在基本上恒定的低压下注塑的方法

在基本上恒定的低压下注塑的方法
【专利摘要】本文所公开的是一种在基本上恒定的低熔体压力下注塑的方法。本发明所公开的方法的实施例使得比常规高速注塑工艺更节能且性价比更高的注塑方法成为可能。本发明所公开的方法的实施例令人惊奇地允许在低熔体压力下填充模具腔体而热塑性材料不会在模具腔体中的不可取的过早硬化，并且不需要保持恒定的温度或加热模具腔体。迄今为止，并未预期恒压法可在低压下进行而当使用未加热的模具腔体或冷却的模具腔体时，不会出现热塑性材料的此类过早的硬化。
【专利说明】在基本上恒定的低压下注塑的方法
【背景技术】【技术领域】
[0001]本公开涉及用于注塑的方法，并且更具体地，涉及用于在基本上恒定的低熔体压力下注塑的方法。
[0002]相关技术的简要说明
[0003]注塑是一种通常用于大批量制造由可熔融材料制成的部件(最常见的是由塑料制成的部件)的技术。在重复性注塑过程中，将热塑性树脂(最常见的为小珠形式)引入注塑机中，注塑机在热和压力下使所述树脂珠熔融。将这样的熔融树脂强力地注入具有特定腔体形状的模具腔体中。注入的塑料在模具腔体中保持在压力下、冷却、然后作为固化部件取出，所述固化部件具有基本上复制了模具的腔体形状的形状。模具自身可具有单个腔体或多个腔体。每个腔体均可通过浇口连接至流动通道，所述浇口将熔融树脂流引导至腔体中。模塑部件可具有一个或多个浇口。对大型部件而言常见的是具有两个、三个或更多个浇口以缩短聚合物填充模塑部件而必须行进的流动距离。每个腔体的一个或多个浇口可位于部件几何形状上的任何位置，并且具有任何横截面形状如基本上圆形，或以1.1或更大的纵横比成型。因此，典型的注塑程序包括四个基本操作:(I)将塑料在注塑机中加热，以允许其在压力下流动；(2)将融化的塑料注入被限定在已闭合的两个模具半块之间的一个或多个模具腔体中；(3)允许塑料处于压力下的同时在所述一个或多个腔体中冷却并硬化；以及(4)打开模具半块以使部件从模具中被弹出。
[0004]将熔融塑性树脂注入模具腔体中并且通过注塑机迫使所述塑性树脂挤过腔体，直至所述塑性树脂到达腔体中的最远离浇口的位置。所得的部件的长度和壁厚取决于模具腔体的形状。
[0005]虽然可能期望减小注塑部件的壁厚以减少塑料含量，从而降低最终部件的成本；但是使用常规的注塑方法减小壁厚可能是昂贵且不易完成的任务，尤其是当壁厚的设计小于1.0毫米时。在常规的注塑方法中将液态塑性树脂引入注塑模具中时，邻近腔体壁的材料立即开始“冻结”、或硬化、或固化，因为液态塑性树脂冷却至低于材料的不流动温度的温度并且所述液态塑料的部分变成静态。随着材料流过模具，材料的边界层抵靠模具的侧面而形成。随着模具的继续填充，边界层继续增厚，最终会封闭材料流动的路径并且阻止附加材料流入模具中。当模具冷却时，塑性树脂在模具壁上冻结的问题变得更严重，使用某种技术来缩短每个部件的循环时间并增加机器的通过量。
[0006]也可能期望设计出一种部件和对应的模具，使得液态塑性树脂从具有最厚壁厚的区域流向具有最薄壁厚的区域。增加模具的某些区域中厚度可确保有足够的材料流入其中需要强度和厚度的区域中。这种“厚处向薄处”的流动路径要求可导致塑料的使用效率低，并且对于注塑部件的制造商来讲会导致更高的部件成本，因为附加的材料必须在其中不必需要材料的位置被模塑成部件。
[0007]—种用以减小部件壁厚的方法是，当液态塑性树脂被引入模具中时增加其压力。通过增加压力，模塑机能够在流动路径被封闭之前继续迫使液态材料进入模具中。然而，增加压力会具有成本和性能两方面的缺点。当模塑组件所需的压力增加时，模塑设备必须具有足够的强度以经受附加的压力，这一般等同于更昂贵的费用。制造商可能不得不购买新的设备以适应这些增加的压力。因此，减小给定部件的壁厚可产生用以经由常规注塑技术实现所述制造的大量资本费用。
[0008]另外，当液态塑性材料流入注塑模具中并冻结时，聚合物链保持当聚合物处于液态形式时所存在的高水平的应力。这些“模塑在内的”应力可导致部件在模塑之后不可取的翘曲或凹陷、具有减小的机械特性、以及具有减小的耐化学暴露性。对于注塑的部件例如薄壁盆状物、活动铰链部件和闭合件来讲，控制和/或最小化这种减小的机械特性是尤其重要的。

【发明内容】

[0009]根据本公开的实施例，一种方法包括:(a)用包含熔融热塑性材料的射流填充模塑设备的模具腔体，以及(b)在用包含所述熔融热塑性材料的所述射流填充基本上整个模具腔体的同时，使所述熔体压力在小于eooopsi下保持基本上恒定。所述热塑性材料具有
0.lg/10min至约500g/10min的熔体流动指数。
【专利附图】

