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TWI569015B - 用於測量聚合物泡體膨脹的方法及用於其中之裝置 - Google Patents

用於測量聚合物泡體膨脹的方法及用於其中之裝置 Download PDF

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TWI569015B
TWI569015B TW101144474A TW101144474A TWI569015B TW I569015 B TWI569015 B TW I569015B TW 101144474 A TW101144474 A TW 101144474A TW 101144474 A TW101144474 A TW 101144474A TW I569015 B TWI569015 B TW I569015B
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TW
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bubble
laser
thickness
measuring
vertical displacement
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TW101144474A
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Inventor
塞斯Ｔ 斯圖爾特
保羅Ｒ 凡瑞赫尼
Original Assignee
羅門哈斯公司
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Description

用於測量聚合物泡體膨脹的方法及用於其中之裝置 發明領域
本發明係有關於一用於測量聚合物泡體膨脹的方法及用於其中之裝置。
發明背景
產生一發泡聚合物產物的技術為一接近很難以控制的邊緣之程序。使本方法保持在受控狀態的技術涉及許多因素。例如就一PVC發泡產物而言，此等因素包括PVCK-值、所使用的加工佐劑、潤滑劑類型與含量、及該化學發泡劑的特性。含試驗添加物及含量之聚合物調配物之膨脹輪廓的預測可用於控制該發泡聚合物產物之製造。目前可用的方法提供僅可在某一時間膨脹的泡體。
發明概要
本發明為一用測量聚合物泡體膨脹的方法及用於其中之裝置。
在一實施例中，本發明提供一測量聚合物泡體膨脹的方法，其包含：擠壓一含一或多一種發泡劑之自由發 泡聚合物調配物；使該擠製調配物饋入通過一直角模以於該模之出口處產生一具有一泡體前部的成形泡體，使用含一雷射、一藉一馬達驅動器而驅動的直立定位器之雷射厚度測量裝置(其中該雷射係連接至該直立定位器以調整該雷射的直立位置)測量位於該模噴嘴的成形泡體之厚度；調整該馬達驅動器的速度，因此該雷射可以以等於離開該模之該泡體前部的垂直位移速率之垂直位移速率移動；且記錄該泡體厚度，其中係每x秒重複測量該成形泡體的厚度，其中x為自0.05至0.15且該厚度係以時間為變數進行記錄。
在一替代實施例中，本發明進一步提供一用於測量聚合物之自由泡體膨脹的裝置，其包含：一用於擠壓並形成一可產生成形泡體的擠製機；其中該擠製機包含一具有一模噴嘴之直角模；一連接至一直立定位裝置之雷射測量頭，其係用於測量位於或接近於該模噴嘴之成形泡體的厚度；一連接至該直立定位器之馬達驅動器裝置，其係用於調整該雷射測量頭之垂直位移以使離開該模之泡體的垂直位速率與該雷射測量頭之垂直位移速率同步化；一用於控制該馬達驅動器裝置速度的裝置；及一可記錄該以時間為變數之成形泡體之厚度的記錄裝置。
