專利名稱:生產可傾注的球弓形塑料填充顆粒的方法
本發明涉及一生產方法，用來生產可傾注的(pourable)具有外凸內凹表面的球弓形塑料填充顆粒。塑性材料與添加劑例如成泡劑(bubble-forming agent)、著色劑或類似物質相混合，經過一進料漏斗，從套在擠塑螺桿外的套筒的開口處進入擠塑機，塑性物質在通過擠塑機時被塑化。由於物流橫截面上各點速度不同，物流從口模流出時呈曲面形，擠出的塑性物質在發生明顯膨脹之前即在口模出口處被直接切斷。
美國專利3，961，000(US-PS 3，961，000)已述及此種類型加工方法。在該方法中，可膨脹聚苯乙烯與添加劑相混合。添加劑包含有成泡劑，例如，碳酸氫銨和碳酸氫鈉或類似物質，以及著色劑。
混合物經過進料漏斗進入擠塑裝置。擠塑螺桿將混合物傳送通過擠塑機，內於擠塑螺桿是特別設計的，即桿芯直徑逐漸增大并且伴有一適當的溫度分布，所以塑性物質在通過擠塑機時就被塑化，當塑性物質從口模出口流出后，立刻就被一個切斷裝置切斷。于是，切下的顆粒在初步膨脹過程中就可能膨脹成外表面凸內表面凹的特殊形狀。填充顆粒連續經數次膨脹過程才被加工成最終產品。
聚苯乙烯是苯的衍生物苯乙烯的聚合產物，按聚合條件不同，聚苯乙稀的鏈長可以不同，鏈長主要由聚合過程中彼此相連的苯乙烯單元數目確定。
鏈長基本上確定了塑性材料的物理特性，為了適合於用擠塑機加工，塑性材料必須是“熱塑性”的，也就是說，塑性材料在一定溫度下(通常是室溫)呈固態，當溫度升高時，呈可塑態(軟化的、可模塑的)，并且能被加工成一定形狀，冷卻后又恢復其固態。
用擠塑機加工，可以采用二種不同主要類型的聚苯乙烯1.所謂標準的聚苯乙烯;
2.含膨脹劑(expanding agent)的聚苯乙烯。
標準聚苯乙烯是一種純聚合物，即不含添加劑的純聚苯乙烯。含膨脹劑的聚苯乙烯則在聚合物基體(buck)中含有膨脹劑，當溫度升高時，膨脹劑沸騰從而使聚合物發泡，這樣的膨脹劑最好選用低沸點烴類、氟化烴類或水。
標準聚苯乙烯以及含膨脹劑的聚苯乙烯都適於用擠塑機加工成泡沫塑料。當采用標準聚苯乙烯時，須在加工過程中將膨脹劑添加到擠塑機中去。人們稱這種情況為所謂直接發泡。
膨脹劑使塑化的物質在離開擠塑機后發泡。
在擠塑機中，膨脹劑在壓力下離析，以氣體形式存在於塑化的塑性物流之中。基於擠塑機中存在的條件(壓力、溫度)，含氣體的塑性物流處於過飽和狀態，也就是說相對於正常條件膨脹劑析出更多的氣體。
當物流離開擠塑機后，膨脹劑發泡并膨脹以達到正常壓力。包圍著膨脹劑的粘稠的塑性物流阻止膨脹的氣體逸入大氣從而形成了泡沫結構。
冷卻呈指定形狀的塑性物質，即制得具有典型結構的泡沫材料件。
大體積泡沫材料件，如保溫板，氣泡體積較大而且這些氣泡的直徑變化幅度也較大。
本方法是用來生產小型填充顆粒的。顆粒直徑大約可達三厘米。這些小型填充顆粒中氣泡的體積自然必須比上述制件中氣泡的體積小的多，以確保填充顆粒的穩定性。在小型填充顆粒中，即使少量大氣泡也會降低顆粒的穩定性，甚至在弱應力下也會導致顆粒的破碎。大氣泡，特別是在具有外凸內凹表面的填充顆粒的邊緣區域存在的大氣泡會導致該區域存在相當程度的破損危險，因此會由於運輸過程中不斷地摩擦，最終產生擦落的雪狀細粒。
