erwähnten und zusätzlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung
und die Weise des Erhalts davon wird am besten durch den Bezug auf die folgende
detailliertere Beschreibung verstanden werden.
Genaue Beschreibung der Erfindung
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden halb-kontinuierliche
Tafeln oder Streifen aus mikrozellulären Polymeren hergestellt, indem zuerst eine
Rolle aus fester Polymertafel mit einem Gaskanalisierungsmittel, das zwischen die
Schichten des Polymeren eingeschossen ist, gebildet wird. Das Gaskanalisierungsmittel
besteht vorzugsweise aus einer Schicht aus flexiblem gasdurchlässigem Material.
Obgleich poröses Papierblatt ein bevorzugtes Material ist, können andere gasdurchlässige
Materialien, wie teilchenförmiges Material, Gaze, Sieb- und gewebte und nicht gewebte
Textilien, ebenfalls erfolgreich in der vorliegenden Erfindung angewendet werden.
Polymere, welche erfolgreich unter Verwendung der vorliegenden Erfindung geschäumt
werden können, schließen Polystyrol, PVC, Polycarbonat, ABS, Polysulfon, Styrol-Butadien-Copolymer,
Polyamide, PMMA und PET ein. Im Allgemeinen sind die Klasse an glasigen amorphen
Polymeren mit Glasübergangstemperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur für die
vorliegende Erfindung geeignet.
Die Rolle aus Polymertafel und Gaskanalisierungsmaterial wird unter
erhöhtem Druck einem nicht reagierenden Gas, welches in dem Polymer löslich ist,
für einen Zeitraum ausgesetzt, der ausreicht, um eine gewünschte Konzentration an
Gas innerhalb des Polymeren zu erreichen. Dieser Schritt wird allgemein bei Raumtemperatur
(um 21°C) durchgeführt, obgleich eine höhere Temperatur zur Anwendung kommen
kann, um die Diffusion des Gases innerhalb des Polymeren zu beschleunigen. Der Druck
kann mit Verstärkerpumpen über den Tankzuführdruck variiert werden. Zum Beispiel
liegt der bevorzugte Bereich, wenn CO2 zur Anwendung kommt, bei etwa
0,34 bis 6,55 MPa (50 bis 950 psi) Tankdruck. Dies kann auf über 6,89 MPa (1 000
psi) mit einer geeigneten Verstärkerpumpe erhöht werden. Ein Druck so hoch wie 9,65
MPa (1 400 psi) wird als anwendbar erachtet. Der gewählte aktuelle Druck hängt von
der gewünschten Schaumenddichte und der gewünschten mittleren Blasengröße ab. Das
bevorzugte Gas kann von dem zu behandelnden Polymer abhängen. Zum Beispiel ist Kohlendioxid
das bevorzugte Gas zur Verwendung in geschäumten PET, PVC und Polycarbonat, während
Stickstoff das bevorzugte Gas zur Verwendung in geschäumtem Polystyrol ist. Die
Zeitdauer, für welche die Polymerrolle einem Gas ausgesetzt wird, variiert mit der
Dicke der festen Polymertafel, dem spezifischen Polymer-Gas-System, dem Sättigungsdruck
und der Diffusionsrate in das Polymer und wird im Allgemeinen experimentell bestimmt.
Gleichwohl kommen Zeitdauern zwischen etwa 3 und 100 Stunden üblicherweise zur Anwendung.
Wenn zum Beispiel ein 0,51 mm (0,020 Inch) dickes Blatt aus PET mit CO2
gesättigt wird, ist eine Sättigungszeit von etwa 15 bis 30 Stunden bevorzugt.
