专利名称：用于热塑性树脂模制件的模制设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及在制备热塑性树脂模制件，特别是热塑性发泡模制件或者具有高熔体粘度并难于在熔融状态模制的热塑性树脂的模制件的方法中使用的模制设备。
鉴于上述情况，针对使用惰性气体制备热塑性树脂的发泡模制件的方法曾经做过很多研究(例如参见JP-A No.10-230528/1998)。
但是，由于许多传统工艺旨在解决如何生产具有微泡孔的发泡模制件的问题，所以需要有非常复杂的包括许多装置的设备。为了实现物理发泡，需要使用一个料筒、螺杆和控制器，它们被专门设计成在熔化热塑性树脂的气体注入步骤中向熔融的树脂供给惰性气体并通过搅拌将气体注入树脂。于是，该设备需要重新制造的装置或是对现有的装置进行重大的改造，从而导致成本增加的问题。
鉴于现有技术中存在的前述问题，本发明的一个目的是提供一种模制设备，它适于通过在较低的压力下以良好的稳定性将二氧化碳、氮气或类似的惰性气体连续供应给热塑性树脂，并通过使用具有能够允许利用现有的模塑机料筒而无需加以改造的总长度的螺杆，实现气体注入步骤。
发明内容
本发明人不仅从如何生产具有非常微小的泡孔的发泡模制件的角度，而且从如何利用惰性气体如二氧化碳或氮气，以最大可能的方便和尽可能低的成本实现物理发泡的角度，都进行了研究。结果，本发明人已经通过未加改造地利用现有的注塑料筒、控制器等使螺杆进行熔化热塑性树脂、向熔融的树脂供应惰性气体并为注气而使气体与熔融树脂混合的所有功能的方式，以低成本轻松地实现了物理发泡。
本发明的用于制备热塑性树脂模制件的模制设备是一种用于实施一种用于生产热塑性树脂模制件的模制方法的设备，其中所述方法包括气体注入步骤和模制步骤，所述气体注入步骤为从一螺杆上的气体供应孔将惰性气体供至通过螺杆在注塑机料筒内的旋转而被熔化的热塑性树脂中，以向熔融的树脂中注入惰性气体，所述模制步骤为由注入气体的熔融树脂得到发泡模制件，本发明的设备的特点为，在气体注入步骤中使用的螺杆包括一个树脂熔化部分、一个熔融树脂未加注部分和一个气体注入部分，其中该树脂熔化部分位于料筒的上游区域，用以提供熔化的树脂，该熔融树脂未加注部分与树脂熔化部分的下游侧构成一整体，用以使树脂的压力低于气体供应孔处的惰性气体的压力，该气体注入部分与熔融树脂未加注部分的下游侧构成一整体，用于供应惰性气体并向熔融的树脂中注入惰性气体。
螺杆的熔融树脂未加注部分是一个通过减小螺杆轴部直径或加大其螺距而形成的部分。熔融树脂未加注部分的设置形成了一个由螺纹，料筒和螺杆轴部限定的加大的空间，由此可以使在此空间中的树脂的压力低于气体供应孔处的气体的压力。熔融树脂未加注部分从树脂熔化部分的下游端延伸至一个位于下游的位置，在该处，由螺纹、料筒和螺杆轴部限定的空间为最大。由螺纹、料筒和螺杆轴部限定的空间在从未加注部分的下游端开始延伸的气体注入部分小于熔融树脂未加注部分，从而气体注入部分被逐渐填充以惯常处于未加注状态的熔融树脂。这样，气体注入部分就具有如图4所示的两个状态，即在上游区域中的熔融树脂未加注状态和在下游区域中的熔融树脂加注状态。由于螺杆在这种熔融树脂未加注状态的区域中设有气体供应孔，故可以以良好的稳定性向熔融树脂供应所需量的惰性气体。
