Вспененный лист полистирола, способ термоформования глубоко вытянутых изделий из вспененного термопласта и глубоко вытянутое изделие, выполненное из вспененного листа термопласта

 

Изобретение относится к производству упаковок, а конкретно к вспененному листу полистирола, используемому для получения упаковок, а также к способу получения из такого листа глубоко вытянутых изделий - чашек, ведер, бочек, поддонов и подобных изделий термоформованием. Кроме того, изобретение относится к глубоко вытянутому изделию, выполненному из вспененного листа термопласта. Вспененный лист полистирола содержит полистирольный полимер, включающий 1-15 мас.% каучукового компонента по отношению к массе полистирола. Каучуковый компонент имеет большую часть частиц размером менее 0,45 мкм. Вспененный лист полистирола имеет плотность от 0,04 до 0,16 г/см³ и толщину 0,4-6,5 мм. В способе термоформования глубоко вытянутых изделий из вспененного термопласта осуществляют предварительный нагрев листа исходного материала из термопластичного пенопласта. Нагретый лист зажимают в фиксированном положении между пуансоном и матрицей. Затем осуществляют относительное перемещение пуансона и матрицы в конечную позицию формования для растяжения листа. При этом создают вакуум через матрицу с одной из сторон вспененного листа, а также через пуансон со второй стороны вспененного листа. После растяжения листа осуществляют его охлаждение для фиксации конечной формы. В качестве исходного материала используют термопластичный пенопласт с указанным содержанием каучукового компонента, размером частиц, плотностью и толщиной. Описано также глубоко вытянутое изделие, изготовленное указанным способом, из указанного исходного материала. Изобретение позволяет создать вспененный лист полистирола, который может эффективно формоваться в глубоко вытянутые изделия. 4 с. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретением относится к производству упаковок, а конкретно к вспененному листу полистирола, используемому для получения упаковок, а также к способу получения из такого листа глубоко вытянутых изделий - чашек, ведер, бочек и поддонов и подобных изделий термоформованием. Кроме того, изобретение относится к глубоко вытянутому изделию, выполненному из вспененного листа термопласта.

Известен вспененный лист полистирола, содержащий полистирольный полимер, включающий 1 - 15 мас.% каучукового компонента по отношению к массе полистирола /пат. США N 4528221, кл. B 32 B 1/02, 1985/.

Известен способ формования глубоко вытянутых изделий из вспененного термопласта, включающий предварительный нагрев листа исходного материала из термопластичного пенопласта, зажимание нагретого листа в фиксированном положении между пуансоном и матрицей, относительное перемещение пуансона и матрицы в конечную позицию формования для растяжения листа, создание вакуума через матрицу с одной сторон вспененного листа во время перемещения пуансона и матрицы в конечную позицию формования и охлаждение материала для фиксации конечной формы /пат. США N 4239727, кл. B 29 C 17/03, 1980, 9 стр./.

Известно глубоко вытянутое изделие, выполненное из вспененного листа термопласта путем предварительного нагрева листа исходного материала из термопластичного пенопласта, зажимания нагретого листа в фиксированном положении между пуансоном и матрицей, относительного перемещения пуансона и матрицы в конечную позицию формования для растяжения листа, создания вакуума через матрицу с одной из сторон вспененного листа во время перемещения пуансона и матрицы в конечную позицию формования и охлаждения материала (см. вышеуказанный патент США N 4239727).

Известно глубоко вытянутое изделие, выполненное из вспененного листа полистирола, содержащего полистирольный полимер, включающий 1 - 15 мас.% каучукового компонента по отношению к массе полистирола (см. вышуказанный патент США N 4528221).

Однако из известного вспененного листа невозможно получить легко формуемые, глубоко вытянутые изделия. Известный же способ имеет много недостатков, отрицательно влияющих на стоимость, контроль качества и операционный контроль. Из-за разделения операций экструзии и изготовления контроль качества становится более трудным и дорогостоящим. Дефекты листового материала, которые оказываются невыявленными до начала формования, не могут быть затем исправлены, что приводит к отбраковке больших количеств материала. Так как листовой материал имеет превосходные теплоизоляционные свойства, трудно и дорого нагревать его надлежащим образом в процессе стадии изготовления. Для некоторых типов листовых термопластичных пенопластов имеется период выдержки, в процессе которого летучие, используемые в процессе вспенивания, выделяются и замещаются воздухом. Поэтому необходимо обращать особое внимание на время, когда имеет место повторный нагрев на стадии изготовления, поскольку остаточное содержание летучих может иметь заметное влияние на конечную плотность продукции. Это обуславливает необходимость операционного контроля, что дополнительно усложняет процесс изготовления. Благодаря трудностям получения равномерного нагрева и в результате необходимости делать выдержку для удаления из материала большого процентного содержания летучих, невозможно формовать листовой пенопласт также легко или также глубоко, как в противоположном случае.

Кроме того, проблемы становятся более трудными при попытке термоформования глубоко вытянутых изделий из вспененного термопласта, имеющего сердцевину низкой плотности, покрытую интегральной оболочкой. Чрезвычайно трудно повторно нагреть сердцевину до требуемой температуры формования без отрицательного влияния на оболочку. Наличие оболочки ведет к неравномерному повторному нагреву листового материала, что обуславливает дефекты в формованных изделиях. Молекулярная ориентация оболочки, которая может быть важной для общей прочности формованного изделия, снижается или теряется при повторном нагревании. Кроме того, в некоторых случаях глубоко вытянутые изделия должны быть соединены вместе благодаря трудности формования единого изделия из одного куста листа пенопласта.

