(57)【要約】  ポリマー・フォーム処理のシステム及び方法である。例えば、システムは、射出成形されたポリマー・フォーム品を製造するために用いられ得る。システムは、マイクロセルラー・ポリマー・フォーム品を含む高品質のポリマー・フォーム品の形成を促進するため、ある範囲内の有効溶解度比で作動するように構成され得る。
2022500289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマー・フォーム材料を処理するように設計されたシステムであって、該システムは、
バレル内の処理スペースにおける下流にポリマー材料を移送するため、該バレルにおいて回転するように構成されたスクリューを含むエクストルーダー；
処理スペースにて発泡剤とポリマー材料との混合物を形成するため、スクリューの発泡剤受容セクションにおいて、バレルに形成された発泡剤ポートを介してエクストルーダーのポリマー材料に発泡剤を導入するように構成された発泡剤源；
エクストルーダーの出口に接続されたモールド；
を有して成り、
スクリューがポリマー材料を移送するために回転するに際して、エクストルーダーはスクリューにおける背圧Ｐｂを維持するように構成され、スクリューは混合セクション及び下流端を含むように設計され、
混合物における発泡剤の濃度はＣであって、
スクリューは、ポリマー材料及び発泡剤のショットをモールドに射出するため、バレルにおける下流方向にて周期的に射出位置にまで移動するように構成され、ショットはＶｓの体積を有し、スクリューは、回転しながら射出位置から上流に後退するように構成され；
混合体積Ｖｍは、スクリューの発泡剤受容セクションと、スクリューが射出位置にある際のスクリューの下流端との間の処理スペースにおける発泡剤とポリマー材料との混合物の体積として規定され；並びに
システムの有効溶解度比は、以下の式によって特徴づけられ：
有効溶解度比＝Ｐｂ／（Ｃ×Ｖｒ）
式中、Ｖｒ＝Ｖｓ／Ｖｍであって、
システムは、１５００より大きい有効溶解度比を有するように構成される、
システム。
【請求項２】
ポリマー・フォーム材料を処理する方法であって、該方法は、
バレルに設けられたスクリューを含むエクストルーダーを供すること；
スクリューが回転してポリマー材料を移送するに際して、スクリューにおける背圧Ｐｂを維持しながら、スクリューを回転させ、バレル内の処理スペースにおいて下流にポリマー材料を移送すること；
スクリューの発泡剤受容セクションにおいて、バレルに形成された発泡剤ポートを介して発泡剤源から発泡剤を導入し、処理スペースにおいて発泡剤とポリマー材料との混合物を形成すること；
バレルにおける下流方向にて、射出位置にまでスクリューを移動させ、ポリマー材料及び発泡剤のショットをモールドに射出すること；並びに
モールドからポリマー・フォーム品を回収すること
を含んで成り、
スクリューは、混合セクション及びスクリューの下流端を含むように設計されており、
混合物における発泡剤の濃度はＣであって、
ショットはＶｓの体積を有し、
混合体積Ｖｍは、スクリューの発泡剤受容位置と、スクリューが射出位置にある際のスクリューの下流端との間の処理スペースにおける発泡剤とポリマー材料との混合物の体積として規定され、
方法は、以下の式によって特徴づけられた有効溶解度比で作動し：
有効溶解度比＝Ｐｂ／（Ｃ×Ｖｒ）
有効溶解度比は、１５００より大きい
方法。
【請求項３】
処理スペースにおいてポリマー材料及び発泡剤の単相溶液を形成すること、並びに該単相溶液をモールドに射出することをさらに含んで成る、請求項１又は２に記載のシステム又は方法。
【請求項４】
発泡剤が窒素である、請求項１〜３のいずれかに記載のシステム又は方法。
【請求項５】
少なくとも２０００ｐｓｉの背圧Ｐｂを維持することを含んで成る、請求項１〜４のいずれかに記載のシステム又は方法。
【請求項６】
Ｖｒが少なくとも２．５である、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム又は方法。
【請求項７】
有効溶解度比が少なくとも２０００である、請求項１〜６のいずれかに記載のシステム又は方法。
【請求項８】
有効溶解度比が少なくとも２３００である、請求項１〜７のいずれかに記載のシステム又は方法。
【請求項９】
スクリューが、発泡剤ポートの上流に位置付けられた制限要素を含む、請求項１〜８のいずれかに記載のシステム又は方法。
【請求項１０】
スクリューの発泡剤受容セクションが、非破断スクリュー・フライトを含むワイピング・セクションを備える、請求項１〜９のいずれかに記載のシステム又は方法。
【請求項１１】
スクリューが、発泡剤受容位置の下流に混合セクションを有して成る、請求項１〜１０のいずれかに記載のシステム又は方法。
【請求項１２】
混合セクションが０〜３の間のＬ：Ｄ比を有する、請求項１〜１１のいずれかに記載のシステム又は方法。
【請求項１３】
スクリューの下流端はバルブを含まない、請求項１〜１２のいずれかに記載のシステム又は方法。
【請求項１４】
ポリマー・フォーム品が、１００ミクロン未満の平均セル・サイズを有する、請求項１〜１３のいずれかに記載のシステム又は方法。
【請求項１５】
システムが、ポリマー材料及び発泡剤の上流のフローを制限するために単一のバルブを含む、請求項１〜１４のいずれかに記載のシステム又は方法。
