(57)【要約】  機械方向を横切る方向で、好ましくは両側から狭くなり、かつ、金型の上部と下部とでその出口近傍に位置する横向きに設置され、もしくはそのいずれかの複数の冷却ゾーンを有するスリット金型を採用した連続ラム押出し法によって、大きな幅の超高分子量ポリエチレンパネルが調製される。パネルは、結晶融解温度より低い温度で金型を出る。
2009544485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．６ｍよりも大きい幅の超高分子量ポリエチレンパネルを調製するためのラム押出し方法であって
ラム押出し操作の圧力下で、実質的に長方形の断面を有するスリット金型を提供して、上部と下部と入口面と出口面とを有し、金型が上部及び下部のそれぞれに少なくとも独立して制御可能な３つの冷却ゾーンを有し、前記冷却ゾーンが金型の出口近傍に位置し、金型の幅を横切って設置され、
ラムからの圧力下で超高分子量ポリエチレン樹脂粒子を付加的に金型へ導入し、
超高分子量ポリエチレン粒子を超高分子量ポリエチレンの結晶融解温度を超える温度に加熱して、実質的に連続して融解した熱可塑性プラスチックを形成し、
金型壁との接触を維持しながら、金型内にある間に超高分子量ポリエチレンを結晶融解温度より低い温度に冷却し、かつ、
金型を出た固化した超高分子量ポリエチレンパネルの生産品を得ること
からなる方法。
【請求項２】
金型の外側及び金型の下流に設置される背圧装置が、金型を出る超高分子量ポリエチレンに対して圧力を与えて、金型の壁と超高分子量ポリエチレンの接触を高める請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金型が、その中に実質的に長方形のキャビティを有し、超高分子量ポリエチレン粉末を受け入れ、それを硬化した超高分子量ポリエチレンパネルに加工し、実質的に長方形のキャビティが、
ａ）入口キャビティ、
ｂ）入口キャビティの高さが出口スリットの平均高さより大きい出口スリット、  
ｃ）入口キャビティと出口スリットの間に設置され、入口キャビティの下流に加熱ゾーンを有し、出口スリットの近傍に冷却ゾーンを有する硬化キャビティ、及び
ｄ）入口キャビティと硬化キャビティの間に暫定的に存在し、任意で加熱される縦テーパー
を含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
出口スリットの中央での金型の高さが出口スリットの端部での高さより低い請求項３に記載の方法。
【請求項５】
金型の少なくとも一方の半分部における出口スリットの断面形状が、円錐断面、２以上の円錐断面の組み合わせ、又は１以上の円錐断面と１以上の直線断面の組み合わせである請求項４に記載の方法。
【請求項６】
スリットに向かって見た出口スリットが、金型のそれぞれ左と右の端部の近傍で左と右の部分を含み、前記左と右の部分が出口スリットの中央線に向かって内側に斜めに延びてテーパー状ゾーンを形成し、中央線に最も近いテーパー状ゾーンの端部でのその高さが、出口スリットの端部の高さより低く、中央表面が前記テーパー状ゾーンの間に延び、前記中央表面の曲率が前記テーパー状ゾーンの曲率とは異なることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記テーパー状ゾーンが平坦であり、又は約１０００ｍを超える半径の非常に低い曲率を有し、前記中央表面が約１０００ｍ／２Ｗを超える半径を有し、Ｗがメートルでの出口スリットの幅であり、中央表面の曲率が前記テーパー状ゾーンの曲率より大きい請求項６に記載の方法。
【請求項８】
０．６ｍより大きい幅の超高分子量ポリエチレンパネルを製造する方法であって、支持構造に収容されるスリット金型を介して超高分子量ポリエチレンをラム押出し、スリット金型の出口スリットが、製造時実質的に長方形形状を有さず、しかし、支持構造と協働して、ラム押出し圧力のもとで実質的に長方形形状に変形させる金型を含む方法。
【請求項９】
前記支持構造が少なくとも１つの窓枠支持構造を含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記スリット金型の出口スリットが、端部での高さより低い中央部での高さを有する請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
出口スリットの上部及び下部の表面双方の形状が凸表面である請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
スリット金型が、それぞれ端部領域と中央部領域とを有する上部面と下部面とを有し、端部領域と中央部領域との形状が異なる請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
スリット金型の出口スリットの上部面と下部面とが平面平行であり、窓枠支持構造は、±１．２７ｍｍ以下の厚さのバラツキを有するパネルが押し出されるようにした厚さを有する請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
スリット金具を出るパネルに対して背圧を与えることをさらに含む請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
０．４ｍより大きい幅の超高分子量ポリエチレンパネルを押し出す方法であって、超高分子量ポリエチレンの結晶融解温度より高い温度でスリット金型を介して超高分子量ポリエチレンをラム押出し、及び、スリット金型の中にある間に結晶融解温度より低い温度に超高分子量ポリエチレンを冷却し、前記冷却が、スリットの上下及びスリット金型の出口面近傍に設置された独立して制御可能な複数の冷却ゾーンによって達成される方法。
【請求項１６】
前記押出しの間に１以上の前記冷却ゾーンの温度を調整して生産品の特徴を維持又は改善することをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
下部の金型半分部における冷却ゾーンの平均温度が上部の金型半分部における冷却ゾーンの平均温度よりも低いことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
幅を横切った位置でパネルの厚さをモニターし、前記位置のいずれかでの厚さが他よりも小さいか否かを判定し、及び、さらに低い厚さの位置に相当する温度ゾーンを調整してその位置での厚さを増やすことを含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
ラム押出しされた超高分子量ポリエチレンパネルであって、０．６ｍ以上の幅、１．２７ｍｍ未満の３σ値を有する厚さのバラツキ、平滑で光沢のある上部面と下部面とを有し、上部面と下部面との双方が、平均高さ約７０μｍ以下の実質的に平行の複数のショットマークを有するパネル。
【請求項２０】
パネルの平均厚さが４ｍｍ〜２ｃｍの間である請求項１９に記載のパネル。
【請求項２１】
１．０ｍ〜３．０ｍの幅を有する請求項１９に記載のパネル。
【請求項２２】
ＡＳＴＭ  Ｄ２４５７に準拠して測定した場合、３５以上、平均６０°の鏡面光沢度を有する請求項１９に記載のパネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラム押し出しによる、好ましくは幅が約６０ｃｍを超える超高分子量ポリエチレンのシートの製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くが精通している従来のポリエチレンポリマー、すなわち、低密度及び高密度のポリエチレンは、並外れた強度特性では知られていない蝋状固形物である。また、それらは相対的に軟らかいため、一般に滑らかな半面、擦り減り易い。一方、超高分子量ポリエチレン（Ｕｌｔｒａ  ｈｉｇｈ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｗｅｉｇｈｔ  ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、「ＵＨＭＷＰＥ」は、全体としてその貧弱な派生物とは異なって、並外れて強く且つ耐久性のあるポリマーである。
【０００３】
