JPH0545614B2 - - Google Patents
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Description
本発明は材料の物理的特性を変更する方法、特
に成形された材料の物理的特性、特に機械的及び
光学的特性の制御即ち変更を可能とするため振動
(機械的又は電気的)により成形する方法に係る。
成形工学における近代的改良には、最終製品の
最終使用性能を向上するために、成形する間又は
それに続いて、ある生産変数の制御を行う。回転
成形、ブロー成形又は熱成形の如き種々な作業に
おいて、成形作業は既にプレフオームされた材料
に対して行う。この技術は材料の組織を形態構造
的に処理する方法において改良された特性を発揮
する手段を併せ行うことである。
おそらく材料の最終使用性能に影響を及ぼす最
も重要な要因の一つは、材料の熱力学的転移温
度、即ち、その融点又はそのガラス転移温度を通
過して冷却された速度である。結晶質及び半結晶
質の材料においては、特定の冷却条件下にできた
クリスタライトの数、寸法、タイプ及び分布は、
結晶度、もしあれば欠陥の密度、最終製品の性能
を決定する重要なアモルフアス領域ならびに全体
の形態学を大幅に支配する。例えば、クリスタラ
イトは高分子においてはフイラー又は物理的橋か
けとして働き、従つて、それらは凝固した生産物
の剪断係数の決定に重要な役割を演ずることはよ
く知られている。同様に、結晶度は光に対する透
明度を制御する、最終使用製品の光学的特性を決
定することもよく知られている。完全な透明は、
冷却条件下で結晶しうる材料に対して結晶化を回
避する或条件の下で一般に達成される。
それ故に、材料の物理的及び物理化学的特性
は、材料が溶融した又は粘稠な状態と固体の状態
との間を通過する間の材料の冷却速度又は冷却速
度の変動に依存することが判る。
アモルフアスの、結晶化しない材料は、凝縮し
てガラスになる材料であつて、ガラスは組織的に
液体に類似であるが、動力学的には液体とは識別
できない。第1図はガラス形成ゴムがそのガラス
転移温度Tgを通つて冷却されるときの体積変化
を示す。すべてのガラス形成材料はこの領域を通
過する際徹底的な特性変化を受け、その精密な値
は冷却速度及びその他の実験的要因、例えば圧力
及び時間に依存する。ガラス系の状態は不平衡状
態であつて、高度に分子移動度の制限されている
凍結された不規則条件を示している。第1図にお
いて、そのTgを通つて急速に冷却されたアモル
フアス材料ではより高い温度で凝縮すること及び
急冷されたガラスの比体積は徐冷された材料のそ
れより大きいことが判る。ガラス状態にあるアモ
ルフアス熱硬化樹脂の物理的特性は、ポリカーボ
ネートの耐衝撃性についてよく知られているよう
に、Tgを通過する冷却速度(その代わりに続い
て行うTg以下の焼なまし処理について)につい
てかなり変化し得る。衝撃強さは、材料の破壊を
生じないで何等かの機械的損失プロセスによる衝
撃エネルギの消散能力である。変態しないアモル
フアス高分子が何故にこのような、強靱なポリカ
ーボネートから脆いポリスチレンまでの幅広い衝
撃挙動を呈するかは十分理解されていない。すべ
ての変態しないアモルフアス高分子の中、ポリカ
ーボネートが衝撃強さに対する最高値の一つをも
つている。しかもポリカーボネートは、そのガラ
ス転移温度以下に強く焼なましされたときはその
衝撃エネルギを完全に失うことが報告されてい
る。ポリカーボネートのこの同じく衝撃特性の徹
底的な喪失は、そのTgを通過して非等温冷却条
件下で応力弛緩を許すように徐々に冷却すること
によつても観察されるであろう。
成形組立プロセス及び後処理により、熱硬化性
樹脂中に残留応力の依存することは、設計及び応
用技術者によく知られた問題である。残留応力は
急冷により増大しそしてTg以下で焼なましを行
うことにより除去することができる。一旦残留応
力ができると、この応力が弛緩する速度は、材料
のその平衡状態へ回復する能力によつて制御され
る。残留応力は全応力レベルに関係が深いので製
品の光学的及び機械的挙動に影響を及ぼし、それ
故に残留応力の知識、及びそのレベルを制御する
手段は、熱硬化性樹脂の製品に加え得る最大許容
外部応力を選択する時に重要である。
冷却速度に及ぼすもう一つの重要な影響は材料
の安定混合物の形成の中に示されている。ポリブ
レンドは2以上の物質の混合物である。例えば巨
大分子物質に対して、ポリブレンドは化学的に相
違する粉末、樹脂又はエラストマーの混合物であ
る。熱力学的考察及び実験的観察の両者から、異
る組成のポリマーが混合されるとき、それらは分
子レベルまで相互に混合しないので、均質な単一
相組織を与えない。分子的混合物によつて達成で
きる分子混合の窮極状態は、重合的ポリブレンド
によつてのみ或る程度まで到達できるだけであ
る。概念的には、安定度は極限としての分子的混
合の窮極状態にどれ程該ポリブレンドが近づくか
のあらわれである。ここから、安定度はそのポリ
ブレンドの均質の程度によつて最もよくあらわれ
ることができ、分散相の領域寸法により測定でき
かつ比較できる。連続相内の分散相の寸法が細か
ければ細かい程、そのポリブレンドの安定度は良
好である。
二以上のポリマーの溶けたブレンドの安定度
は、温度の関数である。温度が高ければ高い程、
安定度や良い。安定度の完全さ及びその温度と時
間への依存度は速度又は拡散感応プロセスであり
それは室温迄冷却されている間型の空洞内の溶け
たブレンドに加えられる冷却速度の関数である。
過冷却のブレンド又は無限大の速度において急
冷されたブレンドは、理論的には、急冷の始まつ
た温度においてもつていた安定度特性をもつであ
ろう。かくして、これは最終製品の最終特性に及
ぼす冷却速度の影響についてのもう一つの重要な
考察事項である。
成形作業の間の熱履歴は最終製品の特性の決定
において重要な役割を演ずる。それ故に、その特
性を変更するために、材料が処理されている間温
度変動速度をモニタする能力は、重要な工学的目
的である。
今日まで、研究所内で行われた研究は、一定静
水圧における作業でありかつ材料の冷却速度を、
材料を熱絶縁するか又は外部への熱交換を加速す
るかして変更することより成る。
冷却過程の材料と外部との間の熱交換を行うこ
とより成る既知の方法は、熱伝達(伝導、対流又
は輻射)の制約により限定される。一旦この製品
が周囲温度に達すると、必ずしもその物理的特性
に影響を及ぼすほど充分な限度内に大幅に熱交換
又は温度変動の速度をいつも変更できるとは云え
ない。
治金学において不平衡相を得るためのクラシツ
クな方法は対流による熱の急速な除去であつた。
一般に、溶けた金属は液体窒素のごとき冷却流体
の中へ落下された。数ミクロンの厚さの見本につ
いて、毎秒10000°又は20000°程度の冷却速度に到
達した。ポリメリツク材料のごとき若干の非金属
材料の低い熱伝導性のために、単純な寸法及び冷
却実験における幾何学的考察に対して特別な注意
が払われなければならなかつた。一方治金学にお
いては使用される極端に高い冷却速度はアモルフ
アスの完全にポリメリツクサンプルを準備するの
に必要ではないが、この技術は極めて薄いサンプ
ルに使用することができるだけであり、それ故に
産業的応用は事実非常に制限されている。
今日、多数の材料が最初の生の状態から完成品
又は半成品まで成形作業によつて変形される。こ
れらの材料は例えば、金属類、ガラス類、セラミ
ツク類、ポリマー類、樹脂類及びゴム類;有機又
は無機;合成及び天然材料である。これらの材料
はまた数個の材料のブレンドでもよい。
これらの材料は、それぞれ機械的及び物理的特
徴の組を授かつて居り、これらはその化学的性質
に依存するが、同様にその成形後の熱力学的状
態、特に使用温度における熱力学的不平衡の状態
に強く依存し、これは成形中のその熱履歴に大幅
に依存する。
各種の研究者が材料のある物理的及び機械的特
性を成形プロセスのパラメータを制御することに
よつて変更しかつ改良しようと求めた。例えば、
一定の成形水圧力のアモルフアス及び半結晶質ポ
リメリツク材料に及ぼす影響は強い研究テーマで
あつた。
冷却中加えられる一定静水圧力は例えばガラス
化過程において材料の状態を変更することは知ら
れている。この影響は、ガラス転移温度(Tg)
が、第2図に示すごとく冷却中液体材料に加えら
れる一定静水圧力の関数であるという事実により
説明される。Tgの値はガラス質材料又はガラス
の熱力学的不安定状態をあらわす。これは、充分
な一定の静水圧力がガラス転移温度(Tg)を少
なくとも問題の温度まで上昇させるように加えら
れるという条件において、この材料を任意の温度
でガラス質状態にまで凝縮させることは理論的に
可能であることを意味する。これらの現象は、文
献に実験的に記載されている。G,Allen et
al.,J,Polymer Sci.,C,23,127(1968),
W,C, Dale et al.,J.Appl.Polymer.Sci.,
16,21(1972),及びE.Jones Parry& D.
