專利名稱：使用泡沫作為模具而熱成型丙烯酸類聚合物的方法以及由此形成的制品的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱成型片材的方法以及一種由此形成的制品，所述片材由含有丙烯酸類聚合物的組合物形成。
背景技術：
含有丙烯酸類的組合物是人們所熟知的三維固體表面材料，尤其可用于建筑業中的既注重功能又注重造型美觀的廚房臺面、洗碗池以及壁面涂料，例如來自DuPont的 Corian 固體表面材料。吸引消費者的是固體表面材料的內在品質，例如具有供選的各種顏色和外觀的無孔易清潔表面。在建筑業中，含有丙烯酸類的組合物通常用作平片材。然而， 使用平片材作為原料時，含有丙烯酸類的組合物能夠被熱成型。熱成型丙烯酸類固體表面片材的嘗試遭遇了許多問題，這些問題限制了經濟和實踐方面的可行性，而這主要由現有模具技術的缺點造成。一個問題是相比熱成型部件的價值，構造熱成型模具的成本較高。另一個問題是模具較重，尤其是當模具需要具有較長壽命時。熱成型模具已由例如中密度纖維板和膠合板等材料制成。這些材料易得、易制造， 并且一般具有足夠的各向同性特性。由這些材料制備的模具在模塑丙烯酸類片材所需溫度下不會立即降解；然而，反復暴露在熱成型溫度下可導致分層。模具還可由諸如鋁之類的金屬制成，尤其是當要在相同模具上熱成型大量部件時。總體來說，應權衡模具壽命和初始成本對模塑材料進行選擇，從而實現每個部件的配置模具成本最低。需要提供一種使用能承受對片材進行再成型所需的高溫的輕量模具來熱成型含有丙烯酸類的片材的經濟型方法。發明概述本發明涉及一種模塑片材的方法，所述片材含有包含丙烯酸類聚合物的組合物， 所述丙烯酸類聚合物具有80至130攝氏度范圍內的玻璃化轉變溫度，所述方法包括以下步驟(a)將片材加熱到115至200攝氏度范圍內的溫度；并且(b)向受熱片材的表面施加升高的或真空壓差以引起片材變形，其中所述片材是由允許片材變形的模具支撐，其中所述模具包括(i)在片材受熱達到的最高溫度下物理降解的泡沫；以及(ii)位于片材和泡沫中間的熱阻擋層，其中熱阻擋層遵從泡沫的表面輪廓，前提條件是熱阻擋層具有至少0. 05平方英尺。F小時/BTU的熱阻值。為使用所得制品，可移除泡沫和熱阻擋層。作為另外一種選擇，泡沫可用作裝運和減震材料，并且僅在裝運后移除。在另一個實施方案中，泡沫和熱阻擋層可與模塑片材保持在一起，并且在最終使用中不移除。優詵實施方案詳述
片材形式的含有丙烯酸類的聚合物本發明的模具用于熱成型含有丙烯酸類聚合物的片材。優選的丙烯酸類聚合物是甲基丙烯酸甲酯。出于舉例說明目的，片材可由含有溶解于單體甲基丙烯酸甲酯的甲基丙烯酸甲酯聚合物的溶液(聚合物溶于單體的溶液)、聚合引發劑和無機填料形成，無機填料優選地為氧化鋁三水合物，例如授予Ray B. Duggins的美國專利No. 3，847，865中所公開的。丙烯酸類聚合物具有80至130攝氏度范圍內的玻璃化轉變溫度。丙烯酸類聚合物通常占片材重量的15至80%、優選地20至45%，并且可包含甲基丙烯酸甲酯均聚物和甲基丙烯酸甲酯與其他烯鍵式不飽和化合物(例如，乙酸乙烯酯、 苯乙烯、丙烯酸烷基酯、丙烯腈、甲基丙烯酸烷基酯、多官能丙烯酸類單體例如二甲基丙烯酸亞烷基酯和二丙烯酸亞烷基酯)的共聚物。此外，片材可含有少量其他聚合物(包括聚酯)。片材通常含有20至85重量％、優選地約55至80重量％的無機填料，以利于阻燃。用作填料的材料包括鈦酸鹽、硫酸鋇、碳酸鈣、鋅鋇白、陶土、菱鎂礦、云母、氧化鐵、二氧化硅，以及各種黃土。優選的填料是氧化鋁三水合物，其公開于以上提及的授予Duggins的專利中。