【請求項１６】
バレルが、バレル・セクションの下流端に取り付けられたモジュラ・バレル・エクステンションを有して成る、請求項１〜１５のいずれかに記載のシステム又は方法。
【請求項１７】
発泡剤ポートがモジュラ・バレル・エクステンションに形成される、請求項１〜１６のいずれかに記載のシステム又は方法。
【請求項１８】
スクリューが、スクリュー・セクションの下流端に取り付けられたスクリュー・エクステンションを有して成る、請求項１〜１７のいずれかに記載のシステム又は方法。
【請求項１９】
スクリュー・エクステンションが、発泡剤受容セクション、混合セクション及び制限要素を含む、請求項１〜１８のいずれかに記載のシステム又は方法。
【請求項２０】
ポリマー・フォーム材料を処理するように設計されたシステムであって、該システムは、
バレル内の処理スペースにおいて下流にポリマー材料を移送するため、バレルにおいて回転するように構成されたスクリューを含むエクストルーダー；
バレルの下流端に取り付けるように構築及び配置されたモジュラ・バレル・エクステンション；及び
スクリューの下流端に取り付けるように構築及び配置されたスクリュー・エクステンション
を有して成り、
モジュラ・バレル・エクステンションは、該モジュラ・バレル・エクステンションにおいてポリマー材料に発泡剤を導入するため、発泡剤源に接続するように構成された発泡剤ポートを含み、
スクリュー・エクステンションは、バレル・エクステンション内の発泡剤ポートの下流の処理スペースにおいてポリマー材料及び発泡剤を下流に移送するため、バレル・エクステンション内で回転するように構成され、
スクリュー・エクステンションは、スクリューが回転するに際してバレルにおける発泡剤ポートの上流に位置付けられる制限要素を含み、スクリュー・エクステンションは、制限要素の下流の発泡剤受容セクション、及び発泡剤受容セクションの下流の混合セクションを含み、
制限要素は、成形サイクルの射出部分の間、ポリマー材料及び発泡剤の上流のフローを防止するように構成され；並びに
モールドはモジュラ・バレル・エクステンションの出口に接続される
システム。
【請求項２１】
発泡剤源が窒素を含んで成る、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
発泡剤ポートの断面積が８０ｍｍ２未満である、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２３】
混合セクションが０〜３の間のＬ：Ｄ比を有する、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２４】
スクリューの下流端はバルブを含まない、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２５】
システムが、モジュラ・バレル・エクステンションにおける処理スペースでポリマー材料及び発泡剤の単相溶液を形成するように構成された、請求項２０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ポリマー・フォーム処理に関し、より詳細には、ポリマー・フォーム処理のシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリマー・フォームは、ポリマー・マトリックス中に複数のボイド（セルとも呼ばれる）を含む。ポリマー・フォームは、様々な技術を用いて処理される。例えば、ポリマー・フォームは、エクストルーダー内のポリマー材料に物理的発泡剤を注入することによって処理され得る。例示的には、多くの従来のシステムでは、エクストルーダーのバレルにおける発泡剤ポートを介して、エクストルーダー内のポリマー材料の流体ストリームに発泡剤が注入される。発泡剤はポリマー材料と混合され、エクストルーダー内で溶液が形成され得る。溶液は、例えば、モールドに射出され、射出成形ポリマー・フォーム品が形成され得る。
【０００３】
マイクロセルラー・フォームは、セル・サイズが小さく、セル密度が高いことを特徴とするポリマー・フォームの一種である。マイクロセルラー・フォームは、多くの特性及び処理上の利点を有し得る。マイクロセルラー・フォームを形成するに際して、ある処理ステップが必要となり得る（又は好適であり得る）。かかるステップには、エクストルーダー内で均一な混合物（例えば、単相溶液）を形成するのに十分な発泡剤とポリマー材料とを十分に混合すること、マイクロセルの尚早な核形成を防ぐために均一な混合物内で高圧を維持すること、及び所望の時間に素早く減圧して、マイクロセルを核形成させることが含まれる。
【０００４】
従来のある射出成形システムは、マイクロセルラー・ポリマー・フォームを生成するために必要な上述のステップの全てを満たすことができない。一般に、このようなシステムは、マイクロセルラー・ポリマー・フォームの生成と矛盾する一連の条件下で作動することを意図して設計される。他のシステムは、マイクロセルラー・ポリマー・フォームを生成するために特別に設計されている。そのようなシステムの中には、高価な装置の変更が含まれているもの、及び／又は他の性能指標（例えば、アウトプット）を犠牲にしているものがある。
【０００５】
