CN102159379B - 模制聚氨酯泡沫制品的后固化 - Google Patents

Abstract

一种制造泡沫制品的方法，该方法包括：通过将液态材料喷射进模腔来模制10泡沫制品；通过从模腔除去泡沫制品将泡沫制品脱模11；在脱模11之后以及在挤压40该泡沫制品之前，将泡沫制品后固化20，以减少变形损害并且通过施加辅助热在泡沫制品上形成表层；以及挤压40泡沫制品以通过机械压缩该泡沫制品获得在泡沫制品的厚度方面的预定减小。该方法还包括在后固化20之后以及在挤压40泡沫制品之前，通过除去施加至泡沫制品的辅助热将泡沫制品冷却30。

Description

模制聚氨酯泡沫制品的后固化

相关申请的相互参引

本申请要求享有McEvoy等人于2008年9月22日提交的题为“POST-CURE OF MOLDED POLYURETHANE FOAM PRODUCTS”的美国临时专利申请No.61/099,142的利益和优先权，该申请通过引用方式纳入本文。

背景技术

本公开内容涉及模制聚氨酯泡沫制品的制造，更具体而言，涉及一种包括后固化步骤的制造方法，根据该后固化步骤，以一种高效节能的方式使这样的聚氨酯制品变得更加坚固且更适宜运输。

为了使座椅使用者舒适而提供模制聚氨酯泡沫垫子是众所周知的，无论该座椅是用于家具，用于设备，还是用于车辆，诸如汽车。

模制聚氨酯泡沫(软品种和硬品种)可通过所谓的“一步”法制成，即，将两种流体——第一(或异氰酸酯)流体和第二(或多元醇)流体——相混合，这两种流体基本包括如下组分：基多元醇树脂材料；共聚物多元醇树脂材料；水；催化剂(或催化剂包)，典型地是异氰酸酯，诸如，例如TDI、MDI或其混合物(一般，这类混合物含有不少于5％的TDI或者MDI；例如，TM20，其是一种包括80％TDI和20％MDI的混合物)；以及表面活性剂。如所知的，可使用各种添加剂来提供不同特性。

通常理解的是通过将两种材料流倒进一个模具中、闭合该模具以及允许多组分发生反应来使上述组分混合。该反应是放热的，尽管一般要施加辅助热(大约150℉-170℉，使用异氰酸酯催化剂)至模具以帮助缩短使泡沫固化的时间量，从而更快速地生产泡沫制品。

可选地，使用时间压力释放方法(TPR方法)将生成的泡沫制品在模具中挤压。TPR方法包括减小模具的密封压力，以允许气体在固化过程中和/或在从模具中除去(即，“脱模”)之前逸出泡沫和模具。或者可选地(且优选地)，也可使用挤压装置诸如真空装置、硬轧辊(hard roller)或刷子挤压器(brush crusher)等将脱模后的泡沫制品机械挤压(并且可被反复挤压)。通常，这尽快在脱模之后2分钟进行。机械挤压装置在脱模之后的某一具体时间(例如，从15秒到8分钟，更优选从90秒到2分钟)施加预定力并且持续指定的挤压时间段，以获得泡沫制品厚度的预定缩小量。通常，机械挤压顺序执行：第一阶段执行50％压缩(即，压缩至泡沫的初始厚度的50％)，然后第二阶段执行90％压缩，第三阶段也执行90％压缩。脱模后的挤压操作在以下方面是有利的：即通过泡沫制品提供更好的减振(例如，在汽车座椅的情况下，减缓道路振动)，以及当用作座椅时，使产品感觉起来更加舒适。

挤压尤其在制造模制聚氨酯座椅时是该方法的一个重要部分。在没有正确挤压的情况下，泡沫制品将呈现假硬度，并且在随后使用中，将在压缩时出现高度缩减。具体地，在汽车工业中，驾驶员具有足够视界的高度(H点)是一个在聚氨酯座椅的制造中必须予以考虑的关键的设计规格。没有正确挤压的泡沫座椅会导致出现不希望的H点变化。另外，没有正确挤压的座椅以后在受压时会缩减高度，这会导致座椅的装饰性外表出现不希望的改变，因为座椅罩可能会变松。

在用于制造聚氨酯泡沫制品诸如座椅的大批量生产环境中，经过挤压的泡沫制品可被置于单轨或其他传送器上固化一段时间(例如，30-120分钟)。之后，泡沫制品可被装袋或者以其他方式整体包装以便运输至另一地方进行进一步操作(举例来说，例如座椅组装)。因为泡沫制品一般在脱模时未完全固化，如果允许泡沫制品在单轨或其他传送器上固化的时间太短的话，泡沫制品可能仍然足够热，使得一旦装袋或包装，它们会紧密接触相邻的泡沫制品并且在相邻的泡沫制品上形成半永久性或甚至永久性的凹痕或压缩。这被认为是变形损害(set damage)。这样受损的泡沫制品一般被作为废物或废料丢弃。

