CN103974813A - 塑性粒状物质的模制 - Google Patents

Abstract

一种由膨胀的树脂颗粒制造模制物品的方法，该方法包括：将颗粒和介电的传热流体放置在位于一对电极之间的模具中；在电极之间产生射频电磁场；将电磁场施加到模具以介电地加热传热流体且因此介电地加热颗粒；以及将颗粒加热至足以使其表面软化的温度，使得颗粒融合，由此以形成如由模具成形的模制物品；优选地，其中射频电磁场具有大于模制物品的平均尺寸的波长。

Description

塑性粒状物质的模制

本发明涉及用于通过在液体传热剂的存在下应用介电–特别是射频(RF)或高频(HF)–加热来由膨胀的树脂颗粒制造模制物品的装置和方法。本发明与将膨胀的聚丙烯(及类似的)泡沫的珠融合在一起制成的物品的模制特别地相关。本发明还具有以下方面的应用

·合成树脂颗粒泡沫

·非芳族聚烯烃(即聚烯)颗粒泡沫

·聚碳酸酯、聚酯和聚酰胺泡沫

特别地，描述了用于模制膨胀的聚烯烃(例如，聚丙烯)树脂颗粒的方法。

本发明还具有在以下方面的潜在的应用：

·既不膨胀也不是聚合物的材料；

·食品；以及

·基于淀粉的生物泡沫

本发明的另外的应用包括以下物质的生产：

·生物聚合物

·聚碳酸酯、聚酯和聚酰胺泡沫

膨胀聚丙烯(EPP)是于20世纪70年代首次研制出的闭孔的聚丙烯共聚物塑料泡沫。EPP具有许多希望的材料性能，其可进一步根据需要调整，包括：能量吸收；耐用性；绝热；浮力；抗冲击性、抗水性和抗化学品性；以及高的强度与重量的比。其也可以是可回收利用的。EPP可被制造成多种密度，从用于吸收能量的高密度、用于设备和其它消费品的中等密度至用于包装的低密度。还发现其在例如汽车工业中广泛使用。

对于工业应用，EPP通常是颗粒或珠形式的固体，例如，如以商品名或P-BLOCK销售的固体。

珠的制造涉及聚丙烯(PP)树脂与其它成分组合的小球的挤出，然后膨胀(因此膨胀的PP，或EPP)以形成珠的工艺。膨胀步骤涉及使小球在高压釜中经受热和压力且随后将其排放(压力下降至大气压力使其膨胀)。额外的膨胀步骤还可用于进一步降低珠的密度。

然后珠被融合在一起以形成模制的泡沫部件，即可作为独立的产品(诸如用于食物和饮料的容器)又可作为系统元件(诸如汽车座椅和保险杠)。在实践中，模制部件诸如汽车保险杠可包括许多融合在一起的珠。

将EPP珠模制成成品部件的一种方法涉及在金属模具中经蒸汽注入加热和融合珠。这通过使用“蒸汽室”来实现，所述蒸汽室可由铝制成并且通常包括两个部分，每个部分具有空心空间使得当室被关闭时，两个空间限定模制腔，在该模制腔中定位模具或用具，这些珠被放置在所述模具或用具中。用具通常包括两个互补的(例如，凸模和凹模)板，这两个板的一个被附接到蒸汽室的两个部分中的每个。蒸汽室还装配有合适的阀和排水系统以便于蒸汽的通过。

在用蒸汽初始冲洗腔以除去空气之后，EPP珠通常通过以下两种方法之一被引入模具的腔中(因为珠缺少活性膨胀剂，这些方法同样被设计为人工地将它们压缩在一起，使得它们在模制过程中更加紧密接触以确保最终模制产品的内聚力)：

·缝隙填充–珠被引入开口用具中，将其填充超出模制腔的程度；关闭该用具，将这些珠机械地压缩在一起。

·反压力填充–将在压力下保持在填充罐中的这些珠注入到加压的模制腔中。在压力下，这些珠被压缩至减小的体积；当模制腔中的压力降低时，珠膨胀，填充该模制腔。

然后蒸气从周围的蒸汽室被释放到腔中。当蒸气通过珠的组件时，能量由蒸汽转移到珠，使其加热并且胀大。随着珠的表面加热，最终开始软化并且这些珠融合在一起。被融合的部件的形状由用具的形状决定。

在某些工艺中，这些珠经受预处理工艺并且在模具填充阶段之前被预先加压，并且在一些情况下，气态“膨胀剂”被引入它们的结构中。这使得珠在模制工艺过程中更多地膨胀，产生比未预加压的珠密度低的模制产品。如从上下文将清楚的，术语“预加压”在某些情况下也被用于指在活性模制步骤之前模具的加压(而不是珠的预处理)。

当融合完成时，模具用水冷却至大约60℃(以降低内压力并且阻止在模制部件释放时爆发；该工艺在使传导冷却达到珠的中心方面可能花费一些时间)，打开，并且释放模制部件。在自动化处理中，模制部件随着形成而被推出或排放。任选地，然后可进行稳定工艺。

由于可能的显著的成本节约和增加的生产率，蒸汽模制技术通常优先于可选的塑料模制技术(诸如，注射模制)被使用；然后，根据本发明理解的是，所需要的大体积的加压蒸汽意味着蒸汽室模制是非常低能量效率的：

·为了使EPP珠融合，它们需要从室温加热至其大约135℃的软化温度，在该温度下，这些珠将(如果在充分的压力下)融合在一起。这需要消耗大量的蒸汽并且加热整个模具以产生实际上少量的被处理的EPP(对于1kg被处理的EPP，平均在3.5巴下大约15kg-25kg蒸汽)

·为了使模制部件容易地且快速地从模具中移除，模具必须随后被冷却以使蒸汽冷凝且由此降低模具内部的内压力

不得不加热(并且可能冷却)模具以及EPP珠意味着用于该工艺中的超过99％的能量被用于除加热珠自身以外的目的；因此能量成本是占总成本的相当大的百分比。

重复的热循环也有害于模具组件的工作寿命。

就该工艺在工业规模上的经济情况而言，处理时间也是重要的，因为这影响所需要的劳动力的成本(鉴于原材料是相对低成本的)。这对重量轻的模制部件是特别重要的，因此对加热和冷却模具的需要显著增加了成本。

因此，对融合膨胀的聚丙烯(EPP)珠以提供模制的泡沫产品，优选地对降低模制中所用的能量以及需要的时间的新颖的技术存在相当大的兴趣。据估计，能量成本降低80％可降低15-20％的模制部件的成本。

一般来说，如本文所用的，术语“软化温度”优选地包括这样的温度或温度范围，在所述温度或温度范围下珠材料足够软以能够在模制过程中由其初始的珠的形状膨胀为其最终的模制部件的形状，但是珠材料足够硬以维持其开孔的小室结构而不发生塌陷。因此，尽管在膨胀的聚丙烯的情况下软化温度被认为是略微超过熔点，但是材料的软化温度一般低于其熔点，使得材料开始熔化。对于EPP，一般地且特别是对于 这一软化温度在125℃-145℃之间。对于半晶体热塑性塑料，软化温度一般在结晶相熔化开始与结束之间。

根据本发明的第一方面，提供了由膨胀的树脂颗粒制造模制物品的方法，该方法包括：将颗粒和介电传热流体放置在位于一对电极之间的模具中；在电极之间产生射频电磁场；将电磁场施加到模具以介电地加热传热流体且因此介电地加热颗粒；以及将颗粒加热至足以使其表面软化的温度，使得颗粒融合，由此以形成如由模具成形的模制物品。

优选地，射频电磁场具有大于模制物品的平均尺寸的波长。

优选地，射频电磁场具有以下特征中的至少一个：i)在300m和1m之间的波长；ii)在1MHz-300MHz之间、1MHz-100MHz之间、1MHz-40MHz之间或3MHz-30MHz之间的频率；iii)分配用于工业加热的工业、科学和医学波段内的频率；以及iv)大于模制物品的平均尺寸的四分之一波长(quarter-wavelength)。射频电磁场可具有在13.56MHz、27.12MHz和40.68MHz的一个中的+/-10MHz之内的频率。

优选地，传热流体被加热到的温度足以使其气化，任选地完全气化。

优选地，该方法还包括维持模具中的压力使得传热流体的气化温度是或接近颗粒表面的软化温度。

优选地，在传热流体处于液态时，所施加的射频电磁场导致传热流体以第一模式加热并且任选地在传热流体处于气态时，所施加的射频电磁场导致传热流体以第二模式加热。更优选地，通过对传热流体施加射频电磁场以第一模式加热对于以第二模式加热是主导的，使得传热流体的加热主要在传热流体处于液态时优选地与颗粒接触时发生。

优选地，放置在模具中的传热流体的量根据模具腔的容积来确定，并且优选地在每升腔1ml和100ml之间，更优选地在每升腔2ml和50ml之间，仍然更优选地在每升腔4ml和25ml之间。可选地，放置在模具中的传热流体的质量由放置在模具中的颗粒的质量来确定，优选地，其中放置在模具中的传热流体的质量在颗粒质量的0.1倍至50倍、0.125或0.14倍至20或25倍、0.25倍至2倍的范围内，更优选地，在颗粒质量的0.5倍至1.25倍的范围内。

优选地，传热流体包括水。优选地，水向其中加入增加电导率的杂质。增加电导率的杂质可以是盐。

优选地，热传导流体具有超过3mS/m的电导率。

优选地，传热流体：i)与颗粒同时被放置在模具中；和/或ii)在被放置或被注入模具中之前与颗粒预混合。

优选地，传热流体与润湿剂结合使用。

优选地，该方法还包括至少部分地通过控制模具内的压力来控制模具中的温度。

优选地，该方法还包括在模制过程中使模具维持在高压下，优选地，其中所述高压是高至3巴，优选地高至5巴，优选地在2巴和3巴之间或者在3巴和5巴之间。

优选地，该方法还包括在模制之前将模具加压。

优选地，颗粒被加热到的高温是在80℃和180℃之间，优选地在105℃和165℃之间，优选地高至110℃、120℃、130℃、140℃或高至150℃。

优选地，模具内的高压和高温被维持足以使得由颗粒的融合形成模制物品的时间。

优选地，该方法还包括在模制之前将模具中的颗粒加压。将颗粒加压可包括例如通过反压力填充优选5-100体积％来机械地或物理地压缩颗粒。

优选地，该方法还包括，任选地在模制完成之前，从模具中除去空气，优选地由被气化的传热流体来置换所述空气，优选地经阀排放所述空气或者将所述空气排放到储气罐中。

从模具中除去空气可包括由被气化的传热流体来置换空气，优选地经阀排放空气或者将空气排放到储气罐中。

优选地，该方法还包括在颗粒发生融合之后使模具降压，优选地，颗粒一发生融合就使模具降压。

优选地，该方法还包括从模具中排放被气化的传热流体。

优选地，该方法还包括在模制之后冷却的步骤，优选地，其中冷却步骤包括至以下操作的至少一个：i)将加压气体注入到模具中；或者ii)冷却模具的至少一个表面或电极，优选地，其中冷却布置包括沿着模具的至少一个表面或电极引导流体。

优选地，颗粒包括闭孔泡沫颗粒、由闭孔泡沫颗粒组成，或者是闭孔泡沫颗粒。

优选地，树脂包括脂族树脂、由脂族树脂组成，或者是脂族树脂。树脂可包括聚烯烃、由聚烯烃组成，或者是聚烯烃。树脂可包括非芳族聚烯烃(即，聚烯)、由非芳族聚烯烃组成，或者是非芳族聚烯烃。树脂可包括聚丙烯和/或聚乙烯、由聚丙烯和/或聚乙烯组成，或者是聚丙烯和/或聚乙烯。树脂可包括聚丙烯、由聚丙烯组成，或者是聚丙烯。树脂可包括聚乙烯、由聚乙烯组成，或者是聚乙烯。树脂可包括共聚物，由共聚物组成，或者是共聚物，所述共聚物优选聚丙烯及其共聚物或者聚乙烯及其共聚物。

优选地，该方法还包括通过预处理颗粒来控制颗粒或珠的密度，优选地在模制之前预加压颗粒以将气体引入颗粒中。

优选地，颗粒在模具的外部预加压并且随后被转移到模具中，优选地，其中颗粒存储于高压的压力罐中。

优选地，该方法还包括封闭的腔或部分封闭的腔。

优选地，模具材料包括对在板电极之间产生的射频电磁场是基本上可透过的材料，优选地，其中模具材料包括i)聚合物，诸如聚丙烯、高密度聚乙烯、聚醚酰亚胺或聚四氟乙烯；或ii)陶瓷，诸如氧化铝、莫来石、MICOR或叶腊石。模具还包括对在板电极之间产生的射频电磁场是基本上不可透过的第二材料，优选地，其中该第二模具材料形成模具的侧壁或内衬并且适合于与正被模制的物品直接接触。

优选地，电极板用介电的或不导电的间隔材料间隔开，优选地，其中间隔材料限定模具的至少一个侧壁，更优选地，其中模具的至少一个侧壁被嵌入板电极中。优选地，模具的腔的至少一侧与至少一个电极直接接触。

优选地，模具适合于经受住由于传热流体的气化而产生的高压。

根据本发明的另一个方面，提供了用于由颗粒制造模制物品的装置，包括：一对电极；用于在电极之间产生射频电磁场的工具；位于电极之间的模具；和用于将电磁场施加到模具的工具；其中装置适合于将放置于模具中的热交换流体和颗粒介电地加热至足以使颗粒表面软化的温度，使得颗粒融合，由此以形成如由模具成形的模制物品，优选地，还包括以下的至少一个：i)例如通过缝隙填充或反压力填充用于将颗粒和传热流体放置在模具中的工具；ii)板电极；iii)用于压缩颗粒的工具；或者iv)用于将模具加压的工具。