Технической задачей настоящего изобретения является создание вспененного листа полистирола, который может эффективно формоваться в глубоко вытянутые изделия в дополнение к получению термоформованных, глубоко вытянутых изделий, выполненных из вспененного листа полистирола и, необязательно, по меньшей мере одной интегральной высокоплотной оболочки.

Данное изобретение также содержит к качестве предмета изобретения способ получения трехмерных термоформованных глубоко вытянутых изделий с сердцевиной из пенополистирола низкой плотности и, необязательно, по меньшей мере с одной интегральной оболочкой высокой плотности.

Данная техническая задача решается за счет того, что во вспененном листе полистирола, содержащем полистирольный полимер, включающий 1 - 15 мас.% каучукового компонента по отношению к массе полистирола, согласно изобретению каучуковый компонент имеет большую часть частиц размером менее 0,45 мкм, а вспененный лист имеет плотность от 0,04 до 0,16 г/см³ и толщину 0,4 - 6,5 мм.

Вспененный лист полистирола может содержать каучуковый компонент в количестве от 1 до 10 мас.% или в количестве от 1 до 5 мас.%.

Вспененный лист полистирола может содержать 0,005 - 1,4 мас.% наполнителя, или 0,005 - 0,9 мас.% наполнителя, Вспененный лист полистирола может иметь по меньшей мере на одной поверхности невспененную пленку.

Вспененный лист полистирола может иметь невспененную пленку на обеих поверхностях, причем невспененная пленка имеет толщину 5 - 600 мкм.

Невспененная пленка может быть выполнена из полистирола, полиэтилена, ударопрочного полистирола, полипропилена или полиэтилентерефталата.

Техническая задача также решается за счет того, что в способе термоформования глубоко вытянутых изделий из вспененного термопласта, включающем предварительный нагрев листа исходного материала из термопластичного пенопласта, зажимание нагретого листа в фиксированном положении между пуансоном и матрицей, относительное перемещение пуансона и матрицы в конечную позицию формования для растяжения листа, создание вакуума через матрицу с одной из сторон вспененного листа во время перемещения пуансона и матрицы в конечную позицию формования и охлаждение материала для фиксации конечной формы, согласно изобретению в качестве исходного материала используют термопластичный пенопласт, содержащий 1 - 15 мас.% каучукового компонента, имеющего большую часть частиц размером менее 0,45 мкм, причем вспененный лист имеет плотность 0,04 - 0,16 г/см³ и толщину 0,4 - 6,5 мм, а при относительном перемещении пуансона и матрицы в конечную позицию формования вакуум создают также со второй стороны вспененного листа через пуансон.

Степень вытяжки листа может превышать 1.

Кроме того, техническая задача решается за счет того, что в глубоко вытянутом изделии, выполненном из вспененного листа термопласта путем предварительного нагрева листа исходного материала из термопластичного пенопласта, зажимания нагретого листа в фиксированном положении между пуансоном и матрицей, относительного перемещения пуансона и матрицы в конечную позицию формования для растяжения листа, создания вакуума через матрицу с одной из сторон вспененного листа во время перемещения и матрицы в конечную позицию формования и охлаждения материала, согласно изобретению в качестве исходного материала для изготовления изделия использован термопластичный пенопласт, содержащий 1 - 15 мас.% каучукового компонента, имеющего большую часть частиц размером менее 0,45 мкм, причем вспененный лист имеет плотность 0,04 - 0,16 г/см³ и толщину 0,4 - 6,5 мм, а при относительном перемещении пуансона и матрицы в конечную позицию формования использовано создание вакуума также со второй стороны вспененного листа через пуансон.

Кроме того, в глубоко вытянутом изделии, выполненном из вспененного листа полистирола, содержащего полистирольный полимер, включающий 1 - 15 мас. % каучукового компонента по отношению к массе полистирола, согласно изобретению каучуковый компонент имеет большую часть частиц размером менее 0,45 мкм, а вспененный лист имеет плотность от 0,04 до 0,16 г/см³ и толщину 0,4 - 6,5 мм.

Далее изобретение будет пояснено со ссылкой на чертежи, на которых: фиг. 1 является микрофотографией (х 9000) ударопрочного полистирола, имеющего размер частиц каучука 2,8 мкм.

фиг. 2 является микрофотографией (х 9000) частиц каучука в стенках ячейки листа пенопласта, где имеются два размера частиц каучука 0,2 и 1,8 мкм, причем размер 0,2 мкм составляет 87%; фиг. 3 представляет продольный разрез формующей пары пуансон/матрица для формования глубого вытянутого термоформованного изделия, в данном случае чашки; фиг. 4 представляет глубоко вытянутое изделие, чашку, формованную с использованием формующей пары фиг. 3; фиг. 5 представляет поперечное сечение боковой стенки изделия фиг. 4.

Вспененный лист полистирола настоящего изобретения является листом пенопласта толщиной 0,4 - 6,5 мм, состоящим главным образом из полистирола смолы.

Предпочтительно вспененный лист также имеет одну или две невспененные полимерные пленки, которые могут быть нанесены экструзией или ламинированы при сплавлении на одну или обе главные поверхности пенопласта общеизвестными способами. Невспененная полимерная пленка является пленкой термопластичного полимера толщиной 5 - 600 мкм.

Вспененный лист содержит 1 - 15 мас.% (по отношению к массе полистирола) каучукового компонента. Предпочтительно вспененный лист содержит 1 - 10 мас. % каучукового компонента, наиболее предпочтительно вспененный лист содержит 1 - 5 мас.% каучукового компонента. Физические характеристики каучукового компонента являются критическими для получения глубоко вытянутых изделий настоящего изобретения.