超高分子量ポリエチレンは、ポリエチレン鎖が、樹脂粉末として供給され、通常１．５ｘ１０６〜１ｘ１０７ダルトンの数平均分子量を有し、並外れて高い分子量を獲得する特殊な重合法で調製される。超高分子量ポリエチレンはまた、ＡＳＴＭ  Ｄ４０２０−０５；Ｄ６７１２−０１及びＩＳＯ  １１５４２−２で定義されたポリマーを含む。一般に、ホモポリマーの性質であるが、超高分子量ポリエチレンはまた、限定された量の共重合性の他コモノマーを有するコポリマーを含む。コポリマー超高分子量ポリエチレンの場合、前述のＡＳＴＭ及びＩＳＯ要件が満たされるべきである。これらのポリマーの特徴はその非常に長いポリマー鎖である。しかしながら、この同じ特徴がまた、主な加工上の問題の原因でもある。通常のポリエチレンは溶融押出しされ、非常に高い分子量のポリエチレンでさえ溶融押し出されるが、超高分子量ポリエチレンを溶融押出しする試みは、この領域における多大な研究にもかかわらず、大部分が失敗に終わり、実際、超高分子量ポリエチレンの全生産品は特許文献１によって指摘されたように圧縮成形又はラム押出しによって製造され、このことは、従来の熱可塑性プラスチックに適用可能な加工方法、たとえば、連続押出し、カレンダー加工及び射出形成は一般に超高分子量ポリエチレンには適用できないことを示している。
【０００４】
従って、たとえば、特許文献２は、溶融物からの超高分子量ポリエチレンのスクリュー押出しによる滑り部材の製造を開示している。しかしながら、使用する加工には、超高分子量ポリエチレン、低分子量ポリエチレン（「ＰＥ」）及び潤滑剤を採用しなければならない。従って、低分子量の種による超高分子量ポリエチレンの稀釈による機械的特性の相当なロスが生じる。押出し機における剪断劣化によって特性のさらなるロスが引き起こされる。
【０００５】
特許文献３は、その最終的な断面が押出し機の直径と比べてかなり小さく、非常に低い延伸速度勾配が維持される金型を介した溶融押出しを開示している。しかしながら、これらの要件にもかかわらず、非常に高い分子量のＰＥと約１．５ｘ１０６の最低分子量範囲の超高分子量ポリエチレンしか有用ではない。特許文献４は、１ｘ１０６より大きな分子量を有するＰＥ樹脂で使用可能であると言われる単一スクリュー押出し機用のスクリュー形状物を開示している。しかしながら、そのような溶融押出し法を用いては大きな外形を作製することはできない。
【０００６】
超高分子量ポリエチレンを加工することに関連する問題は、約１３５℃〜１５０℃の結晶融解温度より上でのポリマーのゲル状の性質に部分的には起因する。通常のポリエチレンはそのような温度では粘性のある、糖蜜状の液体であるが、超高分子量ポリエチレンは極めて高い粘度を有し、押出し機の壁などに対して並外れた摩擦応力を発揮する膨潤したゲルである。超高分子量ポリエチレンに関連する問題は、特許文献５及び特許文献６に非常に明確に記載されている。そこで議論された理由により、ラム押出し及び圧縮成形だけが今のところ、盛んに使用される超高分子量ポリエチレン生産品を製造する方法である。
【０００７】
圧縮成形では、超高分子量ポリエチレン粉末は極めて厚い断面の棺状の金型に導入される。次いで金型のキャビティに適合する厚い蓋を粉末の上に置き、非常に高い圧力まで圧縮されながら、組立品全体を結晶融解温度より高く加熱する。次いで金型をゆっくり且つ均一に冷却し、生産品を一般には厚いスラブの形態で金型から取り出す。たとえば、１〜３ｃｍの厚さの薄いストック用に厚いスラブを削り、又は「かんな」をかけて薄いスラブを製造する。削る工程は余分な加工工程を必要とし、末端がカールした生産品を生じ得る。以上のように、圧縮成形は、コストがかかり、労力がかかる超高分子量ポリエチレン生産品の製造方法である。しかしながら、それは、大きな幅のパネル又はシートを作製するのに使用することができる実質的に唯一の方法であるので、未だに多く使用される方法である。
【０００８】
薄い寸法の超高分子量ポリエチレンシート製造のための連続加工は、Ｃｒｏｗｎ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ，  Ｈａｒｒｉｓｏｎ，  ＯＨ，  Ｕ．Ｓ．Ａ．によって使用されている。この加工では、Ｌａｍ−Ｎ−Ｈａｒｄ積層体としてＨｏｏｖｅｒ  Ｂａｌｌ  ａｎｄ  Ｂｅａｒｉｎｇ  Ｃｏ．によって以前に製造され、非特許文献１の記載による材木積層で使用するために記載されたローラーベルトプレスを使用して超高分子量ポリエチレン粉末を固める。しかしながら、その加工は今までのところ、最大厚さ３〜４ｍｍで相対的に狭い幅を有する薄いシートに限定されている。最近になってやっと、この方法によって幅２４インチ（０．６ｍ）のシートが製造されたが、関与する高圧のために、さらに幅の広いシートが製造できるとは考えられない。
【０００９】
ラム押出しは、溶融押出しとは大きく異なる独特の加工である。特許文献５、特許文献６、及び特許文献７を参照してラム押出しが説明される。これらの文献で開示されたラム押出し法は２５年以上も前のことではあるが、その時以来、ラム押出し加工に漸進的な変化は少ない。
【００１０】
全体的な方法は、超高分子量ポリエチレンのロッドを製造するために単一のラム押出し機を断面で模式的に示す図１に関連して記載される。ラム押出し機は、ラム４を受け取る一方の端部に通路３を有する非常に厚い断面のスチール部材２からなる。超高分子量ポリエチレン粉末５は、ホッパー６から通路３に重力に従って流れる。次いで、ラムが左に動き、この時金型通路７である通路で粉末を圧迫する。この手順を２、３分毎に繰り返す。金型通路７は金型を取り囲むヒーター８によって加熱され、樹脂粒子を相対的に高い温度、たとえば、３５０°Ｆ〜５００°Ｆ（１７７℃〜２６０℃）に加熱する。５００°Ｆ（２６０℃）を超える温度は、この温度を超えるとポリマーが急速に酸化するので避ける。酸化したポリマーは金型とのさらに大きな摩擦を生じ、酸化のために、生産品は低下した物性を有する。ラムは、数千ポンド／平方インチの圧力を発揮し、超高分子量ポリエチレンの加熱されたゲル状の粒子を固める。超高分子量ポリエチレンのロッド９は不連続な間隔で金型を出るが、この段階でロッドは熱く、結晶融解温度より高く、相対的に半透明である。しかしながら、金型表面から少し離れるとポリマーは結晶化され、不透明な固体になる。
【００１１】
ラム押出しを用いて、相対的に大きな直径、たとえば、３００ｍｍの丸い外形、及びチュービング、複雑な形状の小さな外形、及び約６６０ｍｍまでの幅、たとえば、１００ｍｍの厚さを有する「板材」を製造してきた。しかしながら、そのような板材は製造時、平坦からかけ離れている。平坦な板材又は薄いストックが必要であれば、板材は削られる。金型との高い摩擦のために、及びその後の関与する非常に高い圧力のために、ラムは、非常に高い強度のスチールで作られたとしても曲がる可能性がある。このことは、特に所々でその断面が全く非対称である部分、高いアスペクト比の実質的に長方形の断面を有する部分で特に当てはまる。たとえば、１ｃｍｘ３０ｃｍの長方形の断面の板材を製造するためのラムは、座屈を示してもよいが、たとえば、１０ｃｍｘ３０ｃｍのさらに厚い板材のためのラムは、実際にはこの点では全く問題がない。座屈はラムを破壊し得るだけでなく、曲がったラムは金型壁をこすり、生産品に金属粒子が入り、金型の形状を変える。
【００１２】
たとえば、１〜３メートルの幅のような大きな幅、及び特に、削らずにそのまま販売することができる標準の厚さ範囲のシート及びパネルを製造するのにラム押出しを採用することは非常に望ましい。しかしながら、ラム押出し法を用いて必要な生産品標準を満たすそのようなシート及びパネルを調製する試みは、ほとんど役に立たないものであった。過去におけるその他の失敗は、多数の因子に起因する。第１に、超高分子量ポリエチレンの性質が前述のようなので、冷却及び結晶化の際に、相当な容量縮小がある。差別的な冷却又は結晶化は、ポリマーの配向の程度も異なるので内部応力を生成する。小さな外形又は大きくても相対的に対称である生産品では、これらの問題は極少なく、自ら相殺する程度である。しかしながら、大きな幅では、これらの問題は望ましくない「生産品の特徴」、たとえば、厚さのバラツキ、内反り、反り、表面割れ、表面不規則性、「ウオーキング」、端面の波打ちなどとして現れる。生産品の幅が大きくなればなるほど、そのような欠陥の制御は困難になる。
