專利名稱：用于高速生產(chǎn)需保持優(yōu)異物理及機(jī)械特性的制品的壓縮模塑方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半結(jié)晶聚合物制品的制造。
背景技術(shù)：
這些聚合物的特征在于它們處于熔融狀態(tài)時(shí)是完全無(wú)定形的，但在冷卻時(shí)卻結(jié)晶。
尤其，對(duì)于這些材料，其熔點(diǎn)TF都超過(guò)冷卻時(shí)結(jié)晶開始形成的溫度TIC，在該熔點(diǎn)下晶相卻被破壞。
工業(yè)應(yīng)用已知最多的這種半結(jié)晶材料是聚丙烯(以下稱PP)、高密度聚乙烯(以下稱HDPE)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(以下稱PET)，這些材料一般用模具通過(guò)注射或壓縮法成型為制品。
這兩種方法均使材料操作溫度比其熔點(diǎn)TF高很多。
注射法是將材料通過(guò)一個(gè)或多個(gè)噴嘴注入模具中的，其注入溫度比熔點(diǎn)溫度高許多，為的是保證該熔融物料流動(dòng)性足以避免或減弱由于熔融物料高速通過(guò)此法所用小直徑管型模具的通道而產(chǎn)生的剪切應(yīng)力達(dá)到最大。
壓縮法是將測(cè)定量少的熔融狀態(tài)材料放入模腔中，再將沖模推入其中，驅(qū)使材料上升，進(jìn)入沖模和模腔之間的空隙中，構(gòu)成形狀(填模)，然后開始冷卻模具中的物相。
為了確保整個(gè)填模期間材料能充分保持流體狀，已有技術(shù)的壓縮模塑方法使材料所達(dá)到的溫度總比熔點(diǎn)溫度高許多，因?yàn)樵诔尚碗A段形成晶體是一種不希望有的干擾。
首先，如果無(wú)定形和結(jié)晶相的粘度不同，晶體形成會(huì)導(dǎo)致模具充填不均勻。
此外，在成型階段形成的結(jié)晶在隨后的冷卻過(guò)程中會(huì)成為晶種(crystalline germ)，晶種會(huì)導(dǎo)致模制品結(jié)晶的不均勻分布。
結(jié)果，由于制品收縮不均勻而呈現(xiàn)變形和畸形，同時(shí)由于一區(qū)與另一區(qū)之間不同的大分子結(jié)構(gòu)會(huì)造成過(guò)大的碎性。
特別值得關(guān)注的一種半結(jié)晶材料是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，PET，這種材料在對(duì)其熔融狀態(tài)進(jìn)行冷卻過(guò)程中發(fā)生結(jié)晶，會(huì)改變其外觀，由完全透明變?yōu)椴煌该?，由于這個(gè)事實(shí)，直到現(xiàn)在它還限制著以PET制造透明制品的應(yīng)用。
在這兩種已知方法中，半結(jié)晶材料成型持續(xù)周期是根據(jù)該周期起始溫度TLAV(即材料充填至模具的溫度)總比材料熔點(diǎn)溫度TF高許多的事實(shí)來(lái)調(diào)節(jié)的，因此成型制品的冷卻時(shí)間非常長(zhǎng)。
這種負(fù)面特性大都對(duì)注射法產(chǎn)生影響，但也構(gòu)成了對(duì)壓縮模塑方法的一個(gè)重要限制因素，尤其當(dāng)要求保持其透明性時(shí)對(duì)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯的限制，此后會(huì)顯得更明顯。
本發(fā)明的目的在于提供一種對(duì)半結(jié)晶聚合物的壓縮模塑方法，尤其對(duì)于聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，與已知技術(shù)相比其周期較短，并可保持成型制品的物理和機(jī)械特性。
發(fā)明公開本發(fā)明的方法是基于周期的起始溫度TLAV不決定于材料流動(dòng)性，而決定于在充模過(guò)程中保持無(wú)定形相的事實(shí)來(lái)達(dá)到這個(gè)目的的。
對(duì)于所試驗(yàn)的材料，在冷卻過(guò)程中，晶相在結(jié)晶起始溫度TIC還遠(yuǎn)低于其熔點(diǎn)TF溫度時(shí)就開始形成。
因此按照本發(fā)明，在模具外使材料溫度高于其熔點(diǎn)，而卻在其溫度低于熔點(diǎn)但又剛比TIC高的溫度下將其注入模具中，從而減少了將材料從TF冷卻到TIC所需的周期時(shí)間。
這顯然限制了本發(fā)明單獨(dú)對(duì)壓縮方法的應(yīng)用性。