したがって、高価な装置の変更及び／又は他の性能上の不利益を必要とせずに、マイクロセルラー・ポリマー材料を生成するために用いられ得る射出成型システムが必要とされる。
【発明の概要】
【０００６】
ポリマー・フォーム処理のシステム及び方法を説明する。
【０００７】
一態様では、システムが供される。システムは、ポリマー・フォーム材料を処理するために設計される。システムは、バレル内の処理スペースにおける下流にポリマー材料を移送するため、バレルにおいて回転するように構成されたスクリューを含むエクストルーダー（または押出機、extruder）を有して成る。エクストルーダーは、スクリューが回転してポリマー材料を移送する際に、スクリューにかかるＰｂの背圧を維持するように構成される。スクリューは、混合セクション及び下流端（downstream end）を含むように設計される。システムは、処理スペースにおいて発泡剤とポリマー材料との混合物を形成するため、バレル及び発泡剤受容セクションに形成された発泡剤ポートを介して、エクストルーダーにおいてポリマー材料に発泡剤を導入するように構成された発泡剤源（又は供給源、source）を有して成る。混合物中の発泡剤濃度はＣである。システムは、エクストルーダーの出口に接続されたモールド（又は型若しくは金型、mold）を有して成る。スクリューは、ポリマー材料及び発泡剤のショット（shot）をモールドに射出するため、バレルにおける下流方向にて、射出位置にまで周期的に移動するように構成される。ショットはＶｓの体積を有し、スクリューは、回転しながら射出位置から上流に後退するように構成される。Ｖｍの混合体積は、スクリューの発泡剤受容セクションと、スクリューが射出位置にある際のスクリューの下流端との間の処理スペースにおける発泡剤とポリマー材料との混合物の体積として規定される。システムの有効溶解度比（effective solubility ratio）は、以下のように特徴付けられる：有効溶解度比＝Ｐｂ／（Ｃ×Ｖｒ）（式中、Ｖｒ＝Ｖｓ／Ｖｍ）。システムは、１５００より大きい有効溶解度比を有するように構成される。
【０００８】
一態様では、ポリマー・フォーム材料の処理方法が供される。方法には、バレルに設けられたスクリューを含むエクストルーダーを供することが含まれる。スクリューは、スクリューの混合セクション及び下流端を含むように設計される。方法は、スクリューが回転してポリマー材料を移送するに際して、スクリューにおけるＰｂの背圧を維持しながら、スクリューを回転させてバレル内の処理スペースの下流にポリマー材料を移送することを含んで成る。方法は、スクリューの発泡剤受容セクションにおけるバレルに形成された発泡剤ポートを介して、発泡剤源から発泡剤を導入し、処理スペースにおいて発泡剤とポリマー材料との混合物を形成することをさらに含んで成る。混合物中の発泡剤濃度はＣである。方法は、バレルにおける下流方向にて、スクリューを射出位置にまで移動させ、ポリマー材料及び発泡剤のショットをモールドに射出することをさらに含んで成る。ショットは、Ｖｓの体積を有する。方法は、モールドからポリマー・フォーム品を回収することをさらに含んで成る。Ｖｍの混合体積は、スクリューの発泡剤受容位置と、スクリューが射出位置にある際のスクリューの下流端との間の処理スペースにおける、発泡剤とポリマー材料の混合物の体積として規定される。方法は、以下によって特徴づけられる有効溶解度比において作動する：有効溶解度比＝Ｐｂ／（Ｃ×Ｖｒ）。有効溶解度比は、１５００より大きい。
【０００９】
別の態様では、ポリマー・フォーム材料を処理するように設計されたシステムを供する。システムは、バレルにおいて回転し、バレル内の処理スペースにおいてポリマー材料を下流に移送するように構成されたスクリューを含むエクストルーダーを有して成る。システムは、バレルの下流端に取り付けるように構築及び配置されたモジュラ・バレル・エクステンション（又はモジュラ・バレル延長部若しくはモジュラ・バレル延在部、modular barrel extension）をさらに有して成る。モジュラ・バレル・エクステンションには、モジュラ・バレル・エクステンションにおけるポリマー材料に発泡剤を導入するため、発泡剤源に接続するように構成された発泡剤ポートが含まれる。システムは、スクリューの下流端に取り付けるように構築及び設計されたスクリュー・エクステンション（又はスクリュー延長部若しくはスクリュー延在部、screw extension）をさらに有して成る。スクリュー・エクステンションは、バレル・エクステンション内の発泡剤ポートの処理スペースの下流において、ポリマー材料及び発泡剤を下流に移送するため、バレル・エクステンション内で回転するように構成される。システムは、スクリューが回転する際に、バレルにおける発泡剤ポートの上流に位置付けられた制限要素を含むスクリュー・エクステンションをさらに有して成る。スクリュー・エクステンションには、制限要素の下流の発泡剤受容セクション、及び発泡剤受容セクションの下流の混合セクションが含まれる。制限要素は、成形サイクルの射出部分の間にて、ポリマー材料及び発泡剤の上流へのフローを防ぐように構成される。システムは、モジュラ・バレル・エクステンションの出口に接続されたモールドをさらに有して成る。
【００１０】
