通过将空气吹入管状体而形成由聚合物材料制成的物体的设备和方法与流程

可借助于根据本发明的方法和设备加工的聚合物材料可为用于在挤压管状体的吹塑模制的成形工艺(也已知为“挤压吹塑模制”(ebm)措辞的工艺)中的任何材料，特别是半结晶材料，诸如聚丙烯(pp)、高密度聚乙烯(hdpe)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。更一般地，根据本发明的方法和设备可用于加工熔融温度高于其结晶和/或玻璃化转变温度的任何聚合物材料。

ebm工艺基本上需要在熔融设备或挤压机内熔融聚合物材料。挤压机连接到挤压头，该挤压头被构造成将聚合物材料挤压成管状成型体(也称为“型坯”)。由挤压机驱动的熔融聚合物材料沿挤压头流动并且以管状体的形式流出。具有以负性形式再现容器形状的内腔的模具从挤压头接收管状体。通常，模具被分成两个半模，这两个半模可在打开位置与关闭位置之间一起移动，在打开位置处半模相互分开，在关闭位置处半模彼此邻接。管状体设置在两个半模之间，同时它们处于打开位置。随后，两个半模移动到其关闭位置。两个半模设有切割边缘，该切割边缘在关闭位置切割管状体的端部，从而封闭管状体本身。相反，管状体的另一端保持与挤压头的芯部同心地打开。模具设有开口，该开口被配置为容纳管状体的开放端和挤压头的芯部。在模具关闭之后，通过挤压头的芯部将一定量的空气吹入管状体内。这致使管状体的膨胀，管状体附着在模具腔上，从而展现其形状。在聚合物材料固化之后，将形成的容器从模具中移除。

目前可用的ebm工艺以及用于实施所述工艺的机器在生产周期时间和所获得产品的特性两个方面都可得到显著改善。

事实上，聚合物材料以高于熔融温度的相对高的温度以管状体的形式插入到模具中。这意味着在从模具中提取产品之前，需要等待相对长的时间以使聚合物材料变为固化。

此外，在固化状态下获得的聚合物材料的特性受到材料本身结晶的不利影响，这种结晶过快并且以不受控制的方式发生。

本发明的目的为提供通过吹塑管状体来形成由聚合物材料制成的物体的方法和设备，其允许克服现有技术的缺点。

本发明的优点为其允许大幅减少生产周期时间。

本发明的又一个优点为其可显著改善所获得的产品的机械性能。

另一个优点为能够与过于流动的材料(如用于瓶子的常规pet)共同作用。虽然此类材料具有价格低廉的优点，但是在管状体或型坯的形成期间变形过度。

本发明的又一个优点为也适用于ebm工艺，该工艺提供两个或更多个相互同心的管状体(诸如，例如多层)的挤压。

又一个优点为，由于较冷的材料具有与刀片相对的较大阻力、较低的可变形性和较低的附着性，因此较冷的材料(因而更加刚性和粘性)更易于切割。

因为例如不需要施用任何表面处理或抗粘合涂层，所以较低的附着性也容许装备的简化。

从下面对本发明的优选实施例的详细描述中将更好地体现出本发明的进一步的特性和优点，其通过附图中的非限制性示例的方式示出，其中：

-图1示出根据本发明的用于吹塑模制的设备的示意图；

-图1a示出在随后的操作阶段中的图1的设备；

-图2为示出特定类型的聚丙烯的结晶作为时间的函数而变化的曲线图；

-图3为示出对于图2的聚丙烯，结晶质量的百分比作为时间的函数而变化的曲线图；

-图4为示出对于图2的聚丙烯，获得材料质量的50％结晶所需的时间取决于温度而变化的曲线图，

-图5示出位于静态混合器内的混合元件的透视图；

-图6以结构变型示意性地示出图1的设备的细节；

-图7和图8分别示出用dsc分析方法测量的聚丙烯的熔融温度tf和结晶温度tc。

借助于设备1产生的物体可为容器(诸如瓶子)或具有腔的任何其它物体。

通过设备1使用的聚合物材料可为任何种类的聚合物材料，特别是半结晶材料，诸如聚丙烯(pp)、高密度聚乙烯(hdpe)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。半结晶材料为以固体形式呈现结晶质量分数和非晶质分数的材料。