模制聚氨酯泡沫制品的运输成本相对非常高，因为这些制品基本上是空气，因而以相对低的质量占据了相当大的体积。随着燃油成本增加，这些运输成本也同样增加。聚氨酯泡沫制品可被压缩的程度越大，这些制品可被运输的数目就越多，从而，运输也会变得越经济。

以前，后固化步骤已用在模制聚氨酯泡沫制品的生产中以减少变形损害。如图1所示，这样的后固化步骤是在脱模以及接下来的(一般，在大约2分钟之后)机械挤压之后进行的。后固化步骤发生在燃气烘炉或鼓风干燥炉中，在此经过挤压的泡沫制品在大约300℉被再加热大约1个小时，回到模制过程中所达到的温度附近的中心温度(一般从大约180℉升高至大约210℉)，所述制品在该中心温度保持大约1个小时以使进一步固化生效，以及通过对泡沫制品表面处的开放孔(open cells)进行非接触的表面熔融来形成较致密的表层(图2)。

尽管在制造具有较致密的表层以在运输中免受变形损害的模制泡沫制品方面是有利的，但现有技术的后固化操作很耗时。因此，用于常规制造模制聚氨酯泡沫制品的更普遍方法省略了上述后固化步骤，如图3所示。与图1的方法相同，该方法也使用在脱模之后大约2分钟内进行的机械挤压步骤。

发明内容

一种制造泡沫制品的方法，该方法包括：通过将液态材料喷射进模腔来模制泡沫制品；通过从模腔中除去泡沫制品来使泡沫制品脱模；在脱模之后以及在挤压该泡沫制品之前，将泡沫制品后固化，以减少变形损害，并且通过施加辅助热在泡沫制品上形成表层；以及挤压泡沫制品以通过机械压缩该泡沫制品来获得在泡沫制品的厚度方面的预定减小。该方法还包括在后固化之后以及在挤压泡沫制品之前，通过除去施加至泡沫制品的辅助热将泡沫制品冷却。

附图说明

图1是一个流程图，其描述了用于制造模制聚氨酯制品的现有技术方法，该方法在挤压步骤之后包括后固化操作。

图2图解示出了通过将泡沫制品表面处的开放孔进行表面熔融从而在泡沫制品上形成较致密的表层的步骤。

图3是一个流程图，其描述了用于制造模制聚氨酯制品的现有技术方法，该方法不包括后固化操作。

图4是一个流程图，其描述了本公开方法的步骤。

图5是一个曲线图，其示出在贯穿图1的聚氨酯制造方法的各个步骤中的时间和温度之间的关系。

图6是一个曲线图，其描述了在贯穿本公开内容的第一实施方案的各个步骤中的时间和温度之间的关系。

图7是一个曲线图，其描述了在贯穿本公开内容的第二实施方案的各个步骤中的时间和温度之间的关系。

具体实施方式

总体参考这些附图，尤其参考图4，本公开内容的用于制造模制聚氨酯泡沫制品的方法包括在脱模11之后且在挤压40之前进行后固化步骤20。此外，在挤压40之前，将泡沫制品冷却30。除非另有说明，公开的方法可按照传统方式进行，并且包括公知的材料和方法。如本文使用的，“泡沫制品”是一个宽泛的术语，可包括——但不限于——块状泡沫、车用泡沫(诸如，例如，坐垫、头枕、靠垫、扶手等)、家具座椅制品，以及工业泡沫(例如，发动机架、压缩机等)。

后固化步骤20在脱模11之后尽快进行，使得聚氨酯制品的中心温度保持高温，以减少/缩短执行后固化操作所需要的时间和能量。优选地，后固化步骤20在脱模后数分钟内进行。

如公知的，通常，模制步骤10是在施加足以加速固化的温度(一般，约为130℉-170℉)的辅助热的情况下进行的。在该步骤(其是放热反应)中，聚氨酯制品的中心温度升高至大约180℉-200℉的温度，该温度取决于质量。在脱模11之后，模制泡沫制品在后固化步骤20中被加热。进行后固化步骤20时的温度足以使得将泡沫制品外表面处的泡沫熔融，如图2中图解描述的，从而形成较致密的表层，该表层使得形成的泡沫制品更难以受到变形损害。在该后固化步骤中，泡沫制品的中心温度将达到与在模制10中所达到的温度相近的温度(在示例中，大约为180℉)。重要的是，产品不被加热至大约221℉以上的温度，因为已证实模制聚氨酯泡沫在被加热超过该阈值时，会失去其弹性记忆。