添付の図面と併せて検討すると、他の態様及び特徴は以下の本発明の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、一実施形態に従うポリマー・フォーム処理システムを概略的に示す。
【図２】図２は、一実施形態に従う、モジュラ・バレル・エクステンションを含むポリマー・フォーム処理システムを概略的に示す。
【図３】図３は、実施例１で説明されるような多数のサンプルに対する有効溶解度比を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ポリマー・フォーム処理のシステム及び方法を、本明細書において説明する。例えば、システムは、射出成形されたポリマー・フォーム品を製造するために用いられ得る。システムは、以下にさらに説明されるように、マイクロセルラー・ポリマー・フォーム品を含む高品質なポリマー・フォーム品の形成を促進するため、ある範囲内の有効溶解度比で作動するように構成されてよい。有効溶解度比は、ある装置、並びに以下により詳細に説明される体積比及び処理比を含む処理パラメータから計算されてよい。有利には、システムは高価な装置の変更及び／又は設計を必要としなくてよい。
【００１３】
図１を参照すると、ポリマー・フォーム処理システム１０が概略的に示されている。システムには、物理的発泡剤（例えば、窒素及び／又は二酸化炭素）を送達するために用いられる発泡剤導入システム１２が含まれる。この実施形態において、システムは、エクストルーダー１４及びモールド１６を含む射出成形システムである。ホッパー１８は、ポリマー材料を（例えば、ペレットの形態で）エクストルーダーに供する。エクストルーダーには、ポリマー材料を可塑化する（plasticate）ためにバレル２２内で回転するように設計されたスクリュー２０が含まれる。熱（例えば、エクストルーダーのバレルのヒーターによって供される）及び剪断力（例えば、回転スクリューによって供される）は、ポリマー材料を溶融し、流体ポリマー・ストリームを形成するように作用する。ストリームは、スクリューの回転によって下流方向に移送される。
【００１４】
図示された実施形態において、発泡剤導入システムには、エクストルーダーのバレルにおいて１つ又はそれより多くのポート２８に接続される物理的発泡剤源２６（例えば、窒素）が含まれる。システムは、エクストルーダーにおいて、供給源から流体ポリマー・ストリームへの物理的発泡剤のフローを制御するように構成されている。スクリューにおいて発泡剤が導入される位置は、本明細書において発泡剤受容セクション３１と呼ばれる。以下でさらに説明されるように、スクリューには、導入位置の下流に、発泡剤を受容するように、及び／又は（例えば、混合セクション３２において）発泡剤を混合するように特別に設計されたセクションが含まれてよい。
【００１５】
ポリマー材料及び発泡剤の混合物は、スクリューの回転によってエクストルーダーのバレルにおける下流方向に移送される。いくつかの実施形態において、混合物は、モールドへの射出前に物理的発泡材料がポリマー材料に溶解されている単相溶液である。
【００１６】
混合物（例えば、単相溶液）のショットは、エクストルーダー内におけるスクリューの下流に蓄積され、スクリューをバレル内の上流方向に後退させる可能性がある。適当な条件に達した場合（例えば、所定期間の後、所定のスクリュー位置など）、スクリューは、後退及び回転を停止し、成形サイクルの可塑化期間を終了する。成形サイクルの射出期間中、エクストルーダーの出口に関連するバルブ（又は弁、valve）２９を開きながら、スクリューをバレル内の下流へ、射出位置にまで押し進め、モールドの空洞（cavity）に混合物を射出してよい。混合物は、射出の間に圧力降下を受け、それによって多数のセルが核形成され、モールドにおいてポリマー・フォーム品が形成される。スクリューは、再び回転を開始し、別の成形サイクルを開始してよい。方法は、通常、複数のポリマー・フォーム品を製造するために繰り返される。
【００１７】
ポリマー・フォーム処理システムには、図面に示されていない多くの従来の構成要素が含まれてよいということが理解されるべきである。発泡剤導入システムは、射出成型システムと組み合わせて用いられるように図示されているものの、発泡剤導入システムは、他の種類のポリマー処理システムと組み合わせて用いられてよいということが理解されるべきである。
【００１８】
図２を参照すると、ポリマー・フォーム処理システム１０Ａが概略的に示されている。図１における実施形態と同様に、システムには、ポリマー材料を可塑化するため、バレル２２内で回転するように設計されたスクリュー２０を有するエクストルーダー１４が含まれる。上述のように、熱（例えば、エクストルーダーのバレルにおけるヒーターによって供される）及び剪断力（例えば、回転するスクリューによって供される）は、ポリマー材料を溶融するように作用し、スクリューの回転によって下流方向に移送される流体ポリマー・ストリームを形成する。この実施形態において、モジュラ・バレル・エクステンション５０はバレルの下流端に取り付けられ、スクリュー・エクステンション５２はスクリューの下流端に取り付けられる。スクリューがバレル内で回転すると、スクリュー・エクステンションはバレル・エクステンション内で回転する。アッセンブリは、スクリューの全体的な処理長さ（及び長さ対直径の比率）を増加させる効果を有する。