Промышленный ударопрочный полистирол (УПП) и некоторые с повышенной ударной прочностью акрилонитрил-бутадионстирольные (АБС) сополимеры имеют привитые каучукоподобные частицы широкого размерного распределения со средним диаметром частиц в пределах от 1 до 5 мкм (1000 - 5000 нм). Некоторые исследователи считают такие относительно большие размеры частиц необходимыми для обеспечения наилучших ударных характеристик в смесях ароматических полимеров, однако размеры частиц более 400 нм являются очень вредными для прозрачности смесей благодаря чувствительности рассеяния видимого света к размеру частиц в этом интервале частиц.

Прозрачность не является требованием для продукции листового пенополистирола, и, таким образом, заранее считается, что размер частиц и распределение по размерам частиц каучука не являются важной переменной в получении листа пенопласта.

Для того, чтобы быть пригодным для успешного и непрерывного получения глубоко вытянутого термоформованного изделия, лист пенопласта должен содержать минимально не менее 1% и предпочтительно не менее 2% каучукового компонента в полимерной матрице, причем каучуковый компонент имеет специальные характеристики. Один тип такого материала широко известен как ударопрочный полистирол. Ударопрочный полистирол должен иметь большую часть, предпочтительно более 70%, сорбированных или диспергированных каучукоподобных частиц со средним диаметром частиц менее примерно 0,45 мкм и должен в основном иметь обычную морфологию ядро-оболочка (например, каучуковая оболочка или мембрана вокруг ядра полистирола). Если также используется более крупные частицы, они не должны превышать средний диаметр частиц примерно 2,5 мкм. Более предпочтительно отношение мелких к крупным частицам является равным по крайней мере 80:20 (мелкие:крупные), и наиболее предпочтительно составляет 85:15.

Фиг. 1 представляет микрофотографию ударопрочного полистирола, имеющего размер частиц каучука 2,8 мкм. Пенопласт, который получается из этого ударопрочного полистирола или смесей этого ударопрочного полистирола с полистирольным гомополимером, не соответствует получению глубоко вытянутых термоформованных изделий.

Фиг. 2 представляет микрофотографию частиц каучука в стенках ячейки листа пенопласта, где имеются два размера частиц каучука, 0,2 и 1,8 мкм, причем размер 0,2 мкм составляет 87%. Этот пенопласт соответствует получению глубоко вытянутых термоформованных изделий.

Ударопрочный полистирол должен иметь содержание каучука в пределах 1 - 15 мас.%, предпочтительно 1 - 10 мас.% каучука на основе каучукового компонента, такого как полибутадиен. Предпочтительно содержание каучука составляет 7 - 10 мас.%. Средневесовая молекулярная масса M_w должна быть в интервале 10000 - 300000, предпочтительно 150000 - 200000. Молекулярное распределение M_w/M_n должно составлять 2,7 - 2,9.

Одним предпочтительным листовым пенопластом является смесь 30% ударопрочного полистирола и 70% гомополимера полистирола общего назначения средневесовой молекулярной массой примерно 325000 и показателем текучести расплава 1,5 г/10 мин, такого как, например, STYRON 685D, поставляемой фирмой Дзе Дау Кемикал Ко. Более предпочтительно вспененный лист содержит 20% ударопрочного полистирола, а остальное составляет полистирол общего назначения.

Лист пенопласта должен иметь объемную плотность 0,04 - 0,16 г/см³ (около 2,5 - 10 фунтов/фут³). Предпочтительно лист пенопласта имеет объемную плотность 0,04 - 0,128 г/см³ (около 2,5 - 8,0 фунтов/фут³).

Вспененный лист данного изобретения показывает очень хорошую термоформуемость при использовании для глубокой вытяжки. Он является особенно пригодным для получения глубоко вытянутых чашеподобных деталей, имеющих требуемую прочность и степень вытяжки (в/а, где в - глубина, а - наибольший диаметр) более 1,0 (например, отношение глубины к наибольшему диаметру составляет по крайней мере 1:1).

Изделием, которое специально рассматривается в данной заявке, является глубоко вытянутая чашка, в основном используемая для содержания горячих жидкостей и для предотвращения раздражения (ожога) ее держащего. Такие чашки могут быть выполнены в стандартных размерах, таких как 6 унций (170 г), 8 унций (225 г) и даже больших размеров. Чашка из вспененного, ячеистого термопласта может быть обеспечена высокоглянцевым непористым уплотненным поверхностным слоем на внутренней поверхности и, необязательно, уплотненной высокоглянцевой наружной поверхностью и ячеистым ядром низкой плотности. Кромка может быть завальцована внутрь соответствующим завальцовочным оборудованием, таким как обычно используемые в настоящее время завальцовочные червячные валки.

Полистирольная смола, входящая в состав полистирольного вспененного листа данного изобретения, включает полимеры, полученные из винильных мономеров стирольного типа, таких как стирол, метилстирол и диметилстирол, а также включает сополимеры, полученные из винильных мономеров стирольного типа и других винильных мономеров, таких как акриловая кислота, метакриловая кислота или ее сложный эфир, акрилонитрил, акриламид, метакрилонитрил и малеиновый ангидрид.