如果试图在传统设备的螺杆前端另外设置气体注入部分，螺杆在总长度上就要大一个与附加部分对应的量，而且现有的模塑机的料筒就不能被利用，而本发明的上述结构有可能在提供气体注入部分的同时又使螺杆能够保持这样一个允许使用现有模塑机的料筒的总长度。
在所述的模制设备中，螺杆最好有一个在其上游端形成的进气通道和一个与该进气通道连通并沿其纵向延伸穿过螺杆的供气通道，气体供应孔在气体注入部分形成并经由供气通道与进气通道连通。于是就可以利用现有的料筒而几乎不必在其中作任何的改动，也就是说，不必修改进气通道、供气通道及其气体供应孔。
螺杆的树脂熔化部分包括一个固体(此后“固体”是指粉末、粒料或类似物)运输部，一个熔融树脂运输部和一个压缩熔化部，所述固体运输部设置在一个上游位置上并有小的螺杆轴部直径，所述熔融树脂运输部设置在一个下游位置上并有大的螺杆轴部直径，而所述压缩熔化部位于这两部分之间并有直径朝下游逐渐加大的螺杆轴部，各螺杆部和各部分的长度最好与料筒直径D成下列关系固体运输部的长度L1＝5D-10D，压缩熔化部的长度L2＝3D-6D，熔融树脂运输部的长度L3＝1D-4D，熔融树脂未加注部分的长度L4＝0.1D-2D，以及气体注入部分的长度L5＝4D-10D。
于是，可以通过加热并且还可用惰性气体使树脂塑化，该惰性气体提供了附加的塑化作用，其结果为，熔融树脂被强制地注以惰性气体，并且更有效地用惰性气体塑化。由惰性气体产生的塑化作用指的是图3所示的现象，即，溶解在树脂中并在其分子链之间的惰性气体(图中的二氧化碳)的分子扩大了分子链之间的空间，从而增大了分子链的自由体积，由此以基本上与通过加热进行塑化的方式相同的方式塑化树脂。
将固体运输部设定为具有5D至10D(最佳约为8D)的长度L1，这是因为在设计树脂熔化部分时考虑了固体运输部中由于计量行程而产生的减小。如果L1小于5D，就会变得不能以良好的稳定性从加料斗运输其形状为未熔化的粒料或粉末的树脂，而如果L1大于10D，则螺杆具有加大的总长度，从而使得难于利用现有的料筒。
将压缩熔化部设定为具有3D至6D(最佳约为4D)的长度L2是因为，如果L2小于3D，则不能得到令人满意的熔融状态，而且还因为，如果L2大于6D，则螺杆具有加大的总长度。
将熔融树脂运输部设定为具有1D至4D(最佳约为2D)的长度L3是因为，如果L3小于1D，则不能防止惰性气体泄漏到树脂供料斗中，而且还因为，如果L3大于4D，则螺杆具有加大的总长度。为了消除树脂压力在熔融树脂运输部的下游端处的变化以及为了保证促进熔化，通常希望L3更大一些，而按照本发明，则只需要防止惰性气体在熔融树脂运输部的下游端处泄漏入树脂供料斗。如果L3达到4D，就可以完全得到理想的性能。
熔融树脂未加注部分旨在形成一种处于熔融树脂未加注的状态，以保证稳定地供应惰性气体。如果其长度L4达到2D(最好达到1D左右)，就可以得到令人满意的性能。如果L4大于2D，则螺杆有加大的总长度。
气体注入部分包括一个锥形部和一个实心的圆柱形部，该锥形部从熔融树脂未加注部分的下游端开始逐渐增大螺杆轴部直径，该圆柱形部在锥形部的下游并具有恒定的螺杆轴部直径。最好，锥形部的长度L6与圆柱形部的直径D具有如下关系L6＝0.5D-3D。从树脂熔化部分(在该处，由螺纹、料筒和螺杆轴部限定的空间为最小)送至熔融树脂未加注部分(在该处，上述空间为最大)的熔融树脂被运送至在该处由螺纹、料筒和螺杆轴部限定的空间小于未加注部分的锥形部，然后被送至所述空间在该处大于树脂熔化部分的实心的圆柱形部。因此，在气体注入部分的熔融树脂有如图4所示的两个状态，即，在锥形部和实心圆柱形部的上游区的未加注状态，以及在实心圆柱形部的下游区的加注状态。使熔融树脂具有两个状态是为了在熔融树脂未加注状态下实现气体的稳定供应，并且在熔融树脂加注状态下防止气体由于泄漏而排放至注射喷嘴中。