优选地，电极之间的间距是根据被处理的材料可调节的；优选地，以便改变所施加的电磁场的性能。

根据本发明的另一个方面，提供了利用以上描述的方法获得的模制产品。

本发明的另外的特征以进一步的权利要求来表征。

进一步的方面包括：

·通过施加射频(RF)加热来模制塑性粒状物质的装置包括：

o模具

o电极

o材料入口

o液体传热剂

o任选地，用于施加压力的工具，其优选地在模具中，或者可选地用于压缩颗粒的工具

·通过施加射频(RF)加热并且在液体传热剂的存在下模制塑性粒状物质的方法

·通过施加RF加热并且在液体或流体传热剂的存在下来模制通过将膨胀的聚丙烯泡沫的珠融合在一起制成的物品的方法

如本文所用的，物品(诸如模制物品)的尺寸优选地指物品的长度、宽度或更通常指物品的厚度，更优选地指物品的平均长度、宽度或厚度，以及物品的平均尺寸。更优选地，其指物品在电极之间的厚度，如在垂直于或正交于电极的平面的方向上。

除非另外指明，否则提及的压力通常指“表压”。

本发明可通过以下项目来限定：

1.一种由颗粒制造模制物品的方法，该方法包括：

将颗粒和介电传热流体放置在位于一对电极之间的模具中；

在电极之间产生射频电磁场；

将电磁场施加到模具以介电加热传热流体且因此介电加热颗粒；以及

将颗粒加热至足以使其表面软化的温度，以便颗粒融合，由此以形成由模具成形的模制物品，优选地，其中射频电磁场具有大于模制物品的平均尺寸的波长。

2.根据项目1所述的方法，其中射频电磁场具有在10m和1cm之间的波长，优选地在1m和10cm之间的波长。

3.根据任一项前述项目所述的方法，其中传热流体所加热到的温度足以使其气化。

4.根据任一项前述项目所述的方法，其中传热流体是以下中的任一种

i)与颗粒同时放置在模具中；或者

ii)在被放置在模具中之前与颗粒预混合。

5.根据任一项前述项目所述的方法，其中传热流体与润湿剂结合使用。

6.根据任一项前述项目所述的方法，其中传热流体包括水，优选地，其中水向其中加入增加电导率的杂质，诸如盐。

7.根据任一项前述项目所述的方法，其中传热流体具有超过3mS/m的电导率，优选地具有超过7mS/m的电导率。

8.根据任一项前述项目所述的方法，其中颗粒包括以下中的任一个

i)闭孔泡沫颗粒；

ii)共聚物泡沫颗粒；或

iii)膨胀的聚丙烯。

9.根据任一项前述项目所述的方法，其中所述方法还包括在加热之前预加压颗粒，优选地

i)其中颗粒在模具中被预加压；或者

ii)其中颗粒在模具的外部被预加压并且随后被转移到模具，优选地，其中颗粒被存储于高压的压力罐中。

10.根据项目9所述的方法，其中预加压包括机械地压缩颗粒。

11.根据项目9或10所述的方法，其中高压是至少1.1、2、3、4或超过4，优选地，其中预加压持续至少1、2、3、4、8、12、16或超过16小时的时间。

12.根据任一项前述项目所述的方法，其中颗粒被加热到的高温是在80℃和180℃之间，优选地在85℃和165℃之间，优选地高至90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或高至150℃。

13.根据任一项前述项目所述的方法，其中模具包括封闭的腔。

14.根据任一项前述项目所述的方法，其中方法还包括在模制过程中将模具维持在高压，优选地，其中压力是高至3巴，优选地高至5巴。

15.根据任一项前述项目所述的方法，其中方法还包括在模制之前预加压模具。

16.根据任一项前述项目所述的方法，其中方法还包括从模具中排放被气化的传热流体。

17.根据任一项前述项目所述的方法，其中方法还包括在模制之后的冷却步骤，优选地，其中冷却步骤包括以下的至少一个

i)将加压气体注入模具中；或

ii)冷却模具的至少一个表面或电极，优选地，其中冷却步骤包括沿着模具的至少一个表面或电极引导流体。

18.根据任一项前述项目所述的方法，其中被放置在模具中的传热流体的质量通过被放置在模具中的颗粒的质量来确定，优选地，其中被放置在模具中的传热流体的质量大约等于或小于被放置在模具中的颗粒的质量。

19.根据任一项前述项目所述的方法，其中模具材料包括对在板电极之间产生的射频电磁场是基本上可透过的材料，优选地，其中模具材料包括

i)聚合物，诸如聚丙烯(PP)或聚四氟乙烯(PTFE)；或

ii)陶瓷。

20.根据任一项前述项目所述的方法，其中模具具有对在板电极之间产生的射频电磁场是基本上不可透过的第二材料的至少一个侧壁或内衬，优选地，其中第二模具材料包括聚偏二氟乙烯(PVDF)。

21.根据任一项前述项目所述的方法，其中电极板用介电的或不导电的间隔材料间隔开，优选地，其中间隔材料限定模具的至少一个侧壁，更优选地，其中模具的至少一个侧壁被嵌入板电极中。

22.根据任一项前述项目所述的方法，其中颗粒包括塑料材料。

23.根据任一项前述项目所述的方法，其中颗粒包括以下中的任一个：

i)非芳族聚烯属(即聚烯)颗粒泡沫；聚碳酸酯\聚酯或聚酰胺泡沫；聚苯乙烯泡沫；

ii)既不膨胀也不是聚合物的材料；用于食品包装产品的材料；基于淀粉的生物泡沫；

iii)生物聚合物；或

iv)膨胀的聚苯乙烯。

24.根据任一项前述项目所述的方法，其中模具中的具有足以气化传热流体的场强的射频电磁场以及压力使得气化温度是或接近材料的软化温度。

25.用于由颗粒制造模制物品的装置，包括：

一对电极；

用于在电极之间产生射频电磁场的工具；

模具，其位于电极之间；以及

用于将电磁场施加到模具的工具；

其中装置适合于介电地加热被放置于模具中的传热流体和颗粒至足以使颗粒表面软化的温度，使得颗粒融合，由此以形成由模具成形的模制物品，优选地，还包括以下中的至少一个

i)用于将颗粒和传热流体放置在模具中的工具；或

ii)板电极。

26.一种由颗粒制造模制物品的方法，该方法包括：

将颗粒和介电的传热流体放置在模具中；以及

将射频电磁场施加到具有足够的场强以气化传热流体的模具，同时维持模具中的压力使得气化温度是或接近材料的软化温度。

本发明延伸至参照附图大致在此所描述的方法和/或装置。

本发明的一个方面的任何特征可以以任何合适的组合的方式被应用于本发明的其它方面。具体地，方法方面可被应用到装置方面，反之亦然。

现将仅通过实施例的方式参照附图来描述本发明，在附图中：

图1显示了电磁波谱；

图2显示了随被施加的电磁场的频率变化的水的损耗系数；

图3显示了通过微波介电加热制造模制产品的系统；

图4显示了原型RF模制压机；

图5显示了RF压缩模制压机的示意图；

图6显示了具有可锁定板的改进的RF模制压机；

图7显示了在RF模制工序过程中观察到的环境参数的图；

图8显示了具有直接结合到顶部RF电极中的泡沫压力传感器的RF压机；

图9显示了在RF模制工艺过程中的气压读数的结果；

图10显示了在RF模制试验过程中的气压读数的结果；

图11、12和13显示了在不同RF功率水平的RF模制工艺过程中的气压读数的结果；

图14显示了在RF模制工艺过程中的压力读数的另外的结果；

图15显示了在大块(block)模制试验过程中获得的泡沫压力传感器读数；

图16显示了可选的模制用具的设计；

图17显示了两层RF模具；

图18显示了可选的通风的RF模制压机；

图19显示了改装用作RF模制系统的缝隙填充模制压机；

图20显示了生产RF模制工序；

图21显示了适合于RF模制的商业化的蒸汽室模制压机；以及

图22至35描述了关于聚丙烯的RF融合的一些另外的和参数化的研究。

概述

本发明呈现了通过介电加热，特别是应用射频(RF)或高频(HF)加热并且在流体传热剂诸如水的存在下，模制塑性粒状物质的可选方法。

当交替的高频电磁(EM)场被施加到具有弱导电性的某些材料时，引起介电加热。一般来说，EM场使具有偶极矩的材料的那些分子(极性分子)试图使其自身与所施加的场的频率匹配。当所施加的场的频率在射频波谱或微波波谱中振荡时，分子试图遵循场的变化且因此热通过分子之间的“摩擦”产生。

然而，如在以下将更加详细地说明的，就应用的方法(因此装置)而言，通过射频波的介电加热与通过微波介电加热相比，机制和效果存在显著差异。

通过所施加的电磁场被转移到电介质的功率密度P通过以下得到：

P＝2πfε₀ε″E²(以Wm^-3计)

其中f是所施加的电磁场的频率(以Hz计)；ε₀是自由空间介电常数＝8.85x10^-12Fm^-1；ε″是介电材料的损耗系数，被定义为产物ε_r tanδ，其中ε_r是相对介电常数并且δ是损耗角(由于电磁能产生的固有耗散且因此加热的固有损耗的测量值，与相对介电常数的虚部有关)；以及E是电场强度或电压梯度(以Vm^-1计)。

图1显示了电磁(EM)波谱1，特别是用于介电加热的最感兴趣的频率5，即射频波谱，且尤其是微波和射频(RF)波。

一般来说，虽然一些定义包括还被描述为低红外的高至3,000GHz(0.1mm的波长)的频率，但是射频波谱被描述为低于大约300GHz(对应于大于1mm的波长)的频率的EM波谱的一部分。

一些定义使用术语微波和射频(RF)来描述电磁波谱的邻近部分。典型的区别是诸如以下的一个：

·微波-具有300MHz-3GHz的相对高的频率(对应于1m–10cm的短波长)

·射频波–具有3-300MHz的较低的频率(且因此100m–1m的相对较长的波长)，可能降至1MHz(300m波长)

-虽然两者之间的区分的准确位置常常是不清楚的。然后存在技术区别和调整区别：

·各自通常通过明显不同的方法产生。例如，工业微波加热系统通常是基于周围的磁控管，其中波导管发射功率至谐振的或多模式的腔。另一方面，RF加热利用三极管阀或四极管阀与具有传输线或共轴布置的谐振LC电路，以将功率递送至应用器(applicator)。一般来说，应用器采取电容器的形式，其中RF功率被施加到一个或这两个电极。

·各自在分子之间产生不同的显著的相互作用：微波加热主要涉及与自由偶极子的相互作用；RF加热主要涉及离子电导率。

·各自由国际条约限定并且分配为特定的波谱带，被称为工业、科学和医学(ISM)波段，对于特定用途，在这些波段之外发射的辐射被严格地规定。例如：

·微波波段包括：在UK是896MHz；在欧洲和USA是915MHz并且在全世界是2450MHz

·RF波段包括13.56MHz、27.12MHz和40.68MHz被允许的频率包括前述的被允许的带宽中的那些。

因此，如本文所用的，术语“RF”及类似术语优选意味着以下EM波：小于300MHz(大于1m的波长)；优选小于100MHz(大于3m的波长)；以及优选小于40MHz或30MHz(大于7.5m或10m的波长)，优选小于3MHz或1MHz(大于100m或300m的波长)，优选小于300KHz(大于1km的波长)，或者甚至下降至几百Hz的频率(高至几千km的波长)。

一些实施方式在1–100MHz(300m–3m的波长)，特别是1–40MHz(300m–7.5m的波长)，更特别是3–30MHz(100m–10m的波长)的频率范围内操作。

其它实施方式在(或大概在)特定限定的并且分配的允许的频率下操作，例如在13.56MHz、27.12MHz或40.68MHz，通常在+/-10MHz内，优选地在+/-1MHz内，更优选地在+/-0.1MHz内或者甚至在+/-0.01MHz内。

图2显示了水的损耗系数ε"随所施加的电磁场的频率变化的图10，并且其包括两个不同的分量：由于离子电导率产生的损耗和由于自由偶极子移动产生的损耗。典型的微波频率12是在对应于自由偶极子谐振的接近于水的损耗系数的峰的频率；相比之下，典型的RF频率15的损失主要是由于离子电导率。

根据本发明，随着RF模制的构思的形成，一系列调查开始进行。

用于模制塑性粒状物质-特别是EPP-的介电加热的可能性的初始调查利用基于微波的系统。

-基于微波的系统

图3显示了通过微波介电加热模制塑性粒状物质的系统20。

微波通过磁控管22产生且然后经波导管24引导到室26中，在该室26中它们被室壁反射并且相互作用，并且通过被放置在室中的任何介电负荷(例如，水)被吸收。

波程中的循环器28(有效地是微波‘单向阀’)阻止微波沿着波导管24被反射并且阻止对磁控管22的可能的损坏。室26还具有合适的防护层(未显示)，例如，呈法拉第笼的形式，以阻止微波离开。

位于室26内的模具30具有内腔32，该内腔32具有与待模制的物品的外部形状和尺寸一致的大致的内部形状和尺寸。通向模具腔32的入口通过闭合件提供，该闭合件用来在模制工艺过程中密封腔32并且其可被打开以允许模制物品在模制工艺完成后被取出或者以其它方式被移除。