在再次膨脹過程中，也存在毀壞性危險。例如，經過上述加工過程，假若物流中已產生了個別的大氣泡，則這些大氣泡在再次膨脹過程中將變的更大從而毀壞填充顆粒。
為了生成更加均勻一致的氣泡，可以添加所謂成核劑(nucleat-ion agent)。這些成核劑引起塑化的塑性物質中形成泡核，從化學觀點看，泡核的形成是由於固體成核劑在擠塑機中發生分解而產生了氣體。
氣體的釋放是為了在塑化的塑性物流中形成大量的泡核。此術語所指氣體必須與發泡氣(propellant)明確區分開。在塑性物質中，在壓力下離析的發泡氣擴散進入小氣泡內并且使成核劑分解產生的泡核擴大。
加工工藝中使用的成核劑應優先采用那些可分解產生二氧化碳、氮或類似無害氣體的物質。
加工過程中所用的原材料必須符合德國食品法(German Food Law。)。按照食品與藥物管理局(FDA)的要求，所有組分必須是公認安全的(GRAS.Generally Recognijed As Safe)。最常用的是碳酸鹽，例如，碳酸銨或碳酸鈉。例如，碳酸氫鈉已被廣泛地用作發酵粉發氣劑，這是因為隨著溫度的升高，碳酸氫鈉分解放出二氧化碳。
成核劑的用量應根據成核劑在溫升下的分解性能確定。在此情況下所謂的理論產氣率具有重要意義。理論產氣率取決於每單位重要成核劑釋放的氣體(如二氧化碳)量。由於氣體產率隨溫度升高而增大，因此在高溫下加工時只需少量成核劑。
在約110℃～130℃的較低溫度下加工時，使用通常慣用的成核劑是不經濟的。因為它們的最佳應用溫度范圍是180℃～230℃。除此以外，所形成氣泡的體積以及塑化的塑性物流每體積單元中氣泡的空間分布都是極不規律的，這就使得物流在離開擠塑機后變成具有不規則氣泡結構的泡沫塑料。
本發明的目的在於改進上述類型的加工方法。使塑性材料在擠塑機中進行低溫加工時，添加少量成核劑就可以獲得大量的均勻的氣泡。
要達到本發明的目的，須在塑料粒料進入擠塑機加工之前，即把成泡劑(成核劑)施用到粒料表面上去。
在使用成核劑之前，須將固體成核劑研磨成極其細小的物料，在此情況中，成核劑的粒徑約40μ。將精細研磨過的成核劑，置於-滾筒機(drum)中，使之“滾”到(is drummed on to)粒料上。“滾”上的成核劑以重量計約為粒料重量的0.1～0.2%。
由碳酸鹽及一種酸組成的成核劑具有特殊優點。除了熱的影響外，酸組分對碳酸鹽組分的化學作用也可以產生二氧化碳。酸組分含有檸檬酸，因此完全符合食品法要求。
氣泡的形成及氣泡的膨脹，對於按本加工方法生產的填充顆粒的均勻一致性具有決定性意義。
氣泡的形成是由於成核劑在塑化的塑性物質中釋放氣體。如前所述，可僅由碳酸鹽熱裂解釋放氣體，或者，除此以外，還由酸組分與碳酸鹽組分間的反應釋放氣體。因為碳酸鹽是弱酸碳酸的鹽，化合物中的碳酸能被強酸置換。這里所用的強酸是檸檬酸。
常用的發泡劑是所謂的放熱體系，在其分解過程中，釋放出大量熱。存在熱量形成積累的危險，即局部過熱，這會使氣泡生成不均勻。