气体注入部分的长度L5最好为4D至10D(最佳约为7D)。如果L5小于4D，就不可能防止气体由于气体泄漏而被压出至注射喷嘴中，而如果L5大于10D，则螺杆将具有加大的总长度。希望锥形部的长度L6至少为0.5D至3D，以稳定熔融树脂未加注状态和熔融树脂加注状态。
通过使螺杆具有上述结构，可使螺杆执行所有下述功能，即，熔化热塑性树脂，向熔融的树脂供应惰性气体，以及通过搅拌向熔融树脂注入气体。此外，由于螺杆可以被设计成具有短的总长度，所以可以利用现有的注塑料筒和控制器。这样，可以通过使用具有上述功能的螺杆以低成本轻松地实现物理发泡。
本发明的模塑机并不局限于用在注塑生产中，而且还可用于挤塑、吹塑、注坯吹塑、成膜等中。
对用于本发明的热塑性树脂没有特殊的限制。这种树脂的例子为具有高的熔体粘度并因而难于在熔融状态下模制的树脂，容易受热分解的树脂，含有低沸点添加剂或容易受热分解的添加剂并难于模制的树脂，等等。
具有高熔体粘度并因而难于在熔融状态下模制的树脂的例子为超高分子量聚乙烯，具有超高聚合度的聚氯乙烯，聚四氟乙烯、聚酰亚胺和作为工程塑料使用的类似树脂。
容易受热分解的树脂的例子为聚乳酸、聚羟基丁酸酯和类似的可生物降解的树脂，具有高氯化度的聚氯乙烯，聚丙烯腈，等等。
对本发明中所用的惰性气体并无具体的限制，只要该气体不会与树脂起反应并且不会降解树脂或不对其产生不良的作用即可。这种气体的例子有二氧化碳、氮气、氩气、氖气、氦气、氧气和类似的无机气体，氯氟烃，低分子量的烃和类似的有机气体。
在这些气体中，优选的是无机气体，因为它们不太会对环境产生有害的影响，并且不需要在使用后加以收集。从气体可高度溶解在难于模制的树脂中、对树脂熔化高度有效并且可直接释放到大气中而几乎不产生任何害处的观点出发，二氧化碳更为可取。惰性气体可以被单独使用，或者可以联合使用至少两种气体。
图2是局部剖开的侧视图，它按整体总的示出了模制设备的注塑机。
图3是表示惰性气体的热塑性树脂塑化作用的概念的示意图。
图4是放大的侧视图，它示出了未加注树脂和加注了树脂的气体注入部分。
图5(a)是一垂直剖视图，它示出了在本发明的用于热塑性树脂模制件的模制设备中使用的模具的一个实施例，而图5(b)是其横截面图。
例1附图中示出了按照本发明的模制设备的一个实施例。
模制设备A适于用在热塑性树脂的注塑生产中。如
图1和2所示，该设备包括一个注塑机1和一个用于向注塑机供应气体的气体注入器B。注塑机1主要包括一个料筒2和一个设置在其内部的螺杆3。
料筒2中的螺杆3包括一个树脂熔化部分C、一个熔融树脂未加注部分E和一个气体注入部分D，其中所述树脂熔化部分C位于料筒的上游区域，用于通过旋转提供熔化的树脂；所述熔融树脂未加注部分E与树脂熔化部分C的下游侧构成一整体，用于使树脂的压力低于气体供应孔5处的惰性气体的压力；所述气体注入部分D与熔融树脂未加注部分E的下游侧构成一整体，用于供应惰性气体并向熔融树脂注入惰性气体。
树脂熔化部分C包括一个布置在一个上游位置上并有小的螺杆轴部直径的固体运输部21，一个与固体运输部21的下游侧构成一整体并有直径朝下游逐渐加大的螺杆轴部的压缩熔化部22，以及一个与压缩熔化部22的下游侧成一整体并有大的螺杆轴部直径的熔融树脂运输部23。