对于半结晶聚合物材料，可鉴别熔融温度tf和结晶温度tc。

特别地，熔融温度tf为加热的聚合物材料从固态变为熔融态的温度。结晶温度tc为部分材料在冷却期间结晶的温度。结晶温度tc低于熔融温度tf。

更确切地说，结晶过程不是在具体温度下发生，而是在结晶起始温度tic与结晶终止温度tfc之间限定的温度范围内发生。

此外，结晶温度tc以及结晶起始温度tic与结晶终止温度tfc之间的差异对于给定材料不是恒定的，而是取决于材料冷却的条件。特别地，维持熔融聚合物材料的温度越低，结晶越快。而且，熔融聚合物材料移动越快，结晶发生的温度范围将越低。

这由图2证实，其示出经由差示扫描量热法(dsc)对聚丙烯样品进行的分析的结果。使分析材料的样品达到比熔融温度更高的温度并且保持几分钟以熔融其中存在的所有晶体。随后，将样品冷却至预设温度并且在该温度下维持一段时间以获得每个样品的结晶。因此，以这种方式，评估每个样品的定时和结晶模式。

图2示出在结晶阶段期间，作为时间的函数分析的样品释放的能量。

特别地，由a指示的曲线为被冷却至最低温度(等于108℃)的样品的曲线。在该样品中，结晶发生在比所分析的其它样品更短的时间内并且在更低的温度范围内。曲线a示出结晶的放热峰，其在所有分析的样品中最窄。这意指与所分析的所有其它样品相比，该样品的结晶起始温度tic与结晶终止温度tfc之间的差异最小。

相反，由b指示的曲线涉及在最高温度(即，115℃)下冷却的样品。因为维持样品的高温不能在观察样品的时间段期间形成晶体，所以在该样品中未发生结晶。

这示出随着温度维持较低，聚合物材料结晶更快。

图7和图8分别示出用dsc分析方法测量的作为材料所需热量的函数的聚丙烯的熔融温度tf和结晶温度tc。应当理解，对于分析的聚丙烯，存在约40°的温差。

鉴于所有这些，应当注意，在以下描述的过程中将简单地参考结晶温度tc，理解为结晶起始温度tic与结晶终止温度tfc之间的任何温度。

类似的推理适用于熔融过程和与其相关的熔融温度。

基于从图2获得的数据构建的图3示出在样品中作为时间的函数而变化的结晶质量的百分比。每条曲线涉及样品冷却的不同温度，之后样品温度保持恒定。特别地，每个样品的温度随着在曲线图中从左向右移动而增加。应当注意，样品冷却的温度越低，100％样品质量结晶所需的时间就越少。

可定义结晶半期t1/2，其为样品使其一半质量成为结晶所用的时间。基于图2和图3的数据构建的图4示出作为维持样品的温度的函数的结晶半期t1/2。应当注意，随着维持样品的温度增加，结晶半期t1/2也增加。

总之，半结晶聚合物在熔融和结晶期间的行为不是唯一限定的，而是受冷却聚合物的冷却条件的影响。特别地，维持熔融聚合物材料的温度越低，结晶发生越快。

上述考虑源自于对在静态条件下(即，在所研究的样品不经历变形时)进行的半结晶聚合物材料的行为的研究。在这些条件下发生的结晶称为静止结晶。然而，在半结晶聚合物材料经历变形的情况下，例如在挤压期间，会发生称为流动诱导结晶的现象。随着材料流动，形成在流动方向上取向的各向异性微晶，与仅发生静止结晶的情况相比，这改变了材料的结晶动力学。

