Моновиниловые ароматические полимеры, нагреваемые микроволновым излучением
Изобретение относится к формованию из расплава полимеров и касается моновиниловых ароматических полимеров, нагреваемых микроволновым излучением. Описан способ для формования из расплава полимера моновинилового ароматического соединения, такого как стирол. Способ включает в себя нагревание полимера моновинилового ароматического соединения в объеме посредством энергии микроволнового излучения, в котором полимер моновинилового ароматического соединения включает в себя: дисперсную каучуковую фазу; и непрерывную поли(моновинилароматическую) фазу, содержащую до 49% по весу от акрилатного сомономера и винилцианидного сомономера. Изобретение обеспечивает создание ударопрочных полистиролов, которые могут обрабатываться с применением устройства микроволнового нагревания. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 ил.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Область техники, к которой относится изобретение
Раскрытые в данном документе варианты осуществления относятся, в общем, к формованию из расплава полимеров моновиниловых ароматических соединений и каучука, модифицированного полимерами моновиниловых ароматических соединений. В более конкретном аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к формованию из расплава ударопрочных полистирольных композиций, нагреваемых микроволновым излучением.
Уровень техники
Полистирол является одним из наиболее распространенных полимеров в промышленном производстве на сегодняшний день. Немодифицированный полистирол вполне пригоден для применений, где допустима его хрупкость. Конструкционные пластики используются в применениях, где требуется ударопрочность, но такие полимеры часто оказываются дорогостоящими и имеют свойства, отличные от ударопрочности, что делает их непригодными для оптимального выбора. Поэтому были исследованы сополимеры на основе стирола и, в частности, полистирольные каучуки, которые модифицированы частицами каучука, для использования в применениях, требующих уменьшенной хрупкости. Модификация полистирола для снижения хрупкости часто относится к увеличению его ударопрочных свойств, и таким образом, считается, что модифицированный полистирол обладает более высокой ударопрочностью.
Эти ударопрочные полистирольные каучуки, обычно упоминаемые в сокращении HIPS, являются известными для применения в области техники изготовления изделий из полимеров, в которой применение для изделий требует меньшей хрупкости, чем немодифицированный полистирол. Например, публикация США T59011, зарегистрированная на имя Smith, раскрывает, что ударопрочный полимер может быть изготовлен смешиванием 15-50 частей модифицирующей добавки, увеличивающей ударопрочность, с 85-50 частями чистого кристаллического полистирола. Такие материалы описываются для возможностей использования при упаковывании.
Другой способ изготовления HIPS заключается сначала в растворении каучука в стирольном мономере и затем в полимеризации мономера. Такие полимеры описаны в патенте США № 6569941, зарегистрированном на имя Sosa и др. В нем изложено, что стирольный мономер, содержащий растворенный полибутадиеновый каучук, заливается в удлиненный реактор с мешалкой с восходящим потоком, содержащий три зоны реакции, в котором стирольный мономер полимеризуется для образования HIPS.
Желательно, чтобы в HIPS полистирол представлял собой непрерывную фазу, включающую в себя дисперсную фазу частиц каучука. Размер и распределение частиц каучука в непрерывной полистирольной фазе может влиять на свойства HIPS. В смесях полистирола с другими материалами также часто оказывается важным распределение дисперсной фазы в непрерывной полистирольной фазе.
Избыточная термообработка, примененная к композиции HIPS, может приводить к дополнительному сшиванию каучуковой фазы. История термообработки может быть применена, например, посредством выпаривания HIPS во время изготовления, компаундирования, экструзии или другой обработки HIPS при повышенных температурах. Результирующее сшивание дисперсной каучуковой фазы может приводить к повышенной хрупкости каучука и соответствующему снижению ударопрочности полимера.
JP 2001-191461 раскрывает каучук, модифицированный стирольным полимером, полученным полимеризацией мономерной смеси, основанной на стирольном мономере и метакрилатном эфирном мономере в присутствии каучукового эластомера. Композиция может быть использована для приготовления многослойных пластиковых пленок, сшивающихся при нагревании, имеющих достаточную прозрачность и ударопрочность. Патент США № 4782127, который включен в данный документ посредством ссылки, раскрывает применение эфира акриловой кислоты такого, как н-бутилакрилат, для улучшения свойств текучести расплава полистирола.
Как раскрыто в заявках РСТ №№ РСТ/US2007/012821, PCT/US2007/012822 и PCT/US2007/012817 и предварительной заявке на патент США серийный № 60/932790, каждая из которых включена в данный документ посредством ссылки, микроволновое нагревание полимеров может уменьшить продолжительности циклов, нагревание в объеме посредством микроволнового излучения может исключить необходимость "поверхностного" или "контактного" нагревания и, следовательно, может исключить потенциально вредное влияние высокой температуры поверхности полимера такое, как выцветание, дефекты поверхности и, среди прочего, неоднородность глянца. Нагревание в объеме также может исключить нежелательный градиент температуры по толщине листа такой, который может обычно возникать при лучистом нагревании полистирольного листа во время процесса термофомования.