一替代實施例中，除了重複至少一百次以測量該成形泡形泡體之厚度不同外，根據上述實施例中之任一者，本發明係提供一測量聚合物泡體膨脹的方法及一用於測量聚合物之自由泡體膨脹的裝置。
在一替代實施例中，除了該方法進一步包含自該 以時間為變數之泡體厚度測定最大泡體厚度不同外，根據上述實施例中之任一者，本發明係提供一測量聚合物泡體膨脹的方法及一用於測量聚合物之自由泡體膨脹的裝置。
在一替代實施例中，除了該自由發泡聚合物調配物包含聚氯乙烯及一或多種發泡劑不同外，根據上述實施例中之任一者，本發明係提供一測量聚合物泡體膨脹的方法及一用於測量聚合物之自由泡體膨脹的裝置。
在一替代實施例中，除了該模具有一選自由圓形、橢圓形、正方形、及長方形所組成之群組的形狀不同外，根據上述實施例中之任一者，本發明係提供一測量聚合物泡體膨脹的方法及一用於測量聚合物之自由泡體膨脹的裝置。
一替代實施例中，除了該方法進一步包含測量該以時間為變數之泡體前部的位置，測定該泡體前部之垂直位移速率、及自動調整該馬達驅動器的速度以致使該雷射可以以和該泡體前部之經測定垂直位移速率相同的垂直位移速度移動不同外，根據上述實施例中之任一者，本發明係提供一測量聚合物泡體膨脹的方法及一用於測量聚合物之自由泡體膨脹的裝置。
在一替代實施例中，除了就一圓形模開口而言，以該泡體直徑的平方除以該模噴嘴直徑的平方所測量之該泡體之膨脹為自1至50不同外，根據上述實施例中之任一者，本發明係提供一測量聚合物泡體膨脹的方法及一用於測量聚合物之自由泡體膨脹的裝置。
在一替代實施例中，除了該裝置進一步包含一用於測量該以時間為變數之成形泡體之一前部的垂直位置之感測器、用於測定該成形泡體前部之垂直位移速率的裝置、及一介於該用於測定成形泡體前部之垂直位移的裝置與該用於控制該馬達驅動器裝置之間的控制環路不同外，根據上述實施例中之任一者，本發明係提供一測量聚合物泡體膨脹的方法及一用於測量聚合物之自由泡體膨脹的裝置。
在另一實施例中，本發明提供一測量聚合物泡體膨脹的方法，其本質上由以下組成：擠壓一含一或多種發泡劑之自由發泡聚合物調配物；經由使該擠製調配物饋入通過一直角模以於該模之出口產生一處具有一泡體前部的成形泡體，使用含一雷射、一藉一馬達驅動器而驅動的直立定位器之雷射厚度測量裝置(其中該雷射係連接至該直立定位器以調整該雷射的直立位置)測量位於該模噴嘴的成形泡體之厚度；調整該馬達驅動器的速度，因此該雷射可以以等於離開該模之該泡體前部的垂直位移速率之垂直位移速率移動；且記錄該泡體厚度，其中係每x秒重複測量該成形泡體的厚度，其中x為自0.05至0.15且該厚度係以時間為變數進行記錄。
在另一實施例中，本發明提供一用於測定聚合物之自由泡體膨脹的裝置，其基本上由以下組成：一用於擠壓並形成一可產生成形泡體的擠製機；其中該擠製機包含一具有一模噴嘴之直角模；一連接至一直立定位裝置之雷 射測量頭，其係用於測量位於或接近於該模噴嘴之成形泡體的厚度；一連接至該直立定位器之馬達驅動器，其係用於調整該雷射測量頭之垂直位移以使離開該模之泡體的垂直位速率與該雷射測量頭之垂直位移速率同步化；一用於控制該馬達驅動器裝置速度的設備；及一可記錄該以時間為變數之成形泡體之厚度的記錄裝置。
10‧‧‧擠製機
12‧‧‧直角模
14‧‧‧模噴嘴
16‧‧‧成形泡體
18‧‧‧雷射測量頭
20‧‧‧直立定位器
22‧‧‧馬達驅動器
24‧‧‧VARIAC
26‧‧‧電腦
28‧‧‧輸入電纜
30‧‧‧黏扣帶元件
為了闡明本發明，在圖示內顯示之一形式係具代表性；然而，應瞭解本發明不限於所示之精確排列及儀器配置。
圖1為闡明該裝置之一實施例的示意圖。
圖2為使用3種不同的混合型吸熱性/放熱性發泡劑之PVC調配物之橫截面膨脹比對時間的曲線圖； 圖3為使用3種不同的吸熱性發泡劑之PVC調配物之橫截面膨脹比對時間的曲線圖； 圖4為使用3種不同的放熱性發泡劑之PVC調配物之橫截面膨脹比對時間的曲線圖；及 圖5為使用3種不同的發泡劑之PVC調配物之橫截面膨脹比對時間的曲線圖。