Вспененный лист полистирола изобретения может быть получен экструзией со вспениванием полимерной композиции, выполненной из полистирольной смолы и заданных количеств каучукового компонента и, при необходимости, наполнителя. Вышеуказанный каучуковый компонент может быть добавлен непосредственно, но обычно содержится в ударопрочном полистироле, который затем смешивается с полистирольным гомополимером. Каучуковый компонент в ударопрочном полистироле может присутствовать в любом количестве, общепринятом в технике, но поскольку смешивается с полистирольным гомополимером, конечное содержание каучукового компонента в вспененном продукте не превышает 15%, предпочтительно 10% и наиболее предпочтительно 5%. Каучуковый компонент может включать в себя бутадиеновый каучук, этилен-пропиленовый каучук, бутадиен-стирольный каучук и полиэтилен. Они могут добавляться непосредственно в полистирольную смолу. Каучуковый компонент при использовании в качестве сополимерного компонента включает такие мономеры, как бутадиен, изопрен, хлоропрен и их олигомеры. Они сополимеризуются при заданном мольном соотношении с полистирольной смолой. (В случае, когда в качестве полистирольной смолы используется сополимер, сополимер, содержащий каучуковый компонент, становится тройным сополимером.) Предпочтительно для данного изобретения являются такие ударопрочные полистиролы, которые используют в качестве каучукового компонента бутадиен-стирольный сополимер.

Если содержание каучукового компонента составляет менее 1 мас.%, получаемый вспененный лист является непригодным для получения глубоко вытянутых изделий. Чашки, полученные из такого листа, являются непрочными и ломаются при завальцовке. Кроме того, такой лист имеет неудовлетворительные растяжимость и выработку. С другой стороны, если содержание каучукового компонента превышает 15 мас.%, отсутствует дополнительный выигрыш в термоформовании глубоко вытянутых изделий. Кроме того, вспененный лист может давать запах каучука и является непригодным для изготовления контейнеров для пищи и напитков.

Наполнитель, который также является часто зародышеобразующим агентом, является эффективным в улучшении внешнего вида, точности размеров и стабильности формованного изделия. Хотя это абсолютно не требуется, применение наполнителя при получении вспененного листа, особенно для использования в качестве зародышеобразователя, является предпочтительным. Если содержание наполнителя является слишком малым, тогда трудно адекватно регулировать характеристики газа и ячеек, а следовательно, регулировать толщину вспененного листа и термоформованного изделия. С другой стороны, если содержание наполнителя является слишком большим, получаемый вспененный лист имеет неудовлетворительную растяжимость во время формования, хотя можно регулировать газ и ячейки. Содержание наполнителя в настоящем изобретении при необходимости составляет 0,005 - 1,4 мас.% и предпочтительно содержание наполнителя составляет 0,005 - 0,9 мас.%. Наиболее предпочтительно содержание наполнителя составляет примерно 0,005 - 0,5 мас.% по отношению к общей массе полимера.

Обычные примеры наполнителя включают в себя тальк, карбонат кальция, вулканический пепел, сажу, карбонат магния, глину, природный кремнезем и другие обычные неорганические наполнители и металлический порошок.

Толщина, объемная плотность и степень вытяжки вспененного листа могут регулироваться количеством наполнителя, используемого для получения вспененного листа.

Толщина вспененного листа является важной. Если толщина составляет менее 0,4 мм, вспененный лист не может быть глубоко вытянут, и получаемое формованное изделие имеет неудовлетворительную прочность на сжатие. Если толщина превышает 6,5 мм, формуемость становится плохой; в частности, трудно выбрать соотношение толщины боковой стенки и толщины дна. Предпочтительная толщина (включая невспененную полимерную пленку) по крайней мере частично зависит от термоформуемого глубоко вытянутого изделия. Толщина может регулироваться за счет регулирования щели экструзионной головки. Объемная плотность должна быть 0,04 - 0,16 г/см³. Если она превышает 0,16 г/см³, требуется больше смолы и больше тепла для формования, что приводит к увеличенному циклу формования. С другой стороны, если объемная плотность составляет менее 0,04 г/см³, вспененный лист имеет недостаточную прочность, и, когда такой лист формуется, готовое изделие не обладает точностью размеров. Обычно предпочтительная объемная плотность составляет 0,04 - 0,128 г/см³. Предпочтительно объемная плотность регулируется изменением количества вспенивающего агента.

Ориентация имеет место, когда вспененный лист, после того, как он был вначале экструдирован, претерпевает растяжение, обычно, при намотке на барабан. Двухосная ориентация имеет место в случае, когда используется кольцевая экструзионная головка. В таком случае вспененный лист обычно разрезается в длину и становится плоским, хотя еще под напряжением перед намоткой на барабан. Одноосная ориентация является приемлемой, но двухосная ориентация является предпочтительной с точки зрения прочности получаемых формованных изделий.

Вспененный лист данного изобретения получается экструзией с вспениванием, которое использует летучий вспенивающий агент в количестве до примерно 20 мас. % по отношению к общей массе композиции. Примеры летучего вспенивающего агента включают в себя углеводороды, имеющие точку кипения - 40 - 45^oC, такие как пропан, бутан, изопентан и пентан; и полифторуглеродные вспенивающие агенты, такие как 1,1-дифторэтан (HFC-152a); 1,2-дифторэтан (HFC-152); 1,1,1,2-тетрафторэтан (HFC-134a); 1,1,2,2-тетрафторэтан (HFC-134); 1,1,1-трифторэтан (HFC-143a) и 1,1,2-трифторэтан (HFC-143); пентафторэтан (HFC-125); предпочтительно, HFC-152н и HFC-134а, и, наиболее предпочтительно, HFC-152а; хлорфторуглеродные и хлорфторуглеводородные вспенивающие агенты, такие как хлордифторметан (HCFC-22), дихлордифторметан (CFC-12) и трихлорфторметан (CFC-11). Конечно, азот, углекислый газ, другие инертные газы, углеводороды и химические вспенивающие агенты могут быть использованы в сочетании с полифторуглеродными вспенивающими агентами.

В некоторых случаях в качестве вспенивающего агента могут быть использованы углекислый газ, газообразный азот, вода или комбинация этих соединений. Углекислый газ, используемый в отдельности, является предпочтительным вспенивающим агентом.