К сожалению, полистирол и ударопрочный полистирол являются невосприимчивыми к микроволновому нагреванию, поскольку они не имеют каких-либо функциональных групп, которые будут поглощать энергию микроволнового излучения (т.е. полистирол прозрачен для микроволнового излучения). Добавки, восприимчивые к микроволновому излучению, такие как цеолит или вода, могут быть использованы, чтобы сделать полистирольную матрицу восприимчивой к микроволнам; однако это требует дополнительной стадии компаундирования, добавляющего нежелательную историю термообработки к каучуковой фазе, и эти соединения могут влиять на прозрачность и механические свойства HIPS. Эти компаундирующие добавки могут быть дорогостоящими, а компаундирование также дополнительно увеличивает себестоимость полученного полистирола.
Следовательно, существует необходимость создания ударопрочных полистиролов, которые могут обрабатываться с применением устройства микроволнового нагревания.
Сущность изобретения
В одном аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу для формования из расплава полимера моновинилового ароматического соединения. Способ может включать в себя нагревание полимера моновинилового ароматического соединения в объеме с применением энергии микроволнового излучения, в котором полимер моновинилароматического соединения содержит: дисперсную каучуковую фазу; и непрерывную поли(моновинилароматическую) фазу, содержащую до 49 процентов по весу, по меньшей мере, одного из: акрилатного сомономера и винилцианидного сомономера.
В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу формования из расплава ударопрочного полистирола. Способ может включать в себя нагревание ударопрочного полистирола в объеме посредством энергии микроволнового излучения, причем ударопрочный полистирол содержит дисперсную каучуковую фазу и непрерывную стирольную фазу, содержащую до 49 процентов по весу, по меньшей мере, от одного из акрилатного сомономера и винилцианидного сомономера.
В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу для изготовления изделия. Способ может включать в себя А) нагревание ударопрочного полистирола в объеме посредством энергии микроволнового излучения, в котором ударопрочный полистирол содержит дисперсную каучуковую фазу и непрерывную стирольную фазу, содержащую до 49 процентов по весу, по меньшей мере, от одного из акрилатного сомономера и винилцианидного сомономера; и В) обработку нагреваемого ударопрочного полистирола для формования изделия.
В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу для изготовления изделия. Способ включает в себя размещение ударопрочного полистирола в виде слоя в многослойном композите, имеющем один или более слоев, невосприимчивых к энергии микроволнового излучения, в котором ударопрочный полистирол включает в себя дисперсную каучуковую фазу и непрерывную стирольную фазу, содержащую до 49 процентов по весу, по меньшей мере, от одного из акрилатного сомономера и винилцианидного сомономера; нагревание ударопрочного полистирола в объеме с применением энергии микроволнового излучения; и обработку композита для формования изделия.
Другие аспекты и преимущества будут очевидны из приведенного ниже описания и приложенной формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает вариант осуществления устройства для нагревания микроволновым излучением, используемым в сочетании с пресс-формой для формования термоформованных деталей.
Фиг.2а и 2b изображают многослойные листы, формованные с использованием, по меньшей мере, одного слоя моновиниловых ароматических соединений, нагреваемых микроволновым излучением, описанных в данном документе.
Фиг.3 представляет собой графическую иллюстрацию микроволнового нагревания согласно вариантам осуществления моновиниловых ароматических соединений в соответствии с вариантами осуществления, описанными в данном документе, в сравнении с обычным полистиролом.
Подробное описание изобретения
В одном аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к формованию из расплава полимеров моновиниловых ароматических соединений и полимеров, модифицированных каучуком. В более конкретном аспекте варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся к формованию из расплава ударопрочных полистирольных композиций. Более конкретно варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся к формованию из расплава ударопрочного полистирола, при котором полимер нагревается энергией микроволнового излучения.
Другие варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся к формованию полистирола и ударопрочных полистирольных композиций, которые являются восприимчивыми к энергии микроволнового излучения. Полистиролы, нагреваемые микроволновым излучением, согласно вариантам осуществления, описанным в данном документе, могут быть образованы сополимеризацией стирола с восприимчивым к микроволновому излучению сомономером. Например, стирол может быть сополимеризован с акрилатами и/или винилцианидами для образования полистирольных композиций, нагреваемых микроволновым излучением. В других вариантах осуществления стирол может быть сополимеризован с акрилатом или сомономером винилцианида в присутствии эластомера для образования ударопрочной полистирольной композиции, нагреваемой микроволновым излучением.
По сравнению с альтернативными способами нагревания, такими как лучистый, конвекционный, контактный нагрев, применение энергии микроволнового излучения может приводить к очень быстрому нагреванию в объеме. Применение энергии микроволнового излучения может устранить два фундаментальных ограничения обычных нагревательных систем: зависимость от теплопроводности полимера при передаче тепловой энергии с поверхности детали; и максимально допустимую температуру поверхности полимера, которая, в свою очередь, определяет максимальное внешнее воздействие при соответствующей температуре. Дополнительно, в отношении полистиролов, модифицированных каучуком, нагревание в объеме, полученное посредством микроволн, может уменьшить историю термообработки и сшивание дисперсной каучуковой фазы. Нагревание в объеме может, таким образом, позволить уменьшить время нагревания листа и коробление листа, что приводит к увеличению производительности и уменьшению доли брака.