【００１３】
さらに、ラム押出し装置自体が深刻な欠点を有する。スリット金型に関連する大きな上部面と下部面の表面積は、内部の大きな圧力と一緒になって制御が非常に難しい力を創出する。高さ１ｃｍ、幅１ｍ及び長さ０．５ｍのスリット金型は、常に高い内部圧力に依存して金型の各半分部で２．１ｘ１０６Ｎ以上の力を受ける。この場合、保持しているボルトは約４．４ｘ１０６Ｎの力に耐えなければならない。そのような金型が、たとえば、各側面１０ｃｍの強度の高いステンレススチールで構築されたとしても、端面に相反して中央部で顕著にさらに大きい厚さを持つ板材を内部圧力のために、金型は大きく離脱する。この大きさ及び構成の金型も金型の外側に設置される重厚な保持構造によって支持されない限り、破裂するであろう。
【００１４】
ロッド、管、四角形のストック又は小さく不規則な外形のような対称性の外形とは異なって、大きな表面積及び高いアスペクト比のシート及びパネルは、金型の外側で結晶融解温度より低く冷却される際、それらを変形させる。冷却と結晶化の速度の差異によって反り、内反り、厚さ及び表面の不規則性などを生じる。また、そのような欠陥は、表面を削ったり、サイズを機械加工したりすることを最低限必要とする。しかしながら、一部の欠陥、たとえば、反り及び内反りは取り除くのが不可能である。
【００１５】
上記すべての理由で、商業的に許容できる品質の幅広いシート及びパネルをラム押出しによって製造することは不可能であると考えられている。
【特許文献１】米国特許第５，２８６，５７６号明細書
【特許文献２】米国特許第５，４２２，０６１号明細書
【特許文献３】米国特許第５，３９９，３０８号明細書
【特許文献４】米国特許第５，４４９，４８４号明細書
【特許文献５】米国特許第３，８８３，６３１号明細書
【特許文献６】米国特許第３，８８７，３１９号明細書
【特許文献７】米国特許第４，１４５，１７５号明細書
【非特許文献１】ターコフ等（Ｔａｒｋｏｗ，  ｅｔ  ａｌ．），「木材の表面緻密化」（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｗｏｏｄ），  森林製品ジャーナル（ＦＯＲＥＳＴ  ＰＲＯＤＵＣＴＳ  ＪＯＵＲＮＡＬ），  １８（ａ）：１０４−１０７
【発明の開示】
【００１６】
今や驚くべきことに、スリット金型を介したラム押出しによって、金型の出口近傍の金型の上部面と下部面の双方で複数の横に設置された冷却ゾーンが設けられたスリット金型によって、部分的に結晶性の固体として０．６ｍを超える幅及び実質的に一定の厚さの超高分子量ポリエチレンの平坦パネルを製造することができることが発見された。さらに驚くべきことに、支持構造に挟まれる金型が提供され、圧力下でない場合非均一な高さのスリットを有する金型が、ラム押出しの圧力下で金型と支持構造のたわみと共同して実質的に平坦な生産品を提供するように変形すると、さらに高い品質でさらに平坦な生産品が得られることが発見された。好ましくは、記載されるように金型は、複数の冷却ゾーンと併せて使用されて安定した且つ頑丈な加工を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
金型からの上流にて本発明によって採用されるラム押出し法は実質的には、参照によって本明細書に組み入れられる米国特許第３，８８７，３１９号、同第３，８８３，６３１号及び同第４，１４５，１７５号に記載されるものである。
【００１８】
本発明は、以下で記載されるように、広い幅及び高いアスペクト比のパネルのラム押出しに関する。用語「パネル」は、実質的に平坦な押出し物を指す。通常、名目上長方形の断面の鋭い角は丸くされてもよく、全体の端部は円形又は楕円形であってもよい。鋭い角を有する完全な長方形の断面は、そのような角での金型における応力点のために一般に望ましくない。本発明の原則的有用性は、一定の厚さの幅の大きいシートを製造することであり、この一定の厚さは、端部の又は端部近傍部分まで延びる。従って、本明細書で使用されるとき、「パネル」の定義によって、パネル全体の幅の少なくとも８０％、好ましくはパネル幅の少なくとも９０％、最も好ましくはパネル全体の幅の少なくとも９５％以上を含むパネルの中央部分にわたって、±０．０５０インチ（±１．２７ｍｍ）未満の厚さバラツキの平坦なシートを一般に意味する。従って、パネルの大半よりも有意に厚い又は薄い端部を持つ「ダンベル」又はその他の断面を有するシートを製造することは本発明の精神から逸脱するものではない。これらの部分は、好ましくは製造者、またエンド・ユーザーによって、従来ののこ引き工程又は薄く切る工程によって容易に除くことができる。
【００１９】
その大きな幅、及び幅対厚みの高いアスペクト比によるその非対称性のために、実質的に長方形の金型、すなわち、その幅を横切る実質的に平行の表面を有する金型から幅広いパネルを製造することは、非常に問題があって、多数の試みが失敗してきた。結晶融解温度より高い出口温度でラム押出しされる多数のより小さな生産品とは異なって、大きな幅のパネルは、結晶化開始の際、結晶化の間に生じる容量の縮小と創出される内部応力のために予測できない方向で変形する。しかしながら、金型の出口に先立って完全な固化を可能にすることは、金型壁との接触のロスのために一般に実施されない。金型壁が出口に向かって次第に狭くなるのであれば接触を維持することができるが、時には圧力の蓄積が、金型を二分するほど、又は金型若しくはその支持体を破裂させるほどまで高くなりうる。
【００２０】
本発明の超高分子量ポリエチレンパネルは、結晶融解温度より低い温度でラム押出し装置のスリット金型を出る結果、部分的に結晶性である。細い寸法のパネル、たとえば、１．５〜２ｃｍの厚さを有するものについては、パネル全体の（たとえば、その厚さ全体を通した）温度は、結晶融解温度未満であってもよく、特にさらに厚いパネルについては、パネルの内部はさらに高い温度であってもよい。従って、パネルの表面、好ましくは深さ約３ｍｍまでの内部が結晶融解温度より低いという条件で、パネル全体がそのように低い温度である必要はない。厚いパネルの内部温度をさらに下げるには、押出し速度を遅くして冷却ゾーンで時間を稼ぐことができ、冷却ゾーンを広げてもよく、又は冷却液の温度を下げることができる。これらの方法は単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。
【００２１】
本出願人は驚くべきことに、圧力の逸脱を最小限にとどめる一方で、金型の接触をロスしないで固化生産品を提供する手段を発見した。方法は、背圧装置を用い、本明細書と共に同等の日付で提出された「超高分子量ポリエチレンシート生産品のラム押出し方法」と題する同時係属出願の対象である。しかしながら、背圧装置の使用にもかかわらず、本出願人は、安定した方式で方法の稼動を保持させること、すなわち、平坦で、商業化が可能な生産品を低い不合格率で製造することとして定義された方法を安定した方式で保持することが極めて困難であると判断した。
【００２２】
本出願人は、そのような方法の頑丈ではない性質は、冷却及び結晶化の間で非晶性パネルの生産品の均一性を損なう同一因子によるものであるが、この場合、不規則性は、金型の外側と相反して金型の内側に示されると考える。本出願人は驚くべきことに、金型スリットの上下で、上部金型と下部金型の双方で、又は一体型の金型で、幅方向に割り当てられる金型の出口面の近傍で、３以上の複数の冷却ゾーンを設置すれば、頑丈な加工を提供することができることを発見した。複数の冷却ゾーンは好ましくは、金型の上半分部若しくは下半分部のいずれか又は両方で中央線に対称に配置される。最も好ましくは、５〜１０の冷却ゾーン又はそれ以上を上部と下部の両方で利用し、数が多いほど、パネルの幅を広げるのに有利である。今までのところ、およそ１ｍ〜１．２インチ（３ｃｍ）の幅のシートについては、図２に示されるような実質的に等しい大きさの５〜７のゾーンを好ましくは使用する。金型の上半分部と下半分部は同じ数の冷却ゾーンを有する必要はないが、これが好ましい。
【００２３】