Nach der Sättigung der Rolle aus polymer/gasdurchlässigem Material
wird die Rolle zum normalen Druck zurückgebracht und in der Nähe einer Heizstation
befestigt, wie einem Heißwasser- oder Glycerinbad, das oberhalb der Glasübergangstemperatur
des gasgesättigten Polymeren gehalten wird. Die gesättigte Polymertafel wird allmählich
entwickelt, von dem gasdurchlässigen Material getrennt und durch Ziehen unter Spannung
durch die Heizstation erhitzt. Die Polymertafel wird dadurch in einer kontinuierlichen
Weise geschäumt. Nach dem Hindurchführen durch die Heizstation wird die Polymertafel
durch eine Kühlstation, wie einem Kaltwasserbad, einem Satz von gekühlten Walzen
oder einfach Luft, gezogen, um das Polymer zu kühlen und die Blasennukleierung und
das Blasenwachstum zu stoppen. Die Temperatur der Heizstation sowie die Rate, mit
der die Polymertafel durch die Heiz- und Kühlstationen gezogen wird, kann variiert
werden, um Tafeln mit variierender Blasengröße und -dichte bereitzustellen.
Das hierin beschriebene Verfahren wandelt eine Rolle aus Polymertafel
mit endlicher Länge zu einer Rolle aus geschäumter Tafel um. Die Länge der festen
Polymertafel, welche prozessiert werden kann, hängt von dem Polymer-Gas-System ab.
Sobald die Polymerrolle (permeiert mit einem Gas-Kanalisierungsmittel, wie porösem
Papierblatt) Gas ausgesetzt worden ist und aus dem Druckgefäß auf atmosphärischem
Druck herausgenommen worden ist, fängt das Gas an, die Polymertafel zu verlassen.
Somit muss die Rolle zu einem Schaum sofort innerhalb eines bestimmten "Fensters
der Verarbeitbarkeit" prozessiert werden, um einen übermäßigen Verlust an Gas aus
dem Polymer zu vermeiden, was zu einer unerwünschten Variation in der Dichte des
produzierten Schaums führen kann. Um somit geschäumte Blätter mit einer konsistenten
Dichte zu erhalten, kann nur eine endliche Länge der festen Polymertafel zu einem
Zeitpunkt prozessiert werden. Aus diesem Grund wurde das Verfahren der vorliegenden
Erfindung als "halb-kontinuierliches" Verfahren bezeichnet. Die halb-kontinuierliche
Natur des Verfahrens limitiert jedoch im Prinzip nicht die Rate der Herstellung
der geschäumten Tafeln. Eine ausreichende Anzahl an halb-kontinuierlichen Leitungen
kann parallel betrieben werden, um jede beliebigen Anfordernisse bezüglich der Produktionsrate
zu erfüllen.
Beispiel 1
Ein Streifen aus einer PET Kodapak 9921-Folie, der eine Länge von
5,18 m (17 ft), eine Breite von 16,2 mm (3 in.) und eine Dicke von 0,51 mm (0,020
in.) besaß, wurde auf einen Streifen aus Papiertuch mit ähnlichen Dimensionen gelegt.
Der resultierende PET-Papiertuch-Streifen wurde dann auf einem rohrförmigen Kern
aufgewickelt, um eine Rolle mit alternierenden Schichten aus PET und Papier zu bilden.
Diese Rolle wurde in ein Druckgefäß gebracht und Kohlendioxid bei einem Druck von
4,83 MPa (700 psi) 24 Stunden lang ausgesetzt.
Nach der Sättigung mit Kohlendioxid wurde die PET-Papiertuch-Rolle
aus dem Druckgefäß entfernt, auf einer Spindel befestigt und über einem bei 90°C
heißen Wasserbad aufgehängt. Das Ende des gesättigten PET-Streifens wurde allmählich
von der Rolle abgewickelt, von dem Papiertuch abgetrennt und unter Spannung gehalten,
indem er durch eine federbelastete Klemme gefädelt wurde. Die Blasennukleierung
wurde initiiert und der PET-Streifen geschäumt, indem der Streifen durch das Heißwasserbad
gezogen wurde. Das Blasenwachstum wurde dann beendet, indem der Streifen durch ein
bei 0°C gehaltenes Kaltwasserbad gezogen wurde. Der PET-Streifen wurde kontinuierlich
durch die zwei Wasserbäder mit einer Rate von etwa 10 cm/s gezogen, indem der Streifen
zwischen zwei in entgegengesetzten Richtungen rotierenden Walzen eingeklemmt wurde.