Устройства микроволнового нагревания, используемые в вариантах осуществления, описанных в данном документе, раскрыты в заявках РСТ №№ PCT/US2007/012821, PCT/US2007/012822 и PCT/US2007/012817 и предварительной заявке на патент США серийный № 60/932790, каждая из которых включена в данный документ посредством ссылки, включающая в себя микроволновое устройство, имеющее множество объемных резонаторов. Дополнительно в них описаны устройства микроволнового нагревания, функционально связанные с устройством формования из расплава, такого как термическое устройство для формования.
Одно такое устройство для микроволнового нагревания и термоформования изображено на фиг.2. Термоформующее устройство 30 может включать в себя стадию 31 подачи, стадию 32 нагрева и стадию 33 формования, каждая из которых может регулироваться и/или приводиться посредством электропроводки от шкафа 34 электрооборудования, который может включать в себя связь по линиям электропередач (PLC) и посредством автоматизированной системы управления технологическими процессами (DCS). Полимерные листы или листовые заготовки 35 могут периодически подаваться на стадию 32 нагрева, используя приводной ремень 36 для перемещения полимерных листов или листовых заготовок 35. После загрузки на стадию 32 нагрева устройство 37 микроволнового нагревания может быть использовано для того, чтобы подвергать полимерные листы или листовые заготовки 35 воздействию энергии микроволнового излучения, причем устройство 37 микроволнового нагревания может включать в себя оборудование, описанное выше (микроволновые генераторы, настроечные устройства, рычаги, волноводы и др.). После нагревания полимерные листы или листовые заготовки 35 могут быть перемещены на стадию 33 формования. Во время перемещения на стадию 33 формования инфракрасная камера 38 или другое устройство может быть использовано для мониторинга температуры полимерного листа 35, для обеспечения того, что полимерный лист 35 имеет необходимую температуру и профиль температуры, и может также использоваться для управления устройства 37 микроволнового нагревания. После загрузки на стадии 33 термоформования полимерный лист 35 может быть отформован с использованием пресс-формы 39, при этом формуется необходимая конфигурация или деталь.
В качестве одного примера листовой экструзии в многослойный лист может быть введен слой, чувствительный к микроволновому излучению. Например, на фиг.2а проиллюстрирован один вариант осуществления многослойного листа, включающий в себя слой, чувствительный к микроволновому излучению. Слой В, чувствительный к микроволновому излучению, может образовывать внутренний слой, ограниченный внешними слоями А, не чувствительными к микроволновому нагреванию. Введение внутреннего чувствительного к микроволновому излучению слоя может облегчить последующую обработку листа, такую как во время термоформования. В некоторых вариантах осуществления термоформование листов может быть облегчено за счет применения полимера, селективно чувствительного к микроволнам, позволяющего термоформование толстого листа, селективную способность к вытяжке и быстрое однородное нагревание листа.
Хотя на фиг.2а изображен трехслойный лист, в других вариантах осуществления чувствительный к микроволновому излучению полимер может образовывать участок или участки внутри полимерной структуры. Например, чувствительный к микроволновому излучению полимер может образовывать дисперсный слой в листе, имеющем два или более слоев. В других вариантах осуществления чувствительный к микроволновому излучению полимер может образовывать конкретные участки или большую структуру, позволяющую селективное нагревание этих областей для дальнейшей обработки. В других вариантах осуществления чувствительный к микроволновому излучению полимер может образовывать одну сторону структуры расположенных рядом волокон. В других вариантах осуществления чувствительный к микроволновому излучению полимер может образовывать внутренний слой или оболочку волокнистой структуры ядро/оболочка. Как показано на фиг.2b, различные слои композиций, нагреваемые микроволновым излучением, которые могут иметь схожие или различные свойства восприятия микроволнового излучения, могут образовывать многослойный лист для обеспечения необходимых нагревательных характеристик. Как показано, слои А и С могут быть невосприимчивыми для микроволнового излучения, в то время как слои В являются восприимчивыми к микроволновому излучению. В других вариантах осуществления для достижения необходимых нагревательных характеристик слои А и С могут быть восприимчивыми для микроволнового излучения, в то время как слои В являются невосприимчивыми к микроволновому излучению.