複数の冷却ゾーンは独立して制御される。所与の設置では、２以上のゾーンが一緒に制御されてもよいと判断してもよいが、各冷却ゾーンは好ましくは独立して制御される。しかしながら、経験上、独立した制御が非常に望ましく、ほとんどの場合必要であることを示されている。好適な設計にて隣接するゾーンと平行して出口を共有してもよいが、各冷却ゾーンは好ましくはそれ自体の入口と出口を有する。全ゾーンの直列接続は機能しないであろう。ゾーンには、気体であっても液体であってもよい冷却流体が供給されるが、高度な熱除去の必要上、液体であることが非常に好ましい。グリコール又はその他の熱転移流体を使用してもよいが、冷却液は水であってもよい。水が好ましく、均一な水温を確保する冷却手段を持つ閉鎖系が望ましい。所与のゾーンの温度は、好適な測定手段によって、好ましくはゾーンの近傍に設置された熱電対によって測定され、流量及び冷却水の温度は従来の工程管理によって調節される。好ましくは、オン／オフのバルブ調節ではなく、比例バルブ調節が採用され、温度調節は好ましくは、冷却水の温度を調整するのではなく、冷却水の流速を変えることによって調整される。十分な冷却を提供することによって温度を調整し、所望の温度より低い温度を提供してもよく、次いで、電気的加熱によって所望の温度に温度を上げてもよい。これは好ましくない。各冷却ゾーンの温度は好ましくは設定点の±３°Ｆ（１．７℃）の間、さらに好ましくは±１°Ｆ（０．６℃）の間で調節される。
【００２４】
個々のゾーンの温度を調整して平坦な生産品を提供する。機械の実施態様の１つでは、金型半分部を横切って設置された冷却ゾーンが機械操作の大半について同一温度であり、金型下半分部の冷却ゾーンは、互いに対して均一な温度であるが、金型上半分部の冷却ゾーンの温度とは異なった温度である。部分的には、機械方向における冷却ゾーンの長さによって、個々のゾーンの温度は、８０°Ｆ（２７℃）〜２００°Ｆ（９３℃）、好ましくは９０°Ｆ（３２℃）〜１８０°Ｆ（８２℃）の範囲内である。下の冷却ゾーンは一般に上のものより低い温度で、すなわち、約１°Ｆ〜２５°Ｆ（０．６℃〜１４℃）、一般に約３°Ｆ〜１５°Ｆ（１．７℃〜８．３℃）異なって維持される。驚くべきことに、低い温度によって相対的に高さの低いショットマークを持つシートが製造されることが発見された。複数の横の冷却ゾーンも、たとえば、幅０．４ｍの狭いパネルを押し出すように設計された金型と共に使用することができる。
【００２５】
機械から出るパネルを観察する機械操作者は、反り又は表面の不完全部に気付いたら、冷却ゾーンの温度を個々に調整する。たとえば、パネルが一番右側で上方向に反る又はカールするのであれば、上部のゾーンをさらに冷たくするか、又は下部のゾーンをさらに温かくすることによって、又は両方によって反りの位置に相当する上下のゾーンを調整する。一般に、隣接するゾーンに出来るだけ近い所与のゾーンの温度を有して、不均一な冷却を最小限にすることが望ましい。類似の方法で、シート全体が不均一にたわむ、すなわち、「カール」する場合、上部と下部のゾーン間の温度差を調整してたわみを除く。安定した操作を維持するには、操作者の最低限の訓練を必要とするのみである。
【００２６】
たとえば、反りやたわみを検出し、自動的に修正する光学比較器など、又は隙間ゲージによってその長さに沿った１以上の位置でパネルを横にスキャンすることによって、ハードウエア及びソフトウエアにおける自動的方法として、方法を容易に実施することもできる。高いアスペクト比のパネルのラム押出しに関連する問題の性質上、多数の因子が（操作環境へのドアの開放でさえ）不安定さ、たとえば、冷却水温度のばらつき、原料バッチの変化などを生じる。冷却ゾーンに関するさらなる情報は実施形態にて提示されるであろう。
【００２７】
本発明のパネルは、平坦であるのがよく、すなわち、反りやたわみがなく、好ましくは±０．０３０インチ（０．７６ｍｍ）の均一な厚さであるべきである。従って、断面は実質的に長方形である。しかしながら、丸みをつけることが金型での圧力を下げ、関与する高圧でひび割れてもよい応力の点となる鋭い金型の角を排除するので、パネルの辺は少なくとも角で丸くされる。「実質的に長方形」は、一般に、端から見ると、垂直の、曲がった、又は放射状の辺を持ち、平行の又は実質的に平行の表面を持つ平坦なシートを意味する。同様に、長方形の金型スリットは、製造されるパネルの幅に等しい長さを有する２つの面を有し、押出した圧力の下でその面はお互いに平坦かつ平行なものであり、好ましくは丸い又は放射状である側面によって該面が接続されるものである。それは、パネルの平坦さであり、実質的に平坦なパネルを製造する金型面の平坦さであり、本明細書では「実質的に長方形」の定義を満たす。
【００２８】
しかしながら、操作圧力下でないとき、実質的に長方形の形状の金型を、幅の広いパネルの押出しにおける金型として採用すると、得られるパネルは、均一な厚さを有さず、多数の表面不規則性を有し、一般に商業的に劣った且つ一般的に許容できない生産品を製造することが分かった。ほとんどの適用で、そのような生産品は、機械加工するか削って平坦な表面を作製しなければならない。この方法は高価なポリマーの浪費であり、さらなる加工工程を加え、さらにコストが増す。
【００２９】
実質的な長方形以外である形状、特に金型スリットの上部及び下部の表面の端領域が平坦ではなく、互いに平行であり、支持構造と連動して、金型と同様に応力下で変形する形状で製造された金型を利用し、金型と支持構造は、圧力操作のもとで非長方形の金型の変形が、金型開口部を平坦な生産品が製造されるような開口部に変形するように協働することが有利であることが発見された。さらなる実施態様では、金型と支持構造は、重厚な金型上半分部と下半分部を用いることによって１つに融合される。そのような重厚な金型はそのコストを理由に好まれない。
【００３０】
好ましい金型の形状は、金型のほぼ中央部が金型の端領域よりも低いものである。金型が支持構造に対して広がる場合、金型の端領域は最も変形が少ない一方で、中央領域及び中央領域の上下の支持構造はさらに多く変形し、金型の面を実質的に平行の形状にする。本発明の目的で、操作中、０．０５０インチ（１．２７ｍｍ）未満の３σの値を持つその幅を超える厚さのバラツキを有するパネルを製造するのであれば、金型は実質的に平行の形状を有する。本出願人は、好ましくは二重テーパーを有する金型、及びパネルが結晶融解温度より低い温度で金型を出るように金型が出口近傍で冷却されるものを採用することによって幅の大きい、高品質のパネルが製造される可能性があることを発見した。
【００３１】
本発明の金型の好ましい実施態様の二重テーパーは、概念的には、縦テーパーと横テーパーに分けられてもよい。縦テーパーは、側面から見ると、金型の入口近傍で狭くなり、すなわち、縦方向に狭くなる。横テーパーは、機械方向について横切る方向で金型スリットの高さで狭くなり、すなわち、連続的に製造されるパネルストックの幅を横切って狭くなる。
【００３２】
図４を参照して縦テーパーをさらに明瞭に示す。金型４０は好ましくは、２つの部分４１及び４２でステンレススチールから機械加工される。金型スリット４３は、金型のホットゾーンで追加の狭いテーパーを金型に提供することができるが、縦テーパーまで機械方向で実質的に一定の高さである。従って、必要な単一の縦テーパーの代わりに、複数の縦テーパー又は次第に傾斜を変化させるテーパーがあってもよく、金型壁が、金型出口面４４の前で及び冷却ゾーン近傍の前で実質的に平行になってもよい。領域４５は、ラム入口領域であり、実質的に一定の高さを有してラム４６を収容する。開口部４７は、超高分子量ポリエチレン粉末がキャビティ４９に導入されるようにする。ラムは、金型出口面４４に向かって進み、ポイント５０で停止するので、樹脂粉末を長さＬ２にわたって圧縮する。縦テーパーは、後から、すなわち、さらに金型出口面４４に向かってから開始してもよいが、ポイント５０で開始する。小さな外形を製造するのに使用するために従来技術で教示されたものとは異なって、テーパーは、完全に最小であり、内包角θは好ましくは全体で１０°未満であり、さらに好ましくは５°未満であり、最も好ましくは１°〜３°の間である。テーパーは金型の中央線５１に対して対称であってもよく、テーパーすべてが金型半分部の１つに発現される程度に非対称であってもよい。好ましくは、テーパーは金型半分部の間で均一に分けられ、ほぼ３°未満である。テーパーは長さＬ１にわたって延びる。この長さは、テーパーの角度及び入口ラム通路の高さと金型の出口スリットの名目上の高さの比によって決定される。名目上０．３７５インチすなわち約１ｃｍの厚さのパネルストックを製造する金型では、縦テーパーの長さは好ましくは約３インチ（７．５ｃｍ）である。このテーパーの長さが長すぎると、又は金型の冷却ゾーンの中に実質的に延びると、超高分子量ポリエチレンの周知の非圧縮性が、通常の内部圧力によるものより大きな程度にまで金型半分部を離そうとする。