【附图说明】
[0010]附图所示的实施例在性质上为例证性和示例性的，而并不旨在限制由权利要求所限定的主题。当结合以下附图阅读时，可理解以下对例证性实施例的详细描述，其中用类似的附图标号表示类似的结构，并且其中:
[0011]图1示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的高速注塑机的图解前视图。
[0012]图2为根据公开的一个实施例在基本上恒定的低压下注塑的方法的压力曲线的示意图；
[0013]图3为根据公开的另一个实施例在基本上恒定的低压下注塑的方法的压力曲线的示意图；并且
[0014]图4为根据公开的一个实施例在基本上恒定的低压下注塑的方法的压力曲线的示意图；
[0015]图5为根据公开的另一个实施例在基本上恒定的低压下注塑的方法的压力曲线的示意图。
【具体实施方式】
[0016]本文所公开的所有压力均为表压力，其是相对于环境压力的压力。
[0017]本文公开了在基本上恒定的低熔体压力下注塑的方法。目前，本发明所公开的方法的实施例使得比常规高速注塑方法更节能且更高性价比的注塑方法成为可能。本发明所公开的方法的实施例令人惊奇地允许在低熔体压力下填充模具腔体而没有热塑性材料在模具腔体中的不可取的过早硬化，并且不需要保持恒定的温度或加热模具腔体。如下文详细描述，本领域的普通技术人员并未预料到恒压方法可在低压下进行而在使用未加热的模具腔体或冷却的模具腔体时，不会出现热塑性材料的此类过早的硬化。
[0018]本发明所公开的方法的实施例还允许在不需要平衡模具腔体的预注塑压力和热塑性材料的预注塑压力的情况下，形成不经历不可取的凹陷或翘曲的优质注塑部件。因此，本发明所公开的方法的实施例可使用环境模具腔体压力来执行并且消除对于在模具腔体中包括加压装置的需要。
[0019]与常规的高压注塑方法相比，所述方法的实施例还可制备高质量的注塑部件，所述部件对温度、粘度以及热塑性材料的其它此类特性的变化具有显著较小的敏感度。在一个实施例中，这可有利地允许使用由可再循环的塑料(例如，消费后再循环的塑料)形成的热塑性材料，其本身具有材料特性的批次间变化。
[0020]另外，本发明所公开的方法中使用的低熔体压力可允许使用低硬度、高导热模具腔体材料，所述材料具有更高的制造性价比且更节能。例如，所述模具腔体可由具有小于30Rockwell C (Re)的表面硬度和大于30BTU/HR FT °F的热导率的材料形成。在一个实施例中，所述模具腔体可由铝合金诸如铝合金606IAl和7075A1形成。
[0021]本发明所公开的方法的实施例还可允许形成高质量的薄壁部件。例如，可使用所述方法的实施例形成熔融热塑性流的长度与厚度(L/T)的比率大于100的模塑部件。设想所述方法的实施例还可形成具有大于200、在一些情况下大于250的L/T比率的模塑部件。
[0022]当流动通道的长度L除以流动通道的厚度T大于100 (即L/T>100)时，模塑部件一般被认为是薄壁的。对于具有更复杂的几何形状的模具腔体，所述L/T比率可通过从浇口 102到模具腔体32端部将T尺寸对模具腔体32的长度积分，并且测定从浇口 102到模具腔体32的端部的最长流动长度来计算。然后，L/T比率可通过将最长流动长度除以平均部件厚度来测定。在模具腔体32具有多于一个浇口 30的情况下，L/T比率通过对由各独立浇口填充的模具腔体32的部分的L和T积分来测定，并且给定模具腔体的总体L/T比率为对于浇口中任一个计算的最高L/T比率。
[0023]图1示出了与本发明所公开的方法的实施例一起使用的示例性注塑设备10。注塑设备10 —般包括注射系统12和夹紧系统14。可以例如粒料16的形式将热塑性材料引入注射系统12中。可将粒料16放置到料斗18中，所述料斗将粒料16喂入注射系统12的加热圆筒20中。粒料16在被喂入加热圆筒20中之后可通过往复式螺杆22驱动至加热圆筒20的端部。加热圆筒20的加热以及粒料16通过往复式螺杆22的压缩导致粒料16熔融以形成熔融热塑性材料。通常在约130°C至约410°C的温度下对所述熔融热塑性材料进行加工。
[0024]往复式螺杆22迫使熔融热塑性材料压向喷嘴26以形成包含熔融热塑性材料24的射流，所述射流将被注入模具28的模塑腔体32中。模具腔体32形成于模具28的第一模具部件25与第二模具部件27之间，并且第一模具部件25和第二模具部件27通过压机或夹紧单元34在压力下保持在一起。压机或夹紧单元34施加需要大于由注射压力所施加的力的夹紧力，所述注射压力作用于在模塑加工期间分离两个模具半块，以在将熔融热塑性材料24注入模具腔体32中的同时将第一模具部件25和第二模具部件27保持在一起。为支持这些夹紧力，夹紧系统14可包括模具架和模具基座，所述模具架和模具基座由表面硬度大于约165BHN且优选地小于260BHN的材料形成，但是可使用表面硬度BHN值大于260的材料，只要所述材料是容易机械加工的即可，如下文进一步讨论。[0025]—旦将包含熔融热塑性材料24的射流注入模具腔体32中，往复式螺杆22就停止向前行进。熔融热塑性材料24采用模具腔体32的形式，并且熔融热塑性材料24在模具28内部冷却直至热塑性材料24固化。一旦热塑性材料24固化，压机34就释放第一模具部件25和第二模具部件27，所述第一模具部件25和第二模具部件27彼此分隔开，并且成品部件可从模具28中弹出。模具28可包括多个模具腔体32以增加总体产率。所述多个模具腔体的腔体形状可彼此相同、相似或不同。(可将一组相异的模具腔体视为一套模具腔体)。
[0026]所述方法一般包括将包含熔融热塑性材料的射流注入模具腔体32中以填充所述模具腔体。参见图2，在注射之前的tl处，包含熔融热塑性材料的射流具有预注射压力。如本文所用，包含熔融热塑性材料的射流的预注射压力是指热塑性材料在加热圆筒中被加热成熔融状态并制成射流之后，并且正好在包含熔融热塑性材料的射流注入模具腔体或流道或与喷嘴和模具腔体流体连通的进料系统中之前，所述热塑性材料的压力。包含熔融热塑性材料的射流的预注射压力可任选地不等于注射前的模具腔体的压力。在一个实施例中，在注射之前，模具腔体可在大气压下，例如，如图2和图4所示。在另一个实施例中，所述模具腔体可具有微正压，如图3所示。在另一个实施例中，可在模具腔体中引入真空。