如果要成型聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯PET的制品，同時(shí)又要保持其透明性，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)甚至更大。
這種材料的一個(gè)獨(dú)特特征在于，晶體形成是以不同速率在限制很明確的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。
從熔融狀態(tài)的無(wú)定形相開始，晶體形成是在定義為TIC的結(jié)晶起始溫度下進(jìn)行冷卻的過(guò)程中開始，而在定義為TFC的結(jié)晶終止溫度下終止，而在TIC及TFC所限定范圍的中間結(jié)晶形成達(dá)到最大值，然后沿其邊緣逐漸減弱為零。
因此，要獲得完全透明的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯PET制品，必須大大縮短在TIC與TFC間范圍內(nèi)的停留時(shí)間，這樣其起始溫度可越高，要求冷卻能力越大。
晶體形成速率對(duì)溫度的關(guān)系圖形是一種基本對(duì)稱的曲線形式，從零逐漸增加，然后減小趨于零，并固定在TIC和TFC之間的某個(gè)溫度范圍內(nèi)，在其橫軸代表溫度及縱軸表示晶體形成速率的笛卡兒圖形上，其位置受冷卻速率的影響。
隨冷卻速率增加，該曲線左移趨向低溫，構(gòu)成一個(gè)較窄構(gòu)型。
例如，在冷卻速率至少3.5℃/秒，優(yōu)選冷卻速率在4.0℃/秒和8.0℃/秒之間，基本可避免或減少晶體的形成至可忽略程度，這取決于制品的壁厚。
對(duì)于較厚的制品，諸如預(yù)成型品，需要較高的冷卻速率，而對(duì)于薄壁制品，諸如瓶蓋，可采用較低的冷卻速率。
由技術(shù)專家按具體情況確定在上述范圍內(nèi)的適宜冷卻速率。
最后，因?yàn)橛砂虢Y(jié)晶材料形成的制品的某些機(jī)械特性，尤其對(duì)PET，一般也取決于制品在模具中所保持的溫度，本發(fā)明由于有可能使用冷卻模具而使其優(yōu)點(diǎn)更為明顯，甚至可能將壓縮法用于制造以前因技術(shù)原因而不能制備的制品。
例如，在制造眾所周知的PET飲料瓶的封閉瓶蓋中，用PET代替PP或HDPE是極重要的。
但由眾所周知的PP或HDPE成型瓶蓋所引起的最大問(wèn)題之一是這種瓶蓋不能與瓶子一起回收利用，因?yàn)镻P和HDPE都不能與PET相相容。
此外，PET對(duì)氣體如O2和CO2有一種屏蔽作用，均因?yàn)槠涔逃刑卣?，和因?yàn)橥ㄟ^(guò)已知的等離子體處理可能增強(qiáng)所述特征的兩個(gè)方面，這是不適合于其它所述的半結(jié)晶材料的。
但是，在制造瓶蓋中采用PET迄今由于種種原因是不可能的，其中最重要的一點(diǎn)是其彈性模量高，使瓶蓋很難不經(jīng)旋擰就沿軸向從沖模末端取出。
本發(fā)明通過(guò)減少冷卻時(shí)間及能量，做到可能利用PET成型封閉蓋，這使材料降至其機(jī)械特性穩(wěn)定溫度以下(即80℃)變得更經(jīng)濟(jì)。
在這方面，從比熔點(diǎn)溫度高許多的溫度開始，冷卻至80℃以下，即使在TFC以下其冷卻速率不是關(guān)鍵性的，但也會(huì)使這類材料成型的注射系統(tǒng)不經(jīng)濟(jì)。
下表說(shuō)明本發(fā)明所涉及的半結(jié)晶聚合物的某些主要參數(shù)，這些參數(shù)使由此構(gòu)成的優(yōu)點(diǎn)立即變得明顯。
表聚丙烯PP熔點(diǎn)，TF.PP165℃高密度聚乙烯HDPE熔點(diǎn)，TF.HPDE135℃聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯PET熔點(diǎn)，TF.PET270℃注射法PP操作溫度，TLAV.I.PP220-230℃注射法HDPE操作溫度，TLAV.I.HPDE170-230℃注射法PET操作溫度，TLAV.I.PET290-320℃壓縮法PP操作溫度，TLAV.C.PP160-170℃壓縮法HDPE操作溫度，TLAV.C.HDPE130-140℃壓縮法PET操作溫度，TLAV.C.PET220℃PP結(jié)晶開始溫度，TIC.PP125℃HDPE結(jié)晶開始溫度，TIC.HDPE115℃PET結(jié)晶開始溫度，TIC.PET210℃PET結(jié)晶終止溫度TIC.PET120℃根據(jù)通過(guò)其非限制實(shí)施例并參考附形的方式所列舉的以下綜述說(shuō)明三種實(shí)施方案的結(jié)果，本發(fā)明的這些優(yōu)點(diǎn)和操作及結(jié)構(gòu)特征都會(huì)是更明顯的。