Микроволновое нагревание может быть использовано, например, для нагревания листов, многослойных листов, предварительно нарезанных листов, листовых заготовок, формовых листовых заготовок или брикетов, которые могут быть использованы соответствующим образом для процессов термоформования, литья под давлением и компрессионного формования. В некоторых вариантах осуществления листы, многослойные листы, листовые заготовки, формовые листовые заготовки или брикеты, выполненные из полимеров, нагреваемых микроволновым излучением, могут иметь толщины, изменяющиеся в пределах до 30 см, 50 см или более в некоторых вариантах осуществления; от 0,01 мм до 10 см в других вариантах осуществления; от 0,1 мм до 7,5 см в других вариантах осуществления; и от 0,25 мм до 5 см в других вариантах осуществления. В некоторых вариантах осуществления полистирольные композиции, нагреваемые микроволновым излучением, описанные в данном документе, могут быть использованы в применениях пенополистирола, имеющего толщину, изменяющуюся до 30 см, 50 см или более. В других вариантах осуществления, таких как применения "толстого листа", листы могут иметь толщину до 15 см; до 10 см в других вариантах осуществления; до 5 см в других вариантах осуществления; и до 2,5 см в других вариантах осуществления. Листы, обрабатываемые в вариантах осуществления, раскрытых в данном документе, могут иметь ширину 3,048 м (10 футов) или более; 2,4384 м (8 футов) или более в других вариантах осуществления; 1,8288 м (6 футов) или более в других вариантах осуществления; 1,2192 м (4 фута) или более в других вариантах осуществления; и 60,96 см (2 фута) или более в других вариантах осуществления. Соотношение сторон листа, который может быть обработан, может изменяться в интервале от 1 до 5000 в некоторых вариантах осуществления, в которых соотношение сторон определяется как средняя ширина, деленная на среднюю толщину. В других вариантах осуществления соотношение сторон может изменяться в интервале от 10 до 2500; от 50 до 1000 в других вариантах осуществления; и от 100 до 500 в других вариантах осуществления.
Для вышеописанных толщины, ширины и соотношений сторон длина нагреваемого материала может быть любой необходимой длины. Например, длина может зависеть от того, сконфигурированы ли последующие по ходу процессы для обработки непрерывного листа, такого как из рулона, или сконфигурированы для обработки материала конечной длины, такого как предварительно нарезанные листы, листовые заготовки, формовые листовые заготовки или брикеты. Следовательно, длина может изменяться от нескольких сантиметров до бесконечной длины.
Как обсуждалось выше, полистиролы обычно являются прозрачными для энергии микроволнового излучения. Как раскрыто в данном описании, полистирол и ударопрочный полистирол может быть модифицирован так, что непрерывная полистирольная фаза может нагреваться посредством микроволновой энергии. Поэтому полученный чувствительный к микроволновому излучению полистирол может быть нагрет с применением энергии микроволнового излучения, вместо или в сочетании с лучистым, конвекционным или контактным нагревом. Нагретый полистирол может затем подвергаться обработке, такой как смешивание, перемещение, профилирование, штамповка, литье, формование, литье под давлением, экструдирование или использован иным образом в первичном процессе преобразования или вторичном процессе изготовления для формования изделий.
Композиции, нагреваемые микроволновым излучением, раскрытые в данном описании, могут включать термопластичные композиции, содержащие полимер моновинилового ароматического соединения, который был модифицирован эластомером или каучуком. Эти термопластичные композиции могут быть получены полимеризацией моновинилового ароматического соединения в присутствии акрилата или винилцианидного сомономера, одного или более инициаторов полимеризации и эластомера.
Ударопрочные полимеры могут быть изготовлены в соответствии с обычными процессами, обеспечивающими использование вышеупомянутых составов. Обычные процессы изготовления включают в себя масс-полимеризацию и полимеризацию в растворе такую, как раскрытая в патенте США № 2694692, или масс-полимеризацию в суспензии такую, как раскрытая в патенте США № 2862906. Также могут быть использованы другие процессы изготовления, при условии, что данные процессы допускают использование вышеупомянутых составляющих, включающих в себя обычный способ, такой как полимеризация в суспензии, эмульсионная полимеризация, полимеризация в массе и полимеризация в растворе. Также в отношении типа реакции может быть использована любая из: радикальная полимеризация, анионная полимеризация и катионная полимеризация.
Ударопрочный полистирол, нагреваемый микроволновым излучением (MW-HIPS), изготовленный согласно вариантам осуществления, раскрытым в данном описании, может быть изготовлен полимеризацией моновинилового ароматического соединения и акрилатного или винилцианидного сомономера в присутствии каучука.
Моновиниловые ароматические гомополимеры и сополимеры (отдельно и в совокупности упоминаются как "полимеры" или "сополимеры") производятся путем полимеризации моновиниловых ароматических мономеров таких, как раскрытые в патентах США №№ 4666987, 4572819 и 4585825. Моновиниловые ароматические мономеры, пригодные для производства полимеров и сомономеров, используемых на практике этого изобретения, предпочтительно имеют следующую формулу:
в которой R' представляет собой водород или метил, Ar представляет собой ароматическую кольцевую структуру, имеющую от 1 до 3 ароматических колец, замещенных или незамещенных алкилом, галогеном или галогеналкилом, где любая алкильная группа содержит 1-6 атомов углерода и галогеналкил относится к галогензамещенной алкильной группе. Предпочтительно Ar является фенилом или алкилфенилом (в котором алкильная группа фенильного кольца содержит 1-10, предпочтительно 1-8 и более предпочтительно 1-4, атомов углерода), при этом фенил является наиболее предпочтительным. Обычно моновинилароматические мономеры, которые могут быть использованы, включают в себя: стирол, альфа-метилстирол, все изомеры винилтолуола, особенно пара-винилтолуола, все изомеры этилстирола, пропилстирола, винилбифенила, винилнафталина, винилантрацена и тому подобное, и их смесей, при этом стирол является наиболее предпочтительным. Моновиниловые ароматические соединения могут быть использованы отдельно или в виде смесей. В одном частном варианте осуществления моновиниловым ароматическим соединением является стирол.