【００３３】
図５は、本発明の金型の出口面の実施態様の１つを説明する。この実施態様では、スリットは、横方向の中央線５８に向かって進むにつれて徐々に狭くなる。２つの部分５６及び５７に調製された金型５５を再び示す。金型スリット５８の端部で、高さＴ１は製造されるパネルの名目上の厚さと実質的に同一であるが、一般に金型から出たパネルよりやや大きい。角５ａは好ましくは、たとえば５９にて面取り、すなわち円弧状に加工されて、応力を解放し、摩擦を最小限にする。金型の中央線において、高さＴ２は、Ｔ１より小さい。名目上１．２ｍの幅のパネルについて、Ｔ１−Ｔ２の差は、金型とその支持構造のゆがみに依存して、およそ０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍであり、さらに好ましくは０．３ｍｍである。超高分子量ポリエチレンに接触する金型表面の形状は、便宜上、少なくとも一部が円錐断面であってもよい。そのような円錐断面の例は、放物線、双曲線、扁球及び幅広楕円、円などである。特に示されない限り、「湾曲」には、無限半径の曲線、すなわち、直線が含まれる。
【００３４】
Ｔが金型出口スリットの端における高さとすると、金型のその他の部分の高さは、Ｔｅ及びＴｍによっておおまかに定められてもよく、その際、Ｔｅはキャビティ端からの距離Ｄｅでの高さであり、Ｄｅは９インチ（２２．５ｃｍ）以下であり、Ｔｍは、キャビティ端からの距離Ｄｍでのキャビティの高さであり、Ｄｍ＞９インチ（２２．５ｃｍ）である。名目上１．２ｍ幅の金型についてのＴｅ及びＴｍの値は、以下の式によって得られる。
Ｔｅ＝Ｔｉ−０．００２７５Ｄｅ及び
Ｔｍ＝Ｔｉ−［０．００２７５Ｄｅ−（０．００１７５（Ｄｍ−Ｄｅ））］
定数０．００２７５及び０．００１７５は、金型の厚さ（キャビティの高さではない）、支持構造の厚さ、金型の幅などに関する。方法の複雑な性質及び金型の複雑さなどのために、たとえば、冷却通路、金型の長さ、金型の移行帯など、明らかに異なる寸法の金型について、Ｄｅ及びＤｍの異なった定数及び異なった限界値を決定しなければならない。方策が、たとえば、入手し易いソフトウエアである有限要素分析のような手法であってもよい。しかしながら、機械加工を再び始める必要のない連続的な精製によって最終形状に近付くように、試行錯誤によって材料の除去を従来と同様にして金型を機械加工するのが好都合な可能性がある。
【００３５】
試行ラム押出しを行って小さな且つ好ましくは不適切なＴ１−Ｔ２の値を有する金型を製造し、機械方向を横切る方向で製造されたパネルの厚さの差異を測定することによってＴ１−Ｔ２の差異を実験的に決定してもよい。厚さ又は表面不規則性で有意な差異が言及されるのであれば、金型を機械加工してスリットにおけるさらに大きな高さの変異例を作製することができる。金型表面６０の最も有利な形状は必ずしも円ではないが、実際、放物線、双曲線、楕円などでもよく、実際に後で議論するように、多数重なって先細ってもよいことが言及されるべきである。
【００３６】
金型スリットの形状及びＴ２−Ｔ１の値は、必要とされる形状を一緒に定義する幾つかの因子に依存することが、多大な努力の結果発見された。後者の用語は、機械の操作パラメータ、たとえば、樹脂の種類、温度、内部圧力、金型の長さ（機械方向）、金型の幅（横）と併せて、０．０５０インチ（１．２７ｍｍ）未満の、さらに好ましくは０．０３０インチ（０．７６ｍｍ）未満の、最も好ましくは０．０２０インチ（０．５１ｍｍ）未満のパネルの幅を横切る厚さのバラツキを伴うパネル生産品を好ましくは製造する金型スリットの形状を意味する。これらの値は合計厚さのバラツキなので、表面高さのバラツキは一般に、±これらの値の半分、すなわち、好ましくは±０．０１０インチ（０．２５ｍｍ）以下である。
【００３７】
横のスリットのテーパーを決定するのに最も重要であるパラメータは、内部圧力、パネルの幅、及び好ましく使用される支持構造拘束手段のゆがみである。パネルの幅が大きくなるにつれて、所与の圧力にて２つの金型半分部に作用する力も増す。この圧力は金型半分部を離そうとする傾向があり、以前の機械では、文字通りそのようになっていた。本発明の機械の好ましい実施態様の金型半分部は、厚さ約１１〜１２ｃｍである。これらの金型半分部がその外側で支持されない場合、厚さ１ｃｍ、幅１．２ｍのパネル製造の際に著しく曲がるので、それらは曲がり、破壊されるであろう。当然、さらに非常に厚い材料で金型半分部を作製することもできる。しかしながら、ステンレススチールは高価であり、たとえ金型半分部が厚さ２５ｃｍであったとしても、曲げは深刻であろう。金型として好ましい材料は、好ましくは研磨され、磨耗耐性剤及び好ましくは潤滑コーティングで被覆されたＴ４２０ステンレススチールである。変換コーティング、及び好ましくは、硬質クロム又はニッケルのような金属コーティングを使用してもよい。都合がいいのは、Ｄｉａｍｏｎｅｘ(R)  ＤＬＣとしてＤｉａｍｏｎｅｘ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，  Ａｌｌｅｎｔｏｗｎ，  ＰＡによって供給されるようなダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）コーティング又は参照によって本明細書に組み入れられる米国特許第６，１０３，３０５号で開示されているような非晶性ダイヤモンドコーティングが使用される。そのようなダイヤモンドコーティングは摩擦係数の低さで周知である。金型周辺成分は、硬化スチール、たとえば、ＰＨＳ４１４０予備硬化スチールから作製することができる。
【００３８】
機械方向を横切る方向に沿った金型の変形の程度は、製造されるパネルの幅に依存する。パネルの幅が大きければ大きいほど、金型の内部表面積が大きくなり、金型半分部に作用する力が大きくなる。さらに、機械方向を横切って、金型半分部を結合する固定具から離れた力のモーメントとして、変形が認められてもよい。たとえば、一連のボルト又は類似の器具によってその側面に固定された２つの部分金型では、変形は固定具からよりもさらに大きい。従って、金型は、端部よりも中央部で幾分多く変形する。さらに、固定ボルト上の力は、金型の端部よりも金型の中央領域から非常に大きな寄与を受ける。
【００３９】
金型の変形を減らすには、本発明の金型と共に、「窓枠」支持構造が好ましく使用される。「窓枠」は、金型上下の重厚な支持体から成り、これらの支持体は高い係数を有する。好ましくは、支持体は、カーボンスチール、たとえば、Ｖｉｓｃｏｕｎｔ（商標名）−４４スチールから作製される。支持体は、金型２０の上下で２１及び２２として図２に示される。これらは、構造の両側面に位置する接続ボルト２３と一緒に、圧縮してそれらを保持する、金型半分部２０ａと２０ｂに対しての「枠」を形成する。好ましい機械では、上部２１と下部２２の支持体は、厚さ約４０ｃｍの大きな厚さであり、機械方向に金型の約３／４の長さである。重厚なボルトを使って全部一緒に引っ張るように、それらは金型半分部より約１０〜１５ｃｍだけ各側部で幅広である。支持体は重厚（約３トンの各スチール）ではあるが、たわみは依然として認められる。しかしながら、支持体が重厚であればあるほど、たわみは少ない。単一の支持体ではなく、複数の個々の支持体が使用されてもよい。
【００４０】
従って、０．６〜１ｍの相対的に狭いパネルについては、並外れて重い断面の支持体、たとえば、厚さ１ｍの支持体を用いることによって、又は支持体に逆に丸みをつけて変形に対抗することによって、金型スリットは、最小限の横テーパーを有してもよく、又はテーパーを有さなくてもよい。しかしながら、そのような重厚な支持体は、機械のコストが増すだけでなく、深刻な重量不利益も生じるので、さらに強く、従って重厚な基盤、すなわち、重量を支える床を必要とするので、一般に望ましくない。
【００４１】