模具30由微波可透过材料制成并且位于微波室26中使得微波可行进通过模具的壁以照射模具腔32的内容物。

在这个简单的实例中，将EPP起始材料的珠34在引入到模具的腔32之前与液体传热剂(在这种情况下是水)混合，并且经注入口36被引入模具的腔32中。

通过磁控管22产生的微波介电地加热水，直到其沸腾至产生蒸汽。蒸汽加热EPP珠34，这增加了颗粒内部的压力，并且在其表面达到PP软化温度时软化其表面。珠的表面的软化以及珠在模具的腔32中的进一步(意图的)膨胀使颗粒彼此融合或接合，由此形成模制物品。

虽然这一试验表明微波大体上能够使聚丙烯珠融合，但是发现得到的模制物(moulding)仅仅是弱弱地融合的。

这被认为首先是由于未排气的模具的内部捕获的空气是极好的绝缘体，需要更长的处理时间来实现珠之间的融合。

另一种可能性是不均匀的加热–由以下事实的组合引起：微波的波长具有与被模制的部件类似的或者比被模制的部件小的大小，并且由于微波在腔内重复地反射使其难以将其在模制用具中均匀地分布。解决这个问题的一个方法是利用系统来使微波场中的样品旋转–虽然这将不必要地增加系统的复杂性并且限制能够被模制的物品的最大尺寸。

利用微波涉及的另外的问题包括：

·模具对微波必须是可透过的，否则它也将在模制工艺过程中被加热，从而排除金属(在多数商用用具中使用的)。

·在微波腔的金属壁处的电场降至零从而不产生热量效应。

·因为靠近微波闭合物的壁不存在电场，整个模具必须根据微波可透过材料来构造。这需要模制用具能够经受在模制工艺过程中产生的压力和温度。

为了这些和其它原因，焦点继续主要探索RF方法。尽管如此，本领域的技术人员将理解，所描述的RF模制系统的方面还适用于具有一些改进的基于微波的系统。

-基于RF的系统

RF加热的使用通常通过将待加热的材料放置在形成介电电容器的两个板电极之间来完成。一个电极被保持在高电势下并且被连接到RF发生器，另一个电极名义地处于‘接地’电势。这些电极之间的间隙或间距被调整为适合被处理的材料。在简单的系统中，电极之间的间隙或间距可被用于改变频率且因此改变所施加的RF功率和电场强度。

将基础RF加热系统适合于模制颗粒诸如聚丙烯珠需要限定模制腔。这通常根据对射频波可透过的低介电损耗的聚合物来构造。另外，优选能够经受由射频场施加的电压(由于材料具有合适的介电击穿强度)以及在模制周期过程中产生的压力和温度。

一个或这两个电极可以是可调节的以适应不同大小的模具并且帮助模制部件的取出。

模具形成压力容器的侧壁，该压力容器被直接定位在这两个RF电极之间。压机将电极和聚合物模具夹在一起以形成封闭的腔。

顶部部分和底部部分以及在一些情况下聚合物模具的中部通常具有机械加工的凹槽以容纳硅酮橡胶或用作压力密封件以容纳其中形成的蒸气的其它密封件。

因为电极间隙通常由聚合物模具的尺寸来确定，所以使电极和用具的谐振频率可调节以便‘应用器’电路在与RF发生器相同的频率下谐振。这通过协调系统-特别是串联电容器来完成，所述串联电容器调节两者的结合电容，只要所得的在要求的操作频率下与感应器产生谐振。

合适的材料通常具有以下性质：

·对RF可透过：在RF场中将不会加热(虽然如之后将说明的，但是受控加热可以推断优势)

·超过135℃的耐温性(对于当前的商用共聚物的珠，例如，)，优选地超过150℃的耐温性(对于均聚物的珠)-虽然较高的温度可用于一些其它的珠材料。

·在该工艺中所预期的温度下的低的热膨胀

·良好的机械稳定性：足够稳健以用于该工艺中以容受3-4巴的压力。

·高的介电击穿强度可能的合适的模具材料包括：

·PP(聚丙烯均聚物)-RF可透过的，虽然在高温下对于延长的使用可能是不合适的

·PTFE(聚四氟乙烯，商业上被称为)-RF可透过的并且适合于在高温下使用，虽然得到的模制产品的表面可能存在问题

·PEI(聚醚酰亚胺)–RF可透过的并且适合于在高温下使用(例如200℃)而对其机械性能没有损害

·一系列其它聚合物也满足要求并且可被用于模具构造，诸如聚甲醛(POM)及其共聚物

·陶瓷-虽然在脆性和低抗热震性方面可能存在问题

PVDF(聚偏二氟乙烯)，虽然不是RF可透过的，但是也可以用于制造模具室的侧壁以允许模具室自身在其有利的应用中被介电地加热。例如，加热模具的腔的内表面可对模制产品提供更好的表面抛光。

可选地，复合材料模具可被使用，例如，其中模具的大部分由在模具腔的内表面处具有例如PVDF内衬的RF可透过材料制成-由此提供了被加热的内部模具表面而不必对模具的主体加热的优势。

RF也可通过为微波可透过的材料来施加，意味着其可在其中微波系统将同样也加热模具的情况下使用。

因为PP自身对RF是可透过的，所以需要传热剂或介质。水(例如，自来水，由于离子的存在)被发现是特别合适的，因为其是非常强的RF的吸收器，并且当为气体形式时，得到的蒸汽分子是相对小的且因此能够深深地穿透到被模制的部件中。

优先于微波的RF的使用被预期为产生某些优势：

-增加质量的模制

由于EM波的穿透深度与波长直接相关，认为较长波长的RF允许比微波深且均匀地穿透到被模制的部件中，导致较高的加热均匀性且因此所产生的模制的增加的质量。这特别可用于较大部件的模制。所施加的RF功率也可简单地被调节并且EM场线可保持平行以帮助提供水的均匀的加热。

-较简单的用具加工

生产RF模制机械的结构被预期是明显类似于当前的EPP模制机械(金属板、经由填充枪的珠填充)，节省了能量输入工具。在一些变化形式中，如以下描述的，对蒸汽压力系统的需求被完全除去。不像利用微波系统的情况，所述微波系统需要大的放置模具于其中的腔，RF解决方案是显著更简单的并且实施成本更低。少数的相对简单的部件还意味着更易于设计稳健的RF系统。RF电极的使用允许功率直接进入模具并且经由液体传热剂被施加到模制材料。

-不需要使用膨胀剂

PP作为珠模制材料的固有的优势在于其不需要膨胀剂来膨胀为珠的形式-不像聚苯乙烯(PS)，该聚苯乙烯通常含有戊烷。如以下将描述的，RF加热方法不需要使用单独引入的膨胀剂。

-成本节省

介电加热的使用被预期为通过不必像现在一样加热模具的金属而仅仅加热模制材料导致能量效率的显著增加(以及水消耗的减少)(虽然存在从10g以下至超过1kg的各种各样大小的模制部件，例如，1kg的部件可能需要使用300kg的模具；然而一些模具是显著更大的)。计算表明生产系统可降低85％的能量使用，95％的水使用。这进而可潜在地降低75％的使用成本，导致具有60g/l的通常的密度的部件的模制部件的成本降低15％。

-自身限制的加热效应

RF的使用导致传热流体在传热流体处于液体状态时以第一模式(离子加热)加热并且在传热流体处于气体状态时以第二模式加热，其中第一模式的加热是主导的使得通过施加的RF的加热主要在传热流体处于液体状态时发生，因此传热流体(且因此颗粒)的加热在传热流体气化时变成自身限制的。

所描述的方法在一系列可能的材料的模制方面具有应用，包括(但不限于)：

·聚烯烃，例如，聚乙烯、聚丙烯

·非芳族聚烯属颗粒泡沫

可用于本发明的实践中的形成泡沫颗粒的树脂优选地是聚烯烃树脂，其由以下组成：烯烃组分诸如C₂-C₄烯烃例如乙烯、丙烯或1-丁烯的均聚物、包含至少50wt％的这样的烯烃组分的共聚物或这些均聚物和共聚物的至少两个的混合物，或由这样的聚烯烃树脂和除聚烯烃树脂以外的任何其它树脂和/或合成橡胶组成并且包括至少50wt％的烯烃组分的混合物。树脂以未交联状态或交联状态使用。

本发明中使用的聚烯烃树脂的泡沫颗粒优选地是具有0.09-0.006g/cm³(即90–6g/L)的体积密度的那些泡沫颗粒-虽然其它体积密度也是可能的，例如，5–250g/L，-或者是由未交联的聚丙烯树脂或未交联的聚乙烯树脂作为基础树脂并且在由其差示扫描量热法获得的DSC曲线上具有两个吸热峰形成的那些泡沫颗粒(参见日本专利公开号44779/1988和39501/1995)。DSC曲线表示当0.5-4mg的泡沫颗粒样品以10℃/分钟的加热速率从室温被加热至220℃时通过差示扫描量热计来测量其所获得的DSC曲线。由未交联的聚丙烯树脂或未交联的聚乙烯树脂作为基础树脂形成并且在其DSC曲线上具有两个或更多个吸热峰的泡沫颗粒具有提供与在其DSC曲线上不具有两个吸热峰的那些泡沫颗粒相比具有极好的表面平滑度、尺寸稳定性和机械强度的模制物品的效果。

顺便地，聚丙烯树脂表示由以下组成的树脂，丙烯均聚物、含有至少50wt％的丙烯组分的共聚物或这些均聚物和共聚物的至少两个的混合物，或者由这样的聚丙烯树脂和除聚丙烯树脂以外的任何其它树脂和/或合成橡胶组成并且包括至少50wt％的丙烯组分的混合物。聚丙烯树脂表示由以下组成的树脂，乙烯均聚物、含有至少50wt％的乙烯组分的共聚物或这些均聚物和共聚物的至少两个的混合物，或者由这样的聚丙烯树脂和除聚丙烯树脂以外的任何其它树脂和/或合成橡胶组成并且包括至少50wt％的乙烯组分的混合物。“至少50wt％”可被理解为表示至少50wt％、至少60wt％、至少70wt％、至少80wt％、至少90wt％或高至100wt％。

对所使用的泡沫颗粒的每个的重量没有限制。然而，具有约0.5–5mg的平均颗粒重量的那些泡沫颗粒通常被使用。

现在将描述一些实施例以阐明RF模制系统的可能的变化形式。将理解，这些实施例的任何一个中描述的任何特征可以可能地与来自另一个实施例或另一些实施例的任何一个或多个特征组合使用。

实施例I-构思证明

这一阶段的目标是进行构思证明研究以评估有效融合的聚丙烯的块是否可利用标准的市售的PP珠的射频(RF)加热来形成-并且特别是以说明利用RF可实现模制EPP样品的主体的良好的融合。水被用作传热剂。

对于这一构思证明研究的这项工作使用简单的RF压机，其中为了考察工艺参数的目的仅仅做出小的改变。这样，没有试图优化模制条件。例如，预期获得的样品将展示出弱的表面抛光，因为使用的模具不具有表面加热设备。

三种不同的材料在这些试验中被用于模具的构造：PTFE、PVDF和聚丙烯。掺入硅酮橡胶密封件来确保紧压密封的所有模具获得有顶板。圆盘(其可被放置在珠之上)在模具中(由PTFE)制得并且在模制工艺过程中提供珠的压缩。

聚丙烯-这种模具对RF是可透过的，但是耐温性不可能足以长久地使用。在重复使用时看到模具的一些变形。模制产品的脱模被证明是在某些情况下是困难的，虽然这可能至少部分地是由于使用非锥形模具的事实。因此增强的PP可能是合适的。

PVDF-这种模具在RF场中加热且因此被用于观察是否通过珠与暖表面的接触获得较好的表面抛光。获得模制产品的较好的脱模。

PTFE-在这项工作中这是构造模具的优选材料。这种材料对RF是可透过的，具有高的耐温性(高至260℃)并且给出模制产品的良好的脱模。以下描述的大多数试验使用PTFE模具。

顶部压板是气动操作的并且在这个实施例中具有半公吨的闭合力；在商业上，若干公吨的闭合力并不是不常见的。这限制了可用于该工艺中的模具的大小，因为在较大模具中产生的蒸汽压力将足以升起顶板。

在可选的布置中，夹具被用于将顶板保持在合适的位置，该夹具可以是快速释放种类以允许在应该出现超压情况时快速进入模具。

因此在这些试验中使用的模具的大小被限制为具有大约60mm内部直径和50mm深度的模具；锥形的侧面允许融合产品容易脱模。所有模具被构造为具有通常2-3cm或若干厘米(如果使用金属室可能的，那么比所要求的厚)厚的壁以确保足够的耐压性。

图4显示了原型RF模制压机40，为了测试目的被改进以将聚丙烯珠模制成简单的矩形块。构思证明系统具有仅仅最低限度的改变；以下描述了进一步的工作来理解关键工艺参数并且将该工艺整合到生产EPP模制机械中。

RF压机40包括两个铝金属板电极、上板42和下板43，分隔距离D。上板42被连接到标准RF发生器45(在这个实施例中，功率5kW)；下板43被连接到地面。板电极42、43保持分离以阻止短路且因此分别形成模具结构48(还称为‘用具’)的上边界和下边界。

模具48的两个水平边界49由介电材料制成，例如，陶瓷或聚合物诸如PTFE，其是RF可透过的并且能够承受模制工艺所要求的温度。为了提供对模具的增加的强度，模具的介电侧的边缘嵌入到板电极42、43中。在这个实施例中，压机40被显示为水平对齐的；可选地，压机可以是垂直对齐的，如在商用系统中常见的。

压机40的尺寸是大约600mm乘400mm，并且这必要地限制了得到的模制部件的大小；然而，模具48的这个大小足以产生适合于测试的模制部件，例如，60mm的最小尺寸对于基础压缩测试是必须的。