Конкретный каучук, используемый в настоящем изобретении, может быть одним из нескольких типов, например, типа реализуемого Firestone и называемого Diene 55, имеющего вязкость по Муни приблизительно 55, величину молекулярного веса приблизительно 150000, средневесовой молекулярный вес приблизительно 300000 и Z-средний молекулярный вес приблизительно 500000, как измеренные посредством гель-проникающей технологии. Другой тип предпочтительного каучукового материала включает в себя каучуки с высоким содержанием цис-звеньев. Другие каучуковые соединения, которые могут быть использованы, включают в себя сополимеры бутадиена и стирола. Количество каучука, используемого в некоторых вариантах осуществления, может изменяться в пределах от приблизительно 2 до приблизительно 25 процентов по весу, исходя из полного веса полимера; от приблизительно 3 до приблизительно 20 процентов по весу в других вариантах осуществления; и от приблизительно 4 до приблизительно 15 процентов по весу в других вариантах осуществления.
Акрилатные сомономеры могут включать в себя метилакрилат, этилакрилат, изобутилакрилат, н-бутилакрилат, метил(мет)акрилат, их глицедиловые аналоги и другие акрилаты, известные в данной области техники. Винилцианидные сомономеры могут включать в себя акрилонитрил и метакрилонитрил, среди прочих, известных в данной области техники. Такие сомономеры могут быть использованы в количестве до приблизительно 49 процентов по весу в некоторых вариантах осуществления; до 25 процентов по весу в других вариантах осуществления; до 15 процентов по весу в других вариантах осуществления; до приблизительно 10 процентов по весу в других вариантах осуществления; и до приблизительно 5 процентов по весу в других вариантах осуществления.
Полимеризация может быть проведена обычным способом посредством полимеризации в массе, полимеризации в растворе или полимеризации в водной дисперсии, при этом каучук сначала растворяется в полимеризуемом мономере и акрилатном и/или винилцианидном сомономере и затем этот раствор подвергается полимеризации в присутствии подходящего инициатора или комбинации инициаторов. Хотя условия термической (инициированной теплом) полимеризации являются предпочтительными, также возможно использовать низкое содержание инициаторов полимеризации, выбранных из известных инициаторов, включающих в себя перекисный инициатор, включающий в себя перэфиры, например трет-бутиловый пероксибензоат, трет-бутиловый пероксиацетат, дибензоилпероксид и дилаурилпероксид, перкетали, например 1,1-бис-трет-бутиловый пероксициклогексан, 1,1-бис-трет-бутиловый перокси-3,3,5-триметилциклогексан и дикумиловый пероксид и перкарбонаты; и технологии фотохимической инициации. Эти инициаторы могут быть использованы в диапазоне концентраций в зависимости от различных факторов, включающих в себя использование конкретного инициатора, необходимое содержание привитых полимеров и условия, при которых проводится масс-полимеризация. Если применимо, от приблизительно 50 до приблизительно 300, предпочтительно от приблизительно 100 до приблизительно 200, весовых частей инициатора используется на миллион весовых частей мономера.
Инертные разбавители, которые могут быть использованы во время процесса полимеризации, могут включать в себя ароматические гидрокарбоны или смеси ароматических углеводородов, таких как толуол, этилбензол, ксилены или смеси этих соединений. Подходящие агенты передачи цепи, например меркаптаны или димер альфа-метилстирола, могут также быть добавлены для регулирования молекулярного веса полимера и размера частиц каучука. Кроме того, смазки, такие как минеральное масло, олефиновые синтетические масла и полиизобутилен, также могут быть добавлены.
Акрилат или винилцианид, модифицированный полимером моновинилового ароматического соединения, может быть нагрет посредством энергии микроволнового излучения. Тогда эффективное преобразование термопластичных материалов с использованием электромагнитной энергии может быть осуществлено посредством нагревания, по меньшей мере, участка объема термопластичного материала, причем данный участок является достаточным для того, чтобы сделать материал обрабатываемым в последующей технологии формования. Как использовано здесь, "обрабатываемый" обозначает обеспечение достаточного расплавленного состояния или размягченности, по меньшей мере, участка термопластика для того, чтобы основная масса пластика подвергалась смешиванию, перемещению, формованию, штамповке, литью, экструдированию и т.д., для формования продукта. Нагревание термопластичной подложки может быть достигнуто путем подвергания термопластика воздействию энергии электромагнитного излучения такого, как микроволны, которое имеет способность проникать через весь объем подложки и предпочтительно поглощаться в областях, чувствительных к микроволновому излучению.
За счет применения микроволнового излучения тепло может генерироваться локально в заданной области объема, основной массы или части полимерного образца. Таким образом, количество приложенной энергии может тщательно регулироваться и концентрироваться, поскольку другие области могут состоять из непоглощающих материалов, которые являются прозрачными к применяемому излучению. Например, акрилат, модифицированный полистирольным матриксом, может быть нагрет посредством энергии микроволнового излучения, и каучуковая фаза может быть прозрачна к энергии микроволнового излучения. Для материалов, которые являются восприимчивыми к микроволнам, энергия, используемая для генерации обрабатываемого термопластика, может быть уменьшена, продолжительности цикла укорочены и механические и другие свойства полученного материала могут быть приспособлены и оптимизированы для различных потребностей и применений.