図６は、幅１．２ｍ未満のパネルに特に有用な代替実施態様である。明瞭さのためにテーパーが誇張される図６では、金型６０はやはり２つの部分６１及び６２からなる。スリット６３は、各金型半分部で平坦部分６４を有し、非常に低い内包角θ２で先細るテーパー状部分６５を有する。この内包角は０．５°より非常に小さく、好ましくは０．１°前後である。各金型半分部ではたとえば、０．０５°のテーパーが十分であってもよい。平坦部分とテーパーとの接合部６６は平滑化されるか、又は円弧状であってもよい。テーパー、テーパー部分と平坦部分と間の変わり目、及び平坦部分の長さは、平坦なパネルが製造されるように調整される。
【００４２】
図７は、図５と図６の特徴を組み合わせる本発明の好ましい実施態様を説明する。図７では、幅約１．２ｍで厚さ１ｃｍのパネルのための金型７０が、好ましくは０．０２〜０．１°の間、さらに好ましくは約０．０６°の角θ２にて約１０〜４０ｃｍ、好ましくは２０〜３０ｃｍ金型の端部から内部へ延びる図６におけるような側面テーパー７１を有する。金型面の中央部７２は、真直ぐというよりむしろ、長い半径Ｌ、たとえば、２００ｍ〜１０００ｍ、好ましくは２５０ｍ〜５００ｍの半径を伴って金型の水平の中央線に向かって内部に（「凸」）曲線を描く。金型の中央部は、各面で凸であり、好ましくは１０００／２Ｗの半径を有し、その際、Ｗは出口スリットのメートルでの幅である。厚さ約４０ｃｍの窓枠支持体と結びついて、驚くべきことに、これら相対的に非平面の金型表面は、二重テーパー（側面テーパーに加えた中央の湾曲）と共に、先細った厚さを有する生産品を生じないが、むしろ、高度に均一な厚さ及び優れた表面品質の平坦なパネル生産品を製造することが発見された。
【００４３】
さらなる実施態様では、真直ぐで非テーパーの主要区分を有するように、又は逆テーパーを持つ、すなわち、端部よりも中央部で大きな高さを持つものを有するようにスリット金型が機械加工されるが、再び明瞭さのために輪郭が誇張される図９に示されるように、輪郭を描いた窓枠支持体とともに使用される。支持体９１、９２は、内部に向かってテーパー状をなす表面９３、９４を有し、金型半分部９５、９６を担って組立てられると、形状が実質的に長方形ではないが、図５及び図６の形状にさらに類似するようにスリット９７を変形させる。従って、組立てられると、金型は実質的に長方形ではない。しかしながら、操作中では、金型内の圧力が金型半分部を離そうと試み、金型に当接する支持構造表面は支持体のおよそ中央を中心として上方に曲がり、スリットは外側にたわみ、網形状に近い、すなわち、実質的に長方形の断面のパネル生産品を生じる形状に変形する。
【００４４】
従って、金型の形状に関して、スリットの形状は、装填中、すなわち、ラム押出し法の高い操作圧で生産品パネルの実質的平面の上部及び下部の表面を提供するようにする。この成果は、装填中、所望の形状に変形する曲線を持った金型、曲線を持ち、変形可能な窓枠を伴う曲線を持たない金型、又は、重厚で、実質的に変形不能の窓枠を伴う曲線を持たない金型を提供することによって達成される。幅約１．２ｍで出口スリットの高さ約１ｃｍの金型について、金型の上下の支持体は、後者の実施態様について、約０．７５ｍの厚さを有する。好ましい金型はまた、前に記載したように縦テーパーも有する。
【００４５】
本発明のパネルを製造するのに使用されるラムは、図８で説明され、好ましくはＶｉｓｃｏｕｎｔ（商標名）−４４のような強度の高いスチールで出来た段のあるラムである。図４のキャビティ４５に貫入するラム７０の端部７１は、キャビティの厚さよりやや少ない厚さ、及びおよそＬ２の長さ（図４を参照のこと）を有する。ラムは好ましくは１以上の流体圧シリンダーによって流体圧で操作され、たとえばポリアミドのシールを通って金型に入る。ラムの前述の性質は、従来形状のラム押出しで使用されるラム１２に典型的なものである。狭い端部７１から流体圧（右側、不図示）に向かって、ラムの厚さは、非常に厚い部分７２に対して有意に増大する。このさらに厚い部分は、たわみ、及びその他生じるであろう、曲がる傾向を軽減する。ラム部分７２の厚さはたとえば、７ｃｍであるが、「タング」７１は１ｃｍであってもよい。ラムのタングは、好ましい実施態様の場合、金型の縦テーパーに相当する因子によって、出口末端の金型の厚さよりもやや厚いにすぎない。金型の出口と同じ厚さを有するラムを採用することもできるが、これは、おそらく、さらに厚い、たとえば４ｃｍ、好ましくは１０ｃｍ以上のパネルを除いて好ましくない。
【００４６】
金型は、機械方向に関して少なくとも１つの加熱された区分及び１つの冷却された区分を有する。ラムが入る点又は図４のキャビティ４５と加熱ゾーンとの間に冷却ゾーンを設置して粉末の入口での樹脂粉末の焼結を最小限にすることが有利かもしれないが、１つの加熱された区分は、ラムが金型に入る金型の部分の近傍である。加熱ゾーンは好ましくは、縦テーパーの開始前約６インチ（１５ｃｍ）で始まり、超高分子量ポリエチレンの完全な硬化が生じるように機械方向の長さで継続する。この長さは、加熱ゾーン、「ホットゾーン」で定められた温度に反比例して、及びパネルの厚さによって直接変化する。これらの反比例変数及び直接変数のいずれも必然的に線形ではない。厚いパネルほど、パネルの内部を硬化するのに所与の温度で長い時間を必要とする。ホットゾーンの温度は好ましくは２６０°Ｆ（１２７℃）〜５００°Ｆ（２６０℃）、さらに好ましくは４００〜４５０°Ｆ（２０４〜２３２℃）、最も好ましくは約４２０°Ｆ（２１６℃）である。５００°Ｆ（２６０℃）より高い温度は樹脂の酸化分解を起こす傾向があり、望ましくない。ホットゾーンは、変化する温度の幾つかのサブゾーンに分けられてもよい。温度は、従来の器具によって、好ましくは自動温度制御装置に接続された熱電対によって感知される。加熱は最も好ましくは、金型に横方向に挿入されたカートリッジ・ヒーターによって達成される。
【００４７】
複数のそのような加熱ゾーンは、図３のスリット金型の斜視図に示される。金型半分部３０及び３１の双方が、機械方向を横切って金型をくり貫いた複数の通路３２を有する。これらの通路は、カートリッジ型の抵抗ヒーターを有してもよく、又は熱い油などを加熱流体として使用してもよい。
【００４８】
冷却区分は好ましくは、金型の出口近傍に位置し、それぞれ入口と出口を有する複数の冷却通路３３からなる。冷却ゾーンのその他の配置、たとえば、機械方向に平行に穿孔され、機械方向を横切って穿孔された１以上の共通出口に連通する複数の入口も可能である。配置自体は重要ではない。しかしながら、配置はどうであれ、冷却ゾーンは、金型スリットを横切って所望のように温度変動を確立できなければならず、たとえば、スリットの中央部を、端部領域又は中間ゾーンよりも高い又は低い温度に維持できなければならない。
【００４９】
本発明のラム押出し法を操作して金型内の圧力の蓄積を最小限にすることは非常に有益である。良好な温度制御は、一貫した生産品を製造するのに必要とされる要件であるが、超高分子量ポリエチレンが粘性流体ではなくゲル状でゴム状なので、温度上昇は操作圧力を下げることにおいて大きな効果を有さない。少量の長鎖脂肪酸及び脂肪酸塩、たとえば、ステアリン酸、パルミチン酸、リノレン酸、及びそれらの塩、特にそれらのカルシウム塩及び亜鉛塩の添加は、おそらくゲル粒子の金型壁との摩擦を低下させることによって、内部圧力を下げるのを助けることが発見された。その他の潤滑剤、たとえば、モンタンエステル類、アミド類、ポリエチレンワックス、シリコン油なども好適である。これら好適な潤滑剤は一般に、０．１〜３重量％、さらに好ましくは０．２〜２重量％、最も好ましくは０．５〜１．５重量％の量で使用される。しかしながら、潤滑剤の量を最小限にして機械的特性のロスを回避することが重要である。従って、１．５％以下を採用することが好ましい。
【００５０】
驚くべきことに、加工中、樹脂粉末の酸素含量を最小限にすることが操作圧力を大きく下げることが発見されている。通常、ラム押出しでは、樹脂粉末は空気によって空気圧でラム押出し機上部の供給ホッパーに方向づけられる。酸素を含まない気体をホッパーに、好ましくは底部又は底部近くに注入してホッパーから空気を掃引又は散らせば、金型内の圧力は非常に驚くほどの値、１５０〜２００ポンド／平方インチ（１．０〜１．４ＭＰａ）に低下することが分かっている。この圧力の低下は、金型半分部に対して作用する力を１ｍｘ０．５ｍの金型における１．５ｘ１０４ポンド（６８００ｋｇ）の圧力だけ低下させると言う結果をもたらす可能性がある。ヘリウム、アルゴン、二酸化炭素、窒素などを含む酸素を含まない気体又は低酸素の気体を使用してもよい。