Tabor,J.Materials Sci.8,1950(1973)参照。
しかしながら、これらの文献中、どこにも、最
終製品の特性を制御するため、又は“注文通り
に”仕立てるために材料の冷却中に静水圧を、材
料自身の温度の変動により制御されるように変更
するということは示唆されていない。
ボグラフスキその他の特許(USP 3912480)
は、ガラスを焼なまし温度(Tg以下)とし、こ
の温度に溶解塩浴内で維持し、そして同時にこの
溶融塩(粘度は100cpを超えない)によりガラス
へ、20−18000ヘルツの一定の機械的振動を与え
ることによつてガラスを焼なましする方法を記載
している。この方法は、状態変化をおこすつもり
ではなくかつ本発明とは反対に一定の周波数及び
温度で行われる。なお、それは他の材料には何等
言及せず;単に砿物ガラスのみに応用されてい
る。
ChangへのUSP 4150079は結晶化する熱可塑
性ポリメリツク材料の結晶化を冷却の間静水圧を
変動することにより制御する(抑制し又は強化
し)方法を含む。Changの中には、特定の冷却の
パターンを決定するために静水圧作用に重畳した
振動的手段(機械的又は電気的)を適用すること
に示唆されていない。
本発明は材料の物理的及び物理化学的特性を変
更する方法であつて、該材料の物理的平衡状態か
ら不平衡状態への速度感応変化の速度を時間の関
数として少なくとも2つの流動学パラメータを同
時に変動することによつて制御することを含む方
法である。時間に対する該流動学パラメータの変
化速度は、規定された物理的及び/又は物理化学
的特性をもつた最終製品を達成するために所定の
関係に従つて制御される。該流動学パラメータの
少なくとも一つは機械的振動、剪断応力、静水
圧、誘電材料については誘電振動、又は金属材料
については電磁振動である。結晶質材料に対して
は、流動学変数は機械的振動、剪断応力、誘電性
材料に対しては誘電振動そして金属材料に対して
は電磁振動を含む。非結晶質材料に対しては、静
水圧は追加の流動学変数である。
振動(機械的、誘電的又は電磁的)の変動は周
波数でも振幅(強度)によつてもよい。
温度その他の流動学変数を変化する際、材料は
固体、粘稠体又は溶融(液体)状態と固体状態間
のごとき例えば、材料の冷却に対する結晶性又は
アモルフアスのごとき物理的状態の変化を含む速
度感応転移点を通過する。この相転位は速度感応
性であり、これはこの点をある速度で通過するこ
とはある特定の不平衡状態となることを意味す
る。
本発明は、成形、冷却を伴う加熱、焼なまし、
又は任意これらの作業の組合せのごとき作業を行
う間に利用することができる。
一以上の流動学パラメータを温度と同時に変え
ることができる。例えば、振動処理を静水圧作用
に重複することができる。
本発明を使用することにより材料に与えられる
改良される特性は、引張り又は曲げにおける応力
及びひずみ、弾性係数、機械的強さ、可撓性、化
学的腐蝕に対する抵抗性、表面硬度、熱容量、均
質性、衝撃強さ、及び熱伝導性を含む。さらに、
本発明の使用は結晶性の改善、修正された結晶組
織及び材料を安定するための焼なまし時間の減少
となる。
本発明の圧力及び振動処理は、成形される材料
の外方輪廓全体の上に一様に適用することができ
る。加えて、上記振動処理プラス静水圧力は成形
される材料の外周の適当な場所に、型の壁の膨ら
み及び空洞を介して適用することができる。
この処理される材料は最初は粒子、粉末、混合
物、膜、板(層状又はそうでない)又はさらには
“サンドイツチ”形構造の形でよい。この材料は
ポリマー(合成又は天然)、セラミツク、金属、
ガラス、ゴム其の他でよい。
本発明は材料が、同時にプログラムされた冷却
と3000サイクルまでの振動を受けることのできる
手段を含むことを特徴とする装置で実施し得る。
この冷却は冷たいガラスによる対流、又は水その
他の流体により濡らすことによつて行つてよい。
この装置の振動特性の変動をプログラムする調
整装置は、一定周波数、時間に対して対数的に変
動する周波数、又は型の温度の変動に同調してプ
ログラムされた方法で変動する周波数を適用し得
る。この調整装置は材料に作用する振動的力(正
弦波形振幅)のレベルを、型の温度に振動力の変
動を調和させる所定のプログラムに従つて制御せ
しめる。
この装置は、材料を、処理工程中にガスの圧力
に又は反対に高真空に置く手段を含んでよい。さ
らに、この装置は処理工程中に所定の熱勾配を材
料に適用する手段を含んでもよく、この勾配は材
料の厚さの方向に適用される。かくして、該装置
は、材料に、冷却過程中に最終製品の特定の改良
を達成するために特性が(周波数及び振幅)プロ
グラムされている振動を受けさせる手段を含んで
よい。材料に加えられる静的な力(振動的でな
い)はプログラムされた方式で変化してよい。振
動処理(周波数及び振幅がプログラムされたよう
に変動する)は平均的静的応力の両側に振動的力
を加えてよい。少なくとも温度が最高値に到達し
た瞬間からそして遅くとも材料が選択された温
度、例えば周囲温度に戻る瞬間までこの振動を与
える。振動の周期と振幅は、該材料の冷却曲線
の、材料の流動学的性質の及び処理された材料に
生じさせるのが望ましい変化の関数としてプログ
ラムされる。
振動は材料に様々な方法で、特に機械的手段に
よつて与えることができるが、多くの場合に適用
し得るこの一般的方法は、機械の外側に機械的振
動を発生するという欠陥を有する。装置の枠の振
動は厄介である。何故ならば、枠組の部材を疲労
させ、従つて装置の深刻なメンテナンスの問題の
原因となるからである。
本発明は同様に誘電特性を有する材料に対する
誘電的振動という変形も含む。かかる場合、この
材料はキヤパシタ(容器として作用する)の誘電
体と考えられ、その場合誘電体と材料とは正弦波
状電場を受け、その周波数及び電圧の強さは特定
プログラムにより時間の関数として決定される。
また誘電材料の場合、電圧及び非周期的電場の強
さに、時間に対してプログラムされた変動を与え
ることも可能である。この変動は、型の温度変化
と一致する。
材料中に、これを或る程度にするために熱を釈
放せしめることを提案するのではなくて、電気的
励起及び信号の振幅を変化せしめることであり、
即ち材料を冷却する間、該キヤパシタを横切る電
流の強さ又は電圧の大きさを変化せしめることで
ある。このようにして、内部粘弾性状態が発生
し、これが特殊な冷却パターンを導入させる。
誘電特性をもつた材料の場合、電気的に振動を
適用することの利益は、その材料の機械的振動の
場合と同じ物理化学的特性の変更が保証されるこ
とである(何故ならば、粘−弾性転移に対応す
る、 og (Hz)を絶対温度の逆数(1/T)
の関数として表す曲線は周波数の性質が何であつ
ても単一の曲線であるからである。
本発明の方法のこの特徴による利益は、操作に
おけるより良いエネルギ収量、設備のより少ない
疲労、装置費の減少、所定のプログラムの関数
(振動の周波数及び振幅)として方法の一層正確
な制御にある。
本発明のもう一つの特徴によれば、機械的に発
生する振動及び電気的に発生する振動は、冷却す
る間数個の粘弾性転移を調整するために同時に適
用される。これは常にあらわれる二次の転移を考
慮に入れることを可能とする。
最後に本発明のもう一つの特徴によれば、電気
的振動手段は、本発明の新規な方法を適用する前
に、該誘電材料をその場で一定周波数(共振周波
数)で加熱するのに使用される。
本発明を図面を参照して一層詳細に説明しよ
う。
第1図のグラフは一定静水圧力の下で、2つの
相違する冷却速度に対する、温度Tに対する比体
積の変動を示す。得られた曲線は2つの部分C1
及びC2より成り、これらは転移点M14で接合す
る。もし冷却速度が早められるならば、変化は曲
線C2によつておきないで点M15より始まる曲線C3
によつておきる。かようにこの転移自身は冷却速
度の変動に依存する。
第2図の曲線は、材料が3つの相違する静水圧
力P1,P2,P3(P3>P2>P1)を受けたとき、材料
の比体積(密度の逆数)を温度の関数としてあら
わす。第2図の3つの曲線は、比体積の変動は低
温のときより高温のときに大きいことをはつきり
示す。一定圧力における各曲線の該2つの部分は
転移温度Tg(P1),Tg(P2),Tg(P3)に対応する
転移を規定する点M12,M13でそれぞれ接合す
る。それゆえ転移点の変動を一つの流動学パラメ
ータの関数、この場合はTg、静水圧力の関数と
して研究することが可能である。
第3図のグラフは、2つの物理的相E1及びE2
の間の転移温度(Tg)を温度以外の流動学パラ
メータ(X)の関数としてプロツトしたものであ
る。“Tg”の“g”は、特に相E1とE2の間のガラ
ス転移の場合をさす。この転移温度は、結晶組織
に基づいて凝固する結晶性材料の場合には凝固温
度である。この温度は非結晶性材料の場合には、
ガラス転移温度でもあり得る。該転移温度はさら
に2次転移の両側に明瞭な物理化学的特異性をも
つている材料の場合には、2次の形式の任意の他
の転移でもあり得る。曲線Cは一点一点プロツト
され、変数Xは一定に保持されかつ非体積対温度
は転移温度を決定するために記録される。
第3図のグラフによれば、曲線Cは2つの流動
学状態E1及びE2を分離する。曲線Cより上の領
域においては、材料は状態E1であり、曲線Cよ
り下の領域では座は状態E2である。曲線Cをつ
くるために、状態E1と状態E2の間の通過はパラ
メータXの値を一定に維持すること、即ち温度軸
に平行な線(D1)上を移動することによつてな
される。パラメータX1に対応するこの線D1は、
点M1において曲線Cと交差する。点M1の上方に
位置する点M′において、材料は状態E1であり;
点M1より下方に位置する点M″において、材料は
状態E2である。状態M′とM″の間の通過は温度を
下げることにより影響を受ける。
転移点に対応する点M1自身は冷却速度即ち間
隔M′,M″を移動する速度に依存する(第1図参
照)。従つて、本発明の方法の変数を充分にプロ
グラムするためには、異なる冷却速度に対応する
曲線群を含むことが必要である。
文献に述べる大多数の場合において、流動学パ
ラメータは静水圧力である。研究室において流動
学パラメータとして振動(機械的、電気的又は電
磁的)の周波数、並びに振動の振幅(又は強さ)
を使用する研究が行われた。これら後者の場合に
おいて、転移温度対流動学パラメータのグラフは
第3図におけると同じ性質のものであり、即ち曲
線は、ループ、逆行点等を示すことなく明瞭に状
態E1を状態E2から分離する。第3図において、
転移温度はXが増加するにつれて増加することが
示されている。もし、ある選択された流動学変数
に対してそうならなかつたとしたら、Xは該流動
学パラメータの逆数をあらわしたであろう。
第4図は、本発明に係る材料を成形している間
の特殊な冷却パターンの効果をシミユレートする
ために、該流動学変数の変動を温度の変動の関数
として如何にプログラムするかを示す。
本発明によれば、転移曲線Cを通過する際の温
度の変化速度を変更するため、即ち状態E1から
状態E2へ通過する速度を変更するために、温度
Tの変動及びその状態変化の近傍およびその間
に、F(T,X),G(T,X)及びH(T,X)の
如き関数に従つて転移温度に影響を及ぼすもう一
つの流動学パラメータXの変動を結合することが
提供される。
先行技術によれば、最初点M′であらわされる
状態にある材料の温度を下げることは、パラメー
タXを値X1に一定に保持している間に行われる。
状態の変化は点M′を通過している鉛直線D1に沿
つてM1でおきる。最終製品の特性に強く影響す
る温度変化の速度は型との熱伝達のみに依存す
る。
本発明によれば、温度TとパラメータXは、か
つて周囲温度に達したという特殊な熱履歴のため
に、新規な物理的特性が生ずるように同時に変化
される。
温度及びパラメータXの変動は関数Fにより調
和し得る。これは第4図において、最初の点Nと
x3に対応する転移曲線Cの交差する点Rの間をx
の増加する方向に減少している曲線によつてあら
わされる。
温度及びパラメータxの変動は、また第4図に
おいて関数G(T,x)により調和し得る。点N
から始まる対応曲線は、転移曲線Cと点Nを通る
水平線より上方の点Sにおいて交わり、かつ曲線
Cとx2に対応する点Lにおいて交わる。該水平線
NLは温度を一定に維持して、該流動学パラメー
タxのみの作用による状態E2の形成に対応する。
温度及びパラメータxの変動はまた点Nを通過
し、転移曲線Cを点Mの下方に位置する即ちパラ
メータx5(x5<x1)に対応する点Tで横切るよう
な、第4図における関数H(T,x)により調和
し得る。
第一の場合曲線〔F(T,x)〕においては、材
料の温度は点Rの転移点に至る前は減少し、かつ
同時にパラメータxは増加し、その結果状態E2
へ加速された接近となる。この場合は状態E2へ
の接近速度は、熱伝達による温度Tの変動のレベ
ルにより及び同様にこの熱伝達とは無関係に変化
できる流動学変数xの変化速度によつて制御でき
ることを示す。この場合はより早い急冷速度の効
果のシミユレーシヨンを与える。
第4図の曲線G(T,x)の場合においては、
温度及びパラメータxはともに同時に増加する。
これは、温度増加の効果はxの変動によるTgの
同時増加により補償できることを示している。
第4図の曲線H(T,x)の場合においては、
温度はxの減少と同時に減少し、変動速度は独立
してプログラムすることができる。これは、内部
応力のごとき、急冷の効果がxの同時変動により
補償できるときには特に有用である。
一般に、パラメータxは物理的大きさ又は物理
的大きさの逆数に対応し得る。
通常は、流動学パラメータxは材料がその転移
曲線を通過する間受ける応力(静水圧力又は剪断
応力、振動的、非振動的)及び/又は振動周波数
及び/又は振動の振幅である。
数学的には、本発明の方法は偏微分により解析
することができる。
実験、もし、
Tgは材料の転移温度、
tは時間、
xはTgを変動させることのできる第一変数、
yは同じくTgを変化させることのできる第
二変数とすれば、
時間の関数としての温度変動は次のとおりに書
ける。
dTg/dt=(∂Tg/∂x)y・dx/dt+(∂Tg/∂y)xd
y/dt
概略、転移点Tgoの近傍において変数x及びy
をxo及びyoにとすれば、次の方程式となる:
〔∂dTg/∂dt〕(x0,y0)=∂〔Tg(x0,y0)〕/
∂x・Δx/Δt+∂〔Tg(x0,y0)〕/∂y・Δx/Δt
かくして、曲線Cの(又は変数x及びyの場合
において該表面の)選択した点の近傍において時
間の関数としてのTgの変動はx及びyを時間の
関数として変化させることにより制御される。状
態E2への接近速度は(dTg/dt)の変動の及び熱伝
達により制御される(dT/dt)の変動の直接関
数である。
さて、例えばもし、xが時間に対する圧力変数
であり、かつyが時間に対する周波数変数である
ならば、(dTg/dt)E1→E2の望まれる状態を得
るためにはそれらの変動をプログラムすることで
充分である。もしたつた一つの変数、例えばxが
あるならば、必ず(Δy/Δt)=0となりdTg/dt
を与える式は簡単になる。
本発明は転移温度に作用し得る任意の流動学パ
ラメータに適用する。かくして、本発明は成形処
理の間時間に対する変動が最終特性に及ぼす冷却
速度の効果をシミユレートすることのできる任意
のパラメータに適用することができる。
本発明の方法を実施する型を含むバイブレータ
組立を第5図においてAで示し、その詳細を第6
図に示す。バイブレータのフイールド供給源及び
振動の制御装置、例えば正弦波発生器Bをパワー
増幅器C(固体状態)に接続する。制御パネルD
により平均供給力、平均偏位量、温度及び冷却度
を監視することができる。電気エネルギをパワー
増幅器Cよりリード線1経由バイブレータ組立A
に供給する。電機子コイル101、フイールド供
給源102及び加速度計26に通ずるリード線を
夫々1,2,3で示す。バイブレータ組立Aをパ
イプ58により空冷用ブロワ53に接続する。又
バイブレータ組立Aをリード線4,5,6及び1
6経由制御パネルDに接続し、平均力、力の変動
幅、応力と歪との間の位相差及び第6図示の振動
卓42の変位の測定を監視し制御できるようにな
す。第6図のバイブレータ13を又冷却源たるベ
ルト駆動ブロワ53、増幅器及び型への冷却剤供
給源54、及び流体冷却用排水管55に夫々接続
する。
圧力計を含む真空ポンプ56を型に連通する
(Aで)調整ガス供給57もまた型に連通する
(Aで)。
バイブレータ組立Aより加熱素子(図示してな
いが、型の半分21及び32内に挿入したレジス
タ又はカートリツジである)、熱電対27、ロー
ドセル28、変位量測定素子30への接続リード
線を夫々4,5,6,16で示す。電線7,8,
10は夫々外部電源51への接続を示す。線9,
19は出力をチヤートレコーダ52及び周波数又
は振幅−温度関数発生器103へ運ぶのに用いら
れる。平均力、ピーク力、平均変位量、力及び変
位量間の位相差、温度及び周波数を記録すること
ができる。二つの弁a,bにより型の冷却を制御
する。弁aによりロードセル及び加熱すべき型の
囲いを熱的に絶縁することができ、又弁bにより
型の冷却を調節することができる。弁cは冷却用
流体の出力弁である。又弁dによりパワー増幅器
cのトランジスタの冷却を調節することができ
る。
第6図において、二個の型部分21,32及び
ベロー31をロードセル28と支持板41との間
に設け、支持板41を振動卓42にねじ止めす
る。ねじつき棒22はフレーム29を垂直に通つ
て支持板41内に螺入させる。
棒22を回転させて一組のばね11を圧縮し、
それで棒22の回転速度により制御される速度変
化をもつて型に力を加える。機械装置12を第6
図示の様に手動により又は電気的に調節し、ばね
11を抑える板41上に配設して制御された圧力
を適用することができる。
冷却用ダクト23を入口弁24(第5図のa及
びb)より型21,32に連結し、出口弁25、
第5図のc、より出口に向かつて開放となす。加
速度計26を型に3で、熱電対27及び加熱素子
(図示せず)に接続する。熱電対の一つ27は周
波数−温度発生器Bに接続する。歪測定素子30
をバイブレータ13内部の振動卓に固く取り付
け、その出力をリード線16を介して第5図の制
御パネルDへ接続する。
本装置は温度、応力(振動付与前)及び振動
(周波数又は振幅)の処理された変動を材料に与
えるように設計され構成されている。
可撓性金属のベロー31により型の上部及び下
部間で小さい相対運動ができる。処理すべき材料
はこの型の二つの部分間に挿入される。電気的加
熱素子もこの型の二部分間に挿入される。型の急
速又は調節された冷却が被処理材料に近く型を貫
通した通路内に流体を導入することにより可能と
なる。
電磁力附勢器により振動々作を発生させ、これ
により材料に加えられる全圧力の変動幅を決定す
る。
電磁附勢器の動作原理は高忠実度ラウドスピー
カに用いるものと同じであるが、本願で使用する
場合その部品はスピーカにおける部品よりもはる
かに大型で一層強力である。
ロードセル28は型21の上部に取り付けられ
て型内に配置された材料に加えられる力から直接
読み出せるようになす。
ロードセル28の他端はバイブレータ組立Aの
フレーム29に固着し、フレーム29それ自身は
バイブレータ13の固定電機子に螺着する。ロー
ドセル28の出力43は応力センサに接続され材
料に加えられる力を直読できるようになす。セレ
クタスイツチにより見本上に発生した平均力(正
弦波の平均値)又は最大圧縮応力に対応するピー
ク力の何れかを設定することができる。
フレーム29によりバイブレータ組立Aの電機
子をロードセル28を介してモールド上方部に連
結できる。それはバイブレータ13の電機子の力
に抵抗し、バイブレータ13の本体に後退力を及
ぼす。フレーム29の弾性は被処理材料より明ら
かに大きいので型の上方部分を不動のままにのこ
す。
バイブレータにより加えられる全振動応力にも