本方法所使用的發泡劑為具有吸熱效果的體系。隨著溫度的升高，發泡劑均勻分解，從而獲得含有更細小的氣泡的更均勻的泡沫結構。成核劑的分解特性基本上取決於添加的熱量(由外加熱及內摩擦而產生的熱作用)。
固體成核劑必須精細而均勻地分布在塑化的塑性物質中以使每體積單元中產生盡可能多盡可能小的泡沫核心。這樣就確保了當氣體形成時，擠塑機物流中形成均勻一致而且細小的氣泡結構。
按本發明，要獲得上述結果，成核劑必須在粒料引入擠塑機之前就分布到粒料上去，并均勻地附著在粒料上。在這種情況下，成核劑顆粒的大小具有決定性意義。
將經過精細研磨的成核劑(粒徑約為40μ)置於滾筒內，“滾”到粒料表面上去。之所以使用“滾上”這個詞，是為了將這種方式和粒料與成核劑的在現在技術發展水平上的混合方式清楚地區別開來。這種混合也可以在混合滾筒(mixing drum)中進行，所以必須在術語上將這兩種過程加以區別。
用形象化的語言來說明，離開滾筒的粒料彼此很不相同。經過“滾上”(drumming-on)處理的粒料就象一個凍結了一層糖衣的蘋果，而經“混合”(mixing)處理的粒料就象噴灑了糖結晶體的蘋果。在現有技術中，“糖結晶體”的粘附是由添加結合劑(bonding age-nt)而實現的，如，向混合物中添加滑石粉。而在“滾上”處理時，無須添加結合劑，因為微小的“粉粒”(“powder”)能很好地粘附在塑粒表面上。
經過用不同方法(混合或“滾上”)處理過的塑料粒料在從混合滾筒移至并通過擠塑機時所表現出來的差別可以用“蘋果”的例子清楚地給以說明。
塑料粒料(蘋果)在漏斗中處於不斷運動之中，粒料到達擠塑機的引入區域時尚未塑化，而且以不同的方向轉動并且彼此摩擦。粒料(蘋果)通過漏斗時基本上沿垂直方向運動，隨后在擠塑機中由於螺桿推進面的推進作用，粒料即沿可以分解為二個運動方向的合方向運動。一個方向是沿螺桿的軸向運動，另一個是環繞螺桿軸的園周運動。
在擠塑機通路上，由於螺桿桿芯的直徑逐漸增大，容納粒料(蘋果)的空間不斷減小。
由於粒料的向前運動和迴旋運動以及粒料不斷被壓實緊密，粒料(蘋果)間存在著相互摩擦。由於這種摩擦，附有粗粒成核劑的粒料(帶糖結晶體的蘋果)就發生了較大程度的磨損。磨損脫落的物質特別容易聚集在粒料間隙中。
對於“滾上”成核劑的塑料粒料(包有糖衣的蘋果)而言，由於存在吸附力，一層成核劑牢固地吸附且均勻地分布在粒料表面上。當粒料(蘋果)流徑漏斗以及擠塑機引入區域時，成核劑的磨損脫落要少的多，因此粒料間隙中很少有物質聚集。
在擠塑機的塑化段，即粒料軟化區域，粒料間不再相互摩擦，而是被擠壓在一起或揉捏在一起。然而，擠塑機中的這種揉捏僅是組分的初步混合。
從微觀來看，盡管發生了混合過程，但仍保持著某種程度的規律性(close order)。
經過“滾上”處理的塑料粒料徑塑化后失其固態，但依舊牢固粘附著的成核劑的空間分布仍很規則。這即是說，任一體積單元中仍均勻地分布著數目眾多的極微細的泡核。
與此相反，原來僅僅經過混合處理的粒料(即粒料與成核劑只是混合而未經“滾上”處理)塑化后，物流中某些區域存在著數目眾多體積較大的泡核固體顆粒，而其他區域則幾乎沒有泡核，只是存在著含析出的發泡氣的充分塑化的塑性物流。