模制工艺如下地进行：

1.将模具手动地填充5135珠(密度35g/l，在一些情况下预处理)

2.加入大约相同质量(在这种情况下是6ml)的自来水。优选地，加入尽可能少的水，因为这将需要较少的RF能量和较少的工艺后干燥。所需要的水量被预期为与RF能量相关。

3.具有穿孔的盖子被设置在顶部上。

4.压机被关闭(施加大约500kg夹持力)

5.施加大约3.5-5kW的RF功率45s。被允许的频率“14MHz”和“7MHz”均是合适的(波长是几米，远超过模制物品的尺寸以导致深地且均匀地穿透到珠的组件中且因此加热珠的组件，且因此导致模制的均匀的质量)。所需要的功率大致由水和珠的比热容确定，虽然一些能量损失于模具，且由于冷凝(and as condensation)。

6.所施加的RF加热水(传热剂)，所述水具有大约3mS/m+/-2mS/m的电导率，产生蒸汽。3mS/m的电导率通常接近介电传热流体的期望的电导率的下端；较高的值可能是合适的，虽然存在由系统的电导率产生的限制。这加热珠的表面并且升高其内部气体压力并且使其膨胀。当珠软化时，其表面熔化使其融合、烧结在一起(即，以物理过程而不是化学过程)并且呈现模具的形状。在这种情况下蒸汽引导的珠的膨胀和融合似乎作为单一过程发生而不是不同的阶段并且用去大约10-20秒。

7.RF功率被停止，在一段时间后，门和压机被打开以允许稳定(在关机后大约15秒)。

8.将模制部件从模具中移除。

利用以上描述的设备进行的实验的结果表明EPP珠原则上可利用介电RF加热来融合，虽然仅仅弱弱地利用这种特定的布置。

介电加热融合工艺的能量要求显著低于常规的基于蒸汽室的工艺，主要是因为RF能量被用于直接加热珠周围的水而不是加热被设计为对EM波是可透过的用具。

然而，这种构思证明系统产生的模制物(moulding)仅仅弱弱地融合，表明这些构思证明试验离商用工艺(例如，对于聚丙烯)存在一定距离。

实施例II-加压模具

先前实施例中描述的系统是简单的板电极压机并且这样不包括压力室并且不能够达到3巴以上的压力，导致模具中的温度过低以不能提供聚丙烯(PP)珠的良好的融合。

明显地，为了发生有效的模制，珠必须被加热至其软化温度之上，削弱珠的结构以使其充分膨胀而没有后续的塌陷。这通常需要在105℃-165℃的范围内的温度；对共聚物较低的温度；对均聚物较高的温度。合适的温度的实例包括对于低密度聚乙烯大约120℃(+/-10℃)；对于标准‘自动级’135℃(+/-10℃)。后者等于在模具中产生的大约3巴的蒸汽压力。

一般来说，所达到的最大温度将在某种程度上决定所达到的融合的程度。例如，105℃足以开始融合某些类型的聚乙烯，并且在120℃下达到良好的融合。

图5显示了RF压缩模制压机50的示意图，所述RF压缩模制压机50适合于利用加压空气将压缩施加到被模制的样品。RF板52和53封闭模具腔或室58，模具腔或室58具有不透气的密封的侧面。经由管60的空气供给被用于使模具室58加压。排气管或释放管62允许空气被排放。压力通过压力计64监测。例如，当EPP珠被模制时，模具中的加压通常是1.0-3.0巴；对于EPE珠的模制，其通常是0.5-1.5巴。

图6显示了具有可锁定板72、73的改进的RF模制压机70

早前描述的聚合物模具或陶瓷模具通过增加密封件被改进以确保压紧密封的密封件保持在模具78和压机的RF电极板72、73之间。

这允许模具78被加压以升高水的温度且因此模具中的蒸汽至大约135℃-140℃(+/-10℃)的PP的软化温度，这需要大约3巴的蒸汽(所需要的精确的压力通过蒸汽表来确定，该蒸汽表使压力与温度相关)。

系统包括以下元件：

·RF接地板72，RF功率板73

·聚合物模具或陶瓷模具78(0.14升容积)

·气压入口/具有烧结金属过滤器的乏汽孔_(～5mm)

·穿孔的盖

·O-环密封件

·压力计/测压计79

·安全压力释放阀80

·可调节压力释放阀82

·(任选的)加压容器84

·(任选的)网袋85

模具78和填充的珠的尺寸如下：

模具的容积
		直径	350mm
高度	40mm
		容积	3847cm2
容积	3,85l
		密度	30,0g/l
部件重量	115,4g
		试验编号	20

压力计79被安装到RF压机的顶板以监测在模具78中产生的压力。这个压力计79被连接到压缩空气入口，该压缩空气入口允许珠在模具中预加压。

安全压力释放阀80(通常设置在3-5巴之间)用来阻止模具78中的压力的过量积累。

可调节压力释放阀82被添加到RF笼的外部以允许在模制工艺过程中使该工艺过程中的模具中的压力可控地释放。在这个实施例中，将压力释放阀82在T形管处安装于压力计/测压计的线。

如前所述，模制工艺依靠大约3mS/m(传热剂)的介电加热以加热、膨胀和融合PP珠以形成模制物品。

模具被密封使得蒸汽在加热工艺过程中不能离开。受控排放被用于调节压力且因此调节模具中的温度，由此还从系统中移除空气。所要求达到的温度取决于被模制的产品，对于EPS是大约95℃，对于EPP是大约140℃更高的，并且对于低密度PE是大约中间的120℃。

当在模具中产生高至3.5巴的压力时，为了阻止因升高顶部电极板而导致的蒸汽压力的损失，锁定机构被用于板和压机框架之间。导电螺栓不能被使用，因为这些导电螺栓将影响RF场。这些锁定机构是除了构思证明装置中使用的现有锁定结构以外的。

除了额外的加压步骤之外，模制工艺基本上如前述实施方式所描述的来进行：

1.将下部模具手动地填充5135珠

2.加入大约相同质量(在这种情况下是6ml)的自来水。

3.具有穿孔的盖子被设置在顶部上。

4.压机被关闭(施加大约500kg夹持力)

5.气压通过接地板中的孔来施加(大约1-1.5巴)。

6.大约3.5-5kW的RF功率被施加45s。13.56MHz和27.12MHz的频带均是合适的。

7.压力计升高至大约2.5巴。

8.RF功率停止，门和压机被打开(在关机之后大约15s)。

9.将模制部件从模具中移除。

所需的能量和功率的近似计算如下：

所需的能量EPP	22kJ
		所需的蒸发	10g水
所需的能量水	29kJ
		总能量	51kJ
加热、沸腾&加压的时间	20s
		所需的功率	2.5kW

因此，足够抗压的模具可能需要仅仅10g的水来模制大约5g的5135珠。

图7显示了在RF模制工序过程中观察到的环境参数的图。可能的说明如下：

·阶段I：当水和珠加热时，用具中的温度和压力增加直到水的沸点。1巴的初始压力意味着水的沸腾温度从100℃增加至120℃。

·阶段II：在这个阶段过程中压力的增加可能是由于因珠的膨胀而导致的空气的体积小。

·阶段III：压力&温度的稳定。然而，这仅仅是准稳定的步骤：水从底部以及从珠的周围蒸发。水的冷凝在与冷的压机板接触过程中发生；冷凝物是去离子水，其不含被溶解的离子，在电导率方面是较低的，且因此对RF加热是有效可透过的。加热工艺是有效自身限制的，假设蒸汽(被去离子)没有被RF县显著地加热。因此，这可能是基于RF的系统相对于基于微波的系统的另外的优势。以下提出了可能的对策。

·随着该工艺的继续，水的一些或全部被消耗。

似乎不需要挥发性膨胀剂，但是当然在此空气被用作膨胀剂的形式。

-监测温度&压力

温度和压力是RF模制工艺中的关键参数。然而，使温度或压力传感器(或者实际上任何传感器)直接位于模具中因将导电材料(探针、传感线，等等)放置在RF板之间的不合理策略(inadvisability)而变得复杂。

不同的方法可被用于监测模具中的温度，例如：

·热电偶-虽然热电偶插入到模具中可使RF场变形。这种效果可取决于模具中的热电偶的定位，例如，热电偶可以仅仅适合于测量靠近RF板的温度，优选地，仅仅适合于测量在‘接地’电极处的温度。

·光纤探针-这些可能需要被薄的玻璃管保护以使探针破坏的风险降到最低。因此，这可降低所获得的读数的准确度，因为探针将不会与珠直接接触。

·温度标记-这些可在融合工艺之前被贴附于模具内部并且被用于记录模具表面的温度。

以上方面的组合也可被使用，理想地说，热电偶或光纤探针被插入到整个模具的不同位置中以提供记录融合工艺的温度的选择并且评价整个模制的温度均匀性。

然后工艺参数的监测可用于优化融合条件并且理解不同样品大小的均匀性。

压力阀和相关的仪器可能已经被用于测量和控制模制用具中的压力。

在模制工艺过程中监测模具中的压力的另外的优势在于其还提供了跟踪模制工艺的进程并且鉴别工艺的终点的方法：在模制工艺过程中压力随着珠的膨胀而增加，然后当膨胀完成时停止。

压力计或传感器可位于顶部RF电极之上；然而，因为这可能远离模具的一定距离，其不可能提供模具中的泡沫压力的准确的测量。

图8显示了具有顶部RF电极92的RF压机90，该顶部RF电极92直接结合到其泡沫压力传感器95，由此监测在模具的表面处的压力。传感器元件被连接到空气供给并且被连接到合适的压力换能器，例如DanfossMBS3050，其可通过提供4-20mA的输出信号电流来测量从0巴至10巴的压力。

当解释压力读数时甚至当由不同的方法产生的读数出现一致时在某些系统中一定程度的注意是需要的。例如，在压机的顶部RF板上利用泡沫模制传感器和简单的压力计的试验似乎显示出一般良好的关联；然而，这被发现是由在泡沫传感器和珠之间缺乏良好的接触引起的(其设计阻止其通过顶板上的压缩块伸出很远)表明这种传感器实际上测量蒸汽压力。

当考虑压力传感器的选择时，考虑通过使用RF引入的额外的危害也是重要的。例如，泡沫压力传感器的膜可以是易碎的并且可被RF系统中的飞弧容易地损坏。虽然更优化的模制条件的使用应该降低这种风险，但是也可能不能将其全部消除。

可选的监测方法包括：允许工艺的直接的可视监测的方法，例如，利用开放模制压机(可能是不实际的，因为需要高压模制)、透明PVC、聚碳酸酯或石英玻璃模具；或者利用光纤传感器。

在开放状态下操作模具未发现是有效的，其中得到的缓慢的蒸汽传播和大约10-15％的低的珠膨胀导致未预加压的5135的模制密度，导致38g/L的密度的不良的模制部件(大约与未处理的珠的密度相同)。

这种初始工作注意鉴别一组条件，其可以可靠地并且重复地提供具有优良等级的珠的融合的模制产品。在此阶段未试图使模制中使用的水的量或功率降到最低。

-珠的预加压

预加压是在利用(例如)EPP珠模制之前使用的预处理。目的是将气体(主要是空气)引入到珠的室结构中以提供内压力源，其随后用作补充的膨胀剂并且在模制工艺过程中增强珠的膨胀。

通常，珠在几小时从零被加压至几气压的气氛且然后保持在该压力下额外的几小时。例如，预加压可包括在使用前将珠存储于3-4巴的压力容器中16小时至几天。因为EPP室闭孔材料，室内部的空气的移动主要室通过扩散。

珠随后被释放到用于运输的网袋中-任选地，在这个阶段带可被浸泡在水中或其它一些传热剂中。

再加压容器84和网袋85的实例被显示为任选地在图6中所示的装置中。

在一些可选方案中，珠可在模制之前在用具中直接经受预加压。在单独的容器中预加压珠相对于模具内技术的优势在于其降低了用具的非运行时间。

先前的试验利用未加压的珠进行。这是由于如下事实：不将整个容器减压就不能从压力容器中移除预处理的珠的样品。

因此利用预加压的珠的模制试验可能必须在预处理效果消失之前在短时间(例如，最长大约1h)内接连进行。

利用预加压的RF模制的典型的步骤顺序如下：

1.在小容器中预加压5130或5135(例如，在2巴的恒定压力下持续24h)

2.加入水分(与传统的方法相比，仅仅需要非常小的量)-可选地，水可在珠在模具中后被加入。

3.转移到(例如，PTFE)模具，将压机上的下部圆形的模具手动地填充珠。为了降低在转移过程中珠减压的风险，从容器中移除和在模具中加热之间的时间应该缩减到最小，为5分钟或更少。

4.压机被锁定，额外的锁定固定(即，模具被密封以阻止蒸汽离开)。

5.RF场(利用5KW RF发生器)被施加到珠-可能仅仅例如5秒的短的时间。

6.珠表面上的水加热，开始气化以形成蒸汽，加热珠，融合膨胀的珠。

7.压力升高到3-3.5巴，温度升高至T＝135℃

8.过量的蒸汽通过预先设定为3巴的压力释放阀被排放(在工艺过程中缓解压力还可帮助珠的膨胀)。

9.珠表面上的水被加热并且开始蒸发并且融合膨胀的珠。

10.在大约5秒之后，RF停止，蒸汽压力经由阀释放至大气压力并且模具保持静置。

11.加热之后，在压机打开之前模具被允许静置大约3分钟。这给予产品冷却的时间。如果压机紧接在加热之后被打开，珠继续膨胀从模具的顶部出来。

对于周边区域上的未积极冷却的模具，这通常导致具有合理表观的良好融合的模制部件，但是在顶面和底面(与RF板接触的那些表面)上非常“生硬”的外观。

任选地，珠可初始被预热和/或后续被冷却(例如，通过诸如压缩空气)。

另一种可选方案是在模制用具的腔中通过用压机压缩这些珠来加压它们，例如，通过利用压缩圆盘压缩这些珠来加压它们。

这一程序的典型的步骤顺序如下：

1.用珠填充模具

2.加入水(6mL)