【００１９】
モジュラ・バレル・エクステンションは、既存のエクストルーダーの従来のバレルに取り付けられてよいということが理解されるべきである。すなわち、ポリマー材料を処理するために用いられる既存のエクストルーダーは、モジュラ・バレル・エクステンション及びスクリュー・エクステンションを含むように変更されてよい。このような変更は、場合によっては、例えば図１に示すシステムと比較して装置のコストを下げるという利点を有し得る。
【００２０】
図示されるように、モジュラ・バレル・エクステンションには、発泡剤導入システム１０の物理的発泡剤源２６（例えば、窒素）に接続される発泡剤ポート２８が含まれる。システムは、エクストルーダーにおいて、供給源から流体ポリマー・ストリームへの物理的発泡剤のフローを制御するように構成されている。以下でさらに説明されるように、スクリュー・エクステンションには、発泡剤を受容するように特別に設計されたセクション（すなわち、発泡剤受容セクション３１）及び／又は導入位置の下流で発泡剤を混合するように特別に設計されたセクション（すなわち、混合セクション３２）が含まれてよい。これらの実施形態において、スクリューの他の部分は、一般的にそのようなセクションを含まない。
【００２１】
ポリマー材料及び発泡剤の混合物は、スクリュー・エクステンションの回転によって、モジュラ・バレル・エクステンションにおける下流方向に移送される。いくつかの実施形態において、混合物は、モールドへの射出前に物理的発泡剤がポリマー材料に溶解されている単相溶液である。
【００２２】
混合物（例えば、単相溶液）のショットは、モジュラ・バレル内におけるスクリュー・エクステンションの下流端に蓄積され、スクリュー（スクリュー・エクステンションを含む）を上流方向に後退させる可能性がある。適当な条件を達成した場合（例えば、所定期間後、所定のスクリュー位置など）、スクリュー（スクリュー・エクステンションを含む）は後退及び回転を停止し、成形サイクルの可塑化期間を終了する。成形サイクルの射出期間の間、モジュラ・バレルの出口に関連するバルブ２９を開きながら、スクリュー（スクリュー・エクステンション）は射出位置にまで下流に押し進められ、モールドの空洞に混合物が射出されてよい。混合物は、射出の間に圧力降下を受け、それによって多数のセルが核形成され、ポリマー・フォーム品がモールドに形成される。スクリュー（スクリュー・エクステンションを含む）は再び回転を開始し、別の成形サイクルを開始してよい。通常、方法は複数のポリマー・フォーム品を製造するために繰り返される。
【００２３】
上述したように、システムは、ある望ましい範囲内における有効溶解度比で作動するように構成されてよい。有効溶解度比は、以下の式を用いて計算され得る：
有効溶解度比＝Ｐｂ／（Ｃ×Ｖｒ）
【００２４】
式中、Ｐｂは特定の背圧であり、当技術分野においてプラスチック背圧（plastic back pressure）と称される場合もあり、成形サイクルの可塑化期間の間、ポリマー材料（及び導入後の発泡剤）を移送するためにスクリューが回転する際、スクリューにおいて維持される液流背圧（又は油圧式背圧、hydraulic back pressure）（ｐｓｉ）と区別される。
【００２５】
式中、Ｃは、ポリマー材料と発泡剤（例えば、窒素）との混合物における発泡剤の濃度であり、混合物におけるポリマー材料の全重量に基づく発泡剤の重量％として表されてよい。
【００２６】
式中、Ｖｒは体積比と呼ばれ、以下の式で決定される：Ｖｒ＝Ｖｓ／Ｖｍ。Ｖｍ（ｉｎ３）は、スクリューの発泡剤受容位置と、スクリューが射出位置にある際のスクリュー（存在する場合、スクリュー・エクステンションを含む）の下流端との間の処理スペースにおける、発泡剤とポリマー材料との混合物の体積として規定される。
【００２７】
式中、Ｖｓ（ｉｎ３）は、モールドに導入されたポリマー材料及び発泡剤のショットの体積として規定される。
【００２８】
本発明者は、有効溶解度比が、得られたポリマー・フォーム成形品の品質を決定する重要なパラメータであるということを見出した。例えば、少なくとも１５００の有効溶解度比で作動すること（例えば、発泡剤として窒素を用いて）は、小さなセル・サイズを含む高品質のポリマー（例えば、ポリプロピレン）・フォーム（例えば、マイクロセルラー・フォーム）品を製造することにおいて重要であった。いくつかの実施形態において、少なくとも２０００の有効溶解度比で作動すること（例えば、発泡剤として窒素を用いて）は、高品質のポリマー（例えば、ナイロン）・フォーム品を製造することにおいて重要であり、いくつかの実施形態では、少なくとも２３００の有効溶解度比（例えば、発泡剤として窒素を用いて）が重要であった。いくつかの実施形態において、有効溶解度比は、３０００未満である。
【００２９】
ある実施形態では、体積比（Ｖｒ）も、得られるポリマー・フォーム品の品質を評価するための有用なパラメータであり得る。場合によっては、ある所望の体積比で作動することが望ましい可能性がある。例えば、いくつかの実施形態では、体積比が２．５より大きいことが好ましく、場合によっては１．５より大きく、場合によっては１．０より大きくてよい。
【００３０】