【００５１】
加工において採用される超高分子量ポリエチレンは、たとえば、Ｔｉｃｏｎａ、Ｂｒａｓｋｅｍ及びＤＳＭによって供給されるような従来の粉末樹脂である。好ましい数平均分子量の範囲は、２ｘ１０６Ｄａ〜１０ｘ１０６Ｄａの間、さらに好ましくは４ｘ１０６Ｄａ〜８ｘ１０６Ｄａの間である。本発明で使用される好ましい超高分子量ポリエチレンは、ホモポリマー又は少量のみの共重合性コモノマーとの実質的なホモポリマーであり、本明細書の他でも記載されるような組成物は、従来の加工助剤又は特性改変添加剤を含む。後者の成分群の例には、熱安定剤、ＵＶ安定剤、核形成剤及び清澄剤、染料及び顔料、電気伝導材、たとえば、金属粉末、炭素粉末、グラファイトなど、充填剤、たとえば、＜５０ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積を有する非強化充填剤及び≧５０ｍ２／ｇの表面積を有するヒュームドシリカのような強化充填剤、積層体強化物質、たとえば、雲母、膨張シェールなど、粉砕された又はさもなければ弱化された繊維の形態での繊維性強化物質、たとえば、グラスファイバー、アラミド繊維、金属繊維、炭素繊維、熱硬化性及び熱可塑性繊維、たとえば、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）及びその変異体（ＰＥＫＫ、ＰＥＥＫなど）；タフナーたとえば、粒子状エラストマー；その他の熱可塑性プラスチック、たとえば、非超高分子量ポリエチレン；可塑剤などが挙げられるが、これらに限定されない。そのような添加剤の量は一般に少ない。
【００５２】
本発明の詳細な個々の要素を記載してきたが、好ましい実施態様は、０．６ｍより大きい幅を有し、好ましくは、１０：１より大きい、さらに好ましくは２０：１より大きい、一層さらに好ましくは４０：１より大きい幅：高さのアスペクト比を有するスリット金型、上部と下部を有し、上部と下部のそれぞれが金型の幅を横切って設置される３つ及び好ましくは５つの複数の冷却ゾーンを含有し、各ゾーンセットの複数のゾーンの温度が独立して調整可能である金型を採用するラム押出し加工である。機械方向における冷却ゾーンの長さ及びゾーンの温度は、金型を出る超高分子量ポリエチレンパネルが、その結晶融解温度より低く冷却され、少なくとも部分的に結晶であるようにする。
【００５３】
別の好ましい実施態様では、圧力下にないとき、ラム押出しされた生産品の所望の断面の形状ではない出口を有する２つの部分の金型が、高い強度とモジュールを持つ支持構造の内部に収容され、それは、ラム押出し法の操作圧力で金型半分部を支え、外向きへの変形を抑止する。しかしながら、圧力下では、支持構造によって完全には抑止できない変形が、少なくとも幅０．６ｍ及び好ましくは少なくとも前述されたアスペクト比のパネルのラム押出しを可能にする形状を金型出口が担うような方法で、金型及び支持構造を変形し、パネルは０．０５０インチ（１．２７ｍｍ）未満の、好ましくは０．０３０インチ（０．７６ｍｍ）未満の、さらに好ましくは０．０１５インチ（０．３８ｍｍ）未満の厚さのバラツキを有する。金型は、金型を出る超高分子量ポリエチレンパネルが、結晶融解温度より低い、好ましくは１３７℃より低い、さらに好ましくは２５０°Ｆ（１２１℃）より低い、さらに好ましくは１２０℃より低い、一層さらに好ましくは１１０℃より低い、その上さらに好ましくは４０〜１００℃の範囲であり、最も好ましくは、７５〜８５℃の間である温度であるように、各金型半分部で金型出口近傍にて少なくとも１つの冷却ゾーンを有する。
【００５４】
一層好ましい実施態様では、前述の実施態様の金型が、ラムが入る金型の高さからの小さな縦テーパー、又は金型出口に向かって機械方向に沿って幾分均一且つさらに狭い高さに「狭まる」ようになっている。また、この好ましい実施態様では、機械方向を横切る金型の形状は、金型スリットの高さがスリット端部よりもスリット中央部で低くなるようにし、支持構造は、各金型半分部に対して耐える実質的に平坦な面を有するように機械加工された重いスチールのスラブからなる。スチールスラブは、糸を通した複数のコネクタによって、最も好ましくはたとえば、Ｓｕｐｅｒｂｏｌｔ，  Ｉｎｃ．  Ｃａｒｎｅｇｉｅ，  ＰＡから入手可能で、米国特許第６，２６３，７６４号；同第６，１１２，３９６号；同第６，３８１，８２７号；同第６，１９９，４５３号；同第５，０８３，８８９号；及び同第４，８４６，６１４号に記載されたようなマルチジャックボルトテンショナーによって引っ張られる。
【００５５】
一層好ましい実施態様では、前述の実施態様の金型が採用され、それには、前に記載された少なくとも３つの複数の冷却ゾーンが各金型半分部にて設けられる。種々の冷却ゾーンの温度は、パネル生産品の安定な押出しを提供するように設定され、反り、内反り、表面の不規則性、及び厚さのバラツキを生じる加工のバラツキに対抗する必要がある場合、個々に調整され、これらの調整は好ましくは機械の操作中に行われる。
【００５６】
本発明の方法によって製造される生産品は、その製造が本発明に先立って不可能であった新規の生産品である。既に指摘されたように、ラム押出しの困難さのために、大きな幅で高いアスペクト比の一定の厚さのパネル、すなわち薄いパネルをラム押出しするのは不可能だった。従って、薄いパネルを製造するには、厚い圧縮成形されたパネルを削って薄いシートを製造した。しかしながら、シートは外見と同様に厚さのバラツキという点で不規則な表面を有する。
【００５７】
本発明の方法によって製造されるパネルは、平滑で、光沢のある均一な表面を特徴とする。平滑さは、手触りによって容易に評価され、表面の光沢は、目視で又はたとえば、標準的なＡＳＴＭ  Ｄ２４５７−０３及びＤ５２３−８９試験法のような光学検査によって、好ましくは６０°の角度にて評価される。この試験法を用いて、ＢＹＫ  Ｇａｒｄｎｅｒ  Ｕ．Ｓ．Ａ．，  Ｃｏｌｕｍｂｉａ，  ＭＤによって供給されるＢＹＫ  Ｇａｒｄｎｅｒ  Ｃｏｌｏｒ  Ｇｕｉｄｅ  Ｇｌａｓｓ  Ｍｅｔｅｒを採用して、平均の光沢測定値は、好ましくは３５以上の範囲であり、ほとんどのパネルでは３５〜４５の範囲である。このことは、平滑ではあるが、同じ試験方法を用いて平均約２４の有意に低い光沢を有する削ったパネルと対照的である。
【００５８】
均一な表面は、±０．０５０インチ（１．２５ｍｍ）未満の、さらに好ましくは０．０３０インチ（０．７６ｍｍ）未満の、一層さらに好ましくは０．０２０インチ（０．５０ｍｍ）未満の３σの厚さバラツキを有する。表面が平滑で光沢がある一方で、シートの長さ（機械方向）にほぼ垂直で、互いに実質的に平行であるショットマークの有無によって削ったパネルから区別することができる。これらのショットマークは、ラム押出しサイクル間の定常的保圧によって引き起こされると考えられ、ショットマークの輪郭及び高さは、標準的な形状測定法によって測定することができる。ショットマークは、数ミクロン、すなわち、７０μｍ未満の、好ましくは２５μｍ未満の最大高さを有し、重要なことに、薄いパネルストックの既知の使用に支障がない。高さ約５〜１０μｍを測定するショットマークを伴ったトライアルを行って生産品が製造される。傾斜角でパネルを観察することによってショットマークは容易に見られる。
【００５９】
図１０ａ〜１０ｃは、ショットマークの幾つかのパターンを説明する。図１０ａでは、「理想的な」ショットマークパターンが示され、ショットマークの区切り端１０１が互いに正確に平行であり、パネル１００の機械方向に垂直である。金型の超高分子量ポリエチレンが正確に同じ速度で流れ、同一の背圧などを経験し、これらのパラメータがパネルの長さにわたって変化しなかったならば、この種のパターンが結果として生じる。
【００６０】