В любом случае после формования вспененного листа, предпочтительно, ячейки пенопласта фактически полностью являются заполненными воздухом, что делает полученный вспененный лист пригодным для применения в контакте с пищей.

Вспенивающий агент может вводиться в экструдер любым известным традиционным способом.

Количество остаточного газа вспенивающего агента или воздуха, который инфильтруется в ячейки вспененного листа, должно быть таким, чтобы предотвратить появление вторичного вспенивания или разрушения пены при нагревании листа для формования, что приводит к тому, что формованное изделие плохо воспроизводит конфигурацию формы.

Если количество остаточного газа, определенное непосредственно после получения листа, является чрезмерно большим или недостаточным, должна быть осуществлена дегазация или инфильтрация воздуха при нагревании листа до 40 - 50^oC или при выстаивании листа в течение некоторого периода времени. При использовании углекислого газа в качестве вспенивающего агента может потребоваться выдержка вспененного листа до термоформования в течение периода времени обычно примерно 20 часов, пока входящие атмосферные газы из воздуха не уравновесятся с улетучивающимся углекислым газом. Если это не имеет места, в процессе термоформования может иметь место коллапс вспененного листа из-за недостаточного количества газа в ячейках вспененного листа.

Полученный таким образом вспененный лист полимера дает удовлетворительно отформованные изделия, потому что регулируется количество вспенивающего газа в ячейках, и давление в ячейках не является слишком высоким или, наоборот, не становится отрицательным. Вспененный лист полистирола, содержащий 1 - 15 мас. % каучукового компонента, имеет повышенную растяжимость при нагревании для формования глубоко вытянутых изделий. Соответствующее количество каучукового компонента с требуемыми характеристиками делает вспененный лист настоящего изобретения пригодным для получения глубоко вытянутых термоформованных изделий с улучшенной формуемостью.

Хотя это не требуется, желательно путем ламинирования или экструзии нанести невспененную пленку из термопластичного полимера по крайней мере на одну поверхность вспененного листа для того, чтобы улучшить растяжимость листа во время формования и прочность при сжатии полученного формованного изделия. Эта пленка может быть ламинирована или нанесена экструзией на одну или обе поверхности вспененного листа традиционным способом. Термопластичная смола для невспененной пленки включает в себя, например, полистирол, полиэтилен, ударопрочный полистирол, который является смесью или сополимером полистирола и каучука, полипропилен и полиэтилентерефталат. Предпочтительными среди них с точки зрения формуемости являются ударопрочный полистирол и полиэтилен высокой плотности, наиболее предпочтительным является ударопрочный полистирол. Удивительно, хотя ударопрочный полистирол, показанный на фиг. 1, является непригодным для получения вспененного листа настоящего изобретения, он является пригодным для использования в качестве невспененной полимерной пленки.

Если толщина пленки составляет менее 5 мкм, отсутствует улучшение растяжимости или механической прочности. Если толщина пленки превышает 600 мкм, имеют место следующие недостатки. То есть, когда каждое формованное изделие (такое как чашка) выштамповывается из вспененного листа, ячейки на кромке разрушаются и становятся открытыми, и ламинированная пленка отслаивается от вспененного листа. Кроме того, чрезмерно толстая пленка является неэкономичной. Предпочтительная толщина пленки составляет 30 - 500 мкм. В частности, эта невспененная пленка вносит вклад в способность к нанесению печати и газобарьерные свойства полученного термоформованного изделия.

Невспененная термопластичная пленка может быть ламинирована на вспененный лист различными путями. Например, термопластичная пленка может быть ламинирована на вспененный лист в экструзионной головке при использовании соэкструзионной головки (например, поперечной экструзионной головки). В другом способе вспененный лист и термопластичная пленка, экструдированные из отдельных экструзионных головок, могут ламинироваться непрерывно, или на вспененный лист может ламинироваться предварительно экструдированная термопластичная пленка. Ламинирование может быть осуществлено с помощью адгезива или сплавлением. Для ламинирования может быть использован целый ряд адгезивов, например, сополимер этилена и винилацетата и бутадиенстирольный каучук в виде раствора, эмульсии или пленки.

Вспененный лист полистирола, ламинированный с невспененной полимерной пленкой, полученный, как указано выше, имеет преимущество в том, что улучшается растяжимость вспененного листа во время нагревания и улучшается также прочность на сжатие готового формованного изделия. Таким образом, он используется в качестве исходного листового сырья для формования различной продукции, которая требует высокую точность размеров, в частности глубоко вытянутых изделий (имеющих степень вытяжки более 1), для чего требуется высокая прочность на сжатие и достаточная растяжимость во время формования. Однако с или без невспененной полимерной пленки(ок) вспененный лист данного изобретения является лучшим по выработке и поэтому используется в качестве исходного листового сырья для массового производства глубоко вытянутых формованных изделий.

Традиционным подходом для получения формованных изделий из вспененных или ячеистых термопластов является двухстадийный способ. На первой стадии вспененный листовой материал экструдируется и собирается на барабанах. В этот момент можно ламинировать одну или более пленок на вспененный листовой материал. Барабаны затем хранятся до второй стадии, на которой используется традиционная установка термоформования для повторного нагрева материала на прогрессивной основе и формования его в формах с помощью перепада давления воздуха, пуансонов, или того и другого, после чего формованный лист транспортируется на резательную машину для отделения формованных изделий от кромки. Операция экструзии для получения листового материала является, таким образом, обычно совершенно отдельной операцией (относительно времени и использования тепловой энергии) от операции изготовления для формования и разрезки изделий.