較佳實施例之詳細說明
本發明為一用於測量聚合物泡體膨脹的方法及用於其中之裝置。
根據本發明之該測量聚合物泡體膨脹的方法包 含：擠壓一包含一或多種發泡劑的自由發泡聚合物調配物；使該擠製調配物饋入通過一直角模以於該模之出口處產生一具有一泡體前部的成形泡體；使用含一雷射、一藉一馬達驅動器而驅動之直立定位器的非接觸測量裝置(其中該雷射係連接至該直立定位器，因此可調整該雷射之一垂直位置)測量於該模噴嘴之成形泡體的厚度；調整該馬達驅動器的速度以致使該雷射可以以等於離開該模之泡體前部的垂直位移速率之垂直位移速率移動；且記錄以時間為變數之該泡體厚度，其中該成形泡體之厚度係每x秒進行測量，其中x為自0.05至0.15且該厚度係以時間為變數進行記錄。
如文中使用，“於該模噴嘴”意指一離該模噴嘴0至1毫米遠的位置。
可使用任何合適的擠製機進行一自由發泡聚合物調配物的擠壓，其前提為該擠製機可配備一用於形成一成形泡體的右角模。此等擠製機包括，例如單及多螺桿擠製機。一適用於該擠壓步驟的擠製機為HAAKE POLYLAB錐形雙螺桿擠製機。
如文中使用，自由發泡聚合物調配物包括一旦離開該模時可自由地膨脹/發泡的任何聚合物調配物。此等聚合物調配物之實例包括選自以下之群組所組成的聚合物：苯乙烯化聚合物、丙烯酸酯、聚烯烴、聚酯、聚醯胺、聚氯乙烯(PVC)、氯化PVC、及氟聚合物；與一或多種物理或化學發泡劑。該發泡劑可以是一旦熱分解時可釋放一氣體 之多種化學發泡劑中的任一者。該發泡劑或其等之混合物可選自含可分解基團(諸如含偶氮、N-亞硝基、羧酸根、碳酸根、雜環氮及磺醯醯肼基團)的化學品。一般而言，其等係為當經由化學反應而加熱或一旦分解時，可釋放氣體(群)的固體材料。代表性化合物包括如在Plastic Additives Handbook,eds.R.Gachter,H.Muller,and P.P.Klemchuk,Hanser Gardner Publishers,Cincinnati,1996,Ch.16.中所描述的偶氮二碳化醯胺及其衍生物、碳酸氫鹽、肼衍生物、半卡肼、四唑、苯并、及硼水合物。這些發泡劑的實例為：偶氮二碳化醯胺、4,4-氧基雙(苯磺基醯肼)、二苯基碸-3,3-二磺基醯肼、三肼三、對-伸甲苯甲醯磺醯基半卡肼、5-苯基四唑、靛紅酸酐、碳酸氫鈉、及硼氫化鈉。此外，可藉注入該擠製機內之物理發泡劑而產生發泡。代表性發泡劑包括液化二氧化碳、氮、烴、氯化氟碳、氫氯氟碳及水。
已連接至擠製機且用以形成一成形泡體之該直角模可具有任何合適開口、或噴嘴、形狀。此等橫截面形狀可包括，例如圓形、橢圓形、正方形及長方形。該擠製聚合物調配物可離開該模，因此呈現該模開口之一橫截面形狀。在具有一圓形開口之模的實例中，該成形泡體之厚度係指所形成之圓形成形泡體的直徑。在具有一正方形開口之模的實例中，該成形泡體之厚度係指該正方形成形泡體之一側的長度。在具有一橢圓形開口之模的實例中，該成形泡體之厚度係指該橢圓形之短或長軸。同樣，在具有 一長方形開口之模的實例中，該成形泡體之厚度可指該長方形之短或長側。亦可使用多軸厚度測量裝置以同時測量所有軸尺寸。使用本方式可測定任何模形狀之該橫截面膨脹比(於任何特定時間之橫截面面積除以該模開口之橫截面面積)。