当聚合物材料冷却到熔融温度tf以下并且同时聚合物材料变形时，静止结晶和流动诱导结晶结合，从而导致材料整体更快结晶。

可利用上述现象以改善由半结晶聚合物制成的管状体的吹塑模制，并且改善用于管状体的吹塑模制的成形设备1。

设备1包括熔融设备10，特别是挤压机设备，其功能为熔融和挤压聚合物材料。在挤压机设备内，聚合物材料经由加热器c加热，直至达到高于熔融温度tf的温度。

在挤压机设备的下游设有冷却带，该冷却带被配置为将来自挤压机设备的聚合物材料流冷却至低于熔融温度tf的操作温度to。

冷却区域包括冷却设备20，该冷却设备被构造成将来自挤压机设备的聚合物材料流冷却至低于熔融温度tf的温度。特别地，冷却设备20被构造成在稳态条件下维持聚合物材料的温度低于熔融温度tf但高于结晶温度tc。当然，当启动设备1时，控制冷却设备20以将聚合物材料加热到高于或等于熔融温度tf的温度，使得留在设备1内并且可在不活动时段期间固化的聚合物材料可重新熔融和移动。随后，控制冷却设备20以使聚合物材料的温度达到熔融温度tf与结晶温度tc之间的值，这将维持在正常操作期间。

冷却设备20设置在熔融设备10的下游。例如，冷却设备20包括热交换器2。热交换器2可设有用于热交换流体(例如，透热油)的回路。特别地，热交换流体可在围绕主导管的腔室内循环，其中聚合物材料沿主导管流动。腔室可设有入口3和出口4，热交换流体可通过入口进入，并且热交换流体可通过出口离开腔室。特别地，出口4可相对于向前方向f设置在入口3的上游，其中根据向前方向聚合物材料在热交换器2内向前移动，从而引起逆流热交换，或反之为并流热交换。

热交换器2可包括静态混合器。后者可包括聚合物材料通过的主导管，并且在主导管内设置图5中所示类型的混合元件16。

从热的观点来看，以及在适当的情况下从成分的观点来看，混合元件16包括多个转向杆17，这些转向杆布置在固定位置以均匀化聚合物材料的流动。特别地，转向杆17可将聚合物材料的主流分成多个二次流，这些二次流在静态混合器内流动时混合在一起。

另选地，热交换器2可包括动态混合器，该动态混合器设有在其操作期间移动的混合元件。

用于冷却设备20的其它可能的解决方案可包括级联挤压机或卫星挤压机，特别是恰好设置在熔融并且挤压聚合物材料的挤压机设备的下游，或双螺杆挤压机。在任何情况下，每种解决方案可提供用于控制和调整聚合物材料的温度的设备。

冷却设备20可进一步限定在熔融聚合物材料的同一熔融设备内，该熔融设备可设有被配置为冷却熔融聚合物材料的终端部分。

设备1进一步包括挤压头50，挤压头被构造成至少挤压管状体t。挤压头50由放置成与熔融设备10连通的进料导管51进料，以便接收来自熔融设备10的聚合物材料。进料导管51可为在熔融设备10与挤压头50之间笔直延伸的导管，或其可呈现更复杂的结构，例如图1中描绘的结构。基于该解决方案，进料导管51包括第一拉伸部51a和第二拉伸部51b，第一拉伸部来自熔融设备10，第二拉伸部连接到第一拉伸部并且与挤压头50连通。在所示的实施例中，第一拉伸部51a相对于第二拉伸部51b倾斜；特别地，第一拉伸部与第二拉伸部51b正交。然而，两个拉伸部51a、拉伸部51b之间的倾斜可为不同的。两个拉伸部51a、拉伸部51b也可彼此对齐。

冷却设备20可插入在熔融设备10与进料导管51之间。在所示的实施例中，冷却设备20沿进料导管51设置；特别地，冷却设备沿来自熔融设备10的第一拉伸部设置。在另选的实施例中，冷却设备20可沿进料导管51的第二拉伸部设置，例如以一个或多个冷却回路的形式放置于进料导管51的第二拉伸部内部或外部。

挤压头50设有出口开口52，该出口开口与存在芯部53的位置同心定位，该芯部不占据出口开口52的整个横截面。以已知的方式，在出口开口52的内表面与芯部53的外表面之间限定具有环形横截面的槽，聚合物材料通过该槽流动，从而呈现管状形状。优选但非必要地，出口开口52沿出口方向展现会聚区段。芯部53从出口开口52向外突出一段预定长度。

在未示出的实施例中，冷却设备20可集成到挤压头50中；特别地，冷却设备可包括用于芯部53和/或出口开口52的表面的冷却回路。该冷却回路可设置在例如芯部53内部，或者设置在挤压头50中，以便轻轻地接触出口开口52的表面。另一种可能的解决方案为将冷却回路放置在挤压头50的外部。