熔融树脂未加注部分E是一个这样的部分，即它有一个由螺纹9、料筒2和螺杆3的轴部限定的空间，该空间通过使螺杆3的轴部直径逐渐地或阶梯性地小于树脂熔化部分C的下游端处的螺杆轴部直径而被加大。从料筒内围绕树脂熔化部分C的空间输送至围绕熔融树脂未加注部分E的空间的熔融树脂处于未注满这个围绕部分E的空间的状态，其结果为，使在此围绕部分E的料筒空间内的树脂的压力低于气体供应孔5处的气体的压力。熔融树脂未加注部分E在由图2中的L4表示的范围上延伸，即，从树脂熔化部分C的下游端延伸至一个位于该处下游的位置(气体注入部分D的上游端)，在该处，由螺纹9、料筒2和螺杆3的轴部限定的空间为最大。
气体注入部分D包括一个锥形部24和一个实心的圆柱形部25，该锥形部的螺杆轴部直径从熔融树脂未加注部分E的下游端逐渐加大，该圆柱形部在锥形部的下游并有恒定的螺杆轴部直径。如图2所示，在气体注入部分D的实心圆柱形部25的上游端，在螺杆3的轴面上形成气体供应孔5。
从树脂熔化部分C(在该处，由螺纹9、料筒2和螺杆轴部限定的空间是最小的)送至熔融树脂未加注部分E(在该处，上述空间为最大)的熔融树脂被运送至由螺纹9、料筒2和螺杆3的轴部限定的空间在该处小于未加注部分E中的该空间的锥形部24，然后被运送至实心的圆柱形部25，在该处，上述空间大于树脂熔化部分C中的空间。因此，在气体注入部分D中的熔融树脂具有如图4所示的两个状态，即，在锥形部24和实心圆柱形部25的上游区中的未加注状态和在实心圆柱形部25的下游区中的加注状态。使熔融树脂有两个状态是为了在未加注状态下实现向熔融树脂稳定地供应气体以及在加注状态下防止气体由于泄漏而由熔融树脂排放至喷嘴中。
挡圈26、27用于分别密封树脂熔化部分C的下游端和气体注入部分D的下游端。通过挡圈26和围绕熔融树脂运输部23的熔融树脂防止气体向下游泄漏，而且通过围绕气体注入部分D的处于加注状态的熔融树脂和挡圈27来防止气体向下游的泄漏。
螺杆3由一台驱动电动机13旋转并且前进或后退。如图2所示，螺杆3的螺纹9在气体注入部分D的螺距大于树脂熔化部分C上的螺距。由于螺杆3是如此形成的，故通过气体注入部分所输送的熔融树脂量，即速率约是通过树脂熔化部分C所输送的量或速率的1.2倍。在熔融树脂的输送速率可通过改变背压和螺杆的旋转速度来调节的情况下，螺距不需要常常改变。
螺杆3具有一个在其上游端形成的进气通道11和一个沿其纵向延伸穿过螺杆并与进气通道11连通的供气通道6。在气体注入部分D的螺杆表面上形成的气体供应孔5经过供气通道6与进气通道11连通。供气通道6设有一个止回阀7，该阀位于气体供应孔5附近，用以防止熔融树脂从供应孔5侵入供气通道6中。气体注入器B通过一个进气管16与进气通道11相连。管16被连接到一个覆盖进气通道11的密封箱12上。在密封箱12内的封闭空间与进气通道11连通。
在气体注入部分D的实心圆柱形部25的上游端，供气通道6有一个位于两个相邻的螺纹部分9之间并靠近下游的螺纹部分的排气端。一个从螺杆3的轴面伸出的针状喷嘴10与该排气端相连。如此设置的气体供应孔5的形状为一个在气体注入部分D的实心圆柱形部25的上游端从螺杆3的轴面伸出的喷孔。气体供应孔5有大约为1.5mm的内径。
树脂材料从供料斗17经过一个进料口15被供给具有上述结构的注塑设备A的料筒2，并朝料筒2的前端输送，同时通过螺杆3的旋转被熔化和捏合。将经过熔化和捏合的树脂送至一个减压部分，即气体注入部分D。