挤压步骤40迫使在模制过程中形成于泡沫制品内的气体与周围空气进行交换，从而迅速降低泡沫的中心温度。考虑到经过挤压的聚氨酯制品的相对低的中心温度(大约70℉)，表明执行现有技术的在挤压之后进行后固化操作是低效能的(图5)，相应地，必然需要更长时间的后固化步骤以使泡沫制品的中心温度回到足以使后固化操作生效的高温。因此，本公开内容的挤压步骤是直到后固化步骤20之后才进行的。通过这样的安排，后固化步骤20可更加快速地进行，并且更加高效，因为泡沫制品的中心温度至少相对接近于在模制操作10中所达到的温度。

尽管可以使用适宜进一步固化泡沫制品并在其上形成较致密表层的任意设备和/或装置来进行后固化步骤20，但是示例设备包括热固化设备中的任意一种或多种，诸如在传统工业烘炉中、感应加热、介质加热(诸如使用微波)、燃气红外辐射加热、UV加热、等离子体加热，或电子束处理(其使用高能电子代替热来激发聚合物中的交联反应)。使用UV加热、等离子体加热，以及电子束处理，应理解的是，频率和波长将对其成功利用很重要。

图6是一个曲线，其描绘了贯穿本公开内容的第一示例实施方案的各个步骤(模制10、脱模11、后固化20以及挤压40)中的时间和温度之间的关系，其中后固化步骤20在传统的工业烘炉中在大约300℉的温度下进行大约15分钟。如所描绘的，允许聚氨酯制品的中心温度在再次升高至大约180℉之前稍微有所下降(降至大约140℉)。在完成后固化操作之后，该制品被冷却、挤压，并且允许该制品的中心温度下降。

图7是一个曲线，其描绘了贯穿本公开内容的第二示例实施方案的各个步骤(模制10′、脱模11′、后固化20′以及挤压40′)中的时间和温度之间的关系，其中后固化步骤20′是通过介质加热或感应加热进行的。与图5的实施方案相同，允许聚氨酯制品的中心温度在再次升高至大约180℉之前稍微有所下降(降至大约140℉)。在完成后固化操作之后，该制品被冷却、挤压，并且允许该制品的中心温度下降。

为使得挤压之前在对泡沫制品的冷却30过程中的热传递排放加速，可利用辅助冷却设备和/或冷却装置，诸如，举例而言，高速风扇、冷却塔等。

尽管图6的实施方案中的后固化步骤的时间长达15分钟，但是想到使用特定加热装置，包括——仅以示例方式——使用诸如UV加热、等离子体加热以及电子束处理的装置，可将该时间减少至大约3分钟。时间刻度(time scale)在图5-图7中并非一致地示出。

在后固化步骤20′中利用感应加热将取决于聚氨酯泡沫材料中是否存在电感材料(其也被称为感受器)。想到，感受器可包括一个结构金属构架，泡沫制品被模制在该结构金属构架周围。

在模制聚氨酯制品包括结构金属构架的情况下，如果导致过早硫化，则上述列出的加热装置中的一种或多种——取决于金属类型——可能不适合于后固化步骤20。在这样的情况下，优选那些避免过早硫化的加热装置用于后固化步骤20。

优选地，但是非必须地，当在大批量生产环境中执行此处公开的方法时，加热装置适应后固化步骤20的成列执行(in-lineperformance)，以进一步提高本方法的效率。

通过在将泡沫制品脱模之后立即(在脱模之后零时间)或尽快将泡沫制品后固化，并继续对泡沫制品加热，可实现相对于现有技术的相当大的产量/制造优势(例如，成本等)。因此，尽快开始后固化步骤能够使泡沫制品在继续制造泡沫制品的过程中需要最少热量。例如，从脱模到热源大约10秒钟将需要加热大约3分钟；从脱模到热源大约30秒钟将需要加热大约9分钟；以及从脱模到热源大约3分钟将需要以较高加热速度加热大约15分钟。

正如从上述说明中可理解的，通过在脱模之后以及在挤压之前尽快执行后固化步骤，聚氨酯制品的中心温度保持得相对较高，并且，以更加节能的方式实现有益的进一步固化模制泡沫制品并在聚氨酯制品上形成较致密的表层。该表层不仅防止当泡沫制品在挤压之后被装袋或者以其他方式包装好进行运输时受到变形损害，它还便于使用粘合剂在制品上应用垫子或其他部件。进一步固化允许在挤压操作中更大程度压缩泡沫制品，从而产生相对较小体积/较高密度的泡沫制品。因而，这样的泡沫制品使得其自身适于运输更多数量，由此改善了运输经济性。再者，取决于在后固化步骤中使用的加热装置，后固化步骤可变得相对较短，并且相比于现有技术的方法，甚至进一步增加了其能效。