混合物における発泡剤の濃度（Ｃ）は、混合物におけるポリマー材料の全重量に基づいて、５重量％未満であってよい。いくつかの実施形態において、濃度は、ポリマー材料の全重量に基づいて２重量％未満であってよく、他では約１％未満であってよい。特に、窒素が発泡剤として用いられる場合、窒素の量は、ポリマー材料の重量に基づいて０．５重量％未満、又は０．２５重量％未満であってよい。いくつかの実施形態において、発泡剤は、ポリマー材料の重量に基づいて、０．０１重量％より大きい量で存在する。
【００３１】
上述したように、本明細書で説明されるシステム及び方法において、窒素は物理的発泡剤として用いられてよい。他の実施形態では、二酸化炭素が用いられてよい。いくつかの実施形態では、他の物理的発泡剤の種類（例えば、炭化水素、希ガスなど）が用いられてよいということが理解されるべきである。発泡剤は、ガス、液体、又は超臨界流体などのいずれの流動可能な物理的状態でも供給されてよい。いくつかの実施形態では、超臨界状態の発泡剤（例えば、窒素）が用いられることが好ましい。
【００３２】
成形サイクルの可塑化期間の間、ポリマー材料（及び導入後の発泡剤）を移送するためにスクリューが回転するに際して、スクリューにかかる、ある背圧（Ｐｂ）範囲でシステムを作動させてよい。例えば、背圧は少なくとも１０００ｐｓｉであってよく、いくつかの実施形態では少なくとも２０００ｐｓｉ；いくつかの実施形態では少なくとも３０００であってよい。いくつかの実施形態において、背圧は４０００ｐｓｉ未満である。
【００３３】
スクリュー・エクステンション（存在する場合）を含むスクリューの構成は、バレル内の単相溶液の形成を促進するため、十分な混合を達成することにおいて重要であり得る。例えば、スクリューは、発泡剤受容セクション（例えば、ワイピング（又は拭き取り若しくは払拭、wiping））及び／又は十分な長さの混合セクションを有するように設計されてよい。スクリュー・エクステンションを含む実施形態において、エクステンションには、発泡剤受容セクション（例えば、ワイピング）及び／又は十分な長さの混合セクションが含まれてよい。
【００３４】
一般的に、発泡剤受容セクションは、このセクションが処理スペースに導入された発泡剤を受けるように、処理の間、発泡剤ポートの下に位置付けられる。いくつかの実施形態において、受容セクションは、ポリマー材料に導入される際の発泡剤の分散を向上させるために発泡剤ポート（存在する場合、オリフィス（又は穴、orifice）を含む）の下を通るスクリュー・フライト（screw flight）（例えば、非破断スクリュー・フライト（又は破断していないスクリュー・フライト若しくは連続したスクリュー・フライト、unbroken screw flight））を含むワイピング・セクションと称され得る。ワイピング・セクションは、例えば、スクリューの直径の約半分から約３倍の間の長さを有してよい。
【００３５】
スクリューの混合セクションは、発泡剤受容セクションの下流に位置付けられる。スクリュー・エクステンションを含む実施形態において、エクステンションには混合セクションが含まれてよい。混合セクションは、発泡剤とポリマー材料との混合を向上させる。混合は、分配的又は分散的、若しくはその２つのいずれの組合せでもあり得る。向上された混合により、上述のように、マイクロセルラー処理に望ましいポリマー材料と発泡剤との単相溶液の形成が可能となり得る。混合セクションは、当技術分野において知られている様々な適当な設計を有し得る。例えば、混合セクションには、破断スクリュー・フライト（又は破断されたスクリュー・フライト若しくは不連続なスクリュー・フライト、broken screw flight）が含まれてよい。混合セクションの既知のある設計は、Ｍａｄｄｏｃｋ、スパイラルＭａｄｄｏｃｋ、パイナップル型、ピン、ギア、及び混練ミキサー（又は練りミキサー、kneading mixer）（及びそれらの組合せ）と呼ばれる。混合セクションの長さは、スクリューの直径の約０〜３倍の間であってよい。
【００３６】
いくつかの実施形態において、混合セクション及び発泡剤受容セクション（例えば、ワイピング）の組み合わせた長さは、スクリューの直径の少なくとも３倍であり、いくつかの実施形態ではスクリューの直径の少なくとも４倍である。
【００３７】
ある実施形態において、スクリューは、発泡剤受容セクションの上流（及び、スクリューがバレル内に設けられている場合は発泡剤ポート４２の上流）に位置付けられた制限要素４４を有するように設計される。スクリュー・エクステンションを含む実施形態では、エクステンションに制限要素が含まれてよい。制限要素は、ショットがモールドに射出されている間、処理スペースにおいて、ポリマー材料及び発泡剤の混合物の上流へのフローを制限する（及び、場合によっては実質的に防止する）ように構成される。したがって、制限要素は、ポリマー処理スペースにおける混合物の圧力を維持し、発泡剤が過早に溶液から出てくることを防止する。例えば、制限要素は、射出サイクルを通して、制限要素の下流のポリマー材料を少なくとも１０００ｐｓｉの圧力で維持してよく、他の場合では、少なくとも約２０００ｐｓｉ、又は射出サイクルを通して少なくとも約３０００ｐｓｉであってよい。
【００３８】