另一方面，从气体注入器B流出的二氧化碳经由进气管16进入密封箱12，并借道进气通道11、供气通道6和止回阀7到达类似一个喷孔的气体供应孔5。气体从孔5被供给气体注入部分D的上游端处的料筒的内部。因此，经过气体注入部分D向下游输送的熔融树脂被注入气体。由于气体供应孔5被做成从螺杆3的轴面伸出的喷孔的形状，故孔5不太容易被熔融的树脂覆盖住。由于设置有熔融树脂未加注部分E，熔融树脂在未加注状态下的压力低于气体供应孔5处的气体压力，由此使得熔融树脂不太可能与气体供应发生干涉，从而允许以较低的压力将气体注入熔融的树脂。
随着熔融树脂连续地运输至料筒2的前端，螺杆3按照树脂的进给速率逐渐后退，而且在料筒2前端的一个计量部分测量出预定量的熔融树脂。
如此测出的经过注气的熔融树脂从在注塑机1前端的喷嘴4被注入一个注塑模中，以获得一个发泡模制件。
如图5所示，注塑模30包括例如一个静止的模具构件31和一个活动的模具构件32，并且具有一个呈盘状的空腔33，一个沿反射方向从空腔33延伸的锥形喷嘴触底(nozzle touch)34，以及一个设置在喷嘴触底34的前端并与注射喷嘴4相连的门35。
由具有如此构造的注塑设备A实施的模塑方法适于在短时间内将熔融的树脂均匀地注以气体，由此以高生产率提供具有均匀的品质和微泡孔的发泡模制体。
例如，各组成部分或构件具有下列尺寸。螺杆的轴部直径为60mm，螺距为60mm。假设料筒直径为D，则固体运输部的长度L1为8D，压缩熔化部的长度L2为4D，熔融树脂运输部的长度L3为2D，熔融树脂未加注部分的长度L4为1D，气体注入部分的长度L5为7D，锥形部的长度L6为1D。所用的热塑性树脂为由Nippon Polychem Co.Ltd.制造的聚丙烯(等级Novatic PPMA2)，所用的惰性气体为二氧化碳。由端部计量部分测出的量相当于图5所示空腔33的容积的1/2，该空腔的厚度为6mm，直径为200mm。
性能评估实验以气体供应孔5的气体压力用气体吹洗设备，以检查进料斗17和喷嘴4的气体排放和气体泄露。其中已经加有二氧化碳的热塑性树脂经过喷嘴触底34被填入空腔33中，冷却120秒，然后打开模具30，从其中取出树脂。对所得到的热塑性树脂发泡模制件进行检验，以评估其发泡状况。表1显示出了评估的结果。
例2进行与例1相同的过程，只是采用由Denki Kagaku Kogyo K.K.生产的ABS(等级Denka ABS CL301Q)作为热塑性树脂，接着按与上述方式相同的方式进行评估。
表1显示出了评估的结果例3进行与例1相同的过程，只是采用由Nippon Polychem Co.Ltd.生产的聚乙烯(等级Novatic HDHJ381)作为热塑性树脂，接着按与上述方式相同的方式进行评估。表1显示出了评估的结果。
例4进行与例1相同的过程，只是对螺杆的结构作了如下所述的改动。在螺杆轴部直径不变的情况下，使螺杆的各部分或部具有下列长度固体运输部的长度L1＝8D，压缩熔化部的长度L2＝5D，熔融树脂运输部的长度L3＝3D，熔融树脂未加注部分的长度L4＝1D，气体注入部分的长度L5＝5D，锥形部的长度L6＝2.5D。按与例1相同的方式进行评估。表1显示出了评估的结果。
表1性能评估实验的结果