しかしながら、超高分子量ポリエチレンの流れは一般に金型の端部で幾分遅れ、多くが金型の中央で遅れがあまり見られない。２つの端部における遅れは互いに同じでなくてもよい。結果は、図１０ｂの１０２で示されるように、ショットマークは通常、パネルの表面（ショットマークは表面及び裏面の双方にある）を横切った幾分「波状」又は「波打った」ものである。機械方向に一般に垂直な配向は、隣接するショットマークに対して一般に平行の配向がそうであるように明瞭である。図１０ｃでは、似たパネルであるが、ショットマークがパネルに沿ったそれぞれの配向を変え、先ず１０２で図１０ｂと同様であり、部分１０３にわたって幾分離れ、部分１０４にわたって再び類似するものが示される。ショットマークは依然として機械方向に実質的に垂直であり、互いに実質的に平行である。
【００６１】
従って、本発明は、０．６ｍより大きい幅を有し、上部面及び下部面の双方において一般に平行のショットマークを特徴とする超高分子量ポリエチレンパネルにも関する。その長さ方向が機械方向に相当するパネルについて、これらのショットマークはパネルの機械方向を横切る。パネルの表面は平滑であり、光沢があり、既に記載されたように厚さ許容誤差を有する。好ましいパネルは、厚さ４ｍｍ〜１０ｃｍであり、さらに好ましくは２ｃｍ未満の厚さである。好ましいパネルは、０．０３０インチ（０．８ｍｍ；３σ）の許容誤差を伴う０．１５０インチ（３．８ｍｍ；３σ）未満の形状平坦度のバラツキ、好ましくは０．０２４インチ（０．６ｍｍ；３σ）の許容誤差を伴う０．１００インチ（２．５ｍｍ）未満の形状平坦度のバラツキを有する。形を整えないパネルの横向きの反り（曲率）は好ましくは形状平坦度とほぼ同じ値である。押し出されたときのパネルのこれら横向きの反りの許容誤差は、端部の従来のノコ引きで普通に得られるものよりも優れていることが言及されるべきである。従って、本発明のパネルはその端部を「製造されたまま」保持し、ノコギリで切られないことが好ましい。
【００６２】
本発明を一般的に記載してきたが、説明のみを目的として本明細書で提供され、特に特定されない限り限定することを意図されない特定の実施形態を参照してさらに理解することができる。
【実施例】
【００６３】
第１実施例
本明細書で記載されたような、たとえば、図２、３及び４で説明されたような実質的に２つの半分部で構成されたステンレススチールの金型を有するラム押出し機が提供される。金型は、機械方向で長さ８１．２５ｃｍ、幅１７２ｃｍ及び高さ９６．５ｃｍを有する。金型の下半分部は、上半分部に類似するが、超高分子量ポリエチレン粉末が入る通路４７を備えず、上半分部の端部と一致するように構成された端部を有する。金型は、ラムの入口から約３°機械方向で縦にテーパー状になり、スリットの形状は一般に約３７５ｍの非常に長い半径を持つ円状である。金型のホットゾーンは、４４０°Ｆ±２０°Ｆ（２２７℃±１１℃）で維持され、金型出口端部には、機械方向に金型の中に３インチ（７．６ｃｍ）にわたって延びる５つの冷却ゾーンが各金型半分部で設けられる。
【００６４】
金型は、２インチ（５ｃｍ）のボルト直径を有する５つのマルチジャックボルトテンショナーによって引っ張られる６８インチ（１．７ｍ）ｘ１５インチ（０．３８ｍ）ｘ２２．５インチ（０．５８ｍ）の２枚の平坦な表面の炭素スチールビレットからなる支持構造中に収容される。スチールビレットは、図２で説明されるように、出口端部から約１インチの金型の上に設置され、そこから金型のラム入口端部に向かって延びる。
【００６５】
Ｂｒａｓｋｅｍ，  Ｓａｏ  Ｐａｕｌｏ，  Ｂｒａｚｉｌからの、１３３℃の融解温度、１９０μｍの平均粒度（Ｄ５０）及び８ｘ１０６ｇ／モルの平均分子量を有する超高分子量ポリエチレン樹脂粉末６５４０は、金型半分部の上部の超高分子量ポリエチレン入口ポート上のホッパーに空気圧によって導入される。窒素の流れを底部近くのホッパーに導入して樹脂粉末から空気を除去する。ラムを引き戻し、ホッパー下の金型のキャビティを樹脂粉末が満たすようにする。次いで、ラムが金型に入り、樹脂粉末を圧縮し、金型の縦に先細った部分にそれを押し、この樹脂が、ゲルにまで加熱されている樹脂粉末の前の部分を金型の出口に向かって押す。ラムがこの部分で約１秒間止まり、次いでサイクルが繰り返される。各サイクルの開始時に、金型が一杯になり、長さ０．５インチ（１２．５ｍｍ）、厚さ０．３７５インチ（９．５ｍｍ）及び幅４フィート（１．２２ｍ）の超高分子量ポリエチレンパネルが金型を出る。冷めた（２５０°Ｆ）パネルと金型の壁との連続した接触を円滑にする布で覆われた背圧装置によってパネルは部分的に動きが制約される。背圧装置は、パネルの幅を横切って背圧が変動するように構築される。パネルを平坦なコンベアに乗せ、操作者は冷却ゾーンの温度を調整してパネルから反りや内反りを除く。安定した、平坦なパネル製造での上部及び下部の冷却ゾーンの温度はそれぞれ、［４２℃、５６℃、６０℃、４９℃、４３℃］及び［４２℃、４９℃、５３℃、４４℃、４１℃］である。パネルは、結晶融解温度よりも非常に低い、１００℃より低い温度で金型を出る。製造されたパネルは切断され、０．０３０インチ未満の厚さのバラツキを伴って光沢のある平坦な表面を有する。各ラムストロークの生成に相当する長さの成形「ショットマーク」は、高い入射角度で注意深く観察すれば見ることができるが、正面から見れば実際には視覚的に認識はできない。パネルは、パネルごとに均一であるやや丸い端部を有し、商業的品質のものである。
【００６６】
第２実施例
第１実施例と同じ機械及び方法を使用するが、金型は、縦テーパーに加えて、図７に示すような二重側面テーパー及び曲線の上区分を有する非平行の出口面を有する。上部の冷却ゾーンはすべて７６．７℃に設定し、下部のゾーンはすべて７３．９°Ｆに設定する。操作中、調整はほとんど必要としない。押し出されたパネルは約７９℃で金型を出る。厚さのバラツキ及び端部の一貫性という点で第１実施例よりも高い品質の平坦なパネルが製造される。製造速度は、５．８ｍ／時間（１９フィート／時間）又は７１．４ｋｇ／時間（１６０ｌｂ／時間）である。
【００６７】
第１比較例
大きな、厚い断面の棺状の金型を用いて、商業用プレス成形操作を採用する。超高分子量ポリエチレン樹脂粉末を金型のキャビティに導入し、ぴったり合った蓋を金型に挿入する。その金型と類似サイズのその他３つの金型を１０００ｌｂ／ｉｎ２（６．９ＭＰａ）の圧力下に置かれた棚に搭載し、結晶融解温度より高く加熱し、この温度で９０分間保持し、次いでゆっくり冷却する。厚いプラークが得られ、別の工程で削ることによって０．３７５インチ（０．９５ｃｍ）の厚さのパネルを製造することができる。削る前、製造速度は７５ｌｂ／時間（３３．５ｋｇ／時間）である。削った後、端部のカール及び縁のカール及び内部応力を減らすのに高い温度での長時間のアニールを必要とする。
【００６８】
本発明の実施態様を説明及び記載してきたが、これらの実施態様が本発明において可能性のある形態のすべてを説明し、記載することは意図されていない。むしろ、本明細書で使用された語句は、限定ではなく記載用の語句であり、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、種々の変更を行ってもよいことが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】ラム押出し加工を模式的に説明する図である。
【図２】幅広パネルを製造するのに好適なラム押出し機の実施態様の１つについての金型及び支持構造の斜視図である。
【図３】加熱ゾーン及び冷却ゾーンを示す本発明のスリット金型の実施態様の１つの斜視図である。
【図４】誇張された形態における縦テーパーを示し、側面からの金型の実施態様の１つの断面図である。
【図５】下流方向からの金型の実施態様の１つの図である。
【図６】下流方向からの本発明の金型のさらなる実施態様である。
【図７】下流方向からの本発明の金型のさらなる実施態様である。
【図８】本発明での使用に好適なラムの実施態様の１つを説明する図である。
【図９】本発明での使用に好適なスリット金型及び窓枠拘束のさらなる実施態様を説明する図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の超高分子量ポリエチレンにおけるショットマークの３つの実施態様を説明する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【国際調査報告】
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