实质上，冷却设备20可包括本文公开的至少一个或多于一个的冷却设备，即插入在熔融设备10与进料导管51之间或沿进料导管51设置的热交换器2，和/或用于挤压头50的冷却回路。

吹塑装置被配置为容许流体输送到管状体h中。特别地，吹塑导管54通过芯部53以允许空气输送到管状体h中。吹塑导管54至少部分地设置在进料管道51的内部，特别是在进料管道51的第二拉伸部内部，并且被配置为连接到位于进料导管51的外部的空气源。一般而言，挤压头50为工业上已知的设备，因此不再进一步详细描述。输送到管状体h中的流体可为气体，诸如，例如压缩空气或液体。

在操作期间，聚合物材料在挤压机设备10内挤压，其中聚合物材料在高于其熔融温度tf的温度下加热。

熔融聚合物材料从挤压机设备进入冷却设备20，其中熔融聚合物材料在低于熔融温度tf但高于结晶温度tc的温度下冷却。

随后，熔融聚合物材料流入挤压头50中，通过出口开口52，沿出口开口呈现出管状形状。

因此，在设备1内，可限定在挤压机设备10内熔融的聚合物材料流动的路径。该路径通过冷却设备20并且到达挤压头50。在所描绘的示例中，所讨论的路径通过包括热交换器2的冷却设备20，并且然后沿挤压头50延伸，直到出口开口52，其中管状体t从出口开口离开。

设备1的通道区段以及聚合物材料离开挤压机设备的压力和速度使得聚合物材料的流动从冷却带朝向挤压头50前进。

以已知的方式，管状体h从挤压头50的出口开口52下降一段预定长度。一旦达到所期望的长度，则分成两个半模61、62的模具60围绕管状体h闭合。模具60包括内腔65，其被限定为闭合配置，其中两半模61、62彼此邻接。在闭合配置中，模具60展现与腔65连通的开口64。开口64旨在容纳芯部53的从开口52突出的部分以及围绕芯部53设置的至少一段管状主体h。在与开口64相对的位置中，模具设有两个切割边缘63，该两个切割边缘设置在两个半模61、62上并且旨在切割管状体h的底部部分。基本上，在模具60的闭合配置中，两个切割边缘63切割管状体h的底部部分，从而在下端封闭管状体h。在此类条件下，以已知的方式通过吹塑导管54引入空气产生管状体h的吹塑，其中管状体完全附着到模具60的腔65上，从而呈现出其形状。由于它们在本领域中已知，所以未详细示出切割装置，该切割装置随后切割掉管状体h的从模具60的开口64突出的区段。

管状体h在低于制造它的聚合物材料的熔融温度tf、但高于在静态条件下开始形成晶体的结晶温度tc的温度to下被引入到模具中。

优选但不必要地，当制造管状体h的聚合物材料在模具60内成形时，可控制其温度，例如，可将温度维持在结晶温度tc之上或之下。例如，可通过控制注入管状体h中的成形流体的温度、或者通过控制模具60的温度或模具60内存在的环境空气的温度来控制管状体h的温度。

挤压头50的芯部53和/或出口开口52的表面可设有相应的冷却回路，其中冷却流体在每个冷却回路内循环。尽管成形的聚合物材料的温度低于结晶温度tc，但是冷却流体的温度以及冷却部分的温度可低于甚至显著低于结晶温度tc。

根据本发明的设备1在结构化版本中特别有利，以便挤压两个或更多个彼此同心的管状体h1、管状体h2。

特别地，挤压头50也可被配置为以已知的方式挤压两个或更多个彼此同心的管状体，如图6中示意性所示，其示出配置用于两个同心管状体的挤压头50。基于相同的原理，头部50可以已知的方式配置为挤压两个以上的同心管状体。