Традиционный двухстадийный способ имеет много недостатков, отрицательно влияющих на стоимость, контроль качества и операционный контроль. В результате разделения операций экструзии и изготовления контроль качества становится более трудным и дорогим. Дефекты листового материала, невыявленные до начала формования, не могут быть затем исправлены, что приводит к отбраковке больших количеств материала. Поскольку листовой пенопласт имеет превосходные теплоизоляционные свойства, его нагрев надлежащим образом в процессе стадии изготовления является трудным и дорогостоящим. Для некоторых типов листового термопластического пенопласта имеется период выдержки, в течение которого летучие, используемые в процессе вспенивания, удаляются и замещаются воздухом. Поэтому особое внимание должно быть уделено времени, когда имеет место повторный нагрев на стадии изготовления, потому что остаточное содержание летучих может иметь отрицательное влияние на конечную плотность продукта. Это требует операционного контроля, что дополнительно усложняет процесс изготовления. Из-за трудностей в получении равномерного нагрева и из-за необходимости выдержки до тех пор, пока большее количество летучих не удалится из материала, невозможно формовать листовой пенопласт так же легко или так же глубоко, как в противоположном случае.

Кроме того, проблемы которые сопровождают двухстадийный способ, становятся более трудными при попытке термоформования глубоко вытянутых изделий из вспененного термопласта, имеющего сердцевину низкой плотности, покрытую интегральной оболочкой из того же материала. Чрезвычайно трудно повторно нагреть сердцевину до нужной температуры формования без отрицательного влияния на оболочку. Наличие оболочки ведет к неравномерному повторному нагреву листового материала, что обуславливает дефекты в формованных изделиях. Молекулярная ориентация оболочки, которая может быть важной для общей прочности формованного изделия, снижается или теряется при повторном нагревании. Разработанные ранее напрерывные способы, в которых стадии экструзии и изготовления следуют без перерыва, не отвечают требованиям успешного их применения для глубокой вытяжки вспененных термопластов низкой плотности.

Примеры Лист пенопласта получается экструзией из 80% полистирольного гомополимера, имеющего средневесовую молекулярную массу примерно 325000 и показатель текучести расплава примерно 1,5 г/10 мин, и 20% ударопрочного полистирола, содержащего 8,5% каучука по отношению к массе полистирола и имеющего средневесовую молекулярную массу 165000, низкий показатель текучести расплава 6,7 г/10 мин и размеры частиц каучука 0,2 мкм и 1,8 мкм. Соотношение мелких частиц к крупным частицам равняется 87/13. Вспенивающим агентом, используемым в количестве 4,8 мас.% по отношению к общей массе, является хлордифторметан (HCFC-22). Дополнительно в качестве наполнителя добавляется 0,9% талька.

Лист пенопласта является 0,135 - 0,140 дюймов (3,43 - 3,56 мм) толщиной с размером ячейки 0,18 мм и плотностью 6 фунтов/фут³ (0,10 г/см³). На одну главную поверхность листа пенопласта экструзией наносится расплавленный ударопрочный полистирол с образованием пленки. В ударопрочном полистироле содержится 8% каучука по отношению к массе полистирола с размером частиц каучука 2,8 мкм, и средневесовая молекулярная масса ударопрочного полистирола равняется 170000, а показатель текучести расплава 8,5 г/10 мин. Экструдируется пленка трех толщин 0,006, 0,009 и 0,012 дюймов (0,15, 0,23 и 0,30 мм). Этот лист затем свертывается в рулоны и остается для хранения.

Затем до термоформования второй 0,006-дюймовый поверхностный слой того же ударнопрочного полистирола ламинируется на другую главную поверхность листа пенопласта, которая не является покрытой экструзией.

Из этих образцов термоформованием получают чашки на установке термоформования непрерывного действия, имеющей формующую пару пуансон и матрицу. Как можно видеть на продольном разрезе фиг. 3, формующая пара пуансон и матрица модифицируются для обеспечения вакуума как в пуансоне, так и в матрице для способствования формованию этого листа в чашку.

Было установлено, что важным элементом для успешного формования в соответствии со способом настоящего изобретения является специальная конструкция формующих пуансона и матрицы, а также материал конструкции. Распределение листового материала пенопласта по боковым стенкам формуемого изделия может регулироваться формой и материалом формующих элементов. Заметные различия в распределении материала обуславливаются различными материалами конструкции. Соответственно, конструкционный материал формующих элементов должен выбираться индивидуально в зависимости от формы формуемого изделия и желаемого распределения материала в формованном изделии. Соответствующими материалами являются, например, сталь, найлон, алюминий и синтактический пенопласт. Для данного изделия алюминий является предпочтительным конструкционным материалом формующих элементов. Должно быть понятно, что способ настоящего изобретения не ограничивается работой с одноместной формой, а также могут использоваться многоместные формы.

Формующая пара выполняется из пяти частей. Пуансон является целиковой частью. Матрица 50 имеет четыре части: верхнюю боковую стенку 70, кольцо (обойму) верхней боковой стенки 100, нижнюю боковую стенку 80 и выпуклое дно 60. Верхняя боковая стенка 50, нижняя боковая стенка 80 и выпуклое дно 60 скрепляются вместе четырьмя болтами 90. Кольцо (обойма) верхней боковой стенки привинчивается к верхней боковой стенке 70 тремя болтами 110, расположенными через равные промежутки.

Пуансон 10 имеет четыре расположенных через равные промежутки вакуумных отверстия 12 диаметром 0,020 дюйма (0,051 мм) в выпуклом дне, причем четыре отверстия образуют квадрат вокруг центральной торцевой точки центрального вакуумного канала 14 в пуансоне в точке наибольшего растяжения в матрице 50. Тридцать два дополнительных вакуумных отверстия 16 предусмотрены на самой верхней поверхности 17 в пуансоне относительно термоформуемого изделия, в данном случае края чашки. Такие два вакуумные отверстия 16 связаны с вакуумным каналом 18, который также связан с вакуумным каналом 14, тогда как другие тридцать вакуумных отверстий имеют канал диаметром около 0,12 дюйма, точной глубиной, достаточной для соединения с отверстиями, в противоположность полностью проходящими через пуансон, как вакуумный канал 18.