[0027]如图2所示，在t2期间注入模具腔体时，包含熔融热塑性材料的射流的压力增加至熔体压力，所述熔体压力大于包含熔融热塑性材料的射流的预注射压力。再次参见图1，例如，包含熔融热塑性材料的射流的注射可包括使往复式螺杆22在图1中箭头A的方向上向喷嘴26平移，以迫使包含熔融热塑性材料24的射流通过喷嘴26并进入模具腔体32中。在各种实施例中，可将包含熔融热塑性材料24的射流通过浇口 30注入模具28的模具腔体32中，所述浇口将熔融热塑性材料24的流体引导至模具腔体32。模具腔体32可形成于例如模具28的第一模具部件25与第二模具部件27之间。模具28的第一模具部件25和第二模具部件27可通过压机34在压力下保持在一起。
[0028]再次参见图2，在时间t3下用包含熔融热塑性材料的射流填充基本上整个模具腔体或整个模具腔体。在填充基本上整个模具腔体期间，使熔体压力保持在小于6000psi的基本上恒定的压力下。如本文所用，术语“基本上恒定的压力”是指在用包含熔融热塑性材料的射流填充基本上整个模具腔体期间，不从期望的熔体压力向上或向下波动超过所述期望的熔体压力的30%。例如，基本上恒定的压力可从熔体压力波动(或作为增加或作为减少)约0%至约30%，约2%至约25%，约4%至约20%，约6%至约15%，以及约8%至约10%。其它适宜的波动量包括约 0%、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%、22%、24%、26%、28%、和30%。所述波动作为从期望的熔体压力的ΛΡ示出于图2中。不旨在受理论的束缚，据信保持本文所定义的基本上恒定的压力可防止熔体前沿在熔融热塑性材料流入模具腔体时停顿。此类动态流动条件能够有利地允许包含熔融热塑性材料的射流保持均匀流动和填料条件至填充模具的最后点，而没有熔融材料的冻结或其它破坏。如图3和图4所示，熔体压力在填充基本上整个模具腔体期间可例如分别以恒定速率增加或减少，并被认为是基本上恒定的，只要在填充基本上整个模具腔体期间，熔体压力的最大增加或减少不大于30%的期望的熔体压力即可。同样，这种波动作为从期望的熔体压力的ΛΡ示出于图3和图4中。
[0029]参见图5并在下文详细讨论，一旦填充基本上整个模具腔体(在时间t3下)，就可将熔体压力降低至填充压力以填充模具腔体的剩余部分(在时间t3’处)。填充压力可保持基本上恒定直至填充整个模具腔体。[0030]传感器可位于接近模具腔体中填充端部。该传感器可提供模具前端接近腔体中的填充端部时的指示。所述传感器可感测压力、温度、任选地、或确认聚合物存在的其它方式。当通过传感器测量压力时，该测量可用于与中央控制单元通信以提供用于模制组件的目标“填充压力”。可将由传感器产生的信号用于控制模制工艺，使得材料粘度、模具温度、熔体温度的变化、以及影响填充速率的其它变化可通过中央控制单元来调节。这些调节可在模塑循环期间立即进行，或可在后续循环中进行校正。此外，可将多个读数对多次循环平均，然后用于通过中央控制单元对模塑加工进行调节。以这种方式，当前注射循环可基于较早时间点处的一个或多个循环期间发生的测量来校正。在一个实施例中，可将传感器读数对许多循环平均，以便实现过程一致性。
[0031]一旦完全填充了模具腔体，如果需要，就在时间t4处使熔体压力和模具腔体压力降低至大气压并可打开模具腔体。在该时间期间，往复式螺杆22停止向前行进。有利的是，基本上恒定的低压条件允许包含熔融热塑性材料的射流在模具内快速冷却，这在各种实施例中可与熔体压力和模具腔体排气至大气压基本上同时发生。因此，在用包含熔融热塑性材料的射流填充模具腔体之后，可快速地将注塑部件从模具中弹出。
[0032]焙体压力
[0033]如本文所用，术语“熔体压力”是指包含熔融热塑性材料的射流在其注入并填充模塑设备的模具腔体时的压力。在填充基本上整个模具腔体期间，使包含熔融热塑性材料的射流的熔体压力在小于6000psi下保持基本上恒定。在填充基本上整个模具腔体期间，包含熔融热塑性材料的射流的熔体压力显著小于用于常规注塑法的注射和填充熔体压力并被热塑性材料的制造商推荐用于注塑加工。其它适宜的熔体压力包括例如小于5000psi，小于4500psi，小于4000psi，以及小于3000psi。例如，可将熔体压力保持在以下范围内的基本上恒定的压力下:约IOOOpsi至小于6000psi,约1500psi至约5500psi,约2000psi至约 5000psi,约 2500psi 至约 4500psi,约 3000psi 至约 4000psi,以及约 3000psi 至小于6000psio
[0034]如上所述，“基本上恒定的压力”是指在用包含熔融热塑性材料的射流填充基本上整个模具腔体期间，从期望的熔体压力向上或向下波动不超过30%所述期望的熔体压力的压力。例如，基本上恒定的压力可从熔体压力波动(或作为增加或作为减少)约0%至约30%，约2%至约25%，约4%至约20%，约6%至约15%，以及约8%至约10%。其它适宜的波动量包括约 0%、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%、22%、24%、26%、28%、和 30%。所述波动作为从期望的熔体压力的ΛΡ示出于图2中。参见图3和图4，在填充基本上整个模具腔体期间，熔体压力可例如分别以恒定速率增加或减少，并被认为是基本上恒定的，只要在填充基本上整个模具腔体期间，熔体压力的最大增加或减少不大于30%的期望的熔体压力即可。同样，这种波动作为从期望的熔体压力的ΛΡ示出于图3和图4中。在另一个实施例中，在填充基本上整个模具腔体期间的熔体压力可经过时间t3的一部分而增加，然后经过时间t3的剩余部分而减少。这种波动将被认为是基本上恒定的压力，只要填充期间熔体压力的最大增加和减少小于30%的期望的熔体压力即可。
[0035]包含热塑性材料的射流在注入模具腔体中时的熔体压力可使用例如设置在注射点处的压力换能器来测量。如本文所用，“注射点”是模塑设备中的包含熔融热塑性材料的射流进入模具腔体的位置。例如，对于具有联接到喷嘴的单个模具腔体的模塑设备而言，注射点可在喷嘴处或邻近喷嘴。作为另外一种选择，对于具有多个模具腔体和用于将熔融热塑性材料从喷嘴传送至各模具腔体中的流道系统的模塑设备而言，注射点可以为介于流道系统与各单独的模具腔体之间的接触点。使包含熔融热塑性材料的射流在其被传送穿过流道系统时保持在基本上恒定的熔体压力下。一般来讲，流道系统为加热的流道系统，其在包含热塑性材料的射流被传送至模具腔体时，保持所述射流的熔体温度。