かかわらず材料に圧縮応力を維持し得るため、一
組のばね11を型上方に取付け、型に比較的一定
した応力を与え得る。この一定の力は正弦的力の
半波よりも大きい。ばねにより与えられる力は圧
力計(Dの中にある)で直読される。
数個の熱電対27を材料に出来るだけ接近して
(2mm)型の中に挿入し、型の該二つの部分の温
度が測定できるようにする。これらの熱電対の一
つの出力は増幅され、かつ振動の周波数及び振幅
発生器103への入力信号とされる。
その他の熱電対の出力電圧は、型の温度を調節
する自動計器及びy−tレコーダに伝送される。
この装置は加熱抵抗器へ配給された電子の電子式
サーボ調節器(プロポーシヨナルストリツプレギ
ユレータ)を具備する。この装置は最短時間内で
所望温度に到達せしめ、この温度で安定せしめ得
る。
型の中の初期温度、振動周波数及び振幅により
該成形すべき材料は特定の物理的状態をとる。本
発明を実施する装置においては型の空所は、各種
直径で、約2mmから最大約3.75mmまでの厚さのプ
ラスチツク円板を圧縮し得るごとく設計され、型
の中の最大内径は70mmである。
70mm直径の円板が使用されたと仮定すると、該
ばね組立によつて発生する平均圧力は、平均ベロ
ー面積9.19in2(5929mm2)に加わる4140Lbs(1878
Kg)の全圧縮力により生ずる450psi(31.42Kg/
cm2)であつた。
該プラスチツクは型の中及びベローの中を流動
し得る如く加熱することができる。それ故に、流
動しているプラスチツク又は諸液体にさえも本方
法(振動成形)を行うことができる。挿入する質
量は3.75mm厚さ、70mm直径、密度約1gr/cm3のPS
円板の質量を超えない方がよい。可撓性機械的ベ
ローにより、被処理材料はそれが該空所及び該ベ
ローの中に流入し得る温度まで加熱することがで
きる。その結果、溶融レジン、更には諸液体をも
振動成形法を行うことが可能であつた。型の中に
投入される材料の分量は8.85grを超えてはならな
い。
バイブレータからの力により発生し得る可変圧
力の分量は、バイブレータが作動している周波数
により変化する。計算によれば、225psi(15.8
Kg/cm2)の振動圧力が200Hzまでの周波数におい
て到達し得ることになる。約625psi(43.9Kg/cm2)
のピーク圧力が約200Hzまでの周波数において到
達できるべきであり、より小さい資料の使用によ
りより大きい圧力に到達し得る。
最大変位振幅(最低周波数において)は1.4mm
であつてこれは最初の厚さ3.75mmの見本の相対変
位の40%に相当する。
バイブレータは5から3000Hz(5000Hzまで可能
である)までの周波数において作動し得た。約
300Hz以上の周波数において、一定振動振幅と仮
定すると、型に伝達される力は理論的には駆動周
波数のほぼ2乗に逆比例して落ちる(ニユートン
の運動の法則)。振動の振幅は、より高い周波数
においても一定の出力圧力を保持できるように減
少することができた。
実際には、この装置の見かけの可動質量、即ち
材料に伝達された力を加速度で割つた商、は周波
数に依存することが実験的に見出された。可動質
量の対数は、事実、周波数の対数と直線的に関連
していた。(負の傾斜をもつて)。この結果は、周
波数が高い程、振動エネルギを材料へ伝達するこ
とが困難となることを単純に示している。型の温
度は0°から500℃の間の作業ができるように設定
することができた。
型の温度は室温からその最高温度の500℃まで
約15分以内で到達することができた。また型は各
種の冷却条件で冷却することができ、最もシビア
な冷却条件は、冷却剤として水を使用し、型温度
を500℃から60℃まで2分以内に下げるものであ
る。また型は熱水(20〜70℃)を用いて加熱し又
は冷却することがてきた。型はまた例えば空気又
は窒素のガスの強制通風により冷却することもで
き、これは広い範囲の徐冷速度及び制御された冷
却速度を与えた。
振動すべき全質量は振動卓を含めて約60ポンド
(27Kg)であつた。使用されたこの装置は3000ポ
ンド(1363.64Kg)の制限容量をもち、これは
3000/60=50gの加速度により与えられた。(重
力の加速度g=9.8m/s2)。
振動している包囲物として働くこの機械的ベロ
ーは越えることのできない機械的特性を有した。
とりわけ、そのフランジが材料で充満されていな
いときは1.4mm(0.055in)を越えて圧縮すること
はできなかつた。一方溶融状態又は液体の材料が
ベローのフランジを充満しているときは、材料は
その圧力及び加圧下の振動をベローの壁に伝達
し、この場合圧縮の制限値は単に0.89(0.035in)
にすぎなかつた。
固定パワー増幅器を装置の主なユニツトとして
使用した。これは5Hzから3000Hzの任意正弦波出
力の8KWまでの出力を出し得た。4つの出力モ
ジユール(トランスコンダクタ)はそれぞれ60個
のパワートランジスタを有した。これらは低レベ
ル信号源(60RMSmax)から115V,70Aの出力
をつくるためバツフア及び前置増幅器により駆動
された。この増幅器に対する負荷はバイブレータ
の電機子であつた。これは3000ポンド(1361Kg)
の定格力を有した。それはモータ駆動の遠心ブロ
ワにより空冷された。バイブレータはまたエアギ
ヤツプ中に強い磁界をつくるコイルのため直流電
源を必要とした。これはフイールド電源により提
供された。それは190V,40Aの出力を有した。
固体パワー増幅器、フイールド電源及びブロワ
ー用モータは380V,50Hz、3相の電力を要した。
全需要量は約28.3KVAであつた。これは主電源
から装置の近くの壁面上にあるフユーズ付断路器
及び3極AC接触器を介して供給された。低レベ
ル増幅器段及び制御回路用電力は110V,50Hz、
単相で外部に取付けられた制御パワートランスか
ら供給された。制御ギヤビネツト設備、ヒータ、
力及び温度計測器に要する全220V電力は約
3KVAであつた。
パワー増幅器に一体に取付けらた増幅器制御パ
ネルには、押ボタン、表示ランプ、安全インター
ロツク、マスタゲインコントロール等、装置への
電力制御に必要なものを配設した。
該低レベル信号源はフイールド電源と同一キヤ
ビネツト内に取付けらた。それは低レベルAC信
号発生用、加速度、速度、振幅等のモニタ用すべ
ての必要な回路を含んだ。
冷却水はパワー増幅器トランジスタの熱タンク
へ約3gpm(11.36pm)の割合で供給された。冷
却水は同様にバイブレータ上の型にも必要であつ
た。約38psi(2.67Kg/cm2)の空気がバイブレータ
の振動隔離装置に必要であつた。
バイブレータとパワー増幅器間及びブロワとパ
ワー増幅器間の相互接続はブロワ用ケーブル(4
線)、フイールド用(2線)、電機子用(2線)、
リミツトスイツチ用(3線)及び加速度計用(同
軸)によつた。追加のリード線が型ヒータ、熱電
対、ロードセル、LVDT及び周波数発生器用と
して必要であつた。
振動の周波数及び振幅は、成形プロセスの間、
プリセツトされた周波数−振幅時間パターンによ
るか又は周波数−振幅温度変換電子装置によりプ
ログラムすることができた。後者の場合、1つの
熱電対からのミリボルト源は連続的に増幅され
“周波数−振幅−温度変換器”(F.A.T.C)へ行く
前に冷接点補償された。
現周波数−時間パターン又はF.A.T.C用設定は
材料の化学的性質、使用温度範囲内における流動
学的挙動及び改善を希望する巨視的特性の選択に
依存した。
制御キヤビネツトは本装置用型ヒータ、型温度
用ストリツプチヤート記録調節計、ロードセルと
共に使用される力測定計器へ電力を供給する回路
を含んだ。この装置の諸制御器は該増幅器の制御
器とは独立して居り、これはもう1つのキヤビネ
ツトの中に配設された。
主電力は3相380V,50Hzの電線から100Aの主
切断スイツチ1DISCを介して得られた。この電圧
における電力は、パワー増幅器のトランスの1
次、電力供給源(電機子用)及びフイールド電源
ならびにバイブレータを冷却するブロワ用3HP
モータに使用された。
ライン電圧の電力を切断する大切断器のコイル
用制御電力は115V,50Hz、単相であつた。
これは別個の逓降変圧器及びフユーズ付段路器
を介して得られた。
大ていの制御回路は小型リレー、固定リレード
ライバー(トランジスタ)の駆動及び表示ランプ
用に24VDCを必要とした。それは115V電源から
逓降変圧器、ダイオード整流器及びフイルタコン
デンサにより得られた。
固体デバイス用他の回路は、3つの調節された
±15VDC供給、1つの+15VDCツエナー調節さ
れた供給源、1つの調節しない24VDC及び1つ
の5Vツエナー調節された供給源を必要とした。
かように各制御のために6つの別個のDC供給源
があつた。
パワー増幅器の電力供給源は380V、3相、50
HzAC電力を、±115VDCに変換した。該フイール
ド電力供給は380V、3相、50HzACを40Aの
190VDCに変換した。
これらの供給源は共に、逓降変圧器及びシリコ
ンパワーダイオードの直送式全波ブリツジ整流回
路を使用した。該パワー増幅器電力供給源は特に
充分にフイルタした。
本方法の数多い実際的利益を説明するため、本
発明に係る限定されない若干の方法を次に述べよ
う。
本発明に係る振動処理が成形された材料の物理
的性質に及ぼす効果を添付したこれらの物理的性
質の測定結果により示す。
実施例 1
デユポン−990DSCセルについて、振動処理が
一般用ポリスチレン材料(PS)の熱容量に及ぼ
す効果についてテストした。第7図は2つの異な
る型の処理に対する結果を与える。各処理に対
し、基準曲線は振動以外は同一条件で冷却された
見本に対応する。よつてこの基準曲線は従来の圧
縮成形された見本に対応する。すべてのDSC見
本に対して加熱速度は20℃/minと一定に保つ
た。
第7図の一番上の曲線に示した処理において
は、そのPS見本は最初は材料シートの丸い片で
あり、型の中に入れて(Tg+30℃)即ち135℃で
温度が一定となるまで加熱した。215psi(15.12
Kg/cm2)の静圧を見本に加え、次に振動を開始
し、振動波は最初15Hz、変形のピーク・ピーク振
幅は0.005in(0.127mm)とした。見本を急冷するた
め型を急速に冷却したときは、振動周波数は
(Hz)=15et/5に従つて増加したが、変形の振幅は
一定のままであつた。この振動処理は見本の温度
が98℃に達したとき中断した。その見本は冷却を
続けたが振動は継続しなかつた。
第7図の基準見本(上の曲線)は同一条件で冷
却されたが、冷却する間振動は加えられなかつ
た。処理済及び非処理見本の温度記録図はこれら
2つの見本の熱容量における差を明瞭に示す。処
理済及び非処理見本は共にガラス転移温度におい
て従来通りの吸熱反応が示すが、転移以後の温度
的挙動は全く相違する。処理済見本の熱容量は
Tg吸熱を過ぎたあと、低温(T<Tg)挙動の外
挿法による熱容量(対応温度における)に略々等
しい値に戻つた。
かように、振動成形された見本は室温における
特性を有し(処理後)これはTg後の挙動から外
挿法により得られる温度特性であり、その場合該
ポリマーは平衡していることは周知である。これ
は、処理済見本はTg以下の温度では、平衡状態
に到達した見本、即ち極度に強く焼鈍された見本
のように挙動するということを意味する。
非処理見本(基準見本)の熱容量は該吸熱作用
を越えると外れて、ガラス質状態(T<Tg)と
ゴム状態(T>Tg)との間で大きい熱容量の相
違を示した。この挙動は更に第4図示のごとく、
急冷した材料については典型的なものである。こ
の図において、PS見本は580psi(43.1Kg/cm2)静
圧のもとで3つの異なる冷却速度(80℃/min,
2℃/min,0.5℃/min)で冷却された。ゴム状
態の初期温度は135℃であつた。第7図の振動−
成形された見本(一番上)が徐々に冷却された見
本(第8図の底の曲線)と同様に挙動することは
明らかであるが、実際それは苛酷な急冷却処理を
受けていた。
それ故に、この見本は、冷却中適用された本発
明に係る振動処理が平衡状態の制御及び改善を行
うことを示す。即ち急冷プロセスの速度における
利益を失うことなく形成された“ガラス”の安定
性を得られた。この方法は同様に、長くかかり経
費のかかる急冷後の温度処理(焼鈍のごとき)を
省略させる。これは現在においては、急冷作業の
間、“ガラス”の内に蓄積され凍結された内部応
力を除去するのに使用されている。
実施例2 処理済見本の機械的特性に及ぼす効果
第7図の第2の処理済見本は、振動を与えなが
ら、ゴム状態から80℃/minで急冷されたもう1
つのポリスチレン見本である。見本に作用した静
圧力は217psi(14.76Kg/cm2)であり、初期温度は
120℃であつた。冷却中の振動周波数は一定で100
Hzに等しい。正弦波状圧力はP=217±126sin(2π
×100t)(P=14.76±8.86sin(2π×100t))、ここ
にPはpsi(Kg/cm2)、tは秒である。振動は見本
の温度が80℃に達したとき中断された。第7図
(下方の曲線)は本発明に係る振動−成形された
見本の温度記録図及び冷却中振動を加えることな
く同様に冷却した基準見本の温度記録図を示す。
再度述べるが、処理済と非処理見本の温度に対す
る挙動は相違した。Tgにおける吸熱特性は、処
理済のものは非処理のものに比してずつと複雑で
あつた。特に、吸熱は処理済材料に対しては幅広
く、40℃以上にも及ぶ。処理済及び非処理見本の
引張り及び曲げにおける機械的性質はASTM
D790()及びASTM D638−68による方法を使
用して研究された。
1 曲げ結果:処理済見本:
曲げ強さ:13635psi(958.7Kg/cm2)
(ばらつき:5%)
最大歪%:(4.2±0.2)%
曲げ弾性係数:400350psi(28149Kg/cm2)
(ばらつき:5%)
非処理見本:
曲げ強さ:10096psi(709.9Kg/cm2)
(ばらつき:4%)
最大歪%:(2.7±0.3)%
曲げ弾性係数:386000psi(27140Kg/cm2)
(ばらつき:6%)
2 引張り検査 処理済見本:
引張力:6100psi(428Kg/cm2)
(ばらつき:7%)
破壊における伸び%:(2.4−3)%
降伏応力: 4540psi(319Kg/cm2)
(ばらつき:2%)
降伏点における伸び%:(1.6−2)%
引張における弾性係数:3.75×105psi
(2.64×104Kg/cm2)
(ばらつき:5%)
非処理見本:
引張強さ:5080psi(357.2Kg/cm2)
(ばらつき:4%)
破壊における伸び%:(1.5−2)%
降伏応力: 降伏点はなく極限応力
降伏における伸び%:降伏点はなく極限応力
引張における弾性係数:1.6×105psi
(1.12×104Kg/cm2)
(ばらつき:5%)
これらの結果は処理に対し4つの見本の統計的
母集団について得られた。ばらつきは標準偏差と
平均値との比の100倍とした。
以上の結果から、振動−成形された見本の機械
的特性は優れて居り、特に引張力及び伸び%にお
いてそうであることが判る。例えば、曲げにおい
ては、上記振動−成形された見本の、曲げ強さは
35%大きく、また最大歪は非処理見本の対応値よ
り50%も大きい。このことは、より低い程度であ
るが、引張結果についても正しかつた。
この例は、冷却中上記振動処理を受けた見本は
非処理の見本より、特に曲げの点で機械的に優れ
ていることを示す。
実施例3 材料の変形容易性に及ぼす効果
この例の目的は、ガラス質ポリメリツク材料に
ガラス転移温度以下で与えた振動処理、好ましい
ように材料を軟らくすることを示すにある。
研究した材料はシート材料から既に円板形状に
截断した一般用ポリスチレンであつた。基準とし
て使用される非処理見本は、室温において
9140psi(642.6Kg/cm2)平板圧力まで加圧された
(見本は横方向に自由に流れ得る)。見本温度の直
線的上昇を得るために型に熱を加えた。力の軸方
向に平行な変形は測定され温度に対してプロツト
し、静負荷下における材料の軟化挙動の特徴を求
めた。処理済見本は50℃から始めて、振動圧力P
=6819±2311sin(2π0t)(479±162.5sin(2π0
t)を受けた。ここにPはpsi(Kg/cm2)、0は周
波数Hz、tは時間秒とし、加熱速度は各見本につ
いて同一とした。第9図は静的及び動的に加圧さ
れた見本の変形−温度曲線を比較するものであ
る。すべての見本に対し、最大圧力は同一であつ
て、9140psi(642.6Kg/cm2)であつた。
処理済見本に作用した平均圧力は6819psi(479
Kg/cm2)即ち基準圧力より34%も少ない。第9図
は振動周波数の軟化温度に及ぼす影響を示す(作
業中周波数は一定のままとす)。第9図から、加
熱中に与えられた振動は負荷を受けた材料を変形
せしめる能力に顕著な影響をもつことが明らかで
ある。例えば、50Hzで振動を与えられた見本に対
しては、軟化温度は約30℃も低い。従つて同一の
変形結果を得るためにはより小さい動的圧力を必
要とする。第9図はまた、一定の平均又は最大応
力における周波数効果は前方へ一直線ではないこ
とを示す。処理中の周波数が凡そ50〜60Hzの場合
最大の降伏となるようである。兎に角、低温熱成
形(T<Tg)を含む機械的処理に対して、その
プロセスの間選定した周波数で振動を使用するこ
との利益は全く明らかである。即ちより低い全圧
力又はより低い作業温度を使用し得ることであ
る。
実施例4 成形後複屈折及び熱応力の減少
この例に使用された材料は再び一般用ポリスチ
レンであり、2mmシートから円板状見本に截断さ
れたものであつた。基準見本はガラス転移温度を
通過して140℃まで加熱された。8700psi(612Kg/
cm2)の平板圧力が対応する温度において加えられ
た後型は急冷された。処理工程中この見本は寸度
が変化し、厚さが減少し直径が増大した。それは
光学的に透明であつたが透明度は劣つて居り、光
の透過は一様ではなかつた。直交偏光子の間の見
本の検査は、半径方向対称の複屈折パターンを示
した(マルタクロス等角傾斜及び同心的等色性)
(Maltesecross isoclinic and concentric
isochorome)。処理済見本は基準見本と幾何学的
に同一であつた。それは無負荷で同一の温度140
℃まで加熱された。6525±2175sin(2π×100t)
psi(459±153sin(2π×100t)k)Kg/cm2の動機平
板圧力が加えられた後前と同様に型を急冷した。
この見本の温度が50℃に達したときに振動を中断
した。この見本は各サイクル毎に、基準圧力と同
一の全圧力8700psi(612Kg/cm2)を受けた。これ
らの見本の光学的性質は優れていた。変形した平
面内には何等複屈折パターンはなかつた。直交偏
光子の間で見たとき見本は全く暗かつた。
冷却する間の振動処理は温度−機械的処理に基
づく熱応力及び/又は方向性応力の緩和及び除去
を行うと結論し得た。また光学的性質はこの振動
処理によつて改善された。
実施例5 振動を伴つた細粒の圧縮成形
使用したポリスチレン細粒はダウケミカルカン
パニーから入手した(PS−otS−108)。
基準見本Aは次の段階の順序に従つて準備し
た。
1 8.85grの細粒を室温で型の空所につめ込ん
だ。
2 型は急速に加熱して7分で210℃までとした。
この間、型の空所を4×10-2トルの真空とし
た。
3 435psi(30.6Kg/cm2)の平板圧力を型に加え
た(1分間)。
4 120℃で型をそれぞれ1分間、3分間、及び
5分間保持した。
5 型の両半分を冷水で室温まで急冷した。見本
の温度が50℃となつたとき圧力を除いた。
もう1つの基準見本Bは次の順序に従つて準備
した。
1,2は上述の通りとする。
3 型の温度が100℃に達したとき、435psi(30.6
Kg/cm2)の圧力を加え、そのまま保持した。
4,5は上述の通りとした。
処理済見本は次の条件に従つて準備した。
1,2は上述の通りとした。
次に見本の温度が100℃となつたとき、次の条
件で型に振動処理を加えた。
・ 周波数の下限:5Hz
・ 周波数の上限:3000Hz
・ 下限から上限までの通過時間:30秒
・ 振動周波数を5Hzと3000Hzの間を往復させ
た。周波数の対数は時間に対しリニアに変化さ
せた。
・ 型に加える平均圧力を325psi(22.9Kg/cm2)
とした。
次に見本の温度が210℃となつたとき型を急冷
し次に見本の温度が50℃に達したとき振動を加え
ることを停止する。
次表において、型の中で経過した全体の時間及
び見本の最終的外見を泡の存在に関して記録し
た。
The present invention relates to a method for modifying the physical properties of materials, in particular shaping by vibration (mechanical or electrical) to enable control or modification of the physical properties, in particular mechanical and optical properties, of the shaped material. Regarding the method. Modern improvements in molding engineering include the control of certain production variables during or subsequent to molding in order to improve the end use performance of the final product. In various operations such as rotomolding, blow molding or thermoforming, the forming operation is performed on already preformed material. This technique combines methods of morphologically processing the structure of materials with the means to exhibit improved properties. Perhaps one of the most important factors influencing a material's end-use performance is the material's thermodynamic transition temperature, ie, the rate at which it is cooled past its melting point or its glass transition temperature. In crystalline and semi-crystalline materials, the number, size, type and distribution of crystallites formed under specific cooling conditions are
The degree of crystallinity, the density of defects, if any, significantly governs the overall morphology as well as the critical amorphous regions that determine the performance of the final product. For example, it is well known that crystallites act as fillers or physical crosslinks in polymers and therefore they play an important role in determining the shear modulus of the solidified product. Similarly, crystallinity is also well known to determine the optical properties of end-use products, controlling their transparency to light. Complete transparency is
For materials that can crystallize under cooling conditions, this is generally accomplished under certain conditions that avoid crystallization. It is therefore seen that the physical and physicochemical properties of a material depend on the rate of cooling of the material or variations in the rate of cooling while the material passes between the molten or viscous state and the solid state. . Amorphous, non-crystallizable materials are materials that condense into glass, which is structurally similar to liquids but kinetically indistinguishable from liquids. FIG. 1 shows the volume change as the glass-forming rubber is cooled through its glass transition temperature Tg. All glass-forming materials undergo a radical property change when passing through this region, the exact value of which depends on the cooling rate and other experimental factors such as pressure and time. The glassy state is a disequilibrium state and represents a frozen disordered condition with highly molecular mobility limitations. In FIG. 1, it can be seen that an amorphous material rapidly cooled through its Tg condenses at a higher temperature and that the specific volume of the rapidly cooled glass is greater than that of the slowly cooled material. The physical properties of amorphous thermoset resins in the glass state depend on the cooling rate through the Tg (alternatively for subsequent annealing below the Tg), as is well known for the impact resistance of polycarbonate. can vary considerably. Impact strength is the ability of impact energy to be dissipated by some mechanical loss process without causing material failure. It is not fully understood why untransformed amorphous polymers exhibit such a wide range of impact behavior, from tough polycarbonate to brittle polystyrene. Of all non-transforming amorphous polymers, polycarbonate has one of the highest values for impact strength. Moreover, it has been reported that polycarbonate completely loses its impact energy when it is strongly annealed below its glass transition temperature. This same complete loss of impact properties of polycarbonate will also be observed by gradual cooling past its Tg to allow stress relaxation under non-isothermal cooling conditions. The dependence of residual stresses in thermosets due to mold assembly processes and post-processing is a problem well known to design and application engineers. Residual stresses increase with rapid cooling and can be removed by annealing below Tg. Once a residual stress is created, the rate at which this stress relaxes is controlled by the material's ability to recover to its equilibrium state. Residual stress is closely related to the total stress level, which affects the optical and mechanical behavior of the product, and therefore knowledge of residual stress, and the means to control its level, is essential to reduce the maximum stress that can be applied to thermoset products. This is important when selecting the allowable external stress. Another important influence on cooling rate is shown in the formation of stable mixtures of materials. A polyblend is a mixture of two or more materials. For example, for macromolecular materials, polyblends are mixtures of chemically different powders, resins, or elastomers. From both thermodynamic considerations and experimental observations, when polymers of different compositions are mixed, they do not mix with each other down to the molecular level and therefore do not give a homogeneous single phase structure. The ultimate state of molecular mixing that can be achieved by molecular mixtures can only be reached to a certain extent by polymeric polyblends. Conceptually, stability is a measure of how close the polyblend approaches the ultimate state of molecular mixing. From this, stability can be best expressed by the degree of homogeneity of the polyblend, which can be measured and compared by the domain size of the dispersed phase. The finer the dimensions of the dispersed phase within the continuous phase, the better the stability of the polyblend. The stability of a molten blend of two or more polymers is a function of temperature. The higher the temperature,
Stability is good. The completeness of stability and its dependence on temperature and time is a rate or diffusion sensitive process that is a function of the cooling rate applied to the molten blend within the mold cavity while it is being cooled to room temperature. A supercooled blend, or a blend quenched at an infinite rate, would theoretically have the stability properties it had at the temperature at which the quenching began. Thus, this is another important consideration in the effect of cooling rate on the final properties of the final product. The thermal history during the forming operation plays an important role in determining the properties of the final product. Therefore, the ability to monitor the rate of temperature fluctuation while a material is being processed in order to change its properties is an important engineering objective. To date, research carried out in laboratories has been limited to working at constant hydrostatic pressure and determining the cooling rate of materials.
It consists of modifying the material either by thermally insulating it or by accelerating heat exchange to the outside. Known methods consisting of heat exchange between the material of the cooling process and the outside are limited by heat transfer (conduction, convection or radiation) constraints. Once the product reaches ambient temperature, it is not always possible to change the rate of heat exchange or temperature fluctuation significantly within sufficient limits to affect its physical properties. The classic method for obtaining unbalanced phases in metallurgy was the rapid removal of heat by convection.
Generally, the molten metal was dropped into a cooling fluid such as liquid nitrogen. Cooling rates on the order of 10,000 or 20,000 degrees per second were reached for samples several microns thick. Due to the low thermal conductivity of some non-metallic materials, such as polymeric materials, special attention had to be paid to simple dimensions and geometric considerations in cooling experiments. On the other hand, while the extremely high cooling rates used in metallurgy are not necessary to prepare fully polymeric samples of amorphous, this technique can only be used for extremely thin samples and is therefore Its application is in fact very limited. Today, many materials are transformed from their initial green state to finished or semi-finished products by forming operations. These materials are, for example, metals, glasses, ceramics, polymers, resins and rubbers; organic or inorganic; synthetic and natural materials. These materials may also be blends of several materials. Each of these materials is endowed with a set of mechanical and physical characteristics, which depend on its chemical nature, but also on its thermodynamic state after forming, especially the thermodynamic imbalance at the temperature of use. , which in turn depends to a large extent on its thermal history during molding. Various researchers have sought to modify and improve certain physical and mechanical properties of materials by controlling the parameters of the forming process. for example,
The effect of constant forming water pressure on amorphous and semicrystalline polymeric materials has been a strong research topic. It is known that constant hydrostatic pressure applied during cooling changes the state of the material, for example during the vitrification process. This effect is due to the glass transition temperature (Tg)
is a function of the constant hydrostatic pressure applied to the liquid material during cooling, as shown in FIG. The value of Tg represents the thermodynamic instability of the vitreous material or glass. It is theoretically possible to condense this material to a glassy state at any temperature, provided that sufficient constant hydrostatic pressure is applied to raise the glass transition temperature (Tg) at least to the temperature in question. This means that it is possible. These phenomena have been described experimentally in the literature. G. Allen et.
al., J, Polymer Sci., C, 23, 127 (1968),
W, C, Dale et al., J. Appl. Polymer. Sci.,
16, 21 (1972), and E. Jones Parry & D.
See Tabor, J. Materials Sci. 8, 1950 (1973). However, nowhere in these documents does the hydrostatic pressure during cooling of the material be controlled by variations in the material's own temperature in order to control the properties of the final product or to "tailor it" be made. There is no suggestion that it will. Bograski et al. patent (USP 3912480)
The glass is annealed to a temperature (below Tg), maintained at this temperature in a molten salt bath, and at the same time this molten salt (viscosity does not exceed 100 cp) is heated to the glass by a constant machine at 20-18000 Hz. describes a method for annealing glass by applying physical vibrations. This method is not intended to cause a change of state and, contrary to the present invention, is carried out at a constant frequency and temperature. Note that it does not mention any other materials; it is applied only to porcelain glass. USP 4150079 to Chang includes a method for controlling (suppressing or enhancing) crystallization of a crystallizing thermoplastic polymeric material by varying hydrostatic pressure during cooling. There is no suggestion in Chang of applying vibratory means (mechanical or electrical) superimposed on hydrostatic pressure effects to determine a specific cooling pattern. The present invention is a method for modifying the physical and physicochemical properties of a material, the rate of rate-sensitive change of the material from a state of physical equilibrium to a state of disequilibrium as a function of time of at least two rheological parameters. This is a method that involves controlling by simultaneously varying the values. The rate of change of the rheological parameters over time is controlled according to a predetermined relationship in order to achieve a final product with defined physical and/or physicochemical properties. At least one of the rheological parameters is mechanical vibration, shear stress, hydrostatic pressure, dielectric vibration for dielectric materials, or electromagnetic vibration for metallic materials. For crystalline materials, rheological variables include mechanical vibrations, shear stress, dielectric vibrations for dielectric materials, and electromagnetic vibrations for metallic materials. For amorphous materials, hydrostatic pressure is an additional rheological variable. The vibration (mechanical, dielectric or electromagnetic) variation may be due to frequency or amplitude (intensity). When changing temperature or other rheological variables, the material changes at a rate that includes changes in physical state, such as between solid, viscous, or molten (liquid) states, and the solid state, e.g., crystalline or amorphous upon cooling of the material. Pass through the sensitive transition point. This phase transition is velocity sensitive, meaning that passing through this point at a certain speed results in a certain unbalanced state. The present invention involves forming, heating with cooling, annealing,
or any combination of these tasks. One or more rheological parameters can be changed simultaneously with temperature. For example, vibration treatment can be overlapped with hydrostatic pressure action. The improved properties imparted to materials by using the present invention include stress and strain in tension or bending, modulus of elasticity, mechanical strength, flexibility, resistance to chemical attack, surface hardness, heat capacity, homogeneity. properties, impact strength, and thermal conductivity. moreover,
Use of the present invention results in improved crystallinity, modified crystal structure and reduced annealing time to stabilize the material. The pressure and vibration treatment of the present invention can be applied uniformly over the entire outer contour of the material being molded. In addition, the vibration treatment plus hydrostatic pressure can be applied at appropriate locations around the periphery of the material to be molded, through the bulges and cavities in the walls of the mold. The material to be treated may initially be in the form of particles, powders, mixtures, films, plates (layered or otherwise) or even "sandermanch"-shaped structures. This material can be polymers (synthetic or natural), ceramics, metals,
Glass, rubber, or other materials may be used. The invention can be implemented in a device characterized in that the material includes means capable of simultaneously being subjected to programmed cooling and vibration up to 3000 cycles.
This cooling may be accomplished by convection through cold glass or by wetting with water or other fluid. The regulating device for programming variations in the vibration characteristics of the device may apply a constant frequency, a frequency that varies logarithmically with respect to time, or a frequency that varies in a programmed manner in tune with variations in the temperature of the mold. . This regulating device controls the level of the vibratory force (sinusoidal amplitude) acting on the material according to a predetermined program that harmonizes the vibrational force fluctuations with the temperature of the mold. The apparatus may include means for subjecting the material to gas pressure or, conversely, high vacuum during the processing step. Furthermore, the apparatus may include means for applying a predetermined thermal gradient to the material during the processing step, the gradient being applied in the direction of the thickness of the material. Thus, the device may include means for subjecting the material to vibrations whose characteristics (frequency and amplitude) are programmed to achieve a specific improvement of the final product during the cooling process. The static (non-oscillatory) force applied to the material may be varied in a programmed manner. A vibratory treatment (with frequency and amplitude varied as programmed) may apply vibratory forces on either side of the average static stress. This oscillation is applied at least from the moment the temperature reaches its maximum value and at the latest until the moment when the material returns to the selected temperature, for example ambient temperature. The period and amplitude of the vibrations are programmed as a function of the cooling curve of the material, the rheological properties of the material, and the changes desired to be made to the treated material. Although vibrations can be imparted to the material in various ways, in particular by mechanical means, this general method, which is applicable in many cases, has the drawback of generating mechanical vibrations outside the machine. Vibrations in the frame of the device are troublesome. This is because it causes fatigue of the framework members and thus causes serious maintenance problems for the device. The invention also includes the modification of dielectric vibration for materials with dielectric properties. In such cases, this material is considered to be the dielectric of a capacitor (acting as a container), where the dielectric and the material are subjected to a sinusoidal electric field, the frequency and voltage strength of which are determined as a function of time by a specific program. be done.
In the case of dielectric materials, it is also possible to provide programmed variations in voltage and aperiodic electric field strength over time. This variation corresponds to temperature changes in the mold. Rather than proposing to release heat into the material to some extent, the idea is to vary the electrical excitation and the amplitude of the signal;
That is, by varying the magnitude of the current or voltage across the capacitor while cooling the material. In this way, an internal viscoelastic state is created, which introduces a special cooling pattern. In the case of materials with dielectric properties, the benefit of electrically applying vibrations is that the same modification of the physicochemical properties of the material as in the case of mechanical vibrations is guaranteed (because viscous - Corresponding to the elastic transition, og (Hz) is the reciprocal of the absolute temperature (1/T)
This is because the curve expressed as a function of is a single curve no matter what the nature of the frequency. The benefits of this feature of the method of the invention consist in better energy yield in operation, less fatigue of the equipment, reduced equipment costs, more precise control of the method as a function of the predetermined program (frequency and amplitude of vibration). . According to another feature of the invention, mechanically generated vibrations and electrically generated vibrations are applied simultaneously to adjust several viscoelastic transitions during cooling. This makes it possible to take into account secondary transitions that always appear. Finally, according to another feature of the invention, electrical vibration means are used to heat the dielectric material in situ at a constant frequency (resonant frequency) before applying the novel method of the invention. be done. The invention will now be explained in more detail with reference to the drawings. The graph in FIG. 1 shows the variation of specific volume versus temperature T for two different cooling rates under constant hydrostatic pressure. The obtained curve has two parts C 1
and C 2 , which join at the transition point M 14 . If the cooling rate is accelerated, the change does not depend on curve C 2 but on curve C 3 starting from point M 15 .
I'll leave it to you. Thus, this transition itself depends on variations in the cooling rate. The curves in Figure 2 show that the specific volume (the reciprocal of the density) of the material changes as a function of the temperature when the material is subjected to three different hydrostatic pressures P 1 , P 2 , P 3 (P 3 > P 2 > P 1 ). Expressed as a function. The three curves in FIG. 2 clearly show that the variation in specific volume is greater at high temperatures than at low temperatures. The two parts of each curve at constant pressure join at points M 12 and M 13 , respectively, defining transitions corresponding to transition temperatures Tg (P 1 ), Tg (P 2 ), Tg (P 3 ). It is therefore possible to study the variation of the transition point as a function of one rheological parameter, in this case Tg, as a function of hydrostatic pressure. The graph in Figure 3 shows two physical phases E 1 and E 2
The transition temperature (Tg) between The "g" in "Tg" particularly refers to the case of a glass transition between phases E 1 and E 2 . This transition temperature is the solidification temperature in the case of crystalline materials that solidify based on their crystal structure. In the case of amorphous materials, this temperature is
It can also be the glass transition temperature. The transition temperature can also be any other transition of the second-order type in the case of materials that have distinct physicochemical specificities on both sides of the second-order transition. Curve C is plotted point by point, variable X is held constant and non-volume versus temperature is recorded to determine the transition temperature. According to the graph of FIG. 3, curve C separates two rheological states E 1 and E 2 . In the region above curve C the material is in state E 1 and in the region below curve C the seat is in state E 2 . To create the curve C, the passage between states E 1 and E 2 is made by keeping the value of the parameter X constant, i.e. by moving on a line (D 1 ) parallel to the temperature axis. Ru. This line D 1 corresponding to the parameter X 1 is
Intersects curve C at point M1 . At point M′ located above point M 1 , the material is in state E 1 ;
At point M ' ', which is located below point M1, the material is in state E2 . The passage between states M' and M'' is influenced by lowering the temperature. The point M 1 corresponding to the transition point itself depends on the cooling rate, i.e. the speed of moving through the distance M′, M″ (see FIG. 1). Therefore, in order to satisfactorily program the variables of the method of the invention, , it is necessary to include a family of curves corresponding to different cooling rates. In the majority of cases described in the literature, the rheological parameter is hydrostatic pressure. In the laboratory, the rheological parameter is vibration (mechanical, electrical or frequency (electromagnetic) and amplitude (or strength) of vibration
A study was conducted using . In these latter cases, the graph of transition temperature versus rheological parameters is of the same nature as in FIG . To separate. In Figure 3,
It has been shown that the transition temperature increases as X increases. If this were not the case for a selected rheological variable, then X would represent the reciprocal of the rheological parameter. FIG. 4 shows how variations in the rheological variables can be programmed as a function of temperature variations to simulate the effects of special cooling patterns during molding of materials according to the invention. According to the invention, in order to change the rate of change of temperature in passing through the transition curve C, i.e. to change the speed of passing from state E 1 to state E 2 , it is possible to change the temperature T and its state change. Combining the variations of another rheological parameter X, which affects the transition temperature, in the vicinity and in between, according to functions such as F(T,X), G(T,X) and H(T,X). is provided. According to the prior art, lowering the temperature of the material initially in the state represented by point M' is carried out while keeping the parameter X constant at the value X1 .
The change of state occurs at M 1 along the vertical line D 1 passing through point M'. The rate of temperature change, which strongly influences the properties of the final product, depends only on the heat transfer with the mold. According to the invention, the temperature T and the parameter X are changed simultaneously so that new physical properties arise due to the special thermal history that once reached ambient temperature. Variations in temperature and parameter X can be matched by function F. This is the first point N in Figure 4.
x between the intersection points R of the transition curves C corresponding to
It is represented by a curve that decreases in the direction of increasing. The variations in temperature and parameter x can also be matched by the function G(T,x) in FIG. Point N
The corresponding curve starting at intersects the transition curve C at a point S above the horizontal line passing through point N, and intersects the curve C at a point L corresponding to x 2 . the horizontal line
NL keeps the temperature constant and corresponds to the formation of state E 2 by the action of the rheological parameter x alone. The variations in temperature and parameter x also pass through point N and intersect the transition curve C at point T, which lies below point M, ie corresponds to parameter x 5 (x 5 <x 1 ) in FIG. It can be harmonized by the function H(T,x). In the first case curve [F(T,x)], the temperature of the material decreases before reaching the transition point at point R, and at the same time the parameter x increases, so that the state E 2
It is an accelerated approach to. This case shows that the rate of approach to state E 2 can be controlled by the level of variation of the temperature T due to heat transfer and by the rate of change of the rheological variable x, which can likewise be varied independently of this heat transfer. This case provides a simulation of the effect of faster quenching rates. In the case of curve G(T,x) in Fig. 4,
Both temperature and parameter x increase simultaneously.
This shows that the effect of increasing temperature can be compensated by a simultaneous increase in Tg due to variations in x. In the case of curve H(T,x) in Fig. 4,
The temperature decreases simultaneously with the decrease of x, and the rate of variation can be independently programmed. This is particularly useful when quenching effects, such as internal stresses, can be compensated for by simultaneous variations in x. In general, the parameter x may correspond to a physical size or an inverse of a physical size. Typically, the rheological parameter x is the stress (hydrostatic pressure or shear stress, oscillatory, non-oscillatory) to which the material is subjected while passing through its transition curve and/or the frequency of oscillation and/or the amplitude of oscillation. Mathematically, the method of the invention can be analyzed by partial differentiation. Experiment, if Tg is the transition temperature of the material, t is time, x is the first variable that can vary Tg, and y is the second variable that can also vary Tg, then The temperature fluctuation can be written as: dTg/dt=(∂Tg/∂x)y・dx/dt+(∂Tg/∂y)xd
y/dt Approximately, variables x and y near the transition point Tgo
Let xo and yo be the following equation: [∂dTg/∂dt] (x 0 , y 0 ) = ∂ [Tg (x 0 , y 0 )]/
∂x・Δx/Δt+∂[Tg(x 0 , y 0 )]/∂y・Δx/Δt Thus, in the vicinity of the selected point of the curve C (or of the surface in the case of variables x and y) The variation of Tg as a function is controlled by varying x and y as a function of time. The rate of approach to state E 2 is a direct function of the variation in (dTg/dt) and the variation in (dT/dt) controlled by heat transfer. Now, for example, if x is a pressure variable with respect to time and y is a frequency variable with respect to time, then program their variations to obtain the desired state of (dTg/dt)E 1 →E 2 . It is sufficient to do so. If there is one variable, for example x, then (Δy/Δt) = 0 and dTg/dt
The formula giving becomes simple. The invention applies to any rheological parameter that can affect the transition temperature. Thus, the present invention can be applied to any parameter whose variation over time during the molding process can simulate the effect of cooling rate on the final properties. A vibrator assembly including a mold for carrying out the method of the invention is designated A in FIG. 5 and details thereof are shown in FIG.
As shown in the figure. A vibrator field source and vibration control device, for example a sine wave generator B, is connected to a power amplifier C (solid state). Control panel D
The average supply power, average deviation amount, temperature and degree of cooling can be monitored. Electrical energy is supplied from power amplifier C to vibrator assembly A via lead wire 1.
supply to. Leads leading to armature coil 101, field supply 102, and accelerometer 26 are designated 1, 2, and 3, respectively. The vibrator assembly A is connected to the air cooling blower 53 via a pipe 58. Also, connect vibrator assembly A to lead wires 4, 5, 6 and 1.
6 to a control panel D to enable monitoring and control of the measurements of mean force, force variation, phase difference between stress and strain, and displacement of the vibrating table 42 shown in FIG. The vibrator 13 of FIG. 6 is also connected to a cooling source, a belt driven blower 53, a coolant supply 54 to the amplifier and mold, and a fluid cooling drain 55, respectively. A regulated gas supply 57 (at A) that communicates with the mold a vacuum pump 56 containing a pressure gauge also communicates with the mold (at A). From vibrator assembly A, four connection leads are connected to a heating element (not shown, but are resistors or cartridges inserted into mold halves 21 and 32), a thermocouple 27, a load cell 28, and a displacement measuring element 30, respectively. , 5, 6, 16. Electric wire 7, 8,
10 indicates a connection to an external power source 51, respectively. line 9,
19 is used to convey the output to chart recorder 52 and frequency or amplitude-temperature function generator 103. Average force, peak force, average displacement, phase difference between force and displacement, temperature and frequency can be recorded. Two valves a and b control the cooling of the mold. Valve a makes it possible to thermally insulate the load cell and the enclosure of the mold to be heated, and valve b makes it possible to regulate the cooling of the mold. Valve c is a cooling fluid output valve. Valve d also makes it possible to regulate the cooling of the transistors of power amplifier c. In FIG. 6, two mold parts 21, 32 and a bellows 31 are provided between the load cell 28 and the support plate 41, and the support plate 41 is screwed to the vibrating table 42. Threaded rod 22 is threaded vertically through frame 29 into support plate 41 . Rotate the rod 22 to compress the set of springs 11;
A force is then applied to the mold with a speed change controlled by the rotational speed of rod 22. mechanical device 12
The controlled pressure can be adjusted manually or electrically as shown and disposed on a plate 41 holding down the spring 11. The cooling duct 23 is connected to the molds 21 and 32 through an inlet valve 24 (a and b in FIG. 5), and an outlet valve 25,
c in Fig. 5, it is opened toward the exit. Accelerometer 26 is connected to mold 3 to a thermocouple 27 and a heating element (not shown). One of the thermocouples 27 is connected to frequency-temperature generator B. Strain measurement element 30
is firmly attached to the vibrating table inside the vibrator 13, and its output is connected to the control panel D in FIG. 5 via the lead wire 16. The apparatus is designed and configured to apply processed variations in temperature, stress (prior to vibration application) and vibration (frequency or amplitude) to the material. A flexible metal bellows 31 allows a small relative movement between the upper and lower parts of the mold. The material to be treated is inserted between the two parts of this mold. An electrical heating element is also inserted between the two halves of this mold. Rapid or controlled cooling of the mold is made possible by introducing fluid into passages through the mold close to the material to be treated. An electromagnetic force energizer generates an oscillating motion, which determines the range of variation in the total pressure applied to the material. The operating principle of an electromagnetic energizer is the same as that used in high fidelity loudspeakers, but as used herein the components are much larger and more powerful than those in the loudspeaker. A load cell 28 is mounted on top of the mold 21 to provide direct reading from the force applied to the material placed within the mold. The other end of the load cell 28 is fixed to a frame 29 of the vibrator assembly A, and the frame 29 itself is screwed to the fixed armature of the vibrator 13. The output 43 of the load cell 28 is connected to a stress sensor to provide direct reading of the force applied to the material. A selector switch allows setting either the average force (mean value of the sine wave) generated on the specimen or the peak force corresponding to the maximum compressive stress. The frame 29 allows the armature of the vibrator assembly A to be connected to the upper part of the mold via the load cell 28. It resists the force of the armature of the vibrator 13 and exerts a retraction force on the body of the vibrator 13. The elasticity of the frame 29 is clearly greater than the material to be treated, so that the upper part of the mold remains stationary. A set of springs 11 can be mounted above the mold to provide a relatively constant stress on the mold so that the material can maintain a compressive stress despite the total vibratory stress applied by the vibrator. This constant force is larger than a half-wave of the sinusoidal force. The force exerted by the spring is read directly with a pressure gauge (located in D). Several thermocouples 27 are inserted into the mold as close as possible to the material (2 mm) so that the temperature of the two parts of the mold can be measured. The output of one of these thermocouples is amplified and becomes the input signal to the vibration frequency and amplitude generator 103. The output voltages of the other thermocouples are transmitted to automatic meters and y-t recorders that regulate the temperature of the mold.
The device comprises an electronic servo regulator (proportional strip regulator) of the electrons distributed to the heating resistor. The device is able to reach the desired temperature within the shortest possible time and stabilize at this temperature. Depending on the initial temperature, vibration frequency and amplitude in the mold, the material to be molded assumes a particular physical state. In an apparatus embodying the invention, the mold cavity is designed to compress plastic discs of various diameters and thicknesses from about 2 mm up to about 3.75 mm, with a maximum internal diameter of 70 mm. be. Assuming a 70mm diameter disc is used, the average pressure developed by the spring assembly is 4140Lbs (1878Lbs) on an average bellow area of 9.19in 2 (5929mm 2 ).
450psi (31.42Kg/
cm2 ). The plastic can be heated to cause it to flow through the mold and bellows. Therefore, the method (vibrational molding) can even be carried out on flowing plastics or liquids. The mass to be inserted is PS with a thickness of 3.75mm, a diameter of 70mm, and a density of approximately 1gr/ cm3.
It is better not to exceed the mass of the disc. A flexible mechanical bellows allows the material to be treated to be heated to a temperature at which it can flow into the cavity and into the bellows. As a result, it was possible to perform vibration molding on molten resin and even various liquids. The amount of material charged into the mold must not exceed 8.85gr. The amount of variable pressure that can be generated by the force from the vibrator varies depending on the frequency at which the vibrator is operating. According to calculations, 225psi (15.8
Oscillating pressures of Kg/cm 2 ) can be reached at frequencies up to 200Hz. Approximately 625psi (43.9Kg/ cm2 )
Peak pressures of should be achievable at frequencies up to about 200 Hz, and larger pressures can be reached with the use of smaller specimens. Maximum displacement amplitude (at lowest frequency) is 1.4mm
, which corresponds to 40% of the relative displacement of the original 3.75 mm thick sample. The vibrator could operate at frequencies from 5 to 3000Hz (up to 5000Hz possible). about
At frequencies above 300Hz, assuming a constant vibration amplitude, the force transmitted to the mold theoretically falls inversely proportional to approximately the square of the driving frequency (Newton's law of motion). The amplitude of the vibrations could be reduced to maintain constant output pressure even at higher frequencies. In fact, it has been found experimentally that the apparent moving mass of this device, ie the quotient of the force transmitted to the material divided by the acceleration, is frequency dependent. The logarithm of the moving mass was in fact linearly related to the logarithm of the frequency. (with negative slope). This result simply shows that the higher the frequency, the more difficult it is to transfer the vibrational energy to the material. The mold temperature could be set to work between 0° and 500°C. The temperature of the mold could be reached from room temperature to its maximum temperature of 500°C within about 15 minutes. The mold can be cooled under various cooling conditions, and the most severe cooling condition is to use water as a coolant and lower the mold temperature from 500°C to 60°C within 2 minutes. Molds have also been heated or cooled using hot water (20-70°C). The mold could also be cooled by forced draft of gas, for example air or nitrogen, which provided a wide range of slowing and controlled cooling rates. The total mass to be vibrated was approximately 60 pounds (27 Kg) including the vibrating table. The equipment used has a limited capacity of 3000 lbs (1363.64Kg), which is
Given by an acceleration of 3000/60=50g. (Gravity acceleration g=9.8m/s 2 ). This mechanical bellows, acting as a vibrating enclosure, had insurmountable mechanical properties.
Specifically, the flange could not be compressed more than 1.4 mm (0.055 in) when it was not filled with material. On the other hand, when molten or liquid material fills the bellows flange, the material transmits its pressure and vibrations under pressure to the bellow wall, and in this case the compression limit is only 0.89 (0.035 in.)
It was nothing more than a simple thing. A fixed power amplifier was used as the main unit of the apparatus. This could output up to 8KW of arbitrary sine wave output from 5Hz to 3000Hz. The four output modules (transconductors) each had 60 power transistors. These were driven by a buffer and preamplifier to produce a 115V, 70A output from a low level signal source (60RMS max). The load on this amplifier was the vibrator armature. This is 3000 pounds (1361Kg)
It had a rated force of It was air cooled by a motor-driven centrifugal blower. The vibrator also required a DC power source due to the coil creating a strong magnetic field in the air gap. This was provided by field power. It had an output of 190V, 40A. The solid state power amplifier, field power supply and blower motor required 380V, 50Hz, 3-phase power.
The total demand was approximately 28.3KVA. This was supplied from the mains via a fused disconnector and three-pole AC contactor on the wall near the equipment. Power for low level amplifier stage and control circuitry is 110V, 50Hz,
Single phase and supplied from an externally mounted control power transformer. control gear network equipment, heaters,
The total 220V power required for the force and temperature instruments is approx.
It was heated at 3KVA. The amplifier control panel, which is integrally attached to the power amplifier, is equipped with pushbuttons, indicator lamps, safety interlocks, master gain controls, and other items necessary to control power to the device. The low level signal source was installed in the same cabinet as the field power supply. It included all the necessary circuitry for generating low-level AC signals and monitoring acceleration, velocity, amplitude, etc. Cooling water was supplied to the power amplifier transistor thermal tank at a rate of approximately 3 gpm (11.36 pm). Cooling water was also required for the mold on the vibrator. Approximately 38 psi (2.67 Kg/cm 2 ) of air was required for the vibrator vibration isolator. The interconnections between the vibrator and the power amplifier and between the blower and the power amplifier are made using the blower cable (4
wire), for field (2 wire), for armature (2 wire),
For limit switches (3 wires) and for accelerometers (coaxial). Additional leads were required for the mold heater, thermocouple, load cell, LVDT and frequency generator. The frequency and amplitude of the vibrations are determined during the molding process.
It could be programmed by preset frequency-amplitude time patterns or by frequency-amplitude temperature conversion electronics. In the latter case, the millivolt source from one thermocouple was continuously amplified and cold-junction compensated before going to a "frequency-to-amplitude-to-temperature converter" (FATC). The current frequency-time pattern or settings for FATC depended on the chemistry of the material, its rheological behavior within the operating temperature range, and the selection of the macroscopic properties desired to be improved. The control cabinet included circuitry to provide power to the machine's mold heater, strip chart recording controller for mold temperature, and force measuring instruments used with the load cell. The system's controls were independent of the amplifier's controls, which were located in another cabinet. Main power was obtained from a three-phase 380V, 50Hz wire via a 100A main disconnect switch 1DISC. The power at this voltage is 1
Next, 3 HP for power supply source (for armature), field power source, and blower that cools the vibrator.
Used in motors. The control power for the coil of the large cutter that cuts off the line voltage power was 115V, 50Hz, single phase. This was achieved via a separate step-down transformer and fused stage. Most control circuits required 24VDC to drive small relays, fixed relay drivers (transistors), and indicator lights. It was obtained from a 115V power supply with a step-down transformer, diode rectifier and filter capacitor. Other circuits for solid state devices required three regulated ±15 VDC supplies, one +15 VDC Zener regulated supply, one unregulated 24 VDC, and one 5V Zener regulated supply.
There were thus six separate DC sources for each control. The power supply source for the power amplifier is 380V, 3 phase, 50
HzAC power was converted to ±115VDC. The field power supply is 380V, 3 phase, 50Hz AC at 40A.
Converted to 190VDC. Both of these sources used step-down transformers and silicon power diode direct feed full wave bridge rectifier circuits. The power amplifier power supply was particularly well filtered. In order to illustrate the numerous practical benefits of the method, some non-limiting methods according to the invention will now be described. The effect of the vibration treatment according to the invention on the physical properties of the molded material is illustrated by the attached measurement results of these physical properties. Example 1 A Dupont-990DSC cell was tested for the effect of vibration treatment on the heat capacity of general purpose polystyrene material (PS). FIG. 7 gives the results for two different types of processing. For each treatment, the reference curve corresponds to a specimen cooled under identical conditions except for vibration. This reference curve thus corresponds to a conventional compression molded specimen. The heating rate was kept constant at 20°C/min for all DSC samples. In the process shown in the top curve of Figure 7, the PS sample is initially a round piece of material sheet and is placed in a mold until the temperature is constant at (Tg + 30°C), i.e. 135°C. Heated. 215psi (15.12
A static pressure of Kg/cm 2 ) was applied to the sample, and then vibration was started, the vibration wave was initially 15 Hz, and the peak-to-peak amplitude of deformation was 0.005 in (0.127 mm). When the mold was rapidly cooled to rapidly cool the specimen, the vibration frequency increased as (Hz) = 15e t/5 , but the amplitude of deformation remained constant. The vibration treatment was discontinued when the sample temperature reached 98°C. The specimen continued to cool, but the vibrations did not continue. The reference specimen in FIG. 7 (top curve) was cooled under the same conditions, but no vibrations were applied during cooling. The thermograms of treated and untreated specimens clearly show the difference in heat capacity of these two specimens. Although both treated and untreated samples exhibit conventional endothermic reactions at the glass transition temperature, their thermal behavior after the transition is quite different. The heat capacity of the treated sample is
After passing the Tg endotherm, it returned to a value approximately equal to the heat capacity (at the corresponding temperature) by extrapolation of low temperature (T<Tg) behavior. Thus, it is well known that the vibration-molded specimen has properties at room temperature (after processing), which are temperature properties obtained by extrapolation from the behavior after Tg, in which case the polymer is in equilibrium. It is. This means that at temperatures below Tg, the treated specimen behaves like a specimen that has reached equilibrium, ie, an extremely strongly annealed specimen. The heat capacity of the untreated sample (reference sample) deviated above the endotherm, showing a large difference in heat capacity between the glassy state (T<Tg) and the rubbery state (T>Tg). This behavior is further illustrated in the fourth diagram,
This is typical for quenched materials. In this figure, PS specimens are tested at three different cooling rates (80°C/ min ,
2°C/min, 0.5°C/min). The initial temperature of the rubber state was 135°C. Vibration in Figure 7-
It is clear that the molded swatch (top) behaves similarly to the slowly cooled swatch (bottom curve in Figure 8), but in fact it has been subjected to a severe rapid cooling process. Therefore, this specimen shows that the vibration treatment according to the invention applied during cooling controls and improves the equilibrium state. That is, the stability of the formed "glass" was obtained without losing the speed advantage of the quenching process. This method also eliminates lengthy and expensive post-quench temperature treatments (such as annealing). This is currently used to relieve internal stresses that have built up and frozen within the "glass" during quenching operations. Example 2 Effect on mechanical properties of treated sample The second treated sample in Figure 7 is another sample that was rapidly cooled from a rubber state at 80°C/min while being subjected to vibration.
This is a polystyrene sample. The static pressure acting on the sample was 217 psi (14.76 Kg/cm 2 ), and the initial temperature was
It was 120℃. The vibration frequency during cooling is constant 100
Equal to Hz. The sinusoidal pressure is P=217±126sin(2π
×100t) (P=14.76±8.86sin(2π×100t)), where P is psi (Kg/cm 2 ) and t is seconds. Vibration was discontinued when the sample temperature reached 80°C. FIG. 7 (lower curve) shows the thermograms of a vibration-molded specimen according to the invention and a reference specimen similarly cooled without vibration during cooling.
Once again, the treated and untreated samples behaved differently with respect to temperature. The endothermic characteristics at Tg were more complex for treated specimens than for untreated specimens. In particular, the endotherm is wide-ranging for treated materials, extending to over 40°C. Mechanical properties in tension and bending of treated and untreated specimens are ASTM
D790 () and ASTM D638-68 methods were used. 1 Bending result: Processed sample: Bending strength: 13635psi (958.7Kg/cm 2 ) (Variation: 5%) Maximum strain%: (4.2±0.2)% Bending modulus of elasticity: 400350psi (28149Kg/cm 2 ) (Variation: 5%) Untreated sample: Bending strength: 10096psi (709.9Kg/cm 2 ) (Variation: 4%) Maximum strain %: (2.7±0.3)% Bending modulus of elasticity: 386000psi (27140Kg/cm 2 ) (Variation: 6 %) 2 Tensile test Treated sample: Tensile force: 6100 psi (428 Kg/cm 2 ) (Variation: 7%) Elongation at break %: (2.4-3)% Yield stress: 4540 psi (319 Kg/cm 2 ) (Variation: 2 %) Elongation % at yield point: (1.6-2)% Elastic modulus in tension: 3.75×10 5 psi (2.64×10 4 Kg/cm 2 ) (Variation: 5%) Untreated sample: Tensile strength: 5080 psi ( 357.2Kg/cm 2 ) (Variation: 4%) Elongation at break: (1.5-2)% Yield stress: No yield point, ultimate stress Elongation at yield: No yield point, ultimate stress Elastic modulus in tension: 1.6× 10 5 psi (1.12×10 4 Kg/cm 2 ) (variation: 5%) These results were obtained on a statistical population of four samples for the treatments. The dispersion was set as 100 times the ratio between the standard deviation and the mean value. The above results show that the mechanical properties of the vibro-formed specimens are excellent, especially in terms of tensile force and % elongation. For example, in bending, the bending strength of the vibration-formed sample is
35% higher, and the maximum strain is 50% higher than the corresponding value for the untreated sample. This was also true for the tensile results, although to a lesser extent. This example shows that specimens subjected to the vibration treatment described above during cooling are mechanically superior to untreated specimens, especially in terms of bending. Example 3 Effect on the deformability of the material The purpose of this example is to demonstrate that vibration treatment applied to a vitreous polymeric material below its glass transition temperature favorably softens the material. The material studied was general purpose polystyrene, which had already been cut into disk shapes from sheet material. Untreated swatches used as standards were tested at room temperature.
Pressurized to 9140 psi (642.6 Kg/cm 2 ) plate pressure (swatches were free to flow laterally). Heat was applied to the mold to obtain a linear increase in sample temperature. The deformation parallel to the force axis was measured and plotted against temperature to characterize the softening behavior of the material under static loading. Treated specimens start at 50°C and are subjected to oscillating pressure P.
=6819±2311sin(2π 0 t)(479±162.5sin(2π 0
t) received. Here, P is psi (Kg/cm 2 ), 0 is frequency in Hz, t is time in seconds, and the heating rate was the same for each sample. FIG. 9 compares the deformation-temperature curves of statically and dynamically pressurized specimens. The maximum pressure was the same for all specimens, 9140 psi (642.6 Kg/cm 2 ). The average pressure exerted on the treated specimen was 6819 psi (479
Kg/cm 2 ), or 34% less than the standard pressure. Figure 9 shows the effect of vibration frequency on softening temperature (frequency remains constant during operation). It is clear from Figure 9 that the vibrations applied during heating have a significant effect on the ability of the loaded material to deform. For example, for a sample vibrated at 50Hz, the softening temperature is approximately 30°C lower. Therefore, a lower dynamic pressure is required to obtain the same deformation result. Figure 9 also shows that the frequency effect at a given average or maximum stress is not linear forward. The maximum breakdown appears to occur when the processing frequency is approximately 50-60Hz. Specifically, for mechanical processes involving low temperature thermoforming (T<Tg), the benefits of using vibration at selected frequencies during the process are quite clear. That is, lower total pressures or lower operating temperatures can be used. Example 4 Post-molding Birefringence and Thermal Stress Reduction The material used in this example was again general purpose polystyrene, cut into disc-shaped specimens from 2 mm sheets. The reference specimen was heated to 140° C. past the glass transition temperature. 8700psi (612Kg/
After a plate pressure of cm 2 ) was applied at the corresponding temperature, the mold was quenched. During the processing process, the specimen changed dimensions, decreasing in thickness and increasing in diameter. Although it was optically clear, it was less transparent and the transmission of light was uneven. Examination of swatches between orthogonal polarizers showed a radially symmetrical birefringence pattern (Maltese cross conformal tilt and concentric isochromism)
(Maltesecross isoclinic and concentric
isochorome). The treated swatches were geometrically identical to the reference swatches. It has the same temperature 140℃ with no load
heated to ℃. 6525±2175sin (2π×100t)
After a motive plate pressure of psi (459±153 sin (2π×100 t) k) Kg/cm 2 was applied, the mold was quenched as before.
Vibration was discontinued when the sample temperature reached 50°C. This sample was subjected to a total pressure of 8700 psi (612 Kg/cm 2 ), the same as the reference pressure, for each cycle. The optical properties of these samples were excellent. There was no birefringence pattern in the deformed plane. The swatch was completely dark when viewed between crossed polarizers. It could be concluded that the vibration treatment during cooling provides relaxation and removal of thermal and/or directional stresses due to temperature-mechanical treatment. The optical properties were also improved by this vibration treatment. Example 5 Compression molding of granules with vibration The polystyrene granules used were obtained from the Dow Chemical Company (PS-otS-108). Reference specimen A was prepared according to the following sequence of steps. 1 8.85gr of granules were packed into the mold cavity at room temperature. 2 The mold was rapidly heated to 210°C in 7 minutes.
During this time, the mold cavity was evacuated to 4×10 -2 Torr. 3 A plate pressure of 435 psi (30.6 Kg/cm 2 ) was applied to the mold (1 minute). 4 The mold was held at 120°C for 1 minute, 3 minutes, and 5 minutes, respectively. 5 Both halves of the mold were quickly cooled to room temperature with cold water. The pressure was removed when the sample temperature reached 50°C. Another reference sample B was prepared according to the following order. 1 and 2 are as described above. 3 When the mold temperature reaches 100℃, 435psi (30.6
A pressure of Kg/cm 2 ) was applied and maintained as it was. 4 and 5 were as described above. Treated specimens were prepared according to the following conditions. 1 and 2 were as described above. Next, when the temperature of the sample reached 100°C, the mold was subjected to vibration treatment under the following conditions. - Lower limit of frequency: 5Hz - Upper limit of frequency: 3000Hz - Passage time from lower limit to upper limit: 30 seconds - Vibration frequency was changed back and forth between 5Hz and 3000Hz. The logarithm of the frequency was changed linearly with time.・The average pressure applied to the mold is 325psi (22.9Kg/cm 2 )
And so. Next, when the temperature of the sample reaches 210℃, the mold is rapidly cooled, and when the temperature of the sample reaches 50℃, the application of vibration is stopped. In the following table, the total time spent in the mold and the final appearance of the swatches were recorded in terms of the presence of bubbles.
【表】
成形の間の振動処理は泡の、外周への拡散及び
それに続く真空装置による成形品からの吸出しを
強めること明らかである。型の中にある全時間
は、本発明に係る処理を行つた場合は、満足すべ
き見本を得るのにずつと短時間で足りる。
本発明はその精神を逸脱することなく、変形を
行い得るものであつて上記明細書の記載の実施例
に限定されるべきものでないことは明らかであ
る。[Table] It is clear that the vibration treatment during molding enhances the diffusion of the bubbles to the periphery and subsequent suction from the molded article by the vacuum device. The total time in the mold is only a fraction of the time required to obtain a satisfactory sample when the process according to the invention is carried out. It is clear that the present invention may be modified without departing from its spirit and should not be limited to the embodiments described in the above specification.
第1図は冷却速度の変動が冷却後の材料の最終
状態に及ぼす影響を示すグラフ、第2図は比体積
の変動を各種一定静水圧力における温度の関数と
して与えるグラフ、第3図は転移温度の変動を流
動学パラメータの関数として与えるグラフ、第4
図は本発明に係る方法を図示するTgの変動をx
の関数として与える一般的なグラフ、第5図は本
発明の方法を実施するに好ましい装置の略線図、
第6図は第5図示の装置のA部の側面図、第7図
は本発明に係る振動成形法がポリスチレンの熱容
量に与える効果を示すグラフ、第8図は冷却速度
がポリスチレンの温度特性に与える効果を示すグ
ラフ、第9図は一定振幅の各種振動周波数がポリ
スチレンに与える効果を示すグラフである。
1はばね、13はバイブレータ、22はねじ
棒、23は冷却ダクト、21,32は型、24は
入口弁、25は出口弁、26は加速度計、27は
熱電対、28はロードセル、29はフレーム、3
1はベロー、41は支持板、42は振動卓、51
は電力供給源、53はブロワ、54は冷却剤供
給、55はドレイン、58は空気パイプ、Bは正
弦波発生器、Cはパワー増幅器、Dは制御パネル
である。
Figure 1 is a graph showing the effect of variations in cooling rate on the final state of the material after cooling; Figure 2 is a graph showing the variation in specific volume as a function of temperature at various constant hydrostatic pressures; Figure 3 is the transition temperature. Graph giving the variation of as a function of rheological parameters, 4th
The figure illustrates the method according to the invention and shows the variation of Tg x
FIG. 5 is a schematic diagram of a preferred apparatus for carrying out the method of the invention;
Fig. 6 is a side view of part A of the apparatus shown in Fig. 5, Fig. 7 is a graph showing the effect of the vibration molding method according to the present invention on the heat capacity of polystyrene, and Fig. 8 is a graph showing the effect of the cooling rate on the temperature characteristics of polystyrene. FIG. 9 is a graph showing the effects that various vibration frequencies of constant amplitude have on polystyrene. 1 is a spring, 13 is a vibrator, 22 is a threaded rod, 23 is a cooling duct, 21, 32 are molds, 24 is an inlet valve, 25 is an outlet valve, 26 is an accelerometer, 27 is a thermocouple, 28 is a load cell, 29 is frame, 3
1 is a bellows, 41 is a support plate, 42 is a vibration table, 51
is a power supply source, 53 is a blower, 54 is a coolant supply, 55 is a drain, 58 is an air pipe, B is a sine wave generator, C is a power amplifier, and D is a control panel.
Claims (1)
は半完成品に変換され、その化学的性質及び成形
後の熱力学状態によつて決まる固有の特性及びそ
れに関連する転移温度を有するポリマーの物理的
及び物理化学的特性を変更する方法であつて、 温度及び少なくとも1つの他の流動学パラメー
タを共に時間の関数として同時に変化することに
より、上記ポリマーの平衡状態から不平衡状態へ
の物理的状態の速度感応変化の速度を制御し、そ
の際、規定された物理的及び(又は)物理化学的
特性をもつ最終製品を得るため、上記温度の時間
に対する変化の速度及び上記他の流動学パラメー
タの時間に対する変化の速度を所定の関係に従つ
て制御するものにおいて、 上記他の流動学パラメータを機械的振動とした
ポリマーの物理的及び物理化学的特性を変更する
方法。 2 上記機械的振動における変化が振幅の変化を
含む特許請求の範囲1項の方法。 3 上記機械的振動における変化が周波数の変化
を含む特許請求の範囲1項の方法。 4 上記の振動処理に加えて静電応力を同時に加
える特許請求の範囲1項の方法。 5 上記特性の変更が上記成形処理の間に生じる
特許請求の範囲1項の方法。[Scope of Claims] 1. Transformed from an initial green state into a finished or semi-finished product by a molding process, which has inherent properties and associated transition temperatures determined by its chemical nature and thermodynamic state after molding. 2. A method of changing the physical and physicochemical properties of a polymer having an equilibrium condition by simultaneously varying temperature and at least one other rheological parameter together as a function of time. in order to control the rate-sensitive rate of change of the physical state to, and thereby obtain a final product with defined physical and/or physico-chemical properties, the rate of change of said temperature with respect to time and the above-mentioned, etc. A method of changing the physical and physicochemical properties of a polymer using mechanical vibration as the other rheological parameter, in which the rate of change with respect to time of a rheological parameter is controlled according to a predetermined relationship. 2. The method of claim 1, wherein the change in mechanical vibration comprises a change in amplitude. 3. The method of claim 1, wherein the change in mechanical vibration comprises a change in frequency. 4. The method according to claim 1, wherein in addition to the vibration treatment described above, electrostatic stress is simultaneously applied. 5. The method of claim 1, wherein the modification of said properties occurs during said molding process.
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