場合によっては、制限要素はバルブであり、開構成（又は“開”の状態、open configuration）では、バルブを通るポリマー材料の下流へのフローを可能にし、閉構成（又は“閉”の状態、closed configuration）では、バルブを通るポリマー材料の上流へのフローを制限する。例えば、バルブの下流のポリマー材料の圧力がバルブの上流のポリマー材料の圧力を超える場合、バルブは、閉構成から開構成に移動してよい。適当な制限要素の設計は、参照によって本明細書に組み込まれる、共通に所有される米国特許第６，３２２，３４７号に記載されている。
【００３９】
いくつかの実施形態において、スクリューは、従来のあるシステムにおけるスクリューの下流端に存在するチップ・バルブ（又は先端弁、tip valve）を含む必要はない。チップ・バルブを排除することで、構成及び操作の簡略化が可能となるため、これは、そのような従来のシステムに対する本明細書に記載のシステムの利点となり得る。いくつかの実施形態において、スクリューには単一のバルブのみが（例えば、制限要素の形態で）含まれる。
【００４０】
上述のように、発泡剤は、１つ又はそれより多くのポートを介してエクストルーダーに導入される。一般に、ポート４２は、モールドへの射出前にポリマー処理スペース内におけるポリマー材料と発泡剤との均一な混合物の形成を可能とするバレルの位置に形成される。上述のように、ポートは、さらに後述されるようなスクリューの特定のセクションに対して位置付けられてよい。また、他のポートの位置も適当であり得るということが理解されるべきである。例えば、バレルの異なる位置に配置された複数のポートを介する発泡剤の導入は、ポリマー材料と発泡剤との均一な混合物の形成を促進し得る。複数のポートを使用する場合、ポートは、バレルの周りに放射状に配置され得、又はバレルの長さに沿って軸方向に配置され得る。いくつかの実施形態では、発泡剤ポートである。ある実施形態において、発泡剤ポートは８０ｍｍ２未満の断面積を有してよい。
【００４１】
全てではないものの、場合によっては、１つ又はそれより多くの発泡剤ポートに関連する複数のオリフィスを介して、ポリマー処理スペースにおいてポリマー材料に発泡剤を導入することが望ましい可能性がある。例えば、複数のオリフィスを介する発泡剤の導入は、ポリマー材料と発泡剤との均一な混合物の形成を促進し得る。
【００４２】
上述のように、システムには、エクストルーダーの出口に関連する遮断ノズル・バルブ（又は遮断ノズル弁、shutoff nozzle valve）が含まれてよい。ポリマー材料及び発泡剤のショットの蓄積の間、バレル内でポリマー材料／発泡剤の混合物における圧力を十分に高く維持するため、遮断ノズル・バルブは閉構成にある。高圧により、発泡剤は、エクストルーダー内で形成されたポリマー材料及び発泡剤の単相溶液に溶解したままとなる。導入バルブを開くと、ポリマー材料はモールドに流され、混合物はモールドに導入されるに際して核形成する。１つ又はそれより多くの加熱ユニットは、遮断ノズル・バルブに関連する。遮断ノズル・バルブは、あるシステムでは存在しない可能性があるということが理解されるべきである。
【００４３】
上述のように、発泡剤源は、エクストルーダーに物理的発泡剤（例えば、窒素）を供給してよい。発泡剤導入システムには、供給源によって供給される発泡剤の流速をモニタリング（又は監視、monitor）及び制御するため、供給源の出口に接続された計量デバイス（又は調量装置、metering device）が含まれてよい。計量デバイスは、当技術分野で知られているいずれの種類であってもよい。いくつかの実施形態において、計量デバイスは発泡剤の質量流量を計量する。これらの実施形態において、供給源によって供給される発泡剤の質量流量は、特定のプロセスによって要求されるように、広範囲にわたって変化させてよい。例えば、発泡剤の質量流量は、一般的に約０．００１ｌｂｓ／時〜１００ｌｂｓ／時の間であり、場合によっては約０．００２ｌｂｓ／時〜６０ｌｂｓ．／時の間、場合によっては約０．０２ｌｂｓ．／時〜約１０ｌｂｓ．／時の間である。いくつかの実施形態では、ポリマー材料への発泡剤のフローは、あるプロセス（例えば、射出成形プロセス）において、ポリマー材料の不連続な可塑化の結果として、不連続であり得るということが理解されるべきである。
【００４４】
また、発泡剤導入システムには、供給源とポートとの間に位置付けられたインジェクタ・バルブ（injector valve）も含まれてよい。インジェクタ・バルブが開構成にある場合、エクストルーダーにおける供給源からポリマー材料への発泡剤のフローは停止する。インジェクタ・バルブが開構成にある場合、供給源からの発泡剤は、バルブを介して、エクストルーダーにおけるポリマー材料に流入することが可能になる。したがって、インジェクタ・バルブは、改造されたシステム（又は後付けされたシステム、retrofitted system）において、ポリマー材料への発泡剤の導入を選択的に制御するために用いられ得る。
【００４５】
いくつかの実施形態において、ポリマー処理システムには、システムの作動を容易にする制御システムが含まれる。制御システムは、システムの１つ又はそれより多くの構成要素から入力信号を受信し、出力信号を送信してよい。また、制御システムは、作業者による入力に応答して、手動入力信号を受信してもよい。特に、制御システム２５は、射出成形システムの作動及び発泡剤の導入を同期させるために用いられてよい。