圖1是成型半結(jié)晶聚合物制品裝置的一般流程圖。
圖2是說(shuō)明PP結(jié)晶隨溫度升高的熔化過(guò)程圖。
圖3是說(shuō)明HDPE結(jié)晶隨溫度升高的熔化過(guò)程圖。
圖4是說(shuō)明PP結(jié)晶隨溫度降低的結(jié)晶過(guò)程圖。
圖5是說(shuō)明HDPE結(jié)晶隨溫度降低的結(jié)晶過(guò)程圖。
圖6是說(shuō)明聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯PET隨溫度升高的結(jié)晶過(guò)程圖。
圖7是說(shuō)明聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯PET隨溫度降低的結(jié)晶過(guò)程圖。
圖1顯示連續(xù)進(jìn)料器(1)將聚合物顆粒加入擠出機(jī)(3)的裝料斗(2)中。
如果用PP或HDPE，在擠出機(jī)內(nèi)該材料達(dá)到溫度比其熔點(diǎn)TF高，如所陳述TF是TF.HDPE＝135℃及TF.PP＝165℃。
在計(jì)量泵(31)后的擠出機(jī)最后部分與一臺(tái)熱交換靜態(tài)混合器(32)連接，該熱交換靜態(tài)混合器很快冷卻該材料至溫度TLAV，對(duì)PP為TLAV.C.PP＝150-160℃，對(duì)HDPE為TLAV.C.HDPE＝130-140℃。
在此溫度下該材料仍然沒(méi)有結(jié)晶，并離開噴嘴(33)立即被分成測(cè)定量，并注入壓縮模塑機(jī)(4)的模腔(41)中。
在此說(shuō)明實(shí)施例中，該機(jī)器被安排以制造一種脫模不特別困難的制品，諸如口形略向外張成圓錐體狀的玻璃品。
將測(cè)定量的材料加進(jìn)模具之后，成型該制品，并開始在模具內(nèi)對(duì)其冷卻，抽出，最后完全冷卻至環(huán)境溫度。
本發(fā)明的第二實(shí)施方案是使用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯PET生產(chǎn)一種隨后要將其吹制成型為瓶子的完全透明的預(yù)成型品。
在擠出機(jī)內(nèi)，該材料達(dá)到的溫度比聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯的熔點(diǎn)高，所述的TF.PET＝270℃。
在該擠出機(jī)最后部分，靜態(tài)混合器(32)迅速冷卻該材料至溫度TLAV.PET，此溫度接近于220℃，剛高于210℃的TIC.PET。
在此溫度TLAV.PET下，該材料仍然沒(méi)有結(jié)晶，并離開噴嘴(33)，通過(guò)旋切體系(42)即刻被分成許多份，和注入壓縮成型機(jī)(4)的模腔(41)中。
在成型過(guò)程中和其之后，此預(yù)成型品迅速被冷卻至低于TFC.PET的溫度，即120℃以下，低于這個(gè)溫度的結(jié)晶速率趨近于零，因此該預(yù)成型品穩(wěn)定在無(wú)定形狀態(tài)，而且完全透明。
然后將該預(yù)成型品從模具抽出，并進(jìn)一步冷卻到環(huán)境溫度。
本發(fā)明的第三實(shí)施方案涉及PET瓶封閉蓋的成型。
在擠出機(jī)內(nèi)，使預(yù)先除濕的材料達(dá)到比PET熔點(diǎn)更高的溫度，所述的TF.PET＝270℃。
在擠出機(jī)最后部分，該靜態(tài)混合器(32)迅速冷卻該材料至操作溫度TLAV.PET220℃。
在此溫度下該材料仍然沒(méi)有結(jié)晶，并離開噴嘴(33)，如前例所述，立即被分成許多份，并被注入機(jī)器(4)的模腔(41)中，壓縮成型為瓶蓋。
在膠囊成型過(guò)程中，該模具壁被冷卻，這樣與模具壁接觸部份的材料處于約25℃。
如果不需要保持材料的透明性，冷卻速率不是關(guān)鍵的。
相反，如果需要瓶蓋完全透明，外觀似玻璃樣，則必須在盡可能最短的時(shí)間內(nèi)使之冷卻至溫度TFC.PET以下，即120℃以下，低于此溫度結(jié)晶速率趨近于零，因此該瓶蓋仍然保持穩(wěn)定在無(wú)定形狀態(tài)，并完全透明。
通過(guò)對(duì)模具進(jìn)行冷卻，使材料溫度下降至其機(jī)械特性穩(wěn)定閾值以下，如所述約80℃，這樣就保證了材料的彈性，使之有可能從模具沖模中沿軸向取出瓶蓋，而不需旋轉(zhuǎn)，如通常對(duì)PP及HDPE瓶蓋所已知的情況一樣。