Таким образом, электромагнитная энергия взаимодействует с подложкой или определенными областями подложки, температура которых будет возрастать при наличии электромагнитной энергии. Поскольку материал нагревается в объеме, материал может быть переведен в обрабатываемое состояние более быстро по сравнению с обычными нагревательными технологиями. Кроме того, поскольку материал может содержать меньше тепловой энергии, чем обеспечивалось бы обычно для нагревания материала во всем объеме посредством поверхностной проводимости (инфракрасное нагревание), это может составлять значительную экономию энергии. Например, инфракрасное нагревание приводит к значительным потерям энергии в окружающей среде и требует, чтобы поверхностная температура детали была значительно выше, чем необходимая температура в объеме для осуществления приемлемой скорости передачи тепла с поверхности детали к внутренней части детали и повышению температуры внутренней части до величины, требуемой для обработки. Наоборот, микроволновое нагревание, которое обуславливает температуру восприимчивого к микроволнам полимера для быстрого нагрева в объеме до температуры обработки, может приводить к значительно более низкой температуре поверхности полимера. Микроволновое нагревание также может обеспечивать снижение тенденции потери энергии из системы, передавая энергию в основном туда, где она необходима, т.е. восприимчивому к микроволнам полимеру. Микроволновое нагревание может также приводить к значительной экономии в продолжительности цикла для процесса преобразования. Время нагревания может быть уменьшено не только потому, что механизм микроволнового нагревания происходит быстро в объеме (в противоположность теплопроводности), но и потому, что запас полной энергии детали оказывается меньше. Период охлаждения также может быть уменьшен, поскольку ненагреваемые области материала эффективно действуют как теплоотводы для отведения теплоты от смежных нагретых областей, значительно увеличивая общую скорость охлаждения материала в объеме. Быстрое нагревание полимерного листа, достигаемое посредством микроволонового нагревания, например, может уменьшить коробление листа, улучшая процесс термоформования и распределение толщины формуемой детали.
Полимеры, нагреваемые микроволнами, описанные в данном документе, могут быть использованы во время первичного преобразования или вторичного процесса изготовления. Например, в некоторых вариантах осуществления полимеры, нагреваемые микроволнами, могут быть использованы во время изготовления полимерных изделий, включающих в себя пленки, пеноматериалы, профили, составные окатыши, волокна, тканые и нетканые материалы, отформованные детали, композиты, ламинаты или другие изделия, выполненные из одного или более полимерных материалов. В других вариантах осуществления полимеры, нагреваемые микроволнами, могут быть использованы в процессах преобразования, таких как листовая экструзия, соэкструзия, экструзия пенопласта, литье под давлением, формование пенопластов, формование с раздувом, литье под давлением с раздувом и ориентированием и, среди прочего, термоформование.
Нагревание объемной/непрерывной полистирольной фазы посредством энергии микроволнового излучения, как описано выше, может приводить к нагреванию путем теплопроводности дисперсной каучуковой фазы. Дисперсная каучуковая фаза может действовать как теполотвод, помогающий уменьшить времена всех циклов (особенно времени охлаждения).
Дополнительно, поскольку микроволновой нагрев приводит к уменьшению поверхностных температур по сравнению с обычной технологией нагревания, может быть обеспечена меньшая истории термообработки для каучуковой фазы. Доля подаваемого каучука обычно регулируется для получения необходимых свойств в формуемой детали с учетом истории термообработки, обеспеченной на протяжении всего цикла изготовления. Поскольку микроволновой нагрев может приводить к меньшей истории термообработки и потенциально меньшей хрупкости каучуковой фазы, это может сделать возможным использование составов HIPS, имеющих меньшее содержание каучука, приводя к конечному продукту, имеющему эквивалентные физические свойства при сравнении с продуктом, сформованным из нагреваемой обычным путем композиции HIPS.
Применения
Как описано выше, устройство для микроволнового нагревания, раскрытое в данном документе, может быть использовано для нагревания полимеров для последующей обработки, такой как смешивание, перемещение, профилирование, штамповка, литье, формование, литье под давлением, экструдирование или другая последующая обработка. В некоторых вариантах осуществления устройство для микроволнового нагревания, описанное в данном документе, может быть применимо в процессах термоформования толстых листов, таких как формование, например, облицовки холодильника. В других вариантах осуществления устройство для микроволнового нагревания, описанное в данном документе, может быть применимо для нагревания, связывания или обработки, например, уложенных связанных волокон. В других вариантах осуществления устройство для микроволнового нагревания, описанное в данном документе, может быть применимо для процессов формования с раздувом таких, как, например, дутьевое формование бутылок. В других вариантах осуществления устройство для микроволнового нагревания, раскрытое в данном документе, может быть использовано в приложениях, где обрабатываемый полимер не расплавляется полностью. Например, устройство для микроволнового нагревания может быть использовано для селективного нагревания выбранного участка полимера, проходящего через устройство, тем самым концентрируя тепловую энергию только на том участке, который подлежит последующей обработке, такой как процесс формования, литья или штамповки. Это может увеличивать конструктивную целостность материала, применяемого во время обработки, может уменьшить времена производственных циклов и может снизить затраты энергии, требуемые для обработки материала до желательной конфигурации.