任選地，片材料可含有裝飾性顆粒，包括各種填充和未填充、涂色或染色、不溶性或交聯的聚合物，例如ABS樹脂、纖維素酯、纖維素醚、環氧樹脂、聚乙烯、乙烯共聚物、三聚氰胺樹脂、酚醛樹脂、聚縮醛、聚丙烯酸類、聚二烯、聚酯、聚異丁烯、聚丙烯、聚苯乙烯、脲醛/ 甲醛樹脂、聚脲、聚氨酯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯酯等。其他有效的宏觀半透明和透明裝飾性顆粒是天然或合成礦物質或材料，如瑪瑙、雪花石膏、鈉長石、方解石、玉髓、燧石、長石、燧石石英、玻璃、孔雀石、大理石、云母、黑曜石、貓眼石、石英、石英巖、石質石膏、 沙土、二氧化硅、鈣華、硅灰石等；布料、天然纖維與合成纖維；以及金屬塊。含有丙烯酸類的組合物可被鑄塑或模塑和固化，以制備具有重要特性組合的片材結構，所述特性包括半透明性、耐氣候性、耐常用家用材料污染性、阻燃性、以及抗應力斷裂性。此外，片材可通過常規技術(包括鋸削和砂光)進行機器加工。該具體特性組合使此類結構尤其適用于廚房或浴室臺面、后防濺板、模塑制品例如毛巾架等。合適片材厚度的一個實例是在十分之一至十分之八英寸(1/10英寸至8/10英寸)的范圍內。泡沬在熱成型所述丙烯酸類組合物時用作模具的泡沫，將在熱成型溫度范圍即從115 至200攝氏度的溫度內降解。此類降解通常為物理或化學降解，將導致泡沫強度損耗和/ 或表面特性損耗。例如，面向含有丙烯酸類的組合物的泡沫表面將軟化、融化和/或炭化。 然而，如在下一節進一步所述，熱阻擋層的使用起到保護泡沫的作用，否則泡沫將在進行熱成型過程所必要的高溫下和時間段內降解。合適泡沫的實例是例如得自 Dow Chemical (Midland, Michigan)的 Trymer 泡沫產品系列或得自Elliot Company (Indianapolis, Indiana)的Elfoam產品系列等聚異氰脲酸酯泡沫、以及聚苯乙烯泡沫。擠塑聚苯乙烯泡沫材料可易于通過手動工具到計算機控制CNC電動工具等各種裝置而成型。擠塑聚苯乙烯泡沫的實例包括可得自 Owens Corning Insulating Systems, LLC(Toledo, Ohio) ^ F0AMULAR MM^^fe^ 材料；得自Dow(Midland，Michigan)的STYR0F0AM 擠塑聚苯乙烯絕熱材料；以及可得自 Pactiv(Atlanta, Georgia)的 Green-Guard 。
應當理解，合適泡沫所需的壓縮強度可根據熱成型過程中使用的壓力而容易地確定。壓力增大一般要求泡沫壓縮強度增大，以維持結構剛度。影響泡沫壓縮強度的因素包括泡沫密度和泡沫的化學組成。一般來講，泡沫密度越大(假定化學組成相同)意味著泡沫剛度就越大，能夠承受更大的壓力。在選擇泡沫時，需要考慮壓縮強度會隨溫度升高而減小。應當理解，可使用一層或多層泡沫，并且各層的化學組成不需相同。如果泡沫要在最終制品中保持在適當位置，可期望的是使一種類型的泡沫面向熱阻擋層而另一種類型的泡沫面向與熱阻擋層相對的方向。一般來講，面向熱阻擋層的泡沫表面將直接接觸熱阻擋層或通過粘合劑接觸熱阻擋層。熱成型過程中泡沫的功能是用作模具和承受該過程中使用的壓力。使用的壓力可高于或低于大氣壓，因為使用真空條件也在熱成型范圍內。熱阻擋層熱阻擋層保護泡沫不受正在熱成型的含有丙烯酸類的片材的熱量影響。如前一節所述，不具有熱阻擋層的泡沫則會在所用熱成型溫度下軟化、融化和/或炭化。如本文所用，“熱阻擋層(thermal barrier) ”和“熱阻擋層(heat barrier) ”是具有相同含義的術語。熱阻擋層需要具有至少0. 05平方英尺。F小時/BTU、更優選地0. 5平方英尺。F小時 /BTU的熱阻值。實際上限為10平方英尺。F小時/BTU的熱阻值，因為增大熱阻基本不帶來附加有益效果。