如果希望增強(qiáng)對(duì)氣體諸如O2及CO2的屏蔽效應(yīng)，可通過(guò)一般用于PET瓶的方法，使瓶蓋受到等離子體處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。
這種方法包括將可產(chǎn)生一般厚度小于0.1微米的襯里的等離子體汽注入該瓶中。
這種材料層能使基底的某些特性增強(qiáng)，諸如不透氣性。
等離子體處理，如此領(lǐng)域?qū)＜冶娝苤?，一般采用德?guó)LEYBOLDGmbH公司制造的設(shè)備完成。
利用前述方法獲得一種瓶蓋，其呈現(xiàn)屏蔽效應(yīng)不僅適合于碳酸鹽飲料，而且適合于加香飲料，諸如啤酒。
此外，這種瓶蓋與瓶子的材料相同，能使兩者一起被回收利用，而不致使瓶材料被不相容的外來(lái)雜質(zhì)所污染，例如在打開口后瓶蓋安全帶仍然保留插在瓶頸內(nèi)的情況。
權(quán)利要求
1.一種壓縮模塑半結(jié)晶聚合物的方法，其特征在于包括以下操作-使材料溫度超過(guò)該聚合物熔點(diǎn)TF；-冷卻該材料溫度TLAV達(dá)到接近但又高于其冷卻過(guò)程中結(jié)晶開始的溫度TIC；-注入測(cè)定量的材料至進(jìn)行壓縮操作的模具中；-保持溫度接近于TIC，成型制品；-冷卻該制品，并將其從模具中抽出。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于使該材料溫度在擠出機(jī)內(nèi)超過(guò)TF。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于使該材料在擠出機(jī)內(nèi)冷卻達(dá)到溫度TLAV。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于使該材料離開擠出機(jī)時(shí)就冷卻達(dá)到溫度TLAV。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于使該制品在模具內(nèi)受到冷卻。
6.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于使該制品至少冷卻至其溫度低于聚合物冷卻過(guò)程中結(jié)晶速率降至零時(shí)的溫度TFC。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于冷卻速率在TIC與TFC間的溫度范圍內(nèi)至少為3.5℃/秒。
8.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于冷卻速率在TIC及TFC間的溫度范圍內(nèi)在4.0℃/秒及8.0℃/秒之間。
9.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于模具壁是被冷卻的。
10.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于該半結(jié)晶聚合物是聚丙烯PP。
11.按照權(quán)利要求10的方法，其特征在于聚丙烯的操作溫度TLAV.PP處于160℃及170℃之間。
12.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于該半結(jié)晶聚合物是高密度聚乙烯HDPE。
13.按照權(quán)利要求12的方法，其特征在于高密度聚乙烯的操作溫度TLAV.HDPE處于130℃及140℃之間。
14.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于該半結(jié)晶聚合物是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯PET。
15.按照權(quán)利要求14的方法，其特征在于聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯的操作溫度TLAV.PET等于220℃。
全文摘要
一種壓縮模塑半結(jié)晶聚合物的方法，包括以下操作使該材料溫度超過(guò)聚合物熔點(diǎn)T
文檔編號(hào)B29C43/58GK1406174SQ01805788
公開日2003年3月26日 申請(qǐng)日期2001年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月9日
發(fā)明者F·帕里尼羅 申請(qǐng)人:薩克米-伊莫拉機(jī)械合作社-股份有限合作公司