Матрица 60 имеет три вакуумных отверстия одного диаметра (0,020 дюйма), расположенных в центре 16 выпуклого дна 60 матрицы, с одним отверстием 62, расположенным в наивысшей выпуклой точке, и двумя другими отверстиями, предусмотренными слева и справа от центрального отверстия, отстоящего на небольшом расстоянии. Все три отверстия связаны с вакуумным каналом 63. Часть матрицы 70 также имеет восемнадцать расположенных через равные промежутки отверстия 77, каждое из которых соединяется с вакуумным каналом 78 диаметром около 0,12 дюйма. Имеется также восемнадцать дополнительных вакуумных отверстий 79, которые соединяют внутреннюю полость матрицы 70 с наружной средой. Кольцо верхней боковой стенки 100 имеет слегка больший размер, так чтобы получить достаточный зазор между верхней боковой стенкой матрицы 70 и кольцом верхней боковой стенки 100, так что вакуумные каналы 78 и вакуумные отверстия 79 являются доступными при понижении давления. В дне 80 матрицы 50 имеются тридцать два расположенных через равные промежутки вакуумные отверстия 84 диаметром 0,020 дюйма, которое соединены с кольцевой канавкой 86, которая является частью вакуумного канала 85. Кольцо 67 с отверстием примерно 0,025 дюйма соединяются с кольцевым вакуумным каналом 68 в выпуклом дне 60. Кольцевой вакуумный канал 68 и вакуумный канал 63 также находятся в соединении с расположенными через равные промежутки четырьмя вакуумными каналами 85. Кольцо обеспечивает полный кольцевой вакуум при термоформовании в противоположность отдельным и несоединенным вакуумным отверстиям в кольцевом образовании.

Зазор между пуансоном 10 и матрицей находится в пределах от примерно 0,01 до примерно 0,07 дюйма (0,25 - 1,78 мм).

Эта формующая пара затем целиком помещается в установку, которая может быть использована для снижения давления воздуха и получения частичного вакуума.

Удивительно, в формующих элементах настоящего изобретения вакуум имеется как выше (в пуансоне), так и ниже (в матрице) вспененного листа, который термоформуется, в противоположность только использованию вакуумная, способствующему растягиванию листа в матрице.

Лист пенопласта затем формуется в обычной многоместной установке термоформования, использующей ранее описанные специально сконструированные пуансон и матрицу.

Лист пенопласта сначала предварительно нагревается в зоне предварительного нагрева при температуре точки размягчения, так что он может быть термоформован в желаемую форму чашки.

Лист пенопласта протягивается через установку термоформования в зону положения формования и зажимается в положении на кольце верхней боковой стенки 100.

Пуансон и матрица затем сдвигаются вместе в конечное положение формования для растяжения листа на пуансоне и в полости матрицы.

Когда это достигается, давление снижается до 25 дюймов рт.ст. (85 кПа) при 60^oF (15,6^oC) с подачей вакуума к обеим сторонам листа пенопласта, когда он растягивается в конечном положении формования.

Затем окончательная конфигурация листа пенопласта фиксируется охлаждением. Охлаждение достигается тем, что формующие элементы, имеющие температуру ниже точки размягчения (температуру предварительного нагрева), остаются в конечном положении в течение времени, достаточного для снижения температуры листа пенопласта ниже точки размягчения.

Термоформованные чашки, полученные в Примерах, имеют степень вытяжки порядка примерно 1,25:1, общую толщину стенки около 0,044 дюйма (1,12 мм), а также следующие размеры: Высота - 3,45 дюйма (87,6 мм) Наружный диаметр верхней части - 2,75 дюйма (69,8 мм) Наружный диаметр дна - 2,00 дюйма (50,8 мм)
Из образца листа пенопласта с 0,009-дюймовым экструзионным покрытием и 0,006-дюймовой оболочкой в сопряжении с пенопластом получают 9-унцовую чашку, имеющую приемлемую прочность стенки. На фиг. 4 представлен продольный разрез этой чашки. Представленное на фиг. 5 крупным планом поперечное сечение боковой стенки показывает 0,009-дюймовое экструзионное покрытие наружной стенки 22 и 0,006-дюймовый ламинированный слой внутренней стенки 24, а также вспененный слой 26.

Проводят испытания путем приложения усилия к горизонтальной боковой стенке чашки на расстоянии 1/3 по высоте от верха чашки до кольца на установке для испытания на сжатие со скоростью 10 дюймов/мин (250 мм/мин). Чашка должна выдерживаться на месте горизонтально с боковой стенкой чашки, помещенной между фиксированным элементом и подвижным элементом, которые оба являются большими, чем диаметр чашки по ободку, и имеют цилиндрическую поверхность с радиусом не менее 3,2 мм, которая соприкасается с боковой стенкой чашки. Затем берется значение в первой полученной точке, т.е. в точке, при которой значение снижается или остается таким же для увеличения прогибания боковой стенки. Это испытание предназначается для имитации поведения чашки, когда пользователь держит ее.

Пример 1 является примером настоящего изобретения и описывается ранее как пример с 0,009-дюймовым экструзионным покрытием и 0,006-дюймовым ламинированным покрытием.

Сравнительным примером является чашка из вспененного гранулированного материала. Обычно такие чашки получаются формованием вспененных гранул в форму чашки.