由於成核劑粒徑微小，分布細微，甚至在約110℃～130℃的低溫加工的情況下-該溫度范圍遠低於現有技術中被認為是最佳的加工溫度范圍180℃～230℃-成核劑也能充分分解從而形成大量的微小氣泡。
采用成核劑“滾上”粒料的方法，使第一階段泡核的形成以及隨后氣泡的形成取得了具有決定性意義的改進，而且，低溫加工也大大節省了成本費用。
涉及最終產品質量的第二個重要方面，是氣泡體積的增大。在初始階段，氣泡體積的增大仍然是由於成核劑分解產生了氣體。然而氣泡體積的進一步增大，特別是在再次膨脹過程中體積的增大，則是由於塑性物質中釋放的發泡氣擴散進氣泡所致。
氣泡內壓力，擠塑機中釋放氣壓力以及擠塑機本身的壓力決定了氣泡體積的增長。上述壓力間的關系可用下列方程描述ΔP＝PV-P1(1)ΔP＝2σ/R (2)在上述方程中，Pv氣泡內存在的壓力;
P1熔融態塑性物質中釋放的發泡氣分壓;
ΔP壓差(即“驅動力”);
σ氣泡的表面張力;
R氣泡的半徑。
當氣泡增大時，泡內壓力減小，而半徑不斷增大。最初，氣泡迅速增大，直到鄰近區域內釋放的過剩氣體之大部分因使聚合物膨脹而耗盡為止。
氣泡的增大受熔融塑性物質中釋放的發泡氣在氣泡方向上的擴散速率的影響，還受熔融物流過飽和程度及熔融物流的粘度的影響。達到平衡態時，所存在的力的平衡關系可由方程(1)和(2)描述。
對於僅僅經“混合”處理的初始材料(帶糖結晶體的蘋果)而言，由於成核劑的空間分布不均勻，氣泡的生產速率是不一致的。含有大量塑性物質及釋放的發泡氣的區域與那些含有相對較多成核劑的其它區域交錯存在。在含成核劑較多的區域中，產生的氣泡相對較大且氣泡增長迅速，而且就發泡氣壓力而言，氣泡內并非直空。這就使發泡氣加速向氣泡內擴散從而導致了體積已經相當大的氣泡加速擴大。借助於螺桿的作用，擠塑機中存在著物流的混合與分離(fraction ation)，即塑化物流被研磨時，泡沫結構中氣泡間或被破壞。但這種混合與分離不足以控制泡沫結構中氣泡分布與氣泡體積上的不均勻情況。
下面詳細解釋本發明的具體設備圖1是生產顆粒填充材料裝置的側視略圖。
實施本生產過程所需的裝置如圖1所示。裝置中5為滾筒機，滾筒機上有兩個開口，開口6和開口7，塑性材料及精細研磨的成核劑從開口6和開口7中加入。經過“滾上”處理過的塑料粒料從滾筒5經輸料器8及輸料管9進入擠塑裝置10。
擠塑裝置10由驅動馬達11，齒輪12，物料引入區域13及擠塑機14組成。切斷裝置16直接安裝在擠塑機口模出口15的前面。
經過“滾上”處理的粒料，經過進料漏斗17，通過物料引入區域13而進入擠塑機14。
塑性物質在擠塑機中軸向移動時被塑化。成核劑分解形成氣體，塑性物質以熔融泡沫狀態從口模出口15流出。因為物流截面上各點速度不同，所以塑性泡沫從口模出口15的內部擠出時呈曲面形。
擠出的塑料在口模出口15處由切斷裝置16直接切斷。
切下的塑料顆粒在自由下落時發生初步膨脹，在此初步膨脹階段，塑料顆粒已具有外表面凸內表面凹的形狀。收集器19收集固化了的和冷卻了的塑料顆粒18。
初步膨脹的發泡顆粒，用鼓風機20，經輸料管2被吹送到儲存容器22。