В других вариантах осуществления устройство для микроволнового нагревания, раскрытое в данном документе, может быть использовано при обработке тисненых листов, включая термоформование тисненого листа. При обычном инфракрасном термоформовании подводимая теплота должна проходить через поверхность листа и часто ухудшает сохранение тисненой структуры или поверхностных деталей. Дополнительно к уменьшению времен производственных циклов, как описано выше, устройство для микроволнового нагревания может позволять усиленное закрепление тисненых структур во время обработки благодаря уменьшению энергии, обеспечиваемой для отпечатка на листе.
В других вариантах осуществления селективное нагревание может позволять использование восприимчивых к микроволнам слоев полимера, вставленных в промежутки с невосприимчивыми слоями. Восприимчивые к микроволнам примеси и невосприимчивые к микроволнам полимеры, используемые для формования таких слоистых материалов, описаны в заявках РСТ №№ PCT/US2007/012821, PCT/US2007/012822 и PCT/US2007/012817 и предварительной заявке на патент США серийный № 60/932790, каждая из которых включена в данный документ посредством ссылки. Слоистые полимеры могут предусматривать: обеспечение оптимального профиля температуры; использование импульсной микроволновой энергии во время обработки полимера; выборочное размещение излучателей микроволн, обеспечивающих нагревание конкретных областей детали; и другие проявления, которые могут обеспечивать предпочтительное или селективное нагревание благодаря восприимчивости к микроволнам одной или более термопластичных деталей или слоев.
ПРИМЕРЫ
Составы образцов производятся в непрерывном процессе, использующем три смесительных реактора, работающих последовательно. Каучуковый подаваемый раствор, этилбензол (ЕВ), стирол и остаток примесей подаются на первый реактор. Подаваемые композиции приведены в таблице 1 (стирол составляет баланс подаваемого материала). Композиция окончательного полимера вычисляется на основе подаваемой композиции и преобразования во время полимеризации.
|
Таблица 1
Подаваемые композиции образцов |
|||
| Подаваемая композиция | Образец 1 | Образец 2 | Сравнительный образец |
| % каучука (BL 6533T) | 4,8 | 6,8 | 4,8 |
| % EB | 10 | 10 | 10 |
| % н-бутилакрилата | 5 | 5 | 0 |
| % Irganox 1076 | 0,1 | 0,1 | 0,1 |
| Агент передачи цепи (миллионные доли) | 100 | 100 | 80 |
| Минеральное масло (%) | 0,5 | 0,5 | 2 |
Полимеризация продолжается до тех пор, пока не достигается 80% твердой фазы. Остаточный стирол и этилбензольный разбавитель выпариваются, и каучук сшивается в дегазирующем экструдере. Образцы экструдируются посредством матрицы и укладываются рулонами в листы необходимой толщины (1 мм).
Микроволновое нагревание
Листы, сформованные из образцов и сравнительного образца, нагреваются с использованием устройства для микроволнового нагревания, подобного изображенному на фиг.1. Применяются два способа проверки скорости нагревания для определения характеристик микроволнового нагревания образцов и сравнительного образца: статическое и динамическое нагревание. При статическом нагревании лист размещается внутри микроволнового устройства и рост температуры листа отслеживается посредством инфракрасного датчика температуры. При каждой настройке мощности скорость нагревания определяется и регулируется как функция приложенной мощности. Очевидно, что скорость нагревания н-бутил акрилата, модифицированного HIPS, в четыре раза выше, чем в случае с неподифицированным HIPS, как показано на фиг.3.
При динамическом нагревании листы подаются в устройство для микроволнового нагревания со скоростью 10 мм/с и потребляемая мощность для микроволнового генератора составляет 1200 Вт. Результаты для динамического микроволнового нагревания даны в таблице 2.
| Таблица 2 | ||||
| % по весу н-бутил акрилатного сырья | Скорость подачи (мм/с) | Мощность (Вт) | Достигаемая температура (°С) | |
| Образец | 5 | 10 | 120 | 105 |
| Сравнительный образец | 0 | 10 | 120 | 47 |
Нагревание ударопрочного полистирола с н-бутилакрилатным сомономером приводит к значительному увеличению поглощения энергии микроволнового излучения, как показано в различии температур, достигаемых образцом по сравнению со сравнительным образцом. Следовательно, введение минимального количества акрилатных сомономеров может предусматривать эффективное обеспечение восприимчивости к микроволновому излучению для ударопрочного полистирола.