Пример 1 - 0,71 фунтов (0,32 кг)
Сравнительный пример - 0,45 фунтов (0,2 кг)
Предпочтительно, Пример 1 настоящего изобретения имеет завальцованный ободок, как принято в технике, который увеличивает усилие, необходимое для прогибания боковой стенки. Однако, даже без завальцованного ободка Пример 1 требует большего усилия для прогибания боковой стенки, чем чашка из вспененных гранул (Сравнительный пример), что указывает на то, что вспененная чашка настоящего изобретения имеет лучшую устойчивость к раздавливанию, чем Сравнительный пример. Таким образом, человеку трудно сдавить стенки чашки вместе, когда он держит чашку настоящего изобретения.

В другом испытании к наружной боковой стенке обычной бумажной чашки и вспененной чашки настоящего изобретения присоединяются термопары. Когда температура на наружной стенке перестает подниматься, температура обычной бумажной чашки составляет 174^oF (79^oC) против 156^oF (69^oC) для чашки настоящего изобретения. Разница в температуре наружной стенки является значительной, когда человек держит каждую чашку.

В другой серии Примеров получают лист пенопласта, подобный предыдущим примерам, без каких-либо покрытий или ламинирования и также термоформуют в чашки, имеющие степень вытяжки более 1:1.

Необходимо понимать, что вышеприведенное описание является только иллюстрацией предпочтительных вариантов изобретения, многие модификации которых могут быть сделаны специалистами в объеме последующей формулы изобретения без отхода от духа изобретения.

Формула изобретения

1. Вспененный лист полистирола, содержащий полистирольный полимер, включающий 1 - 15 мас.% каучукового компонента по отношению к массе полистирола, отличающийся тем, что каучуковый компонент имеет большую часть частиц размером менее 0,45 мкм, а вспененный лист имеет плотность от 0,04 до 0,16 г/см³ и толщину 0,4 - 6,5 мм.

2. Лист по п.1. отличающийся тем, что он содержит каучуковый компонент в количестве от 1 до 10 мас.%.

3. Лист по п.1. отличающийся тем, что он содержит каучуковый компонент в количестве от 1 до 5 мас.%.

4. Лист по п. 1, отличающийся тем, что он содержит 0,005 - 1,4 мас.% наполнителя.

5. Лист по п. 1, отличающийся тем, что он содержит 0,005 - 0,9 мас.% наполнителя.

6. Лист по п.1, отличающийся тем, что он имеет по меньшей мере на одной поверхности невспененную пленку.

7. Лист по п.1, отличающийся тем, что он имеет невспененную пленку на обеих поверхностях.

8. Лист по пп. 6 и 7, отличающийся тем, что невспененная пленка имеет толщину 5 - 600 мкм.

9. Лист по пп.6 и 7, отличающийся тем, что невспененная пленка выполнена из полистирола, полиэтилена, ударопрочного полистирола, полипропилена или полиэтилентерефталата.

10. Способ термоформования глубоко вытянутых изделий из вспененного термопласта, включающий предварительный нагрев листа исходного материала из термопластичного пенопласта, зажимание нагретого листа в фиксированном положении между пуансоном и матрицей, относительное перемещение пуансона и матрицы в конечную позицию формования для растяжения листа, создание вакуума через матрицу с одной из сторон вспененного листа во время перемещения пуансона и матрицы в конечную позицию формования и охлаждение материала для фиксации конечной формы, отличающийся тем, что в качестве исходного материала используют термопластичный пенопласт, содержащий 1 - 15 мас.% каучукового компонента, имеющего большую часть частиц размером менее 0,45 мкм, причем вспененный лист имеет плотность 0,04 - 0,16 г/см³ и толщину 0,4 - 6,5 мм, а при относительном перемещении пуансона и матрицы в конечную позицию формования вакуум создают также со второй стороны вспененного листа через пуансон.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что степень вытяжки листа превышает 1.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что лист имеет по меньшей мере на одной поверхности невспененную пленку.

13. Способ по п.10, отличающийся тем, что лист имеет невспененную пленку на обеих поверхностях.

14. Способ по пп.12 и 13, отличающийся тем, что невспененная пленка имеет толщину 5 - 600 мкм.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что невспененная пленка выполнена из полистирола, полиэтилена, ударопрочного полистирола, полипропилена или полиэтилентерефталата.

16. Глубоко вытянутое изделие, выполненное из вспененного листа термопласта путем предварительного нагрева листа исходного материала из термопластичного пенопласта, зажимания нагретого листа в фиксированном положении между пуансоном и матрицей, относительного перемещения пуансона и матрицы в конечную позицию формования для растяжения листа, создания вакуума через матрицу с одной из сторон вспененного листа во время перемещения пуансона и матрицы в конечную позицию формования и охлаждения материала, отличающееся тем, что в качестве исходного материала для изготовления изделия использован термопластичный пенопласт, содержащий 1 - 15 мас.% каучукового компонента, имеющего большую часть частиц размером менее 0,45 мкм, причем вспененный лист имеет плотность 0,04 - 0,16 г/см³ и толщину 0,4 - 6,5 мм, а при относительном перемещении пуансона и матрицы в конечную позицию формования использовано создание вакуума также со второй стороны вспененного листа через пуансон.

17. Глубоко вытянутое изделие, выполненное из вспененного листа полистирола, содержащего полистирольный полимер, включающий 1 - 15 мас.% каучукового компонента по отношению к массе полистирола, отличающееся тем, что каучуковый компонент имеет большую часть частиц размером менее 0,45 мкм, а вспененный лист имеет плотность от 0,04 до 0,16 г/см³ и толщину 0,4 - 6,5 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 18.06.2006

Извещение опубликовано: 20.12.2007        БИ: 35/2007

---