經過初步膨脹的塑料顆粒18儲存一定時期后，從儲存器22被輸送到再次膨脹器23，在再次膨脹器23中塑料顆粒再度膨脹。
離開再次膨脹器23后，經再次膨脹的塑料顆粒18被輸送到儲存器24。這個儲存器24最好用篩狀材料或任何其它開式羅網材料制成以有利於空氣自由循環從而使新膨脹的塑料顆粒18易於干燥。
膨脹到最終階段的塑料填充顆粒具有均勻一致的氣泡結構。顆粒具有足夠的穩定性，所以在運輸過程中所受的壓力不會導致填充顆粒的破碎。此外，顆粒之間以其較光滑的表面彼此接觸，所以當填充顆粒彼此相互摩擦時，很少發生碎裂。
實施本加工方法時，首先要把成核劑研磨成粒徑為40的微粒，成核劑的基本組成是一種商品各為“氫化彩諾”(Hydrocerol)的復合成核劑。酸組分為防水無水檸檬酸或防水-水合檸檬酸。酸組分徑處理或敷層以能防水，因此能與碳酸鹽(碳酸氫鈉)混合，并且能長期儲存而不吸潮。
成核劑CF0556是一種很細的，無氣味的、白色的、能自由流動的、不起塵的粉料。按食品與藥物管理局(FDA)的要求，CF0556所有組分都是公認安全的(GRAS Generally Recognijed As Safe)。CF0556具有良好的儲存性能，不會因為吸收潮氣而結塊或粘在一起。
塑料粒料為可膨脹的聚苯乙烯(EPS)，即含有發泡劑(例如戊烷)的聚苯乙烯，生產時將此粒料加入滾筒5中。
每70公斤可膨脹聚苯乙烯粒料，“滾”上100克CF0556成核劑。本方法絕不能與純粹混合相混淆。本處理方法使一層均勻的微細的成核劑良好地附著在粒料上而不需添加滑石粉或其它類似的所謂結合劑。成核劑的比例以重量計為0.14%。
經“滾上”處理過的粒料經輸料器8，輸料管9，進入進料漏斗17。可以從進料漏斗加入著色劑或其它必要的添加劑。混合物借助於擠塑螺桿的作用引入擠塑機14的引入區域13＊。當物料通過擠塑機14時，由於擠塑螺桿芯直徑的逐步增大，物料因摩擦以及外部相應提供的熱量而塑化。
經“滾上”處理過的粒料的表面上均勻分布著粒徑約為40μ的成核劑固體顆粒，在從固態變為塑化態的轉化段，粒料相互擠壓，但是粒料表面上成核劑顆粒排列的規律(close order)并未遭到顯著破壞。當粒料受到擠壓并且受到剪切作用時，混合狀況有進一步的改善。舉例說明，請想象把一塊咀嚼過的柔軟的口香糖制成小球，然后用二個手指將球拉開。拉伸將很均勻，以致於其表面上仍維持著顆粒分布的規律性。
塑料的加工溫度約在110℃～130℃之間。即使在這樣低的溫度下，成核劑CF0556也能產生二氧化碳。由於成核劑在整體中分布均勻，形成的氣泡的分布也均勻，并且以均勻的速度增長。氣泡的大小也取決於擠塑機的尺寸及擠塑螺桿的轉速。物流被擠出并立刻被切斷后，由於氣泡內受壓的氣體能夠膨脹而幾乎達到正常壓力，所以塑料顆粒將迅速膨脹。
與此同時，塑料顆粒被冷卻，并保持了初步膨脹時的形狀。在初步膨脹中，初步膨脹的填充顆粒的容積密度約為22kg/m3，填充顆粒具有極為精細的氣泡結構使得填充材料顆粒表面非常光滑。填充顆粒靜置一段時間之后，再次進行膨脹。
在靜置期間內，塑性物質中存在的發泡氣擴散進入氣泡中。由於塑料離開擠塑螺桿后迅速膨脹，氣泡中的內壓已比塑性物質中釋放氣體的分壓小得多。在這種情況下，壓力差就成為擴散的驅動力并且也確定了擴散的方向。