Варианты осуществления, раскрытые в данном документе, могут обеспечивать быстрое нагревание в объеме термопластичного материала. Варианты осуществления также могут обеспечивать селективное нагревание дисперсных деталей термопластичной структуры, таких как отдельные слои в ламинированной или, например, соэкструдированной многослойной структуре. Относительно обработки полимера эта технология может предоставлять множество преимуществ для разработчиков и технологов, включая в себя селективное быстрое нагревание; снижение времен циклов нагревания/охлаждения (высокая скорость); высокий коэффициент полезного действия по энергии и другие преимущества использования для окружающей природной среды, такие как снижение излучения (как это имеет место в сухом и бездымном процессе) и увеличение рециркуляционной способности (путем обеспечения более широкого применения самоупрочняющихся компонентов однокомпонентного материала); сохранение свойств самоупрочняющихся деталей (снижение риска реверсии); увеличение производительности; улучшение качества и прочности детали; и сведение к минимуму термической деградации или сшивания каучуковой фазы в HIPS благодаря снижению времени термического процесса и, следовательно, термостабилизационные примеси могут быть уменьшены в составе полимера.
Преимущественно, варианты осуществления, раскрытые в данном документе, могут обеспечивать уменьшение времен нагревания, снижая общую продолжительность производственного цикла, и улучшение распределения толщины детали, таким образом, позволяя применение более тонкого листа и, следовательно, снижая стоимость обработки детали. Варианты осуществления, раскрытые в данном документе, также могут обеспечивать уменьшение времен охлаждения за счет применения селективного нагревания при введении "теплоотводов" в обрабатываемый материал. Кроме того, нагревание в объеме исключает необходимость "поверхностного" или "контактного" нагревания и поэтому устраняет потенциально вредные эффекты высоких температур поверхности полимера. Нагревание в объеме также исключает нежелательный температурный градиент по толщине листа. Варианты осуществления, раскрытые в данном документе, могут также предпочтительно обеспечивать улучшенную производительность благодаря уменьшенной общей продолжительности цикла и сниженной систематической потребности в энергии.
Хотя данное описание включает в себя ограниченное число вариантов осуществления, специалисты в данной области техники, понимающие преимущества этого описания, примут во внимание, что другие варианты осуществления могут быть изменены, что не выходит за рамки объема настоящего раскрытия. Следовательно, объем должен быть ограничен только приложенной формулой изобретения.
1. Способ для формования из расплава полимера моновинилароматического соединения, содержащий:
нагревание полимера моновинилароматического соединения в объеме с применением энергии микроволнового излучения, в котором полимер моновинилароматического соединения содержит:
дисперсную каучуковую фазу; и
непрерывную поли(моновинилароматическую) фазу, содержащую до 49 вес.%, по меньшей мере, одного из акрилатного сомономера и винилцианидного сомономера.
2. Способ по п.1, в котором
моновинилароматическое соединение содержит, по меньшей мере, один из стирола, альфа-метилстирола, этилстирола, винилбензола и винилтолуола;
дисперсная каучуковая фаза содержит, по меньшей мере, один из бутадиенового каучука и стирол-бутадиенового сополимера;
акрилатный сомономер содержит, по меньшей мере, один из метилакрилата, этилакрилата, изобутилакрилата, н-бутилакрилата и метилметакрилата; и
винилцианидный сомономер содержит, по меньшей мере, один из акрилонитрила и метакрилонитрила.
3. Способ по п.1, в котором моновинилароматическое соединение содержит стирол, и акрилатный сомономер содержит бутилакрилат.
4. Способ по п.2, дополнительно содержащий размещение полимера моновинилароматического соединения в виде слоя в многослойном композите, имеющем один или более слоев, невосприимчивых к энергии микроволнового излучения.
5. Способ по п.2, в котором моновинилароматическое соединение содержит стирол, и полимер моновинилароматического соединения дополнительно содержит, по меньшей мере, одно из полибутадиенового, олефинового синтетического масла и минерального масла.
6. Способ по п.2, в котором моновинилароматическое соединение содержит стирол, и нагревание содержит прохождение полимера моновинилароматического соединения через микроволновое энергетическое поле.
7. Способ по п.2, в котором моновинилароматическое соединение содержит стирол, и нагреваемый полимер моновинилароматического соединения изначально находится в виде, по меньшей мере, одного из листа, предварительно нарезанного листа, листовой заготовки, отформованной листовой заготовки и брикета, по меньшей мере, одного из листа, предварительно нарезанного листа, листовой заготовки, отформованной листовой заготовки и брикета, имеющего, по меньшей мере, толщину в диапазоне от приблизительно 0,01 мм до приблизительно 50 см и ширину, по меньшей мере, 51 см (2 фута).
8. Способ изготовления изделия, содержащий:
нагревание ударопрочного полистирола в объеме посредством энергии микроволнового излучения,
в котором ударопрочный полистирол содержит:
дисперсную каучуковую фазу; и
непрерывную стирольную фазу, содержащую до 49 вес.%, по меньшей мере, от одного из акрилатного сомономера и винилцианидного сомономера; и
обработку нагреваемого ударопрочного полистирола для формования изделия.
9. Способ по п.8, в котором обработка содержит, по меньшей мере, одно из термоформования, смешивания, перемещения, профилирования, штамповки, литья, формования, литья под давлением и экструдирования.
10. Способ по п.8, дополнительно содержащий размещение ударопрочного полистирола в виде слоя в многослойном композите, имеющем один или более слоев, невосприимчивых к энергии микроволнового излучения.