上述关于本公开内容的实施方案的描述是为了示例和说明目的给出的。其不意在是穷举的或者将本公开内容限制为所公开的具体形式，按照上述教导可能进行各种修改和变化或者从本发明的实施过程可以获得各种修改和变化。所述实施方案被示出和描述以便解释本发明的原理及其实践应用，以使本领域普通技术人员能够以各种实施方案以及在进行各种修改的情况下利用本发明，所述修改适合于想到的具体应用。

尽管本公开内容中仅详细描述了本发明的几个实施方案，但本领域普通技术人员在阅读本公开文本后将容易明白，在不实质偏离所述主题的新颖性教导和优点的情况下，许多修改都是可能的。相应地，所有这些修改都意在包括在本发明的范围内。在不偏离本发明的主旨的情况下，对示例实施方案的设计、操作条件和安排方面都可做出其他的替代、修改、变化和省略。

Claims (15)

1.一种制造泡沫制品的方法，该方法包括以下步骤：

通过将液态泡沫材料置于模腔中并使所述液态泡沫材料在模腔中发生反应以形成泡沫制品来模制泡沫制品；

通过从模腔除去泡沫制品来使泡沫制品脱模；

在将泡沫制品从模腔脱模之后立即以及在挤压该泡沫制品之前，将泡沫制品后固化，由此保持泡沫制品升高的中心温度并通过以下方式将泡沫制品的外表面熔融以在其上形成较高的密度梯度：继续加热泡沫制品2至15分钟以在其上形成较高的表面致密化，由此减少泡沫产品的变形损害；

快速冷却泡沫制品，以使泡沫制品能够被压缩其厚度的25％到95％，从而最大化泡沫制品的耐用性；以及

当将被包装进行运输时，将完全固化的泡沫制品压缩其尺寸的15％和50％，

其中后固化步骤在将泡沫制品脱模之后的10秒到30秒之内发生。

2.根据权利要求1所述的制造泡沫制品的方法，其中加热泡沫制品的步骤持续3至5分钟。

3.根据权利要求1所述的制造泡沫制品的方法，其中加热泡沫制品的步骤持续2分钟。

4.根据权利要求1所述的制造泡沫制品的方法，其中所述方法还包括在后固化之后以及在机械压缩泡沫制品之前将泡沫制品冷却的步骤，其通过停止向泡沫制品施加热的加热步骤而进行，由此使完全固化的产品能够被压缩其尺寸的15％到50％。

5.根据权利要求4所述的制造泡沫制品的方法，其中后固化步骤是在当泡沫制品处于足以使得泡沫制品的外表面熔融的温度下进行的，从而将泡沫制品的较高密度梯度以1到5倍的系数增加。

6.根据权利要求1所述的制造泡沫制品的方法，其中所述后固化步骤是使用后固化设备进行的，所述后固化设备包括以下至少一种：热固化设备、感应加热设备、介质设备、燃气红外辐射加热设备、UV加热设备、等离子体加热设备，以及电子束处理设备。

7.根据权利要求6所述的制造泡沫制品的方法，其中所述后固化设备是热固化设备，后固化步骤在等于脱模步骤时的泡沫制品的中心温度的温度下进行至少15分钟。

8.根据权利要求6所述的制造泡沫制品的方法，其中所述后固化设备是以下至少一种：UV加热设备、等离子体加热设备，以及电子束处理设备；并且其中后固化步骤在等于脱模步骤时的泡沫制品的中心温度的温度下进行至少2分钟。

9.根据权利要求8所述的制造泡沫制品的方法，其中在大批量生产环境中，所述后固化设备适应于所述后固化步骤的成列执行。

10.根据权利要求4所述的制造泡沫制品的方法，其中所述冷却步骤是使用辅助冷却设备执行的。

11.根据权利要求10所述的制造泡沫制品的方法，其中所述辅助冷却设备为高速风扇和冷却塔。

12.根据权利要求1所述的制造泡沫制品的方法，其中所述泡沫制品包括模制聚氨酯构件。

13.根据权利要求12所述的制造泡沫制品的方法，其中所述泡沫制品包括结构金属构件，所述泡沫制品被模制在该结构金属构件周围。

14.根据权利要求1所述的制造泡沫制品的方法，还包括以下步骤:

在脱模之后以及在将泡沫制品挤压之前，作为制造过程的一部分，将泡沫制品后固化，以通过向泡沫制品施加辅助热在泡沫制品上形成表层；以及

等待泡沫制品完全固化以提供附加压缩，从而减少泡沫制品的变形损害。

15.根据权利要求14所述的制造泡沫制品的方法，还包括在后固化之后以及在将泡沫制品挤压之前通过除去施加至泡沫制品的辅助热将泡沫制品冷却的步骤。