這些值是根據ASTM標準C 1363-05"Standard Test Method for Thermal Performance of Building Materials and Envelope Assemblies by Means of a Hot Box Apparatus，，進行計算。一般來講，熱阻擋層將非常薄，因為熱阻擋層在熱成型所用壓力下將遵從模具的輪廓。出于舉例說明目的，熱阻擋層的厚度將不大于1或2英寸，盡管特別是在采用彈性體材料時可使用更大的厚度。在大多數情況下，熱阻擋層表面將具有平整表面，即平滑或平坦表面(如人所觸摸到的)，因為表面不平度將傳遞到在熱成型過程中為被軟化部分的丙烯酸類片材上。然而，如果面向熱阻擋層的丙烯酸類片材的表面不是日常使用中常見的表面，對不平度的限制不會這么嚴格。然而，熱阻擋層上過大的不平度可導致丙烯酸類片材的相對表面(即不面向熱阻擋層的片材表面)出現不平度。在某些情況下，熱阻擋層可有意地具有紋理度，從而在熱成型過程中將紋理賦予丙烯酸類片材。適合用作熱阻擋層的材料的實例為橡膠(如乙烯_丙烯_ 二烯單體橡膠或硅橡膠)、由天然或合成材料制成的氈、紙材以及織物，所述合成材料例如芳族聚酰胺，如聚(1， 3-亞苯基異酞酰胺)。模具的制造如上所述的泡沫用作模具，并相應地在再成型丙烯酸類片材時，根據期望的最終構型成型。當熱阻擋層第一次施用到泡沫時，熱阻擋層將大體上遵從模具形狀。在某些情況下，如使用彈性體材料時，直至施加壓力，熱阻擋層才會完全遵從模具形狀。熱成型
熱成型的條件為本領域所熟知，其中在施加壓力前使用高溫(在本方法中為115 至200攝氏度范圍)對丙烯酸類片材進行初始加熱。例如，丙烯酸類片材可在滾筒式或對流式烘箱中加熱，直到片材達到均勻溫度為止。丙烯酸類片材或者在升高的壓力下或者通過使用真空而適形于模具的表面。升高的壓力的實例在5至125psig的范圍內，應當理解，最佳壓力不僅取決于片材的溫度，還取決于部件的設計。作為另外一種選擇，在很多情況下的優選模式中，使用真空條件進行熱成型，并且可使用用于塑料成型的真空臺。通過真空臺施加真空，并且在真空膜兩側所得的壓差會提供使丙烯酸類片材適形于模具所需的力。真空的壓差實例在1至14psig的范圍內。成型的丙烯酸類片材被冷卻且可被直接使用，而無需進一步處理或移除熱阻擋層 /泡沫組合。在某些情況下，模塑丙烯酸類片材將根據進一步用途而被裁邊和/或砂光。最終用涂模塑丙烯酸類片材可在不立即移除或最終移除熱阻擋層/泡沫的情況下使用。例如，泡沫可用作裝運材料，以在運輸過程中保護模塑丙烯酸類片材。此外，在某些建筑構造中可能期望存在泡沫和模塑丙烯酸類片材，其中泡沫用作永久性安裝材料。模塑丙烯酸類片材還可在僅移除泡沫的情況下使用，允許熱阻擋層保留在適當位置。此類用途的實例是通過由彈性體形成的熱阻擋層來阻尼振動，否則振動將轉移到模塑丙烯酸類片材上。作為另外一種選擇，將熱阻擋層/泡沫從模塑丙烯酸類片材移除。為進一步說明本發明，提供以下實施例。實施例1-最高未保護泡沬溫度的建立進行了簡單實驗，以確定合適的熱阻擋層。這些實驗是設計用于建立位于成型范圍下端的形成1/4英寸的固體表面所需的“最低標準”，以及位于成型范圍上端的形成1/2 英寸的固體表面所需的“一般適宜標準”。在每種情況下，固體表面均加熱到均勻溫度。然后將其置于泡沫材料片上，該泡沫材料片被覆蓋有試驗過的熱阻擋層。將硅膜降低到試驗樣本上并施加真空。用熱阻擋層任意一側上的熱電偶記錄溫度。當系統冷卻后，評估從泡沫和固體表面移除熱阻擋層的簡易性，以及對泡沫的任何損壞。泡沫 Foamular 250擠塑聚笨乙烯熱阻擋無 層
片材 ％英寸Corian 固體表面，加熱到不同溫度。
結果在高達105°C (221T )時無損壞。在下一個評估溫度109°C ( 228T )
下，固體表面開始粘住泡沫并在泡沫上形成壓痕。 泡沫 Elfoam P200聚異氰脲酸酯泡沫熱阻擋無 層
片材 ％英寸Corian 固體表面，加熱到不同溫度。