3.将压缩圆盘放置在珠的顶部

4.关闭压机

5.加压模具至0.5-1巴

6.施加RF：利用功率水平通常在3-4KW之间的5KW发生器。

7.当压力读数达到最大水平时，RF被关闭

8.利用外部阀释放压力

9.使模具冷却

10.打开压机

以上描述的工艺顺序目标并不在于优化条件，因此所加入的水容量、所施加的功率水平以及模制时间的一些变化形式可能被预期是需要的以便利用这种特定的设备获得有效模制的EPP块。

这些工艺顺序还不允许蒸汽从整个模具中受控地排放(例如，如在现有工艺中经由芯型排气孔(core vent)所实现的)并且还不提供机制以确保平滑的表面抛光(例如，经由被RF加热的模具表面涂层)。

尽管如此，显示良好的珠膨胀的良好融合的样品被可再生地获得。预处理的珠的使用通常导致在模制过程中的较高的压力，其中融合压力在3-3.5巴的范围内。与非预处理的珠相比，这些试验中看到的更大的膨胀还导致样品中的不显著的空气间隙。如对未被加热的模具所预期的，在样品的表面处看到较不完全的融合。

这些试验表明，当获得超过2.6巴的压力时观察到良好的融合。一些因素被要求以确保这种压力在模制工艺中被达到，包括：

·在整个系统中使用良好的压力密封件。这包括模具和顶部压板之间的密封件，顶板的两个层之间的良好密封并且确保全部阀是压紧的。

·将整个模具加压至0.5-1巴。这种初始加压减少了对蒸汽填充压力系统内的整个空间的需求。压力系统的管内的蒸汽可在冷却的、未被加热的表面上再次冷凝，其降低了系统累积压力的能力。这还导致因为RF加热在模具中剩余的不充足的水。

·RF系统的调谐。当使用具有不同的介电性能的不同的模具材料时，系统被重新调谐。在这些试验中使用的小量的水(仅6ml的水)表示精确的调谐是必要的以确保这种非常小的RF负荷的有效加热。

当达到系统中观察到的最大压力(通常2.5-3巴)时，继续加热未显示出压力的进一步增加并且反射功率的程度增加。这表明，大部分的水被转化成蒸汽并且不再剩余大量的水供RF加热。

利用良好调谐的、压紧的系统(其中模具如所描述地被预加压)，在大约45秒的时间之后可再生地获得2.5-3巴的压力。当PTFE圆片被放置在珠之上来压缩样品时观察到更好的融合。

在这些条件下模制的样品一致地提供这样的产品，所述产品在整个样品的主体之间被良好融合，并且在表面(利用PTFE模具)处观察到较低效的融合。在一些情况下，在样品中看到空气间隙并且这归因于不良的珠膨胀，其未填充其间的全部空间。

当使用PVDF模具时，在产品的表面处看到更完全的融合。然而，在这种情况下，看上去表面加热比样品的主体更迅速，因为这些样品的内部出现不完全的融合。

这项工作表明RF可有效地融合EPP珠。这种融合在与在现有的EPP模制工艺中使用的压力可比较的压力下发生。

关联的另外的方面包括以下方面：

·使融合中使用的水的量降到最低。

·定量工艺的能量效率。

·说明RF模制对更大的且更复杂的部件的适用性。

·利用非RF可透过的模具的表面来提供对模制物的良好的表面抛光。

·对蒸汽歧管系统和遍及整个模具的通风系统的要求。

·改良RF压机以能够模制较大的产品。

·结合液压机系统以增加压机的闭合压力以能够模制较大尺寸的部件

较大部件的模制应该提供以下工艺优势：

·通过使用较大负荷来增加RF系统的效率。

·较高的能量比例用于融合珠而不是通过将热转移到模具而损失。

·降低的珠的每重量含水量。

如所要求的，然后压机可被进一步改良为包括多孔电极和歧管系统。这将能够从模具中的多个点有效地排放蒸汽。

利用这样的改良的系统的试验可被用于调查包括水使用、能量使用、周期时间的优化和较大部件中观察到的模制的均匀性的因素。

此外，模具涉及可例如通过利用表面掺杂来优化以对模制部件提供良好的表面抛光。

实施例III-后续研究

以下描述了对RF模制工艺的进一步研究。

为了模制较大的样品，通常需要RF压机的较大的闭合力。两个另外的PTFE模具被设计为模制更高的圆柱形样品。

·模具1：80mm直径，80mm高度

·模具2：80mm直径，120mm高度

-模具呈锥形以允许模制部件的容易脱模。

模具大小的增加导致RF压机的板之间的距离的显著增加，且因此对每个新的模具都需要重新调谐系统。

利用这些新的模具的试验调查以下方面：

·融合参数(时间、功率水平和压力)被要求在新的模具中给予样品的有效的模制。

·融合所要求的水的量，最初使用与先前试验(相对于珠大约100％的水)中使用的相同的水的比例，然后逐渐减低水量以鉴别给予良好融合所要求的最小值。

·融合的均匀性，利用检测模具中的某些位置的温度并且随后视觉检查模制产品。

用于这些另外的研究的设备包括RF压机，其附接有泡沫压力传感器并且通过压机的下板引入光纤温度探针以能够在模制工艺过程中监测温度。

图9显示了在利用样品圆柱形模具实施的RF模制试验过程中的空气压力读数的结果，将20ml的水用于包括大约15g的珠的样品，没有预加压珠并且没有预加压模具。

三个样品在小于2巴的压力和大于3巴的压力均似乎产生良好融合的样品。

如从图中明显的，虽然最终结构似乎非常类似，但是曲线形状之间的差异是非常大的。因此，看来可存在可能成功的一系列条件。

在用于这些样品中的压力释放之前时间延迟的时长对于生产良好的样品可能是不必要的，但是这是由于需要时间来打开压机并且释放用具中的压力。

从这些试验中得出的一个重要的因素是利用稍微更高的电导率的水时工艺运行更好。例如，不是利用3mS/m电导率的未处理的自来水，较好的融合是因为利用7.5mS/m电导率的水(通过向自来水加入非常小量的盐来实现)。

这种要求对于较大的样品是较不重要的，其中较高体积的水使RF更简单耦合；然而，其提供了更加可再生的工艺并且能够快速加热小的样品。

图10显示了在RF模制试验过程中的气压读数的结果。

以上试验的一些导致在模具的顶部或底部的珠的不完全融合。因此，模具的盖子被重新设计以给予增加的珠的压缩。这一致地得到这样的产品，其似乎具有整体上良好的融合并且在周边没有疏松的珠。

对于这组试验，试图2巴的最大压力。虽然在达到该压力的时间上存在变化，但是最终结构一般是可比较的。这组试验还包括一个运行(18)，其中在加热代替等待直到1巴的脱模压力之后样品被快速地减压。通过样品的简单的视觉检查，这似乎并不对观察到的融合具有主要的效果。

图11、12和13显示了在RF模制工艺过程中对于不同的RF功率水平的空气压力读数的结果；具体地，在三个不同的功率水平和对每个功率的三个时间段下的模制。

RF功率(KW)	加热时间(秒)
		2.7	35
2.7	45
		2.7	60
		2.0	45
2.0	60
		2.0	75
		3.3	25
3.3	35
		3.3	45

一般来说，较高的功率水平不会导致较快速的加热速率。

在3.3KW的名义功率下，从RF发生器的功率输出是相当不稳定的。这可能是试图加热相对小的负荷(水)的结果。因此对于在3.3KW下运行，供应到产品的实际功率可以与在2.7KW下的那些相比不是显著更高的。

模制结果似乎在相对低压力(例如，2巴)下是相当好的并且看上去并不取决于长的加热时间。在较高压力和/或较长时间下的试验中的一些似乎是‘过熟的’且过热的且因此塌陷的珠。

在重复条件下获得的曲线之间存在某些可变性。这可能是由于以下因素：诸如加入的水的略微变化、模具温度的变化、系统压力密封的效力以及发生器的功率输出的波动。

进行这些试验以确认利用这样的高的形状(且因此电极板之间的增加的分离)的有效加热可以实现。结果显示设备装配运行良好并且材料可被有效地加热。

图14显示了在RF模制工艺过程中的压力读数的另外的结果

“黑色”珠包括约3wt％的炭黑，通常在0.5-5wt％之间的炭黑。

一些试验表明仅仅达到低的压力(例如，样品1)并且大部分珠没有融合。这可能是由于水的不良分布，这意味着所产生的蒸汽未到达模具的所有部分。

其中珠与(3mS/m)水预混合的重复试验(样品3)被试图以达到水在整个模具中的均匀分布。这提供了相当良好的融合样品，虽然在周边仍然存在一些疏松的珠。

在该系列的试验中利用这种设备重复这个结果的一些尝试给出内部结果(样品4&5)，其中在模具的上半部的产品没有融合(虽然它们远好于未与(3mS/m)水预混合的结果)。

用样品3-样品5获得的压力曲线是非常类似的，这表明产品中看到的差异不能归因于压力的差异并且所有其它参数(水量、功率水平)同样保持恒定。

另一项工作聚焦于理解水在珠中的分布的效果以及空气离开路径的提供(利用歧管或压力释放阀)可以如何通过珠组件降低蒸汽的模具阻塞通道中的空气反压的效果。

-大块模制物的结果

另一组试验调查包含200ml“储气罐”。发现其具有高度有利的效果，产生可再生形成的良好融合的样品。

试验参数的概要如下：

模制中使用的水的量从约12mL的最小值变化至30mL的最大值-在1.5升的模具腔中的52g的珠(如在这些试验中所使用的)相当于每用具腔的单位容积约8ml至20ml的水，或者在大约25％-60％范围内的水重量与珠重量的比(对于这些试验)。当较大的负荷在大的压机应用器中更有效地加热时，在含有更多的水的样品中观察到更快速的加热。

在所有情况下，当压力(如在压力计上观察到的)是约2.5巴时停止加热。

图15显示了在大块模制试验过程中获得的泡沫压力传感器读数。这些压力相对于压力计上看到的那些压力略微变化(它们通常略微加高)。这可能是由于压力计因我们的储气罐的存在而相对于用具略微移位。因此来自泡沫传感器的压力读数被预期为是更精确的。

对于所有测试，产品被留在用具中，直到压力降到大约1巴。达到这个压力的时间显示出各运行之间的相当大的变化。因为这个特定的用具由通过压机保持在一起的三个部分组成，在这些部分之间存在小量的压力泄露；其速率可在各运行之间变化。

这些运行中的两个显示出彼此明显不同的压力曲线。

第一个被标记成‘未混合的珠’。在这种情况下，在运行之前珠与水直接混合。相比之下，所有其它的珠样品被浸入水中最少一小时。这种预浸湿看上去给出水在全部珠中的更好的分布并且促进加热。‘未混合的珠’样品显示出非常缓慢的加热速率并且给出非常差的融合。

在一些水离开用具并且融合工艺中的压力保持相对低的情况下，然而蒸汽产生可产生足够的压力使得样品仍然看上去是良好融合的并且还以较干燥的形式获得。

总之，这一后来的研究表明良好融合的样品可利用以下来获得：

·珠在水中预浸湿

·包含储气罐以使用具能够填充有蒸汽，

-可选的模具设计

图16显示了可选的模制用具设计100的实例。关于更复杂的模具(例如，包括两个不同尺寸的圆柱形部分的模具)的另外的工作将允许相当较大的体积的形状的模制并且还调查被观察为非均匀几何结构的融合均匀性的程度。

这些设计呈现出以下方面：

·夹持力为约1,200N(70mm直径*3.2巴)-其限制了模具设计的复杂度

·模制所需要的最大压力是3巴，可能降至2.5巴或者甚至大约1.5巴。

·最大面积是4000mm²

改进的模具被设计为增强用具内部的珠的膨胀和融合，而不是促进填充。

在图中被识别的不同的区域具有以下目的：

·区域1(A1)：圆柱形形状提供缝隙填充。圆柱形形状和正方形形状被选择是因为珠膨胀而不是填充是调查的关键因素。

·区域2(A2)：在需要珠的良好膨胀时使用正方形形状。

·区域3(A3)：区域3的角度是为了看到将如何在预期的蒸汽路径的之外进行融合。

这种模制用具从120x100x100mm的块被研磨；可选地，用于模制样品的拉伸强度测试的用具是矩形的150x30x80(高度)mm。

可选的模制用具120还显示在顶板和底板的RF电极102、103之间，准备用于模制。

实施例IV-进一步的改进和增强

虽然可能似乎只存在几个操作参数，但是存在生产系统将考虑的许多问题，包括：

·热膨胀-对于聚合物用具，加热的金属电极板的热膨胀的效果可能影响系统的密封完整性并且将需要被考虑

·加热均匀性

o在模具中可通过位于用具中的光纤探针来评估以记录温度

o在模制部件的表面处可通过固定于RF‘接地’电极的热电偶来测量。

o特定的电极设计

·水的要求-要求最小量的水以提供有效的融合(可能通过重复的试验来确定以确认是否达到所要求的温度和压力)