[0036]在填充基本上整个模具腔体期间，包含热塑性材料的射流的熔体压力可例如通过使用设置在喷嘴处的压力换能器测量熔体压力并在注入模具腔体时保持喷嘴处的恒定压力来保持。在另一个实施例中，在填充基本上整个模具腔体期间，包含热塑性材料的射流的熔体压力可使用设置在模具腔体中与浇口相对的压力换能器来测量。
[0037]将腔体的填充百分比定义为以体积计的被填充的腔体％。因此，如果腔体被填充95%,则被填充的模具腔体的总体积占模具腔体总体积容量的95%。当用熔融热塑性材料填充至少70%、至少72%、至少74%、至少76、至少78%、至少80%、至少82%、至少84%、至少86%、至少88%、至少90%、至少92%、至少94%、至少96%、至少98%、或至少99%的模具腔体时，则填充了基本上整个模具腔体。例如，当用熔融热塑性材料填充约70%至约100%，约75%至约99%，约80%至约98%，或约90%至约95%的模具腔体时，则填充了基本上整个模具腔体。用包含熔融热塑性材料的射流填充模具腔体的百分比，可例如通过在模具腔体中，在对应期望的填充百分比的模具腔体的填充点端部处放置压力换能器来测定。当包含熔融热塑性材料的射流达到期望的填充百分比时，压力换能器向操作者发出警报。
[0038]参见图5，在一个实施例中，一旦填充了基本上整个模具腔体(在时间t3的末端)，可将下降的熔体压力用于填充并装填模具腔体的剩余部分(时间t3’)。一旦填充了基本上整个模具腔体，就可使包含熔融热塑性材料的射流的熔体压力降低至小于熔体压力的填充压力，以提供用于填充模具腔体剩余部分的理想压力并防止模具腔体过压或过充填。可在使包含熔融热塑性材料的射流的熔体压力在填充压力下保持基本上恒定的同时，填充模具腔体的剩余部分。填充压力可以为，例如至少50%，至少55%，至少60%，至少65%，至少70%，至少75%，至少80%，至少85%，至少90%，至少95%，或至少99%的熔体压力。
[0039]在另一个实施例中，一旦填充了基本上整个模具腔体，就可增加熔体压力以填充并装填模具腔体的剩余部分。
[0040]保持基本上恒定的压力
[0041]在一个实施例中，向包含熔融热塑性材料24的射流施加液压以在熔体温度下将包含熔融热塑性材料24的射流注入模具腔体中。液压可例如通过使往复式螺杆22在图1中箭头A的方向上向喷嘴26平移来施加，以迫使包含熔融热塑性材料24的射流通过喷嘴26并进入模具腔体32中。然后在将包含熔融热塑性材料24的射流填充到模具腔体32中期间，通过以下方法使熔体压力保持基本上恒定:监测包含熔融热塑性材料23的射流在注入模具腔体32中时的熔体压力和包含熔融热塑性材料24的射流在填充模具腔体32期间的融体压力，以及调节在包含熔融热塑性材料的射流注入模具腔体期间向所述射流施加的液压。熔体压力可使用设置在注射点处(例如喷嘴26处)并且在模具腔体32中的压力换能器来监测。
[0042]控制器50与传感器52和螺杆控制件36以通信方式连接。控制器50可包括微处理器、存储器、以及一个或多个通信链接。控制器50可分别经由有线连接54，56而连接至传感器52和螺杆控制件36。在其它实施例中，控制器50可经由无线连接、机械连接、液压式连接、气动式连接、或本领域普通技术人员已知的将允许控制器50与传感器52和螺杆控制件36两者进行通信的任何其它类型的通信连接而连接至传感器52和螺杆控制件56。
[0043]在图1的实施例中，传感器52是测量(直接或间接地)喷嘴26中熔融热塑性材料24的熔体压力的压力传感器。传感器52产生传播到控制器50的电信号。然后控制器50命令螺杆控制件36以保持喷嘴26中熔融热塑性材料24的基本上恒定的熔体压力的速率来推进螺杆22。虽然传感器52可直接测量熔体压力，但是传感器52可测量熔融热塑性材料24的其它特性，诸如指示熔体压力的温度、粘度、流量等。同样,传感器52不需要直接位于喷嘴26中，而是传感器52可位于与喷嘴26流体连接的注射系统12或模具28内的任何位置处。传感器52不需要与注射流体直接接触，并可供选择地与流体动态连通，并能够感测流体压力和/或其它流体特性。如果传感器52不位于喷嘴26内，则可对所测量的特性施用适当的校正因子以计算喷嘴26中的熔体压力。在其它实施例中，传感器52不需要设置在与喷嘴流体连接的位置处。相反，传感器可测量由夹紧系统14在介于第一模具部件25与第二模具部件27之间的模具分模线处产生的夹紧力。在一个方面，控制器50可根据来自传感器52的输入而保持压力。
[0044]虽然图1示出了有源闭环控制器50，但是可使用其它压力调节装置代替所述闭环控制器50。例如，压力调节阀(未示出)或减压阀(未示出)可代替控制器50以调节熔融热塑性材料24的熔体压力。更具体地，压力调节阀和减压阀可防止模具28过压。防止模具28过压的另一种可供选择的机构为当检测到过压状态时启动警报。
[0045]因此在另一个实施例中，模塑设备可包括设置在注射点与模具腔体之间的减压阀。减压阀具有等于用于注射和填充模具腔体所期望的熔体压力的预定压力设定点。注射和填充模具腔体期间的熔体压力通过向包含熔融热塑性材料的射流施加压力以迫使包含所述熔融热塑性材料的所述射流在高于预定设定点的熔体压力下通过减压阀来保持基本上恒定。然后减压阀降低包含热塑性材料的射流在其通过减压阀并注入模具腔体中时的熔体压力。包含熔融热塑性材料的射流的降低的熔体压力对应于填充模具腔体的期望的熔体压力，并通过减压阀的预定设定点来保持基本上恒定。
[0046]在一个实施例中，熔体压力通过使包含热塑性材料的射流的一部分分流至减压阀的出口而降低。可将包含热塑性材料的射流的转移部分保持在熔融状态并可例如通过加热圆筒再掺入到注射系统中。
[0047]模具腔体
[0048]模塑设备包括具有至少一个模具腔体的模具。模具可包括任何适宜数量的模具腔体。本文所公开的方法的实施例有利地允许使用具有不对称取向的模具腔体和/或具有不同形状的模具腔体的模具。尽管模具腔体布置具有不对称性，但是使用所述方法的实施例的基本上恒定的低填充压力可允许在均衡的装填条件下填充各模具腔体。因此，尽管取向不对称，但是可在模具的各模具腔体中形成优质的注塑部件。不对称地布置模具的模具腔体的能力可有利地允许模具中的高模具腔体密度，由此允许由单个模具形成的注塑部件数增加，和/或允许模具的尺寸减小。
[0049]模具腔体压力
[0050]如本文所用，“模具腔体压力”是指在封闭的模具腔体中的压力。模具腔体压力可例如使用放置在模具腔体内部的压力换能器来测量。在所述方法的实施例中，在将包含熔融热塑性材料的射流注入模具腔体中之前，模具腔体压力不同于包含熔融热塑性材料的射流的预注射压力。例如，模具腔体压力可小于包含熔融热塑性材料的射流的预注射压力。在另一个实施例中，模具腔体压力可大于包含熔融热塑性材料的射流的预注射压力。例如，注射前的模具腔体压力可以至少10%、至少15%、至少20%、至少25%、至少30%、至少40%、或至少50%不同于(大于或小于)包含熔融热塑性材料的射流的预注射压力。在一个实施例中，模具腔体压力为至少15psi不同于(大于或小于)包含熔融热塑性材料的射流的预注射压力。参见图2和图4，在各种实施例中，注塑前的模具腔体压力可以为大气压。在其它实施例中，例如，如图3所示，模具腔体压力可具有大于大气压的压力。在另一个实施例中，在注射前可使模具腔体保持在真空下。
[0051]在各种实施例中，可在用包含熔融热塑性材料的射流填充基本上整个模具腔体期间，使模具腔体压力保持基本上恒定。如本文所用，相对于热塑性材料的熔体压力的术语“基本上恒定的压力”，是指与基线熔体压力的偏差不产生热塑性材料物理特性方面的有意义的变化。例如，“基本上恒定的压力”包括但不限于熔融热塑性材料的粘度不为此发生有意义变化的压力变化。在这方面，术语“基本上恒定”包括与基线熔体压力至多大约30%的偏差。例如，术语“大约4600psi的基本上恒定的压力”包括在约6000psi(30%高于4600psi)至约3200psi (30%低于4600psi)范围内的压力波动。熔体压力被视为基本上恒定的，只要熔体压力波动不超过所列举压力的30%。
[0052]例如，基本上恒定的压力可从熔体压力波动(或作为增加或作为降低)约0%至约30%，约2%至约25%，约4%至约20%，约6%至约15%，以及约8%至约10%。其它适宜的波动量包括约 0%、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%、22%、24%、26%、28%、和 30%。参见图2，例如，可在用包含熔融热塑性材料的射流填充基本上整个模具腔体期间，使模具腔体压力保持在基本上恒定的大气压下。参见图3，例如，可使模具腔体压力在大于大气压(等于模具腔体的预注射压力)的压力下保持基本上恒定。在另一个实施例中，可使模具腔体压力保持在大于模具腔体的预注射压力的基本上恒定的压力下。例如，适用于填充模具腔体的模具腔体压力包括，例如约50psi至约500psi。
[0053]模具腔体可包括，例如用于使模具腔体压力保持基本上恒定的一个或多个通风口。可控制通风口打开或关闭以保持基本上恒定的模具腔体压力。
[0054]在一个实施例中，可在用包含熔融热塑性材料的射流填充基本上整个模具腔体期间，在模具腔体中保持真空。在注射期间在模具腔体中保持真空可有利地减少填充腔体所需的熔体压力量，因为填充期间没有强制从模具腔体中挤出的空气。缺少空气对流动的阻力并增加熔体压力和填充压力端部之间的压降还可获得包含熔融热塑性材料的射流的更大的流动长度。
[0055]参见图5，在另一个实施例中，模具腔体压力可在用包含熔融热塑性材料的射流填充基本上整个模具腔体期间增加。例如，模具腔体压力可随填充期间模具腔体的置换体积而按比例增加。模具腔体压力的增加可例如在基本上恒定的速率下发生。所述模具腔体可包括用于使增加的模具压力保持在低于预定设定点的通风口。预定的设定点可以为，例如约包含熔融热塑性材料的射流的熔体压力。预定的设定点还可以为，例如高于所述压力就可能损坏模具腔体或不利地影响注塑部件质量的压力。[0056]一旦用包含熔融热塑性材料的射流完全填充模具腔体并且材料已冷却，如果需要，就可将模具腔体压力排气至大气压并且可打开模具以使注塑部件脱模。
[0057]模具腔体温度
[0058]在所述方法的实施例中，在用包含熔融热塑性材料的射流注射并填充模具腔体之前，可使模具腔体保持在室温或冷却。虽然在与熔融热塑性材料接触时，模具腔体表面的温度可增加，但是与接触包含热塑性材料的射流接触的模具腔体的最直接表面隔开至少2mm、至少3mm、至少4mm、至少5mm、至少6mm、至少7mm、至少8mm、至少9mm、或至少IOmm的模具腔体的内部部分被保持在较低温度下。通常，该温度小于热塑性材料的不流动温度。如本文所用，“不流动温度”是指在所述温度下热塑性材料的粘度太高而不能使其有效流动的温度。在各种实施例中，可使模具的内部部分保持在小于100°c的温度下。例如，可使内部部分保持在约10°c至约99 V，约20 V至约80 V，约30 V至约70 V，约40 V至约60°C，以及约20°C至约50°C的温度下。其它适宜的温度包括，约10°C、15°C、20°C、25°C、30°C、35°C、40°C、45°C、50°C、55°C、60°C、65°C、70°C、75°C、80°C、90°C、95°C、或99°C。在一个实施例中，使内部部分保持在小于50°C的温度下。
[0059]迄今为止，当在低恒定压力下填充时，填充速率相对于常规的填充方法降低。这是指在模具完全填充之前，聚合物将与冷的模塑表面接触较长时间。因此，在填充前需要除去更多热，并且这将被预期会导致在模具填充之前材料冻结。已经出人意料地发现，当经历基本上恒定的低压条件时，尽管模具腔体的一部分低于热塑性材料的不流动温度，但是热塑性材料将流动。本领域的普通技术人员一般将预期此类条件将造成热塑性材料冻结并堵塞模具腔体，而不是继续流动并填充整个模具腔体。不旨在受理论的束缚，据信，本文所公开方法的实施例的基本上恒定的低压条件允许填充期间整个模具腔体中的动态流动条件(即不断运动熔体前沿)。在其流动以填充模具腔体时熔融热塑性材料的流动没有停顿，因此尽管至少模具腔体的至少一部分低于热塑性材料的不流动温度，但是流体没有冻结的机会。另外，据信由于动态流动条件，尽管经历模具腔体中的这种温度，但是由于剪切加热，所以熔融热塑性材料能够保持高于不流动温度的温度。还据信在开始冻结过程时，动态流动条件干扰热塑性材料中晶体结构的形成。晶体结构形成增加了热塑性材料的粘度，这可阻止填充腔体的适宜流动。晶体结构形成和/或晶体结构尺寸的减小可允许在热塑性材料流入腔体中并经受低于材料的不流动温度的模具的低温时，所述热塑性材料粘度减小。
[0060]在各种实施例中，模具可包括使整个模具腔体保持在低于不流动温度的温度下的冷却系统。例如，甚至可使接触包含熔融热塑性材料的射流的模具腔体表面冷却以保持较低温度。可使用任何适宜的冷却温度。例如，可使模具基本上保持在室温下。结合此类冷却系统可有利地提高冷却形成注塑部件的速度并易于从模具中弹出。
[0061]热塑性材料
[0062]在公开的基本上恒定的低压注塑方法中可使用多种热塑性材料。在一个实施例中，熔融热塑性材料具有粘度，所述粘度如由在约230°C的温度和2.16kg的重量下进行的ASTM D1238所测量的、约0.lg/10min至约500g/10min的熔体流动指数来定义。例如，对于聚丙烯而言，熔体流动指数可在约0.5g/10min至约200g/10min的范围内。其它适宜的熔体流动指数包括约lg/10min至约400g/10min,约10g/10min至约300g/10min,约20至约200g/10min,约 30g/10min 至约 100g/10min,约 50g/10min 至约 75g/10min,约 0.lg/10min至约lg/10min,或约lg/10min至约25g/10min。基于模塑制品的应用和用途来选择材料的MFI。例如，MFI为0.lg/10min至约5g/10min的热塑性材料可适用于注拉吹塑(ISBM)用预成型件。MFI为5g/10min至约50g/10min的热塑性材料可适用于包装制品用盖和塞。MFI为50g/10min至约150g/10min的热塑性材料可适用于制造桶或盆。MFI为150g/10min至约500g/10min的热塑性材料可适用于具有极高L/T比率的模塑制品，诸如薄板。此类热塑性材料的制造一般教导了材料应该使用超过6000psi，并常常大大超过6000psi的熔体压力来注塑。与关于此类热塑性材料的注塑的常规教导内容相反，本公开的较低、恒定注塑法的实施例有利地允许使用此类热塑性材料形成优质注塑部件并在低于6000psi，并且可能远低于6000psi的熔体压力下加工。
[0063]所述热塑性材料可以例如为聚烯烃。示例性聚烯烃包括但不限于聚丙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯、以及聚丁烯-1。前述聚烯烃的任一种均可来源于生物基给料，诸如甘蔗或其它农产品，以制备生物-聚丙烯或生物-聚乙烯。在熔融状态时，聚烯烃有利地展示剪切致稀。剪切致稀是流体在置于压缩应力下时粘度降低。剪切致稀可有益地允许使热塑性材料在整个注塑过程中保持流动。不旨在受理论束缚，据信热塑性材料，具体地聚烯烃的剪切致稀性能，导致材料在低压下加工时，材料粘度的较少变化。因此，本公开的方法的实施例可对热塑性材料的变化较不敏感，所述变化例如由于着色剂或其它添加剂以及加工条件。这种对热塑性材料特性的批次间变化的敏感度降低还可有利地允许使用本公开的方法的实施例加工工业后和消费后再循环塑料。工业后和消费后可再循环的塑料来源于已结束其寿命和换句话讲将作为固体废品丢弃的最终产品。此类可再循环的塑料，以及热塑性材料的共混物本身具有其材料特性的显著的批次间变化。
[0064]热塑性材料还可以为例如聚酯。示例性聚酯包括但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。PET聚合物可来源于生物基给料，诸如甘蔗或其它农产物，以制备部分或完全的生物-PET聚合物。其它适宜的热塑性材料包括聚丙烯和聚乙烯的共聚物、热塑性弹性体的聚合物和共聚物、聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚(乳酸)、生物基聚酯诸如聚(呋喃甲酸乙烯酯)多羟基链烷酸酯、聚(乙烯呋喃酯)、(被认为是对PET的替代或简易替换)、多羟基链烷酸酯、聚酰胺、聚缩醛、乙烯-α -烯烃橡胶、以及苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。热塑性材料还可以为多重聚合物和非聚合的材料的共混物。热塑性材料可以为，例如产生多模态或双模态共混物的高、中、以及低分子量聚合物的共混物。多模态材料可按获得具有优异的流动性能，还具有令人满意的化学/物理性能的热塑性材料的方式设计。热塑性材料还可以为聚合物与一种或多种小分子添加剂的共混物。小分子可以为例如硅氧烷或当加入热塑性材料中时，改善聚合物材料的流动性的其它润滑分子。
[0065]其它添加剂可包括无机填料诸如碳酸钙、硫酸钙、滑石、粘土 (例如纳米粘土)、氢氧化铝、CaSiO3、形成纤维或微球的玻璃、结晶二氧化硅(例如，石英、novacite、crystallobite)、氢氧化镁、云母、硫酸钠、锌钡白、碳酸镁、氧化铁；或有机填料诸如稻壳、秸杆、大麻纤维、木粉、或木纤维、竹纤维或甘蔗纤维。
[0066]其它适宜的热塑性材料包括可再生的聚合物如直接由生物体产生的聚合物的非限制性例子，诸如多羟基链烷酸酯(例如，聚(β -羟基链烷酸酯)、聚(3-羟基丁酸酯-共聚-3-羟基戊酸酯，NODAX (注册商标))，以及细菌纤维素；从植物、农作物和林木、以及生物质中提取的聚合物，如多糖及其衍生物(例如树胶、纤维素、纤维素酯、甲壳质、脱乙酰壳多糖、淀粉、化学改性的淀粉、乙酸纤维素的颗粒)、蛋白质(例如玉米素、乳清、谷蛋白、胶原)、脂质、木质素和天然橡胶；由淀粉和化学淀粉制备的热塑性淀粉、以及衍生自天然来源的单体的现有聚合物以及衍生物，诸如生物聚乙烯、生物聚丙烯、聚对苯二甲酸亚丙基酯、聚乳酸、NYL0N11、醇酸树脂、基于琥珀酸的树脂、以及生物聚对苯二甲酸乙二醇酯。
[0067]适宜的热塑性材料可包括如上所列例子中的不同热塑性材料的共混物或多种共混物。不同材料也可以为来源于天然生物衍生或石油衍生材料的材料、或生物衍生或石油衍生材料的可再循环材料的组合。共混物中热塑性材料的一种或多种可以为能够生物降解的。并且对于非共混的热塑性材料而言，材料可以为能够生物降解的。
[0068]示例性热塑性树脂连同其推荐的工作压力在以下图表中提供:
[0069]材朴全名m范围公司σ
(PSI)材料商 品名
PP聚丙烯IUOUO- 15000 RTP Imaginccring RTP 100 系
PlaSUCS列聚丙晞
尼屯10000 - 18000 RTP l^aginccrinS RTP 200 系


Plasticsτ., ? ,,


列尼龙
A 。丙晞腈丁二烯
ABS^8000 20000Marplcx




Astalac ABS
PET聚酷5SU0 - 14500 Asia International
乙缩醛共聚物7000- 17000API Kolon,




Kocctal
PC聚碳酸酯10000 - 15000 RlP^iagmcering RTP 300 系
P,aSUCS列聚碳酸酯
PS聚笨乙烯10000 -15000 RTP Imagmccring rTP 400系




Plastics





歹J
SAN笨乙烯丙烯腈 10000 -15000 R TΡ l^iaSmccrmS RTl) 500 系


Plasticsτ.,


列
PELDPE & HDPE 10000 - 15000 RTP lniaSmccnnS R fP 700 系


Plastics列
TPE热塑性弹性体 10000 -15000 RTP Imaginccrmg RTP 丨 500 系


Plastics,.,


列
PVDF聚偏二氟乙烯 10000- 15000 RTPI^iagmcermg RTP 3300 系




Plastics


列
ττττ聚对家二曱酸I cnnn RTP Imaiiinccrinii^
PTI^ v,.f10000 ~ 1^000ηι 'RTP 4700 糸:正丙基酯Plastics


列
PBT:对?:曱敗 10000 - 15000 R1P l^iaSmccrmS RTPiOiM
丁二呼酯Plasticsd


列
PLA聚乳酸8000- 15000 RTP Imaginccrmg RTP 2099 系


Plastics,,


列
[0070]虽然多于一个实施例涉及用包含熔熔融热塑性材料的射流填充基本上整个模具 腔体，同时使包含所述熔融热塑性材料的所述射流的熔体压力保持在小于eooopsi的基本 上恒定的压力下，但是具体的热塑性材料在不同的恒定压力下从本发明中获得有益效果。 具体地讲:PP、尼龙、PC、PS、SAN、PE、TPE、PVDF、PT1、PBTjP PLA 在小于 1000Opsi 的基本上恒定的压力下；ABS在小于8000psi的基本上恒定的压力下；PET在小于5800psi的基本上恒定的压力下；乙缩醛共聚物在小于7000psi的基本上恒定的压力下；加上聚(呋喃甲酸乙烯酯)多羟基链烷酸酯、聚呋喃乙烯酯(aka PEF)在小于lOOOOps1、或8000ps1、或7000psi或6000ps1、或5800psi的基本上恒定的压力下。
[0071]如上文详细描述，本发明所公开的基本上恒定的低压法的实施例可实现超过常规高压注塑法、现有技术的高恒压注塑法、以及现有技术的低压注塑法的一个或多个优点。例如，实施例包括消除平衡模具腔体和热塑性材料的预注射压力的需要的更高性价比和有效的方法，允许使用大气模具腔体压力，从而允许使用消除加压装置的必要性的简化的模具结构的方法，使用更高性价比和更易机器加工的较低硬度、高热导率的模具腔体材料的能力，对温度、粘度、以及热塑性材料的其它材料特性较不敏感的更稳健的加工方法，以及在低压下制备优质注塑部件而没有热塑性材料在模具腔体中的过早硬化，并且不需要加热或保持模具腔体中的恒定温度的能力。
[0072]在一个例子中，使用低于6000PSI的注射压力的低恒定压力法模塑样品部件。
[0073]使用常用实验室切片机从注塑部件中分离样品。从每个注塑部件中获取至少四个样品。然后制备样品的横截面以暴露每个样品的组成层(外皮、芯等)。
[0074]同步测量在德国电子同步加速器研究所(Deutsches Elektronen Synchrotron(DESY)) beamline G3中在DORIS III下用全套MAXM检测器进行，即第一次测量用点平均闪烁计数装置进行以获得样品衍射的概况。然后用ΜΑΠΜ的位置敏感照相机(2D检测器Hamamatsu4880，在其CXD传感器的前面具有多通道板[MCP])采集空间分辨衍射图像。
[0075]同步测量揭示了使用低恒定压力法模塑的具有一定厚度的注塑部件示出取向的聚丙烯微晶在部件的芯中的独特且明显的额外带或区域(参见下图中的红色箭头)。这种取向材料的额外区域可见于使用钢或铝模具模塑的部件。当与使用低恒定压力法模塑的部件相比时，使用常规的、较高压力法模塑的部件通常具有减少的取向带数。
[0076]使用低恒定压力法模塑的部件可具有较小的模塑在内的应力。在常规方法中，控速填充法与对压力控制的较高传送或切换结合可导致具有高水平的不可取模塑在内应力的部件。如果将常规方法中的填充压力设定太高，则部件常常将具有过填充的浇口区域。所述模塑在内应力可通过将部件放置在交叉偏正光表上来目视评估。可将模塑部件中观察到的双折射用于观察模塑在内应力的不同。通常这作为部件中应力线的图案而观察到。较大的线数和/或应力线的不均匀性通常是不可取的。
[0077]注意本文可使用术语“基本上”、“约”和“大约”来表示可属于任何定量比较、值、量度或其它表示的不确定性的内在程度。本文也使用这些术语来表示定量表示可不同于所述参考值而不造成在讨论中受试主体的基本功能有变化的程度。除非本文另有定义，术语“基本上”、“约”、“大约”是指定量比较、值、量度或其它表示可在所述基准的5%范围内。
[0078]现在应当显而易见的是，本文所举例说明和所描述的产品的各种实施例均可通过基本上恒定的低压模塑法来生产。尽管本文具体地提到了包含消费品的产品或消费品产品自身，但应当显而易见的是，本文所述的模塑方法可适于结合用于以下行业中的产品来使用:消费品行业、食品服务行业、运输行业、医疗行业、玩具行业等。此外，本领域技术人员将认识到本文所公开的教导内容可用于构造叠堆模具、包括旋转模具和芯后模具的多重材料模具、与模内装饰的组合、嵌入件注塑、模具组件等。[0079]在本发明的【具体实施方式】中引用的所有文件都在相关部分中以引用方式并入本文中。任何文件的引用不可解释为对其作为本发明的现有技术的认可。如果此书面文件中术语的任何含义或定义与以引用方式并入的文件中所述术语的任何含义或定义相抵触，则以此书面文件中赋予所述术语的含义或定义为准。
[0080]尽管本文举例说明和描述了特定实施例，但应当理解，在不脱离受权利要求书保护的主题的实质和范围的情况下，可作出各种其它改变和变型。此外，虽然本文描述了受权利要求书保护的主题的各个方面，但这些方面无需以组合方式来利用。因此有意地在所附权利要求中涵盖了在受权利要求书保护的主题范围内的所有此类改变和变型。
【权利要求】
1.一种方法，包括: (a)用包含熔融热塑性材料的射流填充模塑设备的模具腔体，包含所述熔融热塑性材料的所述射流在注入所述模具腔体中时具有超过包含所述熔融热塑性材料的所述射流的预注射压力的熔体压力；以及， (b)在用包含所述熔融热塑性材料的所述射流填充基本上整个模具腔体的同时，使所述熔体压力在小于6000psi下保持基本上恒定， 其中: 所述热塑性材料具有约0.lg/10min至约500g/10min的熔体流动指数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述热塑性材料为聚丙烯。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述热塑性材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述热塑性材料为聚烯烃。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述热塑性材料包括可再循环的塑料。
6.根据权利要求1所述的方法，其中使所述熔体压力保持在约1000psi至小于6000psi的范围内的基本上恒定的压力下。
7.根据权利要求1所述的方法，其中使所述熔体压力保持在约3000psi至小于6000psi的范围内的基本上恒定的压力下。
8.根据权利要求1所述的方法，其中当保持在所述基本上恒定的压力下时，所述熔体压力在0%至30%的范围内变化。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述模塑设备包括与所述模具腔体流体连通的加热流道，其中使包含所述熔融热塑性材料的所述射流的熔体压力保持恒定，同时将包含所述熔融热塑性材料的所述射流从注射点传送穿过所述加热流道。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述模塑设备包括两个或更多个模具腔体，并且所述加热流道与所述两个或更多个模具腔体流体连通，以将包含所述熔融热塑性材料的所述射流从所述注射点传送到所述两个或更多个模具腔体。
11.根据权利要求1所述的方法，其中当所述模具腔体被填充至少约70%时，使包含熔融热塑性材料的所述射流的熔体压力降低至填充压力，所述填充压力为所述熔体压力的至少 50%ο
12.根据权利要求1所述的方法，其中将包含所述熔融热塑性材料的所述射流注入或填充到所述模具腔体中包括向包含所述熔融热塑性材料的所述射流施加液压，并且其中保持所述恒定的熔体压力包括监测包含所述熔融热塑性材料的所述射流在注入所述模具腔体中时的熔体压力以及包含所述熔融热塑性材料的所述射流在填充所述模具腔体期间的熔体压力，以及调节在包含所述熔融热塑性材料的所述射流注入所述模具腔体期间施加于所述射流的液压。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述模塑设备包括设置在注射点与所述模具腔体之间的减压阀，所述减压阀具有在所述基本上恒定的熔体压力下的预定设定点，并且保持所述基本上恒定的熔体压力包括在高于所述预定设定点的熔体压力下通过所述减压阀注入包含熔融热塑性材料的所述射流，所述减压阀在包含热塑性材料的所述射流通过所述减压阀并注入所述模具腔体 中时，降低所述射流的熔体压力。
14.根据权利要求13所述的方法，其中降低所述熔体压力包括使包含熔融热塑性材料的所述射流的一部分转移穿过所述减压阀的出口。
15.根据权利要求14所述的方法，其中使包含熔融热塑性材料的所述射流的转移部分保持在熔融状态并且返回所述模塑设备。`
【文档编号】B29C45/77GK103561934SQ201280024288
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2012年5月21日 优先权日:2011年5月20日
【发明者】G·M·艾尔托宁, C·J·小伯格, R·E·纽法斯, G·F·西勒, J·M·雷曼, R·沙伦贝格 申请人:宝洁公司