可以使用手動方式或自動化方式調整該馬達驅動器的速度，因此該雷射可以以一等於離開該模之該泡體前部之垂直位移速率的垂直位移速率移動。就手動調整而言，可以以手動方式監測該雷射之垂直位移速率與離開該模之該泡體前部的垂直位移速率中之任一者或兩者。在本情況下，當泡體係與該雷射測量裝置之底部同一平面時，啟動該直立馬達驅動器。使用一可變自偶變壓器(例如VARIAC)以手動方式調整該速度，因此該泡體前部可維持與該雷射裝置的底部在同一平面上。其通常可經該變壓器2或3次調整而達成。同樣，就自動調整而言，可藉本項技藝中已為吾人所熟知的電子產品及/或感測器而自動監測該雷射之垂直位移速率與離開該模之泡體前部的垂直位移速率中之任一者或兩者。例如可藉各別的雷射Doppler速度計而測量該垂直泡體前部速度及垂直雷射速度，且可藉一控制環路而同步化兩者的速度。可使用任何類型之非接觸速度計(諸如雷射Doppler速度計)以測量該成形泡體前部的垂直速度。代表性雷射Doppler速度計包括得自POLYTECH(Irvine,CA)and ZUMBACH ELECTRONIC AG(Orpund,Switzerland)之雷射Doppler速度計。
在從離開該模一直到達到最大膨脹之至少一時間的期間進行該成形泡體前部之多次厚度測量。可以以從每0.05秒至每0.15秒的間隔進行該等測量。總測量時間之範圍可從1秒至10分鐘。
所有各別數值及自0.05至0.15秒之亞範圍係包括在文中且揭示在文中；例如可從每0.05、0.07、0.09、0.11或0.13秒之低限至0.07、0.09、0.11、0.13或0.15的上限進行該厚度測量。例如可以以在從每0.05至0.15秒、或另一者，從每0.07至0.13秒、或另一者，從每0.09至0.11秒的範圍內之間隔測量該厚度。
在某些實施例中，該方法進一步包含從以時間為變數之該泡體厚度計算泡體膨脹的速率。由於該方法可測量以時間為變數之多個厚度，所以可容易地藉使經過一特定時間後之厚度的變化除以該特定時間而計算該泡體膨脹的速率。
在某些實施例中，重複該測量成形泡體之厚度的方法至少一百次。
在該方法之一實施例中，該自由發泡聚合物調配物包含聚氯乙烯及一或多種發泡劑。
在某些實施例中，該方法進一步包含測量以時間為變數之該泡體前部的位置，計算該泡體前部之垂直位移的速率並自動調整該馬達驅動器的速度，因此該雷射可以以和該泡體前部之經計算垂直位移速率相同的垂直位移速率移動。例如可藉各別的雷射Doppler速度計而測量該垂直 泡體前部速度及該垂直雷射速度且者之速度可藉一控制環路而同步化。控制環路及其組件為吾人所熟知且其實例係描述在ttp：//en.wikipedia.org/wiki/Control_loop中，其揭示文在此併入本案以為參考資料。
在本方法之某些實施例中，以該泡體直徑的平方除以該模開口直徑的平方所測量之該泡體的膨脹為自1至50。所有各別數值及自1至50的亞範圍包括在文中且揭示在文中；例如該泡體之膨脹可以自1、10、20、30或40的下限至10、20、30、40或50的上限。例如該泡體膨脹可以在自1至50之範圍內、或另一者，該泡體膨脹可以在自10至40之範圍內。
在一替代實施例中，本發明進一步提供一可用於本發明方法的裝置，其包含一用於擠壓並形成一可得到一成形泡體的發泡聚合物調配物之擠製機；其中該擠製機包含一具有一模噴嘴的直角模；一連接至直立定位裝置的雷射測量頭，其係用於測量於或接近於該模噴嘴之該成形泡體的厚度；一連接至該直立定位裝置之馬達驅動器裝置，其係用於調整該雷射測量頭之一垂直位移以使離開該模之泡體的垂直位移速率與該雷射測量頭的垂直位移速率同步；一用於控制該馬達驅動器裝置速度的裝置；及一可記錄以時間為變數之該成形泡體的厚度之記錄裝置。
可用於本發明裝置之擠製機及模包括上文論述之彼等。直立定位器可以是用於垂直性移動項目位置的任何機械裝置。例如一直立定位器可包含一藉含一旋轉裝置 (諸如刷式DC馬達，例如電鑽或步進馬達)之馬達驅動裝置而旋轉的螺紋桿。
可用於該裝置之雷射測量頭為可將一雷射投射在該成形泡體上的裝置且該投影係經電子方式偵測並轉化成一電子信號。可具有可同時測量不只一尺寸的2或3個軸頭。一可替代裝置係使用2或多雷射藉三角測量術而測量厚度。