進一步膨脹過程是將填充顆粒置於蒸氣中完成的。填充顆粒受到蒸氣的作用時使得已擴散進入氣泡的發泡氣膨脹，從而也使塑料顆粒膨脹。各個膨脹過程之間儲存時間間隔逐步延長，這是因為塑性物質中釋放的發泡氣愈來愈少，同時能夠擴散進入氣泡的發泡氣也愈來愈少。經過數次膨脹過程后，填充顆粒的容積密度僅約為4.5kg/m3。
盡管經歷了數次膨脹過程，填充顆粒仍具有較光滑的表面，并且由於細小的氣泡結構，填充顆粒具有足夠的穩定性。特別是在填充顆粒的邊緣區域表面較光滑而且呈 角，因此堆積的填充顆粒不會由於應力作用而破碎。
把40μ成核劑“滾”到粒料上的方法是獲得高質量的最終產品的基礎。
＊〔在與本發明同時申請的另一申請案中對于引入區域13給以了更充分的描述。律師案號(Attorney Docket)3502086。此處引為參考。〕
權利要求
1.生產可傾注的具有外凸內凹表面的球弓形塑料填充顆粒的方法，按此方法，塑料與添加劑例如成泡劑、著色劑或類似物質相混合，經過一進料漏斗，從套在擠塑螺桿外的套筒的開口處進入擠塑機，在通過擠塑機時物料被塑化，并且由於物流橫截面上各點速度不同，從口模出口流出時呈曲面形，而且擠出的塑性物質在發生明顯膨脹之間在口模出口上被直接切斷，本發明的特點在於將成泡劑(成核劑)在粒料進入擠塑機加工之前施于粒料表面上。
2.根據權項1所述的生產方法，其特點在於成核劑粒徑約為40μ。
3.根據權項1所述的生產方法，其特點在於，成核劑用量以重量計為塑料粒料用量的0.1%至0.2%。
4.根據權項1所述的生產方法，其特點在於，擠塑機中加工溫度約為110℃～130℃。
5.根據權項1至4中任一項所述的生產方法，其特點在於，成核劑包含碳酸鹽組分和酸組分，不包括結合劑。
6.實施權項1至權項5中任一項所述的生產方法所用的塑料粒料，由可膨脹聚苯乙烯制成，其特點在於，成泡劑(成核劑)精細地分布在粒料表面上。
7.根據權項6所述的塑料粒料，其特點在於，成泡劑(成核劑)用量以重量計為塑料粒料用量的0.1～0.2%。
8.根據權項6所述的塑料粒料，其特點在於，成泡劑(成核劑)的粒徑約為40μ。
9.根據權項6、7或8所述的塑料粒料，其特點在於，成核劑包含碳酸鹽組分和酸組分。
專利摘要
生產可傾注具有外凸內凹表面的球弓形塑料填充顆粒(18)的方法。塑性材料與添加劑如成泡劑、著色劑等混合后，經進料漏斗(17)從套在擠塑螺桿外的套筒開口(13)處進入擠塑機(14)，該物質在擠塑機中塑化且因物流橫截面上各點速度不同從口模(15)流出時呈曲面。塑性物質在發生明顯膨脹之前即在出口處被直接切掉。塑料粒料進入擠塑機前須將成泡劑(成核劑)在滾筒機(5)中施用到塑料粒料表面上。
文檔編號C08J9/16GK85101337SQ85101337
公開日1987年1月10日 申請日期1985年4月1日
發明者格爾德福斯 申請人:施托奧皮克·漢斯·賴興埃克有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan