通過發泡注塑制造模制品的方法、由發泡的熱塑性塑料制成的模制品及其用圖
【專利說明】通過發泡注塑制造模制品的方法、由發泡的熱塑性塑料制成 的模制品及其用途
[0001] 本發明涉及通過發泡注塑制造模制品的方法，其中通過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泡劑，且其中將載有發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腔室的熔體前沿后方的腔室。本發明還涉及由發泡的熱 塑性塑料制成的模制品，其特別通過發泡注塑制成，優選可通過上述方法制成。本發明還涉 及這種模制品的用途。
[0002] 注塑法(發泡注塑）或擠出法(發泡擠出）中的熱塑性塑料體系的發泡是已有幾十 年歷史的現有技術。在此主要區分化學和物理發泡法。在化學發泡的過程中，將特定劑量的 合適發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程中的高溫發生反應 并釋放使熱塑性塑料發泡的氣體。
[0003] 在主要用于注射工藝的物理發泡的情況下，有各種計量加入發泡劑的工業方法。 常見方法的一個實例在于在用于傳送塑料熔體的螺桿附近向液態塑料熔體中引入超臨界 狀態的氣體，如氮氣或二氧化碳。借助專門設計的螺桿幾何，在該熱塑性塑料的注射前在高 壓下實現充分混合，以使氣體在塑料熔體中非常均勻地分布(超臨界溶液）。當塑料熔體從 螺桿送入腔室時，在該塑料熔體中發生顯著壓降，因此將超臨界氣體轉化成亞臨界狀態并 可膨脹形成微小氣泡，并由此使該熱塑性塑料發泡。由此制成的模制品含有具有由這些微 小氣泡帶來的微孔結構的芯。
[0004] 發泡的熱塑性塑料的性質大多明顯不同于緊密的注塑或擠出熱塑性塑料的性質。 使用發泡工藝的常見原因在于，可以在其體積保持相同的同時降低模制品的重量。還可以 顯著改進基于重量的特定機械性質，特別例如抗彎剛度和抗扭剛度。
[0005] 發泡的熱塑性塑料的另一優點在于載有發泡劑的塑料熔體在模具腔室中發泡的 過程中具有純塑料熔體低的粘度。由此特別可以實現具有又長又窄的流徑的模制品的更好 填充。
[0006] 發泡的熱塑性塑料不僅具有所提到的機械和流變優點，還具有極好的隔絕性質。 通過與非發泡的塑料相比的額外減重，因此也可以在構造上有利地制造具有高壁厚度和極 好隔絕性質的模制品。
[0007]發泡工藝，特別是發泡注塑的一個主要缺點在于，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泡工藝的過程中可能出現的非常多 樣的表面缺陷造成。這些缺陷取決于非常多的因素，并在現有技術中難以預知。例如，加工 參數，如注射速度、模具溫度、氣體填充等具有強烈影響;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、裂縫等也會對表面缺陷產生巨大影 響。
[0008]為了遮蓋模制品上的表面缺陷以改善它們的光學外觀，在現有技術中已經作出各 種嘗試并具有各種成功。在發泡擠出的情況下，可以例如使用非發泡的共擠層，其遮蓋發泡 芯的缺陷。在發泡注塑的情況下，可以例如在模具腔室內使用反壓，其防止在熔體前沿從載 有發泡劑的塑料熔體中釋出氣體，以致可形成封閉的覆蓋層。還已經發現，模具壁的高溫對 所得模制品的表面品質具有有利影響。在簡單模制品幾何的情況下，還常將薄膜插入模具 腔室，然后用發泡的熱塑性塑料進行后注塑，并遮蓋發泡的表面。但是，遮蓋表面缺陷的這 些方法在一些情況下非常復雜并有時僅部分成功，或影響模制品表面的性質。
[0009] 在現有技術中對通過發泡注塑法制成的模制品的需求量原則上很大，因為該材料 具有上述有利性質。但是，這些模制品應同時具有光學上有吸引力的表面，并且盡可能不對 制造工藝作出復雜修改。
[0010] 由上述現有技術出發，本發明的一個目的是提供通過發泡注塑制造模制品的方 法，以及提供通過發泡注塑制成的模制品，用其可實現該模制品的光學上有吸引力的表面， 特別是避免上述現有技術的缺點。
[0011] 根據本發明，在通過發泡注塑制造模制品的方法中，其中通過熱塑性塑料的熔融 提供塑料熔體，其中向所述塑料熔體中裝載發泡劑，且其中將載有發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腔室的熔體前沿后方的腔室，至少部分地通過 以下方式實現此目的：調節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程 中的一個時間點，在熔體前沿面后的時間間隔最多0.15秒的區域中，塑料熔體在腔室中的 內壓大于發泡劑的臨界壓力。
[0012] 在發泡注塑中，將載有發泡劑的塑料熔體在壓力下注入模具腔室。為此，該模具具 有至少一個注射孔，在其上連接用于經模具注射孔注入塑料熔體的注射裝置。模具腔室包 含相當于要制造的模制品的負形的模制品區以及通常至少一個將所述至少一個注射孔連 向模制品區的進料道。如果存在多個注射孔，可相應地存在多個進料道。進料道也可設計成 分配通道，其將所述至少一個注射孔連向模制品區的多個位置。術語澆口用于描述在注射 后已凝固在進料道中并連接到實際模制品上的塑料熔體。在進一步使用該模制品前，通常 例如通過鋸切、折斷、切割等除去這種澆口，以獲得具有所需形狀的實際模制品。術語澆口 痕(Angus spunkt)用于描述從饒口到實際模制品的過渡。
[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將塑料熔體輸送到模具注射孔。螺桿輸送機的螺桿可以首 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。在注射過程中，該螺桿可隨后 平移向前移動，以使其以活塞方式將塑料熔體經注射孔壓入腔室。注射速度在此相當于螺 桿向前移動的速度。
[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 機的橫截面，在上述方法中設定的注射速度是設備依賴性的。對特定模具應設定的注射速 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器的幾 何。因此在每種情況下可以確定對預定模具、預定塑料熔體和用于將塑料熔體輸送到注射 孔的預定機器應設定的注射速度。
[0015] 塑料熔體的內壓是指塑料熔體內的位置依賴性的局部動態背壓（Staudruck)。在 注射程序的過程中，在塑料熔體中出現取決于注射速度的壓力分布，其中塑料熔體的內壓 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生，因此通常相對小，特別接近〇巴或環境 壓力/大氣壓。
[0016]恪體前沿面在此優選是指恪體前沿的連貫面(2111^叫611(1)，例如在腔室的 特定子區域中向前移動的熔體前沿面。在這一熔體前沿面后的時間間隔最多0.15秒的區域 是指塑料熔體內的在給定時間點位于某一位置的區域:該位置在腔室內并且相應的熔體前 沿面在這一時間點前最多0.15秒時存在于該位置。換言之，這一區域與相應熔體前沿面的 空間間隔相當于該熔體前沿面在最多0.15秒內行進的距離。如果例如相關的熔體前沿面以 100 mm/s的恒速移過腔室，容許相關區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，因此容許相應區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的空間間隔。
[0017] 發泡劑的臨界壓力是指在該壓力以上，發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，發泡劑沒有表現出氣相和液相之間的一級相變，而是僅表現出 更高級的，通常二級相變。臨界壓力取決于所用發泡劑，并例如對氮氣而言為33.9巴，對二 氧化碳而言為73.8巴。
[0018] 塑料熔體和發泡劑在此區域中的溫度也特別在發泡劑的臨界溫度以上。臨界溫度 例如對氮氣而言為-146.95°C，對二氧化碳而言為31.0°C，因此在任何情況下都被發泡注塑 中常見的工藝溫度超過。
[0019] 對本發明而言，已經發現，使用上述方法可通過發泡注塑制造模制品，其表面具有 光學上有吸引力的外觀。可通過這種方法制成的模制品具有令人想起冰面(冰外觀)的光學 結構化表面。
[0020] 現有技術中迄今已知的方法大體上試圖避免模制品表面的光學結構化，例如通過 遮蓋表面缺陷，而本發明基于如下發現，即可以有針對性地利用表面結構化以由此獲得光 學上有吸引力的模制品表面。已經發現，使用上述方法，特別是所述注射速度的調節實現仿 造冰面結構的模制品的光學表面結構化。不同于通過之前的方法制成的光學均勻的模制品 表面，可通過該方法制成的模制品因此具有有吸引力的光學結構化模制品表面。
[0021] 在使用各種材料、模制品形狀和模制品厚度的實驗中，已發現注射速度的所述調 節適用極廣，以使通過上述方法因此可制造具有相應光學外觀的多種多樣的模制品。
[0022] 該方法經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例如擠出機的加熱的熔融區。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，并在此加熱到該熱塑性塑料的熔點以上 的溫度。
[0023] 該方法向塑料熔體中裝載發泡劑。這是指將發泡劑引入塑料熔體中并在模具腔室 中引起塑料熔體的發泡。該發泡劑可以直接以氣體形式通過物理方式引入塑料熔體。一種 可能的可選方案是將發泡劑原材料引入塑料或引入塑料熔體(例如以丸粒或粉末形式），并 例如在熱作用下優選隨著化學反應的進程形成實際的氣體發泡劑。
[0024]該方法將載有發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 經腔室的熔體前沿后方的腔室。在這一方法步驟開始時，腔室最初是空的或充有氣體。然后 將塑料熔體經孔注入模具腔室，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。熔體前沿是指移過腔室的塑料熔體的前邊界面。
[0025] 一旦注射程序結束且發泡的熱塑性塑料固化，可以從模具中取出模制品。在所述 至少一個進料道的區域中，該模制品隨后具有由凝固在進料道中的塑料熔體制成并可在進 一步使用該模制品前除去的澆口。
[0026] 在該方法中，調節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 程中的一個時間點，在熔體前沿面后的時間間隔最多0.15秒的區域中，塑料熔體在腔室中 的內壓大于發泡劑的臨界壓力。
[0027] 在現有技術的發泡注塑法中，塑料熔體內的壓力從注射孔開始相對快速下降，因 此發泡劑在到達熔體前沿前就轉化成亞臨界狀態。因此在距熔體前沿相對大的距離處開始 從塑料熔體中釋出氣體，由此在熔體前沿附近產生塑料熔體的基本層狀流動。這造成該表 面的層狀和更可能均勻或有條紋狀外觀。
[0028] 當滿足注射速度的上述標準時，使發泡劑在塑料