該用於控制馬達驅動器的設備可包括用於調整該馬達驅動器之速度的任何方法及/或裝置，其包括，例如變阻器及可變自偶變壓器。可以在www.en.wikipedia.org/motor controller內找到用於控制電動機之速度的各種裝置之說明。
參考圖1，係表示一可用於本發明方法之裝置的實施例。係表示該用於測量聚合物之泡體膨脹的裝置。該裝置包括一擠製機10、一具有一模噴嘴14的直角模12。在擠製機10內擠壓聚合物，使其通過直角模12及模噴嘴14。一旦離開模噴嘴14時，該成形泡體16可具有模噴嘴14的形狀。一雷射測量頭18係與一直立定位器20連接。該直立定位器係藉一馬達傳動22而驅動。如圖1所示，用於控制該馬達驅動器的裝置為VARIAC 24。示於圖1內之記錄裝置為具有必要輸入電纜28之電腦26。
實例
以下實例係闡明本發明，但無意限制本發明之範圍。
用於該等代表性方法之設備為具有一直角模的HAAKE POLYLAB錐形雙螺桿擠製機(得自THERMO FISHER SCIENTIFIC,INC.)。表1表示用於該擠製機之各區域設定。
用於該代表性方法之自由泡體聚合物調配物為具有表2內所示的組成之PVC泡體母體混合物(MB1)。在進行擠製前，使加工佐劑(SURECEL T-55(得自The Dow Chemical Company),10PHR，其在所有測試中係保持恆定)、及該發泡劑與該母體混合物進行袋混。表3含有用於各該代表方法內之化學發泡劑群組。使用具有一ZUMBACH ODAC雷射測量計(亦即雷射測量頭)之ZUMBACH USYS IPC-1控制器(得自ZUMBACH ELECTRONIC AG,Orpund,Switzerland)以測量該成形泡體的厚度。
該ZUMBACH ODAC雷射測量計係連接至一可經由一螺紋支架與該成形泡體平行地移動的台。使用藉一VARIAC自偶變壓器而控制的旋轉鑽以上升或下降該與螺紋支架連接之雷射測量計。藉調整該VARIAC而使該旋轉鑽匹配該成形泡體之線性輸出。
為了更合適地集中該成形泡體以得到較高膨脹的試樣。使用黏扣帶(hook and loop tape)使一片鐵氟龍(Teflon)連接至該雷射測量計之底部。此種可視需要選用的黏扣帶係以元件30示於圖1內。每0.1秒收集該成形泡體之厚度的測量值。自該ZUMBACH控制器收集該等厚度測量值且使用Excel軟體製圖並分析。
記錄最大厚度及達到最大厚度之時間、以及如下文定義該橫截面膨長比(CSER)、與密度值。該等密度值係藉遵照ASTM標準D792“Standard Test Methods for Density and Specific Gravity(Relative Density)of Plastics by Displacement.”而獲得。該等最大厚度值係示於表4內。橫截面膨脹比(CSER)為一藉以下方程式而定義的無單位測量值： 其中D1為於時間t下之該成形泡體的直徑，而D0為該橫噴嘴的直徑。該等曲線圖係分別表示不同發泡劑類型(放熱型(Exo)、吸熱型(Endo)、及混合式吸熱型與放熱型)且在所有 曲線圖上之實驗試樣1標繪圖係用於比較。圖2-5係闡明使用表3內所示的各該發泡劑之該聚合物調配物試樣之膨脹曲線。
圖2係闡明在該泡體離開該模開口後，以時間為變數之含由放熱型及吸熱型組份之混合物所組成物的化學發泡劑之PVC組成物的橫截面膨脹比。由於各該發泡劑類型之令人滿意的性質之組合，所以此等混合式exo/endo發泡劑為在PVC泡體內最常見的發泡劑。
圖2表示放熱型及吸熱型發泡劑之混合物可得到既快速又相當高程度的膨脹。在初膨脹段落內，該TRAMACO TSE3140具有一稍較低的斜率。
