通過(guò)發(fā)泡注塑制造模制品的方法、由發(fā)泡的熱塑性塑料制成的模制品及其用圖
【專利說(shuō)明】通過(guò)發(fā)泡注塑制造模制品的方法、由發(fā)泡的熱塑性塑料制成 的模制品及其用途
[0001] 本發(fā)明涉及通過(guò)發(fā)泡注塑制造模制品的方法，其中通過(guò)熱塑性塑料的熔融提供塑 料熔體，其中向該塑料熔體中裝載發(fā)泡劑，且其中將載有發(fā)泡劑的塑料熔體在壓力下注入 模具腔室以使塑料熔體填滿在行經(jīng)腔室的熔體前沿后方的腔室。本發(fā)明還涉及由發(fā)泡的熱 塑性塑料制成的模制品，其特別通過(guò)發(fā)泡注塑制成，優(yōu)選可通過(guò)上述方法制成。本發(fā)明還涉 及這種模制品的用途。
[0002] 注塑法(發(fā)泡注塑）或擠出法(發(fā)泡擠出）中的熱塑性塑料體系的發(fā)泡是已有幾十 年歷史的現(xiàn)有技術(shù)。在此主要區(qū)分化學(xué)和物理發(fā)泡法。在化學(xué)發(fā)泡的過(guò)程中，將特定劑量的 合適發(fā)泡劑添加到丸粒形式的熱塑性塑料中，并借助注塑或擠出法過(guò)程中的高溫發(fā)生反應(yīng) 并釋放使熱塑性塑料發(fā)泡的氣體。
[0003] 在主要用于注射工藝的物理發(fā)泡的情況下，有各種計(jì)量加入發(fā)泡劑的工業(yè)方法。 常見(jiàn)方法的一個(gè)實(shí)例在于在用于傳送塑料熔體的螺桿附近向液態(tài)塑料熔體中引入超臨界 狀態(tài)的氣體，如氮?dú)饣蚨趸肌＝柚鷮ｉT(mén)設(shè)計(jì)的螺桿幾何，在該熱塑性塑料的注射前在高 壓下實(shí)現(xiàn)充分混合，以使氣體在塑料熔體中非常均勻地分布(超臨界溶液）。當(dāng)塑料熔體從 螺桿送入腔室時(shí)，在該塑料熔體中發(fā)生顯著壓降，因此將超臨界氣體轉(zhuǎn)化成亞臨界狀態(tài)并 可膨脹形成微小氣泡，并由此使該熱塑性塑料發(fā)泡。由此制成的模制品含有具有由這些微 小氣泡帶來(lái)的微孔結(jié)構(gòu)的芯。
[0004] 發(fā)泡的熱塑性塑料的性質(zhì)大多明顯不同于緊密的注塑或擠出熱塑性塑料的性質(zhì)。 使用發(fā)泡工藝的常見(jiàn)原因在于，可以在其體積保持相同的同時(shí)降低模制品的重量。還可以 顯著改進(jìn)基于重量的特定機(jī)械性質(zhì)，特別例如抗彎剛度和抗扭剛度。
[0005] 發(fā)泡的熱塑性塑料的另一優(yōu)點(diǎn)在于載有發(fā)泡劑的塑料熔體在模具腔室中發(fā)泡的 過(guò)程中具有純塑料熔體低的粘度。由此特別可以實(shí)現(xiàn)具有又長(zhǎng)又窄的流徑的模制品的更好 填充。
[0006] 發(fā)泡的熱塑性塑料不僅具有所提到的機(jī)械和流變優(yōu)點(diǎn)，還具有極好的隔絕性質(zhì)。 通過(guò)與非發(fā)泡的塑料相比的額外減重，因此也可以在構(gòu)造上有利地制造具有高壁厚度和極 好隔絕性質(zhì)的模制品。
[0007]發(fā)泡工藝，特別是發(fā)泡注塑的一個(gè)主要缺點(diǎn)在于，由這些工藝制成的模制品具有 非常不均勻和粗糙的表面。模制品的不均勻表面由在發(fā)泡工藝的過(guò)程中可能出現(xiàn)的非常多 樣的表面缺陷造成。這些缺陷取決于非常多的因素，并在現(xiàn)有技術(shù)中難以預(yù)知。例如，加工 參數(shù)，如注射速度、模具溫度、氣體填充等具有強(qiáng)烈影響;但是，模制品本身的幾何，例如模 制品的厚度、斷裂處(Ausbruch)或接片(Steg)、壁厚度、裂縫等也會(huì)對(duì)表面缺陷產(chǎn)生巨大影 響。
[0008]為了遮蓋模制品上的表面缺陷以改善它們的光學(xué)外觀，在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)作出各 種嘗試并具有各種成功。在發(fā)泡擠出的情況下，可以例如使用非發(fā)泡的共擠層，其遮蓋發(fā)泡 芯的缺陷。在發(fā)泡注塑的情況下，可以例如在模具腔室內(nèi)使用反壓，其防止在熔體前沿從載 有發(fā)泡劑的塑料熔體中釋出氣體，以致可形成封閉的覆蓋層。還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，模具壁的高溫對(duì) 所得模制品的表面品質(zhì)具有有利影響。在簡(jiǎn)單模制品幾何的情況下，還常將薄膜插入模具 腔室，然后用發(fā)泡的熱塑性塑料進(jìn)行后注塑，并遮蓋發(fā)泡的表面。但是，遮蓋表面缺陷的這 些方法在一些情況下非常復(fù)雜并有時(shí)僅部分成功，或影響模制品表面的性質(zhì)。
[0009] 在現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)通過(guò)發(fā)泡注塑法制成的模制品的需求量原則上很大，因?yàn)樵摬牧?具有上述有利性質(zhì)。但是，這些模制品應(yīng)同時(shí)具有光學(xué)上有吸引力的表面，并且盡可能不對(duì) 制造工藝作出復(fù)雜修改。
[0010] 由上述現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供通過(guò)發(fā)泡注塑制造模制品的方 法，以及提供通過(guò)發(fā)泡注塑制成的模制品，用其可實(shí)現(xiàn)該模制品的光學(xué)上有吸引力的表面， 特別是避免上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明，在通過(guò)發(fā)泡注塑制造模制品的方法中，其中通過(guò)熱塑性塑料的熔融 提供塑料熔體，其中向所述塑料熔體中裝載發(fā)泡劑，且其中將載有發(fā)泡劑的塑料熔體在壓 力下注入模具腔室以使塑料熔體填滿在行經(jīng)腔室的熔體前沿后方的腔室，至少部分地通過(guò) 以下方式實(shí)現(xiàn)此目的：調(diào)節(jié)將塑料熔體注入模具腔室的注射速度以使至少在注射程序過(guò)程 中的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，在熔體前沿面后的時(shí)間間隔最多0.15秒的區(qū)域中，塑料熔體在腔室中的 內(nèi)壓大于發(fā)泡劑的臨界壓力。
[0012] 在發(fā)泡注塑中，將載有發(fā)泡劑的塑料熔體在壓力下注入模具腔室。為此，該模具具 有至少一個(gè)注射孔，在其上連接用于經(jīng)模具注射孔注入塑料熔體的注射裝置。模具腔室包 含相當(dāng)于要制造的模制品的負(fù)形的模制品區(qū)以及通常至少一個(gè)將所述至少一個(gè)注射孔連 向模制品區(qū)的進(jìn)料道。如果存在多個(gè)注射孔，可相應(yīng)地存在多個(gè)進(jìn)料道。進(jìn)料道也可設(shè)計(jì)成 分配通道，其將所述至少一個(gè)注射孔連向模制品區(qū)的多個(gè)位置。術(shù)語(yǔ)澆口用于描述在注射 后已凝固在進(jìn)料道中并連接到實(shí)際模制品上的塑料熔體。在進(jìn)一步使用該模制品前，通常 例如通過(guò)鋸切、折斷、切割等除去這種澆口，以獲得具有所需形狀的實(shí)際模制品。術(shù)語(yǔ)澆口 痕(Angus spunkt)用于描述從饒口到實(shí)際模制品的過(guò)渡。
[0013] 將塑料熔體注入模具腔室的注射速度在此是指將塑料熔體輸送到模具注射孔的 速度。例如，可以使用螺桿輸送機(jī)將塑料熔體輸送到模具注射孔。螺桿輸送機(jī)的螺桿可以首 先將填充腔室所需的量的塑料熔體輸送到螺桿前的腔室中。在注射過(guò)程中，該螺桿可隨后 平移向前移動(dòng)，以使其以活塞方式將塑料熔體經(jīng)注射孔壓入腔室。注射速度在此相當(dāng)于螺 桿向前移動(dòng)的速度。
[0014] 由于在螺桿的特定平移速度下輸送到注射孔的塑料熔體量還依賴于各螺桿輸送 機(jī)的橫截面，在上述方法中設(shè)定的注射速度是設(shè)備依賴性的。對(duì)特定模具應(yīng)設(shè)定的注射速 度因此不僅可取決于模具的幾何，還可取決于將塑料熔體輸送到模具注射孔的機(jī)器的幾 何。因此在每種情況下可以確定對(duì)預(yù)定模具、預(yù)定塑料熔體和用于將塑料熔體輸送到注射 孔的預(yù)定機(jī)器應(yīng)設(shè)定的注射速度。
[0015] 塑料熔體的內(nèi)壓是指塑料熔體內(nèi)的位置依賴性的局部動(dòng)態(tài)背壓（Staudruck)。在 注射程序的過(guò)程中，在塑料熔體中出現(xiàn)取決于注射速度的壓力分布，其中塑料熔體的內(nèi)壓 從用于引入塑料熔體的腔室注射孔至熔體前沿降低。塑料熔體在熔體前沿處的內(nèi)壓由于該 模具的剩余未填充腔室中的氣體的可能的反壓產(chǎn)生，因此通常相對(duì)小，特別接近〇巴或環(huán)境 壓力/大氣壓。
[0016]恪體前沿面在此優(yōu)選是指恪體前沿的連貫面(211831111116111^叫611(1)，例如在腔室的 特定子區(qū)域中向前移動(dòng)的熔體前沿面。在這一熔體前沿面后的時(shí)間間隔最多0.15秒的區(qū)域 是指塑料熔體內(nèi)的在給定時(shí)間點(diǎn)位于某一位置的區(qū)域:該位置在腔室內(nèi)并且相應(yīng)的熔體前 沿面在這一時(shí)間點(diǎn)前最多0.15秒時(shí)存在于該位置。換言之，這一區(qū)域與相應(yīng)熔體前沿面的 空間間隔相當(dāng)于該熔體前沿面在最多0.15秒內(nèi)行進(jìn)的距離。如果例如相關(guān)的熔體前沿面以 100 mm/s的恒速移過(guò)腔室，容許相關(guān)區(qū)域與恪體前沿之間的距離為最多（100 mm/s) · (0.15 s) = 15 mm。如果熔體前沿面的速度更大，因此容許相應(yīng)區(qū)域與熔體前沿面的空間 間隔大于熔體前沿面的速度較小時(shí)的空間間隔。
[0017] 發(fā)泡劑的臨界壓力是指在該壓力以上，發(fā)泡劑處于與塑料熔體的超臨界溶液中。 在臨界壓力以上的壓力下，發(fā)泡劑沒(méi)有表現(xiàn)出氣相和液相之間的一級(jí)相變，而是僅表現(xiàn)出 更高級(jí)的，通常二級(jí)相變。臨界壓力取決于所用發(fā)泡劑，并例如對(duì)氮?dú)舛詾?3.9巴，對(duì)二 氧化碳而言為73.8巴。
[0018] 塑料熔體和發(fā)泡劑在此區(qū)域中的溫度也特別在發(fā)泡劑的臨界溫度以上。臨界溫度 例如對(duì)氮?dú)舛詾?146.95°C，對(duì)二氧化碳而言為31.0°C，因此在任何情況下都被發(fā)泡注塑 中常見(jiàn)的工藝溫度超過(guò)。
[0019] 對(duì)本發(fā)明而言，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用上述方法可通過(guò)發(fā)泡注塑制造模制品，其表面具有 光學(xué)上有吸引力的外觀?？赏ㄟ^(guò)這種方法制成的模制品具有令人想起冰面(冰外觀)的光學(xué) 結(jié)構(gòu)化表面。
[0020] 現(xiàn)有技術(shù)中迄今已知的方法大體上試圖避免模制品表面的光學(xué)結(jié)構(gòu)化，例如通過(guò) 遮蓋表面缺陷，而本發(fā)明基于如下發(fā)現(xiàn)，即可以有針對(duì)性地利用表面結(jié)構(gòu)化以由此獲得光 學(xué)上有吸引力的模制品表面。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用上述方法，特別是所述注射速度的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)仿 造冰面結(jié)構(gòu)的模制品的光學(xué)表面結(jié)構(gòu)化。不同于通過(guò)之前的方法制成的光學(xué)均勻的模制品 表面，可通過(guò)該方法制成的模制品因此具有有吸引力的光學(xué)結(jié)構(gòu)化模制品表面。
[0021] 在使用各種材料、模制品形狀和模制品厚度的實(shí)驗(yàn)中，已發(fā)現(xiàn)注射速度的所述調(diào) 節(jié)適用極廣，以使通過(guò)上述方法因此可制造具有相應(yīng)光學(xué)外觀的多種多樣的模制品。
[0022] 該方法經(jīng)由熱塑性塑料的熔融提供塑料熔體。為此，可以例如提供單獨(dú)的熔融爐， 或用于輸送熱塑性塑料或塑料熔體的螺桿輸送機(jī)例如擠出機(jī)的加熱的熔融區(qū)。該熱塑性塑 料可以例如以丸粒形式引入熔融爐或引入熔融區(qū)，并在此加熱到該熱塑性塑料的熔點(diǎn)以上 的溫度。
[0023] 該方法向塑料熔體中裝載發(fā)泡劑。這是指將發(fā)泡劑引入塑料熔體中并在模具腔室 中引起塑料熔體的發(fā)泡。該發(fā)泡劑可以直接以氣體形式通過(guò)物理方式引入塑料熔體。一種 可能的可選方案是將發(fā)泡劑原材料引入塑料或引入塑料熔體(例如以丸?；蚍勰┬问剑?，并 例如在熱作用下優(yōu)選隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程形成實(shí)際的氣體發(fā)泡劑。
[0024]該方法將載有發(fā)泡劑的塑料熔體在壓力下注入模具腔室，以使塑料熔體填滿在行 經(jīng)腔室的熔體前沿后方的腔室。在這一方法步驟開(kāi)始時(shí)，腔室最初是空的或充有氣體。然后 將塑料熔體經(jīng)孔注入模具腔室，并特別在外部施加壓力下，從而將塑料熔體壓入腔室并逐 漸分布在腔室內(nèi)。熔體前沿是指移過(guò)腔室的塑料熔體的前邊界面。
[0025] 一旦注射程序結(jié)束且發(fā)泡的熱塑性塑料固化，可以從模具中取出模制品。在所述 至少一個(gè)進(jìn)料道的區(qū)域中，該模制品隨后具有由凝固在進(jìn)料道中的塑料熔體制成并可在進(jìn) 一步使用該模制品前除去的澆口。
[0026] 在該方法中，調(diào)節(jié)將塑料熔體注入模具腔室的注射速度，以使至少在注射程序過(guò) 程中的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，在熔體前沿面后的時(shí)間間隔最多0.15秒的區(qū)域中，塑料熔體在腔室中 的內(nèi)壓大于發(fā)泡劑的臨界壓力。
[0027] 在現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)泡注塑法中，塑料熔體內(nèi)的壓力從注射孔開(kāi)始相對(duì)快速下降，因 此發(fā)泡劑在到達(dá)熔體前沿前就轉(zhuǎn)化成亞臨界狀態(tài)。因此在距熔體前沿相對(duì)大的距離處開(kāi)始 從塑料熔體中釋出氣體，由此在熔體前沿附近產(chǎn)生塑料熔體的基本層狀流動(dòng)。這造成該表 面的層狀和更可能均勻或有條紋狀外觀。
[0028] 當(dāng)滿足注射速度的上述標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，使發(fā)泡劑在塑料