降低密度的热塑性塑料的制作方法
【专利说明】降低密度的热塑性塑料
[0001]领域
[0002]本公开总体上涉及通过固态发泡产生的降低密度的热塑性塑料结构。
[0003]背景
[0004]塑料被广泛地用于耐用应用和非耐用应用两者。大多数非耐用塑料被用于商品和食品服务包装的初始包装中，常常用于单次使用应用。
[0005]塑料产品的处理造成巨大量的浪费。可再循环利用的塑料产品在再循环利用前必须加以清洁，这消耗了另外的能量。由于聚合物在加工期间的不完全清洁和降解，它们通常不能被再循环利用于类似质量的商品中。
[0006]通过利用化学发泡剂的常规手段所生产泡沫塑料产品凭借添加绝缘材料并且保留它们的益处而解决了固体塑料产品的一些问题，但通常产生新的问题。发泡塑料可能变得易碎，并且形成几乎不能从废物流分离的小团块。发泡塑料的表面通常是多孔的并且对消费者来说没有吸引力。
[0007]用于生产许多泡沫的化学发泡剂、氟碳化合物和氯氟烃具有负面的环境效应，并且来自这些发泡剂的塑料的污染可能使得它们不可再循环利用。
[0008]利用二氧化碳或其他高压气体作为发泡剂的固态发泡已被作为一些上述问题中的解决方案加以探究。半连续性发泡是一种将饱和聚合物辊与气体窜槽装置交错布置的方法，所述方法允许聚合物在热成型之前饱和。半连续性生产是劳动密集型过程，它消耗交错层并且需要大量的塑料。塑料在加工期间损失气体，并且大的塑料辊可能需要长时间来处理，因此泡沫辊开始处的性质可能不同于辊结束处的那些性质。
[0009]关于在包装中利用塑料(呈泡沫和固体形式两者)的这些问题同样扩展到了耐用商品。针对耐用商品的聚合物使用的特定领域是复合材料，其中多相分离材料被粘合在一起以产生具有更好性质的单一部件。这些部件的中间区段通常是泡沫。针对这些应用生产的大多数泡沫在粘合后无法再循环利用并且不可生物降解。
【发明内容】
[0010]本申请尤其公开降低密度的热塑性塑料。描述一种快速发泡方法，所述方法可通过使热塑性片材或预成型件饱和、加热并随后成型为最终形状来产生聚合物产品，所述聚合物产品可包括固体自结皮(integral solid skin)。这种方法可与任何热塑性塑料一起使用。材料处置、饱和方法以及终端产品是独特的并且也予以描述。将这些方法与可堆肥聚乳酸(PLA)或共混物一起利用可产生低密度、高强度可堆肥结构。
[0011]附图简述
[0012]图1示出根据一个实施方案的塑料坯料和掩模装置。
[0013]图2示出根据一个实施方案的封闭在掩模中的塑料坯料。
[0014]图3示出根据一个实施方案的将保持塑料坯料的掩模放置到支架内。
[0015]图4示出根据一个实施方案的塑料片材和掩模。
[0016]图5示出根据一个实施方案的正被放置到压力容器中的支架。
[0017]图6不出根据一个实施方案的塑料还料在发泡后的横截面的一个实例。
[0018]图7示出根据另一个实施方案的塑料坯料在发泡后的横截面的一个实例。
[0019]图8是根据一个实施方案的产生降低密度的热塑性塑料产品的流程图。
[0020]图9示出支架中的塑料坯料在2个加热元件之间的放置。
[0021]图10是将塑料片材直接挤出到压力容器中的流程图。
[0022]图11是将聚合物坯料直接注塑模制到压力容器中的流程图。
[0023]图12是将溶剂引入压力容器中的流程图。
[0024]详述
[0025]通过参考以下描述的实施方案和在形成本说明书一部分的附图(图中类似标号表示类似物件)中示出的那些实施方案，可以得到对降低密度的热塑性塑料的某些实施方案的更具体描述。
[0026]在一个实施方案中，可通过从塑料辊切割或通过成形件的注塑模制来产生一组塑料坯料。每一坯料可以这样的方式成形，所述方式使得所述坯料为少数部件(如1至100个部件)提供材料。然后可将可能具有任何形状或大小的坯料装入易于进行饱和作用的支架内。接着可将支架装入压力容器中以供饱和作用。可使塑料部分地或完全地饱和，从而可能导致坯料表面处的高气体浓度。然后可将坯料移除，并且可将塑料转移到加热支架中。加热支架可被馈送通过常规热成型机，在所述热成型机中，所述坯料可以被加热或拉伸成形。在加热和拉伸期间，可产生固态泡沫结构。
[0027]以上实施方案的一个变化形式是将坯料注塑模制以代替将坯料挤出。注塑模制部件可被成型为不同厚度，从而允许不同程度的饱和，并且所述部件可以这样的方式成形，所述方式在加热后几乎不需要后成型。还可将注塑模制部件直接模制到压力容器中并且使之冷却，从而消除对饱和时间的需要。
[0028]图1示出根据一个实施方案的塑料坯料110和掩模装置170。掩模120和掩模140可由联接器130联接以形成掩模装置170。联接器130可以是铰链、一个或多个夹具、形成掩模120和掩模140的材料中的弯曲部、或将所述掩模联接的其他装置。可将塑料坯料110放置于掩模120与掩模140之间，所述塑料坯料110可在联接器130处折叠以将塑料坯料110封闭在掩模装置170中。塑料坯料110可以是任何类型的热成型塑料。
[0029]掩模120可具有开口 150，并且掩模140可具有开口 160，所述开口可允许塑料坯料110被掩模120和掩模140覆盖的部分暴露于气体发泡剂，同时保护塑料坯料110的其他部分免受气体发泡剂。
[0030]本领域技术人员将认识到，可使用掩蔽塑料坯料的各种方式，并且掩模可具有不同大小和形状。掩模装置也可被配置来同时保持数个塑料坯料。
[0031]图2示出根据一个实施方案的封闭在掩模装置170中的塑料坯料。可将掩模装置170紧紧抵靠塑料坯料110封闭，从而形成气密密封或近气密密封。
[0032]掩模装置170可具有足够的热屏蔽，以防止在加热期间使用掩模装置170的情况下塑料坯料110的掩蔽部分变得足够热而发泡。
[0033]图3示出根据一个实施方案的将保持塑料坯料110的掩模装置170放置到支架310中。支架310可被配置来保持多个掩模装置170，其中掩模装置之间的间距320足以允许塑料坯料110暴露于气体发泡剂
[0034]图4示出根据一个实施方案的塑料片材和掩模。可借以形成许多部件的大塑料片材420可被装入饱和与加热托盘410、430中。托盘410、430 (用作掩模)可含有多个孔洞，这些孔洞的形状类似于要成型的塑料部件的外部轮廓，例如，对杯子来说是圆形或对于托盘来说是正方形。然后可将塑料片材420装入压力容器中并且饱和一段时间。存在于托盘上的孔洞可允许塑料片材在其中塑料部件将成型的区域中饱和。然后可使用常规热成型设备将塑料从压力容器中移除、加热并成型。可利用与用于饱和作用相同的掩蔽托盘或不同的掩蔽托盘将塑料输送通过热成型机械。也可能需要消除在饱和作用过程中对托盘的使用，并且在压力容器和成型设备的侧面上使用轨道来输送塑料而不使用托盘。
[0035]图5示出根据一个实施方案的正被放置到压力容器510中的支架310。支架310可保持具有塑料坯料110的至少一个掩模装置170。可将压力容器510加压，以允许气体发泡剂穿透塑料坯料110的暴露部分。
[0036]在另一个实施方案中，可将片材直接挤出到压力容器中。可使挤出片材在压力容器中冷却并且装入支架中。这种变化形式消除对饱和时间的需要。
[0037]在又一个实施方案中，可在所有压力容器的进口处和出口处使用闸型阀和压力锁，并且可在压力容器内配置传送系统。压力锁可允许片材、坯料或预成型件进入含有其他塑料的压力容器。压力容器内的材料传送系统可使物品移动通过压力容器。在这种布置中的所有材料可在压力容器中精确地接受相同量的时间。
[0038]可调整如温度、压力、气体发泡剂以及定时的各种参数以提供所得泡沫塑料的各种特性。已经证明饱和时间和解吸时间变化能够在聚合物内产生新结构。较高气体浓度可导致结晶度的增加，并且还导致气泡成核速率的增加。较低气体浓度可导致密度降低的增加。结合这两个要件可产生具有高密度外部和低密度内部的部件，这是一种对于给定部件重量来说得到最佳机械性质的结构。
[0039]可能需要在饱和作用过程期间向压力容器添加溶剂。当使PLA饱和时，已发现水在片材的表面诱导变化，从而在加热期间产生均匀白色表面。当使PET饱和时，已发现丙酮将在部件的表面诱导结晶。
[0040]可使用塑料的受控加热以在泡沫部件中诱导特定性质。加热塑料片材的单侧可引起不对称密度和泡沫孔分布。不对称密度可优化机械性质，如产生抵抗外部压碎力同时易于向外弯曲以供从堆叠中移出的杯子。着色剂使用可通过产生有色、高密度外部(着色剂是通过降低密度来分散)同时最小化部件的剩余部分的密度来优化。
[0041]将塑料坯料或孔洞中所暴露的塑料在加热期间部分地变形可能是有利的。可这样做来增加加热的均匀性，或在开始最终成形拉伸到模具中之前开始拉伸成形。这可通过以下方式来进行:增加片材一侧上的空气压力，降低片材一侧上的空气压力，利用高压空气喷射，或通过使用温度受控插塞由直接机械力来诱导拉伸。