PP聚丙烯 PE聚乙烯从表1可以清楚地看出，在所有例子1、2、3和4中都能制备注入了二氧化碳的熔融树脂，而且没有气体泄漏至树脂供应料斗和注射喷嘴，并且可以用已经注气的树脂生产发泡状况令人满意(没有空洞或空穴)并且泡孔大小均匀的热塑性树脂的发泡模制件。
本发明的用于生产热塑性树脂模制件的模制设备采用了其总长度允许按现状使用现有模塑机料筒的螺杆，并且能够以低成本实现气体注入步骤，在该步骤中，以较低的压力和良好的稳定性将连续供应的气体注入熔融的树脂，从而通过物理发泡生产模制的热塑性树脂件。
权利要求
1.一种在实施一种用于生产热塑性树脂模制件的模制方法中使用的设备，其中所述方法包括气体注入步骤和模制步骤，所述气体注入步骤为从一个气体供应孔将惰性气体供给通过模塑机料筒内的螺杆的旋转而被熔化的热塑性树脂，以向熔融的树脂注入惰性气体，所述模制步骤为由已经注气的熔融树脂获得发泡模制件，所述模制设备的特征为，在气体注入步骤中使用的螺杆包括一个设置在一个上游位置上、用以提供熔化的树脂的树脂熔化部分、一个熔融树脂未加注部分和一个气体注入部分，所述熔融树脂未加注部分与树脂熔化部分的下游侧构成一整体，用于使树脂的压力低于气体供应孔处的惰性气体的压力，所述气体注入部分与熔融树脂未加注部分的下游侧构成一整体，用于供应惰性气体并向熔融的树脂注入惰性气体。
2.如权利要求1所述的用于热塑性树脂模制件的模制设备，其特征为，螺杆具有一个在其上游端形成的进气通道和一个与所述进气通道连通并沿其纵向延伸穿过螺杆的供气通道，气体供应孔在气体注入部分上形成并经由供气通道与进气通道连通。
3.如权利要求1或2所述的用于热塑性树脂模制件的模制设备，其特征为，螺杆的树脂熔化部分包括一个固体运输部，一个压缩熔化部和一个熔融树脂运输部分，所述固体运输部位于一个上游位置并有小的螺杆轴部直径，所述压缩熔化部与固体运输部的下游侧构成一整体并有朝下游逐渐加大的螺杆轴部直径，所述熔融树脂运输部与压缩熔化部的下游侧构成一整体并有大的螺杆轴部直径，螺杆各部和各部分的长度最好与料筒直径D有下列关系固体运输部的长度L1＝5D-10D，压缩熔化部的长度L2＝3D-6D，熔融树脂运输部的长度L3＝1D-4D，未加注熔融树脂部分的长度L4＝0.1D-2D，以及气体注入部分的长度L5＝4D-10D。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的用于热塑性树脂模制件的模制设备，其特征为，气体注入部分包括一个螺杆轴部直径从熔融树脂未加注部分的下游端开始逐渐加大的锥形部和一个位于锥形部的下游并有恒定的螺杆轴部直径的实心的圆柱形部，该锥形部分的，实心的圆柱形部分，锥形部的长度L6与料筒直径D的关系为L6＝0.5D-3D。
全文摘要
本发明提供一种模制设备，它适于采用其总长度允许按现状使用现有的模塑机料筒的螺杆，而且还能实现气体注入步骤。在气体注入步骤中使用的螺杆3包括一个布置在一个上游位置、用以提供熔化的树脂的树脂熔化部分C，一个与树脂熔化部分C的下游侧成一整体、用于使树脂的压力低于气体供应孔5处的惰性气体的压力的熔融树脂未加注部分E，和一个与熔融树脂未加注部分E的下游侧成一整体、用于供应惰性气体并将熔融树脂注入惰性气体的气体注入部分D。
文档编号B29C45/00GK1455725SQ02800055
公开日2003年11月12日 申请日期2002年1月9日 优先权日2001年1月11日
发明者志村吏士, 河内齐, 平野博之 申请人:积水化学工业株式会社