圖3表示該吸熱型發泡劑具有比由放熱型及吸熱型之混合物所組成的發泡劑高很多之最大膨脹。雖然該等吸熱型試樣具有大很多的總膨脹，但是其初膨脹速率比一含放熱型材料之化合物低很多且密度稍較高。
圖4表示該等放熱型發泡劑與用於參考之實驗試樣1的比較。其總膨脹低於實驗試樣1，但是該初膨脹速率類似。該K-198可得到比該HRVP01還高的膨脹，其相當於其較高的氣體排放值(221cc/g對190cc/g)。
圖5表示在一曲線圖內之最佳發泡劑類型，因此可觀察膨脹特徵之直接比較。
只要不違背本發明之精神及基本屬性，本發明可以以其它形式具體化呈現，因此，當表示本發明之範圍時，應該參考附加申請專利範圍而非上述專利說明書。
10‧‧‧擠製機
12‧‧‧直角模
14‧‧‧模噴嘴
16‧‧‧成形泡體
18‧‧‧雷射測量頭
20‧‧‧直立定位器
22‧‧‧馬達驅動器
24‧‧‧VARIAC
26‧‧‧電腦
28‧‧‧輸入電纜
30‧‧‧黏扣帶元件

Claims (9)

  1. 一種測量聚合物泡體膨脹的方法，其包含：擠壓一包含一或多發泡劑的自由發泡聚合物調配物；使該擠製調配物饋入通過一直角模以於該模之一出口產生一具有一泡體前部的成形泡體；使用含一雷射、一藉馬達驅動器而驅動的直立定位器(其中該雷射係與該直立定位器連接以調整該雷射之一垂直位置)之雷射厚度測量裝置測量位於該模噴嘴之成形泡體的厚度；調整該馬達驅動器之速度以致使該雷射可以以一等於離開該模之泡體前部的垂直位移速率之垂直位移速率移動；且記錄該泡體厚度，其中係每x秒重複測量該成形泡體的厚度，其中x為自0.05至0.15且該厚度係以時間為變數進行記錄。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含從該以時間為變數之泡體厚度測量最大泡體厚度。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該自由發泡聚合物調配物包含聚氯乙烯及一或多種發泡劑。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該模具有一選自由圓形、橢圓形、正方形、及長方形所組成之群組的形狀。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含測量該以 時間為變數之泡體前部的位置，測定該泡體前部之垂直位移速率並自動調整該馬達驅動器之速率以致使該雷射可以以和該泡體部份之經測定垂直位移速率相同的垂直位移速率移動。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該以泡體直徑的平方除以該模噴嘴直徑的平方所測量之泡體的膨脹為自1至50。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該聚合物泡體之一橫截面膨脹比為自1至50。
  8. 一種用於測量聚合物之自由泡體膨脹的裝置，其包含：一用於擠壓並形成一可產生成形泡體的發泡聚合物調配物之擠製機；其中該擠製機包含一具有一模噴嘴的直角模；一與一直立定位裝置連接之用於測量位於或接近於該模噴嘴之成形泡體的厚度之雷射測量頭；一與該直立定位器連接之馬達驅動器，其係用於調整該雷射測量頭之一垂直位移以使離開該模之泡體的垂直位移速率與該雷射測量頭的垂直位移速率同步化；一用於控制該馬達驅動器速度的設備；及一可記錄該以時間為變數之成形泡體的厚度之記錄裝置。
  9. 如申請專利範圍第8項之裝置，其進一步包含一用於測量該以時間為變數之成形泡體的一前部之垂直位置的感測器、用於測定該成形泡體前部之垂直位移速率的設 備、及一介於該用於測定該成形泡體前部的垂直位移之設備與該用於控制該馬達驅動器設備之間的控制環路。
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