·最佳水量的选择

·湿润剂的使用-可以通过降低表面张力可能地改善珠的覆盖

·工艺效率-可由例如由记录输入和反射功率确定的能量消耗来计算

·周期时间-可通过例如以下方面来减少：

o利用较高的RF功率水平来加速加热阶段，和/或

o引入后模制冷却阶段。

虽然与RF模制工艺中涉及的能量的量相比一些冷却被预期是由于模具的相对大的热惯性，但是进一步冷却可通过可经由空气管路被注入的加压空气和/或将水通道结合到模具和电极表面中来实现。

冷却还将可能改善模制产品的表面质量。

·模制表面的加温-水通道可被用于加温模具表面且由此可能帮助实现均匀的表面融合

·电极增强，诸如：

o允许排放的孔

o预加温/后冷却(电/空气)

o电极表面上的水通道

·质量控制简单地通过观察和评价在模制部件的表面和芯处的珠的融合和/或通过评估机械性能

·考虑模制部件的收缩程度(这在蒸汽模制工艺中可能是相当大的)；虽然这可能通过使用RF可透过的模具来缓和

·模具构造材料用于重复循环并且模制负载的形状的合适性；可能利用可选的材料诸如PVDF，虽然其是不导电的，不是RF可透过的，因此在RF场中加热，但是可能改善模制部件的表面特性

·然而，RF功率水平和频率仍然需要符合调整要求和安全要求

·使模具加内衬-最简单的模具可能是未加内衬的，但是这可能影响模制部件的表面抛光的质量。

·使模具成形-以允许更容易地除去模制部件和/或以允许检查融合的均匀性和表面质量，例如，利用具有较深的(120mm)腔的较长的模具

·蒸汽流动特征-凹槽和小孔，被设计为使蒸汽流动通过侧壁

·进入模具腔中的空气压力的调整(被要求以允许蒸汽达到珠融合的必要温度)和这样的空气的排空以阻止其阻断蒸汽与珠的相互作用-例如，通过利用歧管和压力释放阀。

·利用除水以外的可选的传热剂任选地与表面活性剂。

-冷却

模制产品的表面质量可通过在模制工艺之后布置被积极冷却的聚合物模具的内壁来改善

-模具填充

如前所述，用珠填充模具的两种通常的工业方法是缝隙填充和反压力填充。这些方法可被结合到生产RF模制系统中，虽然一些改良可能是需要的。

缝隙填充的基本原则是在珠填充步骤过程中模具或用具没有被完全关闭。这是最容易的以利用具有两个不同的侧面的模具来实现：凸模侧和凹模侧(虽然可能使用两个凹模侧，但是更好的结果是用凸模/凹模组合获得的)。模具的一侧通常被锁定，另一侧移动到合适位置中。然而，随着用具的温度的增加，热膨胀可使金属板伸长，可能伸长几毫米。这可导致在陶瓷模型和金属部件之间滑动。因此，为了避免RF电极之间的接触，隔离环可放置在凸模侧周围，其中两侧是面对面的并且由陶瓷垫片形成的另外的隔离接合点可被用于维持两个电极之间的间隙。

在反压力填充中，珠被气动注入到模具中。市售的填充枪包括例如由Erlenbach Maschinen GmBH提供的那些。通常，这些填充枪利用压缩空气(以及在一些变化形式中的弹簧机构)使珠从过加压的筒仓通过到填充枪头并且经由珠注入部分(例如，在顶部电极中)进入模制腔中。在一些实施方式中，在填充结束时，可以施加加压空气的另外的注入。模具通常是多孔的或穿孔的以在珠被吹入时使空气离开。珠被注入之后，排放可被调整以影响模具中的压力。在一些实施方式中，使用加压线来填充模具可有利地用于预加压模具，即，当填充完成时，使模具中的压力保持在升高的水平以便后续的模制工艺。

变化形式可利用混合的填充布置。

-水/蒸汽注入

使用RF来原位产生蒸汽意味着与传统的蒸汽是模制相关的管道的大部分不再被需要；RF方法基本上提供了“被动的”汽蒸工艺。

在可选的布置中，改进的RF模制装置以水饱和的空气、‘湿蒸汽’(含有悬浮形式的水滴的蒸汽)或蒸汽注入部分为特征以允许水引入到用具中，在其中可被称为“活性”汽蒸。

在填充工艺过程中小量的蒸汽可被引入到模具中，例如，将通过将珠吹入模具中的浸湿步骤和填充步骤与利用蒸汽代替空气的填充枪结合。可选地，为了避免填充程序的任何改进，水可在模具被填充之后被引入。

可能地，积极的蒸汽可增强RF模制工艺，通过确保与每个珠接触进一步降低所需要的水的量；然而，对积极蒸汽连接的要求将对工业诸如汽车工业是较不引人注目的。

-排放装置(venting)

难以准确地预测模制工艺所需的水的量；然而，蒸汽消耗的简单的概要计算可以如下：

-虽然在实践中存在许多负效应，其使得精确估计是不可靠的。

一般目标是使珠之间的接触的量降到最低并且使模具中形成的冷凝降到最低以产生具有较低含湿量的模制部件。

在一些实施方式中，利用后模制干燥工艺。

可选地，排放装置可被布置为模具结构的部分以允许过量的蒸汽在模制工艺过程中离开。在其它方面，蒸汽可在模具中冷凝，例如冷凝在金属电极上。

图17显示了简单的两层模具150，其中多孔的内部模具155被安装在外部模具160的内部。模具有效地包括双壁容器，外壁160是按照标准模具；内壁155(限定放置珠的空间)是多孔的；壁之间的间隙170允许冷凝物(condensation)以收集在两个模具层之间。

因此，放置在内部模具155中的珠保持与在模制工艺过程中形成的冷凝物分离。

任选地，被连接到外部模具的腔的压缩空气入口175允许外部模具的空间170被加压并且过量的蒸汽被冲出。温度和压力通过合适的探针来监测。

这种简单的布置并不表明任何进一步的排放装置适应填充步骤，这将在商用模制系统中是优选的。

对于较大规模的模制，简单排放的布置具有在两个RF板中经由芯型排气孔的系统的唯一的排放装置。更先进的布置将排放装置结合到模具的其它四侧中。完全的两层模具可允许冷凝物从模制部件的所有侧移除。

图18显示了可选的通风的RF模制压机180的实例。经由适配器186分别连接到顶部184和底部185电极板的复合电极结构182和183各自包括排放腔板187(邻近模制腔)和背板189(更靠近电极板184、185)，其中网格188位于之间。多孔的内部模具或腔板187包含尺寸小于EPP珠的一系列孔或裂缝。两个模具层187、189之间的间隙连接到电极上的芯型排气孔190的阵列以能够经由管192从模制室191的EPP中排放(例如，在两个模具层之间收集的蒸汽和冷凝物以及填充之后的过量的空气)。

管192可用于在模制工艺开始时引入空气和/或蒸汽并且在循环结束时除去空气和/或蒸汽。

模制用具的排放装置在填充阶段是需要的，以允许空气注入到腔内部和/或从腔内部除去空气，并且在加热阶段也是需要的，以允许蒸汽离开腔。排放装置还允许在模制循环结束时任何剩余的水的除去和压力的释放。

图18(i)显示了具有用具结构的模制压机，其包括完全位于RF压板之间的RF绝缘材料195。因此用具必须能够经受模制工艺的温度和机械应力这两者。

图18(ii)显示了基于金属用具结构的可选布置，其利用涂层或间隔形式的RF可透过材料195来阻止两个电极之间的接触。因为RF可透过材料没有直接位于RF压板之间，其仅需要能够经受温度循环，不需要能够经受模制工艺的机械应力。

实施例V-朝向生产系统

图19显示了改装用作RF模制系统的缝隙填充模制压机200。这种改进的蒸汽室模制压机被设计为接近于小规模的商用系统并且这样其利用在体积生产中将被使用的一些特征。

图20显示了生产RF模制工序300。

总之，图19和图20以简化形式显示了示例的系统，其通过RF介电加热来制造模制产品，并且概观地阐明了示例的模制工艺中的典型的步骤。

系统包括具有内部模具腔的模具室，该内部模具腔具有与待模制的物品的外部形状和尺寸通常一致的内部形状和尺寸。通向模具腔的入口通过闭合件提供，该闭合件用来在模制工艺过程中密封腔并且其可被打开以允许被模制物品在模制工艺完成后被排放或者以其它方式被移除。如以下将更加详细地说明的，闭合件通常被水压地操作。

RF发生器被用于在一对相对的或平行的板电极之间产生RF电磁场，所述板电极被布置在形成模具室的一部分的非金属间隔的侧面。

使用这样的电极布置是特别有利的，因为其允许现有的系统相对容易地升级而不用大量地改进模具用具加工。例如，常规的蒸汽室模制压机具有压力板，其还可被布置成为RF电极，因此开放了允许这些系统被改进为能够RF并且被翻新以改善效率的可能性。

板之间的间隙的大小取决于待产生的频率和电场强度。具体地，相对的板之间的间隙的大小取决于所要求的被模制物品的厚度。在X&Y方向上的其他尺寸影响操作频率的选择，其中电极尺寸理想地小于四分之一(1/4)波长。

可被施加到系统的电场强度随被模制微粒的损耗系数、热交换流体和操作频率变化。如果电场强度变得过高，则可在电极之间产生飞弧。

在一些实施方式中，电极板通过由合适的RF相容材料制成的一个或多个间距保持固定(虽然这可增加所施加的电压，所述电压可导致电极之间的飞弧)。

模具室由RF相容的(可透过的)材料制造并且位于电极板之间，使得通过RF发生器产生的RF波可经过室壁以照射模具腔的内容物。

模制物品由粒状起始材料模制，所述粒状起始材料通常包括聚合物树脂的膨胀颗粒，诸如膨胀聚丙烯‘EPP’或类似物。膨胀颗粒包括闭孔的珠，其如上所述地由树脂的前体颗粒膨胀，所述树脂的前体颗粒通常是在挤出工艺中形成的小球的形式。

模具室还包括模制材料注入部分，粒状起始材料经其被注入到模具腔中，以便后续的颗粒融合(‘接合’)以形成模制物品。该工艺包括基本上三个步骤：

(i)起始材料的珠在引入模具腔之前被涂覆液体传热剂(在这种情况下是水)，并且经模具材料注入口一起被引入模具腔。

(ii)由RF发生器产生的RF场被施加以通过模具室壁介电加热液体传热介质，直到传热介质在要求的温度下沸腾以产生气体(在这种情况下是蒸汽)。蒸汽在其表面处并且较小程度上内部地加热起始材料的颗粒至其熔点温度。因此，颗粒的表面开始软化并且颗粒内部的压力增加(由于膨胀剂被加温)。表面的软化以及颗粒在模具腔中的进一步(意图的)膨胀使颗粒彼此接合，由此形成模制物品。

(iii)在起始材料被融合并且冷却以形成模制物品之后，模具室被打开并且模制物品被移除(可能是通过机械顶出销被排出)。然而，将理解，任何合适的方法可用于排出模制物品，例如利用压缩空气压力、抽吸，或其组合。

这样的RF系统相对于微波系统具有一些益处。首先，例如，RF辐射是比微波辐射(具有较低的频率/较长的波长)有穿透力的。此外，平行的板之间的RF场的产生通常比通过微波室中的微波的照射可控制并且可预测(且因此更安全并且更有效)。更具体地，在微波系统中微波能够可能地围绕微波室不可预测地且因此非均匀地‘跳飞’。实际上，在实验过程中利用RF(与微波相对照)的变得明显的一个惊人惊奇的可能的益处是RF在模制产品中提供更大的均匀性的可能，并且特别是RF避免与微波加热相关的‘热点’和‘冷点’(其可能导致模制物品中的缺陷)的可能。如以上所讨论的，这些益处的产生部分是由于与微波相关的更加不均匀的随机加热相比RF场的方向性质，并且还由于RF辐射的波长(和穿透能力)。

在RF系统和微波系统的变化形式中，使水闪沸成蒸汽的足够功率的EM辐射被使用。

在另一个可选方案中，传热剂和起始材料可经由分离专用的注入部分被单独地引入(同时或不同时)。而且，传热剂和起始材料可经由相同的注入部分不同时被引入。例如，根据工艺要求，水可在起始材料之前或之后被引入。

将理解，水不需要在模具腔中被直接加热。在一个变化形式中，例如，水在被引入到模具腔之前被单独地加热以产生蒸汽。在这个变化形式中，蒸汽可在压力下被注入到模具腔中或者可被允许渗透入水在其中被加热的容器和模具腔之间的多孔隔离物(partition)。同时，这些变化形式可以比在模具腔自身中直接加热更复杂，它们具有除去用水预涂覆颗粒的需求和/或降低在模制物品形成后需要干燥的量的可能。

在这些系统的变化形式中，模具腔和/或水容器被加压以增加形成蒸汽的温度。这允许利用具有如下融合温度的起始材料的珠来模制，所述融合温度显著超过在大气压力下的水的沸点(～100℃)。这对于聚丙烯珠的模制是特别有利的，所述聚丙烯珠可具有超过120℃的软化温度，甚至升高至160℃的软化温度(在某些情况下更高)。例如：通过额外的一种气氛至两种气氛加压模具腔/水容器增加沸点至大约121℃或差不多；通过两种额外的气氛至三种气氛加压模具腔/水容器增加沸点至大约134℃；通过三种额外的气氛至三种气氛加压模具腔/水容器增加沸点至大约144℃；并且通过四种额外的气氛至五种气氛加压模具腔/水容器增加沸点至大约153℃。