Der gesättigte PET-Streifen fing sofort an zu schäumen, nachdem er
in das Heißwasserbad gelangte, wie es durch eine Änderung in der Transparenz der
Tafel von klar zu opak festzustellen war. Die gesamte Oberfläche des PET-Streifens
wurde innerhalb von fünf Sekunden nach Eintritt in das Bad opak, was anzeigte, dass
das Kohlendioxid durch den Körper der PET-Papiertuch-Rolle permeiert war und die
Rolle vollständig gesättigt hatte. Der geschäumte Streifen war flach und glatt mit
gleichmäßigen Kanten und besaß eine letztendliche Länge von 7,31 mm (24 ft), eine
Breite von 114,3 mm (4,5 in.) und eine Dicke von 0,76 mm (0,030 in.). Die spezifische
Dichte des Schaumes lag bei 0,3, verglichen mit der spezifischen Dichte des festen
PET von 1,3.
Vergleichsbeispiele
Ein Streifen aus einer PET-Folie mit 5,18 m (17 ft) Länge, 76,2 mm
(3 in.) Breite und 0,51 mm (0,020 in.) Dicke wurde auf einen Streifen aus Papiertuch
mit ähnlichen Dimensionen gelegt. Der resultierende PET-Papiertuch-Streifen wurde
zur Bildung einer Rolle mit alternierenden Schichten aus PET und Papiertuch aufgewickelt
und mit Kohlendioxid, wie in Beispiel 1 beschrieben, gesättigt.
Nach der Sättigung mit Kohlendioxid wurde die PET-Papiertuch-Rolle
aus dem Druckgefäß entfernt und geschäumt, indem sie in ein Heißwasserbad, das bei
einer Temperatur von etwas unter 100°C gehalten wurde, 10 Minuten lang gelegt
wurde. Die Blasennukleierung und das Blasenwachstum wurde beendet, indem die Rolle
in ein Kaltwasserbad, das bei 0°C gehalten wurde, 5 Minuten lang gelegt wurde.
Beim Abwickeln der Rolle wurde herausgefunden, dass das Schäumen in sehr ungleichmäßiger
Weise aufgetreten war, mit stärkerer Schäumung auf den äußeren Oberflächen der Polymerrolle
und weniger in Richtung auf die Mitte. Es wurde herausgefunden, dass die geschäumte
Polymerrolle ein welliges oder gekräuseltes Aussehen besaß.
Ein anderer Streifen aus PET wurde wie in Beispiel 1 prozessiert,
außer dass der Streifen nicht mit einem Gas-Kanalisierungs- oder Diffusionsmittel
eingeschossen war. Es war nicht möglich, diesen Streifen zu schäumen.
Beispiel 2
Eine PET 5000-Rolle mit einer Breite von 609,6 mm (24 in) ×
einer Dicke von 0,51 mm (0,020 in) × einer Länge von 60,96 m (200 ft) wurde
auf 5,17–5,52 MPa (750–800 psi) unter Druck gesetzt. Das Material schäumte
zu einer Dicke von 0,74 mm (0,029 in) × einer Breite von 812,8 mm (32 in).
Die Schäumungsgeschwindigkeit lag bei 18,29 m/min (60 ft/min) in
heißem Wasser (96°C), und die Austrittsgeschwindigkeit lag bei 27,4 m/min (90
ft/min).
Beispiel 3
Gleiche Bedingungen wie beim Beispiel 2 wurden für eine PET 6000-Rolle
angewandt, welche zu einem vergleichbaren Ausmaß expandierte. Die spezifischen Dichten
des resultierenden Materials waren: 1,3 ungeschäumt, 0,5 geschäumt.
Beispiel 4
PET G-Material wurde einem Druck unter ähnlichen Bedingungen wie bei
den Beispielen 2 und 3 ausgesetzt. Das Material wurde anschließend in 96°C heißem
Wasser geschäumt. Die spezifische Dichte des resultierenden Materials war 1,25 ungeschäumt
und 0,17 geschäumt.
Obgleich die vorliegende Erfindung im Hinblick auf spezifische Ausführungsformen
beschrieben worden ist, können Änderungen und Modifikationen ohne Abweichen vom
Umfang der Erfindung, welcher nur auf den Umfang der anhängigen Ansprüche beschränkt
werden soll, durchgeführt werden.