結果高達137°C ( 279 )時無損壞。在下一個評估溫度148°C ( 298°F )
下，在泡沫表面中有輕壓痕，并且在158°C (316。F)下，固體表面開始粘住泡沫。 泡沫 Elfoam P200聚異氰脲酸酯泡沫熱阻擋無 層
片材 V2英寸Corian 固體表面，加熱到不同溫度。
結果在123°C ( 253T )下，泡沫中僅有輕彳敬壓痕。在下一個評估溫度134。C
( 273。F)下，固體表面開始粘住泡沫。未保護的FOamular_ 250 —般不適于成型1/4英寸或1/2英寸的固體表面材料，因其在直接接觸對于有效成型而言溫度過低的固體表面時就會開始軟化。未保護的Elfoam P200聚異氰脲酸酯泡沫可用于更低溫度成型1/4英寸的固體表面。對于熱成型更高溫度的1/4英寸的固體表面和幾乎極低溫的1/2英寸的固體表面，Elfoam P200聚異氰脲酸酯泡沫在沒有熱保護時不適用。實施例2-最低保護泡沬標準的津立彈件體熱阻擋層如同未保護泡沫，可確定熱阻擋層對于在有效熱成型范圍下端處1/4英寸的固體表面的最低要求情況的適用性。對于這些實驗，泡沫和熱阻擋層的初始溫度在18-21°C范圍內，而Corian 固體表面的初始溫度在121_123°C范圍內。在每種情況下將Foamular· 250
擠塑聚苯乙烯泡沫用于熱成型模具。
權利要求
1.模塑片材的方法，所述片材含有包含丙烯酸類聚合物的組合物，所述丙烯酸類聚合物具有在80至130攝氏度范圍內的玻璃化轉變溫度，所述方法包括以下步驟(a)將所述片材加熱到115至200攝氏度范圍內的溫度；并且(b)向所述受熱片材的表面施加升高的壓力或真空以引起所述片材變形，其中所述片材由模具支撐，所述模具允許所述片材變形，其中所述模具包括(i)在所述片材受熱達到的最高溫度下物理降解的泡沫；和( )位于所述片材和所述泡沫中間的熱阻擋層，其中所述熱阻擋層遵從所述泡沫的表面輪廓，前提條件是所述熱阻擋層具有至少0. 05平方英尺。F小時/BTU的熱阻值。
2.權利要求1的方法，其中所述片材具有在1/10英寸至8/10英寸范圍內的厚度。
3.權利要求1的方法，其中所述片材含有三水合鋁。
4.權利要求1的方法，其中所述泡沫為聚苯乙烯或聚異氰脲酸酯。
5.權利要求1的方法，其中所述熱阻擋層具有在0.004至2英寸范圍內的厚度。
6.權利要求1的方法，其中所述熱阻擋層具有至少0.5平方英尺下小時/BTU的熱阻值。
7.權利要求1的方法，其中所述熱阻擋層為天然膠橡膠、膠乳橡膠、丁苯橡膠、聚氨酯、 氯丁橡膠EPDM、丁基橡膠、環氧氯丙烷、硅橡膠、牛皮紙、或填充有陶瓷球體的環氧樹脂。
8.制品，所述制品依次包括(a)模塑片材，所述模塑片材含有包含丙烯酸類聚合物的組合物，所述丙烯酸類聚合物具有在80至130攝氏度范圍內的玻璃化轉變溫度；(b)熱阻擋層，所述熱阻擋層⑴遵從(a)和(c)的表面輪廓， ( )具有至少0. 05平方英尺。F小時/BTU的熱阻值；以及(c)在115至200攝氏度范圍內的溫度下降解的泡沫。
全文摘要
本發明涉及通過在模具中加熱含有丙烯酸類聚合物的片材而熱成型所述片材的方法，所述模具包括(a)泡沫，所述泡沫在與所述受熱片材接觸時會降解，以及(b)熱阻擋層，所述熱阻擋層位于所述片材和所述泡沫中間以用于防止所述泡沫降解。在很多應用中，所得制品可在不移除所述泡沫的情況下使用。所述泡沫還可起到保護所述丙烯酸類片材的作用，例如在遠距離裝運期間。本發明還涉及一種多層式制品。
文檔編號B29C33/40GK102245370SQ200980149859
公開日2011年11月16日 申請日期2009年12月10日 優先權日2008年12月10日
發明者J·V·小薩格拉蒂, P·D·多亞克, T·R·金, W·P·帕普爾漢 申請人:納幕爾杜邦公司