图21显示了适合于RF模制的商业化的蒸汽室模制压机400。特征包括：

·RF发生器的整合

根据压机设计，HT连接可以是固定板或移动板。HT板不需与第二压板和其它压机部件电绝缘并且将需要足够的空隙以避免带电。如果HT侧室移动板，则可能需要绝缘陶瓷套筒。为了安全，RF场可容纳在法拉第笼中并且结合安全联锁装置和其它故障安全特征。

·蒸汽歧管系统的重新配置

对于RF模制工艺，这种歧管的大小应该被减小到最小以降低所需要的水的量。这可包括位于排放板后面的多孔网格，所述排放板则连接到背板上的压力出口部分。

·珠注入部分和填充枪的设置

这些可被连接到压力容器，允许预加压的、干燥的珠引入到用具。为了确保填充枪的金属端没有伸出到RF场中，它们可被结合到接地电极中。

·压力控制

压缩空气管道和压力释放阀的结合允许通过施加正压力和负压力控制蒸汽的移动。

·水注入部件的结合

这样的系统将适合用于反压力填充模式或缝隙填充模式。

图21中显示的特定特征包括：

·RF接地板402被连接到发生器。最小100mm距离来电源每模具个体具有用于填充枪和排除器的孔的位置

·巨大的或成形的模具404

·凸模模具406和凹模模具408(两者均是聚合物材料)

·填充枪410(具有非导电的尖端)

·排出器411(具有非导电的尖端)

·RF发生器412；RF接地414；和RF功率输入416

·RF板418被连接到发生器。最小100mm距离至地面。

·绝缘的支撑柱420、大约150mm(陶瓷或其它非导电的材料)

·支撑杆422

·压机/模具分型线424

·冲压模具板固定侧426

·可能的含铝的侧面稳定框架428

·侧面支撑430

-压力考虑

对于商用RF模制系统，鉴于以下考虑RF功率、时间和压力的基础工艺参数将需要被优化：

·水使用

对EPP模制的条件的优化被预期为产生模制产品的每立方米小于5kg水(<5kg/m³)的水使用。

·能量消耗

工艺的能量消耗将与所使用的水的质量密切相关。正向功率和反射功率的监测以及功率计的使用可被用于测量工艺能量使用。

·循环时间

理想地，如果不是更短，最佳的循环时间将与蒸汽室模制的循环时间是可相比的。这种循环时间取决于可用的功率供应-并且可以例如通过从5KW发生器转换成60KW发生器被缩短。

·模制均匀性

简单的矩形形状的模制对于这种工艺是相对简单的。蒸汽用作传热剂，因此均匀的加热和融合应该在整个部件中看到。例外可以在模具表面处，在此与冷的模具表面接触可导致较差的融合。更显著的效果可以在更复杂的部件中看到，其中在模具的较薄的部分中的珠经历来自模具壁的大量的冷却。更负载的部件中的均匀性可通过将聚合物空间填充的块纳入矩形形状的模具中来检查。

关于后者，还可对模制用具的设计可以如何改进以增强模制产品的均匀性给出考虑，例如，通过改进RF加热的均匀性和/或对更复杂形状的模制给出特定的留量(allowance)。合适的测量可包括：

·模具表面处理

对在模具表面提供额外的热源以达到在整个部件中均匀加热的需求可在模制工艺过程中通过在模具表面的不同位置处的表面温度测量值的差异来表明。加热机械可被直接结合到电极板(电加热或经热空气)以预暖电极。可选地，材料的表面层诸如炭黑或沸石(或其它吸收RF的材料)可被加到模具的介电部件的内部。

·场长形元件

将水通道结合到模具中可被用于扭曲RF场并且在某些区域提供额外的加热(例如复杂形状的较薄区域)。水通道还可被用于帮助模制部件的冷却。

·电极成形

任选地，成形电极可被用于给予良好的加热均匀性。模制工作的结果将表明最佳形状。

·模具成形

此外，模具自身可被成形以允许珠融合的更大的样品均匀性和/或允许模制部件的更容易的移除。较大的模具将必要地要求RF电极之间的较大的间距，这可意味着系统将需要后续的重新调谐。

实施例VI-聚丙烯的RF融合的进一步研究

A1.模制试验的系统装配

RF压机装配

以下研究中进行的所有试验均在13.56MHz下操作，以下述关键附加条件利用小的RF压机进行。

■压力传感器被包括以监测蒸汽和泡沫压力。

■光纤探针被使用以测量模具中的温度

■压缩板被包括在顶部电极上以模拟传统的EPP模制中使用的缝隙填充机械。

■数据采集系统的结合

传感器的包括

两种主要的压力传感器被包括。

■泡沫传感器

■蒸汽压力传感器

-泡沫传感器

泡沫压力传感器被安装在压机的顶板。为了有效地测量泡沫的压力，这一传感器需要与珠直接接触。然而，该工艺还要求在模制部件之上包括多孔插入物和压缩板。此外，传感器必须被安装在顶部电极中并且不能穿透到RF场中。各因素的这种组合使其难以维持这些珠之间的良好接触，并且如果在处理过程中这些珠显著膨胀，则传感器将仅仅在测量泡沫压力时是有效的。否则，其必须假设这种传感器测量珠之上的蒸汽压力。

对于小的圆柱形的模具，传感器被容纳在被固定到顶板的金属压缩圆盘中。这种压缩圆盘将传感器与RF场隔离，同时还提供与珠的良好接触(见图22)。

对于高的正方形模具，较深的压缩板是需要的，并且由于传感器配件(fitting)，传感器不可能嵌入该板的整个深度(见图23)。这意味着泡沫传感器一般未与珠良好接触且因此测量蒸汽压力而不是泡沫压力。

图22显示了圆柱形模具的传感器装配。

图23显示了正方形模具的传感器装配。装配包括泡沫传感器1000、顶部电极1002、金属压缩圆盘1004、多孔熔块1006、PTFE模具1010、珠1008和多孔熔块1012。

-光纤温度探针

光纤温度探针被用于某些试验中。然而，这些探针不提供稳健的温度测量。探针被放置在薄的玻璃壁管中以阻止它们在模制工艺过程中被破坏。这似乎导致在测量温度升高时明显的时间延迟并且观察到温度和压力之间的弱的相关。玻璃管还易受工艺中的破坏并且在某些情况下观察到对探针的损坏。为了该计划中的试验的目的，决定仅通过压力来监测工艺条件将是优选的，且因此温度探针的使用在之后的试验中被放弃。

如果发现记录样品中的温度是重要的，则这种方法可重新开始。

用具设计

-模具几何结构

在该计划中构造了两个模具。两者均由薄壁的PTFE构造以对模制工艺提供所要求的耐温性和耐压性。

■小的圆柱形模具

■高的正方形模具

小的圆柱形模具具有大约70mm的直径和大约80mm的高度。壁被略微变斜以使产品能够容易脱模。

高的正方形模具是70x70mm和240mm的总内部高度。模具被制造为3个分离的部分(每个的深度80mm)，在各部分之间具有O环以提供压力密封。

图24显示了高的正方形模具的外观图。

-水的除去

两个模具在基底处容纳多孔熔块并且在顶部容纳多孔压缩板。这些板在模具中提供空间以便过量的水排出。

对于两种模具，顶部多孔板包含具有略大于泡沫传感器的直径的孔。这使珠能够接触泡沫传感器以便膨胀泡沫的压力读数可被获得。如早前所注意到的，在一些情况下，珠与传感器之间的有效接触没有达到并且记录的压力读数代表珠之上的蒸汽压力。

A2.小的圆柱形模具的试验

在这项工作中利用小的圆柱形模具进行两组试验。

·确定产物有效融合的参数

·改变工艺时间和功率的调查

在全部实验中，所使用的水包含小量的盐以得到7.5mS/m的电导率。

确定有效融合的参数

这些试验利用大约15g的珠和20mL的水进行。加热时间和功率水平的变化被调查，并且观察到良好融合的样品在一系列工艺条件下观察到。表1显示了三次运行的时间和功率水平，其全部产生了良好融合的样品。图25显示了这些运行的压力曲线。

在全部情况下，在RF加热停止之后，产物被允许在模具中冷却一段时间。

表1：试验参数

图25显示了提供良好融合的压力曲线。

工艺参数的变化

在这些试验之后调查额外一组的工艺参数。这些试验通过一系列功率参数和时间参数被界定，如表2所示。所有试验被重复至少两次并且使用15mL的水。试验用黑色珠和白色珠进行并且为观察到两种类型之间的显著差异。压力利用泡沫传感器来记录，对于这些试验，传感器与膨胀的珠良好接触。

表2：在不同功率水平和时间水平的模制试验

在全部情况下，在RF加热停止之后，产物被允许在模具中冷却直到达到大约1巴的压力。由于由厚壁PTFE模具提供的高度绝缘，这种冷却速率被观察到是缓慢的。

图26、27和28显示了在三种不同的功率水平(2KW(图26)；2.7KW(图27)；和3.3KW(图28))下进行的试验的压力曲线。

图29显示了通过功率水平的变化所达到的加热速率的比较。

图26至29中的曲线图阐明虽然利用名义上相同的RF功率，但是加热速率的相当大的变化可被观察到。考虑到这些试验的每个中使用的珠和水的质量是相同的，将预期的是加热速率的仅仅小的变化将被看到。然而，以下因素影响观察到的实际加热速率。

·对模具的热传递；在重复的试验中模具将逐渐变暖。较缓慢的加热速率可在一系列的第一运行中看到，因为可发生对模具的较高的热损失。

·系统中的压力泄露；一些小的压力损失将在系统中发生，例如在用具的O环密封和压机顶板之间。这些可在试验之间变化。

·反射功率和RF系统损失水平的变化；15mL的水是小负载且因此加热效率可能低于RF系统的正常水平。系统损失将在试验之间变化。

反射功率的水平被看到在试验过程中和在试验之间均变化；然而，这种反射功率未被记录且因此不能与加热速率相关。

尽管这些来源变化，但是通常观察到在较高的功率水平下样品的更快速的加热被观察到。

模制产品的视觉检查表明达到的良好等级的融合。由这些试验产生的所有样品被发送以便评价机械性能。这种评价已显示样品呈现出非常好等级的内部融合。

A3.小的正方形模具的试验

设备装配

利用以上部分A1中描述的高的正方形模具来进行一系列试验。利用这些试验的大的模具的模制试验的装配显示于图30中。

在这些试验中压力利用泡沫传感器和固定在顶部电极之上的简单的压力换能器来记录。系统还安装有压力计，其被用于在该工艺过程中视觉地观察压力升高并且被用于确定模制工艺的终点。

容纳多孔熔块的用具在模具基底中的腔之上，其能够使过量的水从该工艺中收集。包含中心孔(以使珠能够与泡沫传感器接触)的多孔熔块也被用在模具的顶部上。这一第二多孔熔块还提供用于过量蒸汽/水的空间并且对珠提供一定的压缩。

图31显示了这一多孔熔块的顶视图，其中含有多孔熔块压缩板的模具的内部视图可以被看到。

最后，20mm深的金属压缩板被固定到压机的顶板。在这种金属板和顶部多孔熔块之间达到40mm的总压缩以提供具有200mm高度的模制部件。

模制结果&操作参数的鉴别

在全部实验中，所使用的水包含小量的盐以得到7.5mS/m的电导率。类似质量的≈50g的干燥的珠被用于全部实验中；这是在没有任何压力存在下填充模具腔的干燥的珠的质量。

压力被记录在泡沫传感器和简单的压力换能器上。

以下记录的所有压力曲线是基于来自泡沫传感器的读数。然而，缺乏在膨胀的珠和传感器膜(如图23中图示)之间的良好的接触意味着这种传感器有效地测量在模具之上的蒸汽压力而不是泡沫的压力。

在所有试验中，产品被允许在用具中冷却至约1巴的压力。

-程序

程序涉及以下简单的工艺，其是与用于模制小的圆柱体样品的方法可比较的。

·用珠填充模具

·将模具放置在压机中

·向模具的顶部加入水

·关闭压机并且施加RF

对于较大的模具，这种方法在生产模制物品时是成功的，然而，观察到的压力的增加通常是缓慢的，并且不总是达到良好的融合。在一些情况下，仅仅珠的小部分在这些条件下融合。

这归因于水在全部珠之间的不良的分布。这是由于在模具的基底处具有储水罐；为了产生完全融合，蒸汽将不得不在模具的基底绕过或穿过融合的珠。为了改善水在整个模具中的分布，之后的试验利用预浸湿的珠来进行。

-预浸湿的珠的使用

珠被放置在多孔的容器中并且被称重下降至使其保持在罐中的水之下。在被用于模制试验之前珠被预浸湿1-4小时。这些‘湿的’珠不含有游离水但是简单地具有通过表面张力被束缚到表面的水。

预浸湿的珠的使用显示出融合结果的显著改进。然而，在大多数情况下，仅看到产物的部分融合。最显著地，产品的顶部部分通常被非常差地融合并且常常完全由疏松的珠组成。

在这些试验中获得一对完全融合的样品。然而，似乎在反应条件和有效融合之间没有明显的关联。表3阐明了利用类似的工艺参数获得的试验结果的可变性。

表3：利用预浸的珠的试验

“黑色”珠包括约3wt％的炭黑，通常在0.5-5wt％之间的炭黑。

图32显示了表3中列出的利用预浸湿的珠的试验的压力曲线，阐明用类似的工艺参数获得的结果的可变性。

-储气罐的使用

对试验设备的最终改良包括储气罐(大约体积200mL)。其被包括以在试验过程中提供对被推进的空气的空间并且确保模具的整体填充有蒸汽以促进融合。这项工作中利用的全部实验利用预浸湿的珠。