图6的头部50基本上包括第二熔融设备10a，在第二熔融设备的下游可设置第二冷却设备20a。第二熔融设备10a向第二进料导管51a进料，该第二进料导管放置成与第二出口开口52a连通，其中第二出口开口与第一出口开口52同心。以这种方式，限定了两个相互同心的出口开口52、出口开口52a，其中两个相互同心的管状体h、管状体h1从该两个出口开口挤压。用于挤压外管状体h1的第二芯部53a基本上由界定第一开口52的壁限定。以这种方式，例如，可由不同的材料生产两个(或更多个)管状体，其中每种材料被冷却到特定温度，该温度可与其它材料的温度不同。在沿挤压头50挤压期间，两个或更多个管状体(h、h1)耦接在一起。这使得例如可生产多层容器，其中每层具有特定的物理化学特性。例如，可生产具有精确机械强度特性的层，该层耦接到在氧气和/或防潮层等方面具有精确特性的层，以用于更多层。

可彼此独立地调整不同材料的流速和温度，以便针对每种材料获得已经描述的效果。特别地，与现有机器相比，独立冷却不同聚合物材料的能力允许更广泛和更灵活地管理材料本身的粘度，从而允许使用更广泛的材料，并且从而也能够优化性能和成本。挤压头50的芯部53和/或第一出口开口52和第二出口开口52a的表面可设有相应的冷却回路，其中冷却流体在每个冷却回路内循环。这使得可精确地调整模具60的入口处的每种材料的温度。

与已知方法相比，通过用上述方法和设备生产容器可获得显著缩短的循环时间。

据信该结果可归因于两种不同现象的协同组合。

在一个方面，在低于熔融温度tf的温度下将管状体h、管状体h1插入到模具60中，使得可减少冷却由于吹塑到一温度值而形成的物体所需的时间，其中该温度值为在没有显著变形的情况下可从模具中移除物体并且处理物体的温度值。

在另一个方面，因为由流动引起的结晶被添加到在静态条件下将发生的静止结晶中，所以使聚合物材料在模具60的上游经受高流速使得可增加聚合物材料的变形速率并且因此加速结晶动力学。

上述两种效果结合在一起可导致协同效应。

在具有高分子量的材料(诸如通常用于吹塑模制的那些材料)的情况下，由流动引起的结晶特别明显。此类材料常常具有大于10,000道尔顿的原子质量值。

在低温和高变形速率下处理材料也帮助增加分子取向，并且因此帮助增加制成品的性能。

由于更高的结晶和/或更大的分子取向，因此材料可变得更耐用，并且因此也可减小制成品的厚度并且因此降低其制造成本。

冷却设备20允许精确控制来自挤压机设备的聚合物材料流的温度，从而在将其引入模具60之前帮助避免过度结晶。

本发明获得了重要的优点。

首先，在将聚合物材料输送到挤压头之前，将聚合物材料冷却至低于熔融温度并且高于结晶温度，使得冷却成形物体所需的时间减少到可处理的温度，并且因此从模具中取出而不会损坏。由此获得减少的循环时间。在挤压头中可采取的加工温度越低，即同时在挤压头中成形的聚合物材料的温度越低，这种降低就越明显。特别地，聚合物材料在挤压头中挤压时的温度保持在结晶起始温度以上，在该温度下，在静态条件下组成剂量的聚合物材料中开始形成晶体。

当聚合物材料流动采用高前进速度时，聚合物材料中存在的分子链处于高度搅拌状态，这使得它们更难以保持在结晶状态。因此，存在结晶起始温度的降低，使得聚合物材料在模具中成形时可具有相对低的温度。

另外，在使聚合物材料快速向前移动的情况下，在后者中发生流动诱导的结晶，即，加速结晶动力学，使得形成的物体可更快地达到半结晶状态，其中该物体具有足够的刚度以便从模具中取出而不会发生任何损坏。

事实上，即使聚合物材料从冷却带快速向前移动到模具，但是在聚合物材料流中仍然形成早期结晶核，由于高进料速率，所以该早期结晶核无法完成其结晶。高进料速率确保此类核以有序的方式排列，使得它们在吹塑模制期间可快速结晶。

换句话说，所形成的物体的结晶度和/或分子取向增加。

因为，如前所述，增加聚合物材料流的进料速率将降低结晶起始温度，所以也可维持冷却带中的平均较低温度直至挤压头。这使得可更易于操纵具有更高的粘度并且因此具有更低的粘附倾向的聚合物材料。由此可简化挤压头。

也可在不引起聚合物材料的过早结晶的情况下更接近结晶温度来操作。