【００４６】
上述のように、システム及び方法は、ポリマー・フォーム品を形成するために用いられてよい。いくつかの実施形態において、システム及び方法は、マイクロセルラー・ポリマー・フォームを形成するために用いられてよい。適当なマイクロセルラー・ポリマー・フォームは、例えば、参照によって本明細書に組み込まれる国際公開第ＷＯ９８/３１５２１号（Ｐｉｅｒｉｃｋら）に記載されている。マイクロセルラー・フォームは、セル・サイズが小さく、高いセル密度を有する。本明細書で用いられる「セル密度」という用語は、元の、未発泡のポリマー材料（又は発泡していないポリマー材料、unfoamed polymeric material）の立方センチメートルあたりのセルの数として規定される。本明細書で用いられる「平均セル・サイズ」という用語は、物品に形成されたセル・サイズの数値平均である。平均セル・サイズは、例えば、物品の代表的な領域の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）分析によって決定され得る。
【００４７】
いくつかの実施形態において、マイクロセルラー・フォームは１００ミクロン未満の平均セル・サイズを有し、他の実施形態では、５０ミクロン未満の平均セル・サイズを有する。これらのマイクロセルラーの実施形態のいくつかにおいて、セル・サイズは均一であり得るものの、少量のセルは、非常に大きい又は小さいセル・サイズを有し得る。場合によっては、物品の異なる領域は、異なるサイズのセルを有し得る。例えば、物品のエッジ領域は、一般的に、物品の内部領域より小さなセル・サイズを有し得る。さらに、エッジ領域にはセルが存在しない一方で、内部領域には存在し得る。
【００４８】
本明細書で説明されるシステム及び方法を用いて製造された、マイクロセルラー・フォーム品を含むポリマー・フォーム品は、広範囲の空隙率（又はボイド率、void fraction）にわたって製造され得る。約１％〜約９９％の間の空隙率を有するポリマー・フォームが用いられてよい。いくつかの実施形態では、５０％未満の空隙率を有する高密度のフォームが用いられ、他の場合では、３０％未満の空隙率、場合によっては約５％〜約３０％の間の空隙率である。特定の空隙率は、用途に応じて異なる。
【００４９】
一般的に、システム及び方法は、いずれの適当な種類のポリマー材料を処理するために用いられてよい。適当な材料には、アモルファス、半結晶性、又は結晶性の材料であり得る熱可塑性ポリマーが含まれる。ポリマー材料の典型的な例示には、スチレン系ポリマー（例えば、ポリスチレン、ＡＢＳ）、ポリオレフィン（例えば、ポリエチレン及びポリプロピレン）、フルオロポリマー、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、熱可塑性エラストマー、ハロゲン化ビニル（例えば、ＰＶＣ）、アクリル（例えば、ＰＭＭＡ）、アセタール、他の高温プラスチック（例えば、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＫ、ＰＥＳ、ＰＰＳ、ＰＥＩ、ＰＰＡ）などが含まれる。また、ポリマー材料には、強化剤、潤滑剤、可塑剤、着色剤、充填剤、安定剤などの当技術分野で知られている幾つもの他のいずれの添加剤も含まれてよい。必要に応じて、物品には、タルク又は炭酸カルシウムなどの核形成剤が含まれてよい。多くの実施形態において、物品には核形成剤は含まれない。一般的に、物品には、残留化学発泡剤又は化学発泡剤の反応副生成物は含まれない。また、例えば超臨界流体添加剤が大気ガス（例えば、窒素、二酸化炭素）である場合、一般的に、物品には非大気発泡剤は含まれない。
【実施例】
【００５０】
以下の実施例は、ある有効溶解度比範囲内で作動するシステム及び方法の重要性を示すものである。
【００５１】
図１に示されるものと同様のシステムを本実施例に用いた。ガラス充填ナイロン・ポリマー材料を処理するため、様々な異なる条件及び構成のもとでシステムを作動させた。一連の様々な成形ポリマー・フォーム品を製造し、品質（例えば、セルのサイズ）を検査した。図３は、様々なサンプルの有効溶解度比を示す。示されるように、有効溶解度比が２０００より大きい場合、サンプルは高密度であった一方で、有効溶解度比が２０００未満であった場合、サンプルの品質はより低かった。
【００５２】
当業者は、本明細書で列挙されている全てのパラメータが例示的であることを意味し、実際のパラメータは、本発明の方法及び物品が用いられる特定の用途次第であることを容易に理解するであろう。したがって、前述の実施形態は単なる例として提示されており、添付の特許請求の範囲及びそれと同等の範囲内で、本発明が具体的に説明されている以外の方法で実施され得ることを理解されたい。さらに、本明細書で説明されたシステムは、新たに製造されたシステム又は改造されたシステムであり得ることが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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