这些试验一致地给出完全融合的产品。

图34和35以及表4显示了利用的工艺条件和获得的压力曲线。

对于所有测试，产品被留在用具中，直到压力降到大约1巴。如从图34和35明显的，达到这一压力的时间表明各运行之间的相当大的变化。因为我们的用具由通过压机保持在一起的三个部分组成，在这些部分之间将存在小量的压力泄露；其速率可在各运行之间变化。

在这些试验中存在两个运行，其显示出彼此非常不同的压力曲线。

第一个被标记成‘未混合的珠’。在这种情况下，在运行之前珠与水直接混合。相比之下，所有其它的珠样品被浸入水中最少一小时。这种预浸湿看上去给出水在全部珠中的更好的分布并且促进加热。‘未混合的珠’样品显示出非常缓慢的加热速率并且在一些情况下给出相对差的融合。

值得注意的第二样品是样品11。在这种情况下，O环被留在模具的顶部。这导致水能够从用具离开并且融合工艺中的压力保持相对较低。然而，这种样品仍然看上去是良好融合的并且以比其它样品干燥的形式获得。

表4：利用储气罐的试验

“黑色”珠包括约3wt％的炭黑，通常在0.5-5wt％之间的炭黑。

图33显示了在表4中列出的试验1-4的压力曲线(差不多的模制条件)。

图34显示了在表4中列出的全部模制试验1-11。

较高形状的模制试验的概述

利用较高的模具进行的试验显示出获得的这种形状的有效融合是比先前调查的较小的圆柱体相当困难的。以下工艺改进被认为是重要的以获得在整个模具中的完全融合。

·使用预浸湿的珠以提供水在整个模具中的均匀分布。

·在RF加热之前对用具加压以升高水的沸点且然后增加产生的蒸汽的温度。

·通过使用排气阀或通过使用储气罐来操纵蒸汽流动，以除去空气并且确保蒸汽和膨胀颗粒之间的热交换。

以下因素可能影响所获得的融合的质量。

·压缩的程度；在高的正方形的模具中利用约17％的压缩(将240mm压缩至200mm)，小的圆柱体利用的压缩是约30％。

·水的比例：正方形模具中利用的水的相对量比圆柱形模具中的少。虽然假定在两种情况中水体积是显著超过所要求的水体积以达到融合，这未被证实。

·水的分布：对于高的模具，对预浸湿的需求表明了在这种较大的形状中均匀的水分布的重要性。珠的延长的浸湿或表面活性剂的使用可能是对获得更好的融合程度有利的。

实施例VII-聚丙烯的RF融合的进一步参数化研究

进一步关于以上描述的试验，进一步的研究利用不同的设备来完成。这包括具有以下参数的较大的"15kN"(150kN)模制压机：

·水平的/60kN液压夹持力

·用具的内部尺寸：130x130x30mm

·板的尺寸：980x680mm

·在电极处具有最大15kW功率的RF发生器

一般来说，所利用的程序如下：

1)颗粒与水在以下表中限定的不同的含量下混合。在足够的时间内完成混合以通过水达到颗粒的均匀涂覆。

2)将颗粒手动地放置在用具的内部以完全填充腔。4mm穿孔的塑料板被加到顶部以在板闭合过程中产生机械压缩。

3)关闭压机

4)在HF加热之前施加空气压力。设定不同程度的空气压力。

5)在一定功率下并且开启HF加热一定时间。

6)压力在HF加热结束时经排气阀被快速释放，将模具降压至大气压力。需要1-5秒来释放内部的全部压力。

7)将压机保持关闭100s以允许部件的冷却。

测试了不同的材料，包括：

·白色的膨胀的聚丙烯颗粒，3133

·黑色的膨胀的聚丙烯颗粒，5135，含有大约3wt％的炭黑

·灰色的膨胀的聚丙烯颗粒，4133，含有从0.5至1wt％的炭黑

·白色的膨胀的聚丙烯颗粒，4313

含水量的值以每升容积模制腔的毫升(ml)或等同的毫克(mg)给出，其被认为比有时也被使用的％质量值是有用的测量。

结果：

得到的模制的质量被评估并且根据以下表对每组参数以“1”至“5”的等级评定。

含水量&初始加压压力的影响

固定参数

·用具：130x130x30mm

·HF功率：对于50秒50％的最大值

显然，初始加压是到小于在模制过程中后续保持的最高压力的压力，小于在模制过程中保持的最高压力，通常是到小于0.6巴，一般是到小于1巴，优选地是到小于0.5巴，或者甚至是到小于0.25巴，或者是到小于0.1巴。随着蒸汽的产生，额外的压力导致用具内部的(空气和水)环境温度的升高。

含水量&RF加热时间的影响

固定参数

·用具：130x130x30mm

·HF功率：50％的最大值

·含水量固定在50％，每升模制腔16.5mg

·初始压力固定在2.0巴

随后，大小120x120x150mm的良好融合的较大的样品在以下条件下制造：

·功率：4000W持续90s(60s提供可接受的融合)

·2巴的初始压力

·含水量：每升模制腔16.5mg

图35显示了良好融合的较大的样品的实例。

总之，本发明的特征可包括以下的一个或多个：

·在传热流体诸如水或主要是水的存在下将RF能量施加到容纳在模具或用具中的热塑性材料的膨胀的颗粒或珠。

·包括一对平行的板电极(形成介电电容器)的装置被连接到RF发生器并且模具位于板之间，装置适合于将RF场施加到被放置在模具中的材料。

·RF发生器包括固态或自激式振荡器以及匹配系统，该匹配系统调节电路的频率和阻抗。

·电极之间的间隙或间距是根据被处理的材料可调节的；优选地，以便改变频率且因此改变RF功率和所施加的电磁场。

·装置可包括液压的、气动的或机械的压机，包括两个相对的压板和RF电极，所述RF电极形成模制室的侧壁。

·膨胀颗粒或珠的加热经由传热流体的加热通过施加的RF至足以使颗粒的外表面软化的升高的温度，优选地，其中传热流体的温度被用于加热微粒至其融合温度。

·传热流体被加热至足以使其渗透到颗粒的微孔结构中的蒸气状态或气体状态以保持或膨胀其物理尺寸。

·颗粒在模具中融合或接合到一起以产生模制物品(如由模具的形状所定义的)，优选地，得到的物品包括均匀质量的融合颗粒。

·RF能量的频率是这样的使得相关的波长，优选四分之一波长，是与待模制的物品的平均大小或直线尺寸差不多的或大于待模制的物品的平均大小或直线尺寸。

·传热流体优选地通过加入以下物质的一种或多种来改变：

o增加电导率的杂质，例如盐，诸如氯化钠或氯化钾，以增强其与施加的电磁场的耦合(所要求的精确的电导率随施加的电压变化，所述电压又与施加的功率和操作频率相关)；

o增强融合的添加物，诸如聚醋酸乙烯酯或可溶性脂肪(例如，棕榈油)，以增强颗粒的融合；以及

o表面活性剂，以增强流体和颗粒之间的表面张力。

·一般来说，使用水的传热剂的电导率可以是3-5mS/m，或优选地6–7mS/m，或更优选地大约7.5mS/m。试验实现了在高至70mS/m的电导率下的模制，虽然问题可随着这样的高电导率值的使用而出现。引用的电导率至通常是+/-1mS/m、+/-0.5mS/m或者甚至+/-0.1mS/m。

·传热流体的加热包括至少一个、优选两个相或状态的变化。

·RF的使用导致传热流体在传热流体处于液体状态时以第一模式(离子加热)加热并且在传热流体处于气体状态时以第二模式加热，其中第一模式的加热是主导的使得通过施加的RF的加热主要在传热流体处于液体状态时发生，因此传热流体(且因此颗粒)的加热在传热流体气化时变成自身限制的。

·在物品模制中使用的传热流体的质量可以是与形成为模制物品的颗粒的总质量可比较的，优选地小于形成为模制物品的颗粒的总质量(如1:1比，优选小于2:1比)。

·放置在模具中的传热流体的量在每升用具腔1ml和100ml之间。

·模具中的压力的升高(通常升高至0.5巴，升高至至少1巴，优选地升高至至少1.1巴，可能高至3巴或者甚至5巴或更高)以增加温度，在所述温度下传热流体气化，优选地使得加热颗粒中的至少一些，因为传热流体处于液体状态并且优选地与颗粒接触，更优选地使得传热流体在颗粒的外表面发生软化的大概温度下开始气化。

·板电极适合于维持抵抗对反压力的密封的压力，所述反压力是在加热阶段和模制阶段过程中由被气化的传热流体产生的。

·在模制之前通过被气化的传热流体将空气从模具中除去，例如，经由阀排放或者排放到储气罐(专用的或例如管道)中，在一些情况下允许传热流体的一部分从模具腔中排出。

·模具中的温度至少部分地通过控制模具中的压力来控制，可能地仅仅部分地气化传热剂。

·将高压和高温维持足以导致模制物品的形成的时间。

·模具的多孔表面内衬用于操纵用具的内部和外部之间的交换。

·在颗粒融合(模制)不久之后进行模具中压力的释放(如由希望的压力可表明的且因此对应于颗粒融合温度的温度已达到)，由此允许珠膨胀，填充模具。

·用水冷却RF电极和模制用具，例如：

o当RF系统是立式压机方位或卧式压机方位时，冷却水可被应用到两个板。

o冷却水可以可选地或者也被应用到模具中的模制部件上，或者当从模具中除去时被应用到模制部件。

o模制用具可安装有水套用于冷却，例如，使得水套具有围绕其外周的通道，其中去离子水或蒸馏水可被循环，优选地套中的水在用空气冷却之后被排出

o在模制部件被移除之后空气或水鼓风机或压缩空气可被用于冷却。

·通过预处理珠，通过在模制之前对珠施加压力来控制颗粒或珠的密度，通过机械工具(例如，通过使用压缩板)或物理工具，例如，通过施加加压气体，使得气体(通常是空气)被引入到珠中(当被加热时其将膨胀)，使珠膨胀。

·例如，通过铸造和烧制陶瓷诸如氧化铝或莫来石或者通过机械加工特种陶瓷诸如MICOR或叶蜡石来制造模具，优选地包括陶瓷、聚合物或玻璃的一个或多个。后者是可加工的陶瓷，其可被烧制以改善其机械性能，并且烧制时具有超过500℃的操作温度。叶蜡石略微不超过RF频率以便其可对模具的侧面给予一些加热。

·第二模具材料可包括聚偏二氟乙烯(PVDF)或在融合温度下具有类似的或接近于聚丙烯珠和流体混合物的损耗系数的损耗系数的材料。

给予以上描述的那些的另外的可选方案对于技术人员将是明显的。说明书中公开的每个特征和(如果合适的话)权利要求书和附图可独立地提供或者以任何合适的组合的方式提供。在权利要求书中出现的参考数字仅仅室示例性的并且不应该对权利要求的范围产生限定作用。

Claims (46)

1.一种由膨胀的树脂颗粒制造模制物品的方法，所述方法包括：

将所述颗粒和介电传热流体放置在位于一对电极之间的模具中；

在所述电极之间产生射频电磁场；

将所述电磁场施加到所述模具以介电加热所述传热流体且因此介电加热所述颗粒；以及

加热所述颗粒至足以使其表面软化的温度，使得所述颗粒融合，由此以形成由所述模具成形的所述模制物品。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述射频电磁场具有大于所述模制物品的平均尺寸的波长。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述射频电磁场具有以下方面的至少一个：

i)在300m和1m之间的波长；

ii)在1MHz-300MHz之间、1MHz-100MHz之间、1MHz-40MHz之间或3MHz-30MHz之间的频率；

iii)分配用于工业加热的工业、科学和医学波段内的频率；以及

iv)大于所述模制物品的平均尺寸的四分之一波长。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述射频电磁场具有在13.56MHz、27.12MHz和40.68MHz中的一个的+/-10MHz内的频率。

5.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述传热流体被加热到的温度足以使其气化，任选地使其完全气化。

6.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括维持所述模具中的压力使得所述传热流体的气化温度是或接近所述颗粒的所述表面的软化温度。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中在所述传热流体处于液态时，所施加的射频电磁场导致所述传热流体以第一模式加热并且任选地在所述传热流体处于气态时，所施加的射频电磁场导致所述传热流体以第二模式加热。

8.根据权利要求7所述的方法，通过对所述传热流体施加射频电磁场以所述第一模式加热对于以所述第二模式加热是主导的，使得所述传热流体的加热主要在所述传热流体处于所述液态时，优选地与所述颗粒接触时发生。

9.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中放置在所述模具中的传热流体的量根据所述模具的腔的容积来确定，并且优选地在每升腔1ml和100ml之间，更优选地在每升腔2ml和50ml之间，仍然更优选地在每升腔4ml和25ml之间。

10.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中放置在所述模具中的所述传热流体的质量由放置在所述模具中的颗粒的质量来确定，优选地，其中放置在所述模具中的传热流体的质量在所述颗粒的质量的0.1倍至50倍、0.125或0.14倍至20或25倍、0.25倍至2倍的范围内，更优选地，在所述颗粒的质量的0.5倍至1.25倍的范围内。

11.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述传热流体包括水。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述水向其中加入增加电导率的杂质。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述所述增加电导率的杂质是盐。

14.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述传热流体具有超过3mS/m的电导率。

15.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述传热流体是以下中的任一种：

i)与所述颗粒同时放置在所述模具中；和/或

ii)在被放置或注入到模具中之前与所述颗粒预混合。

16.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述传热流体与润湿剂结合使用。

17.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述方法还包括至少部分地通过控制所述模具内的压力来控制所述模具中的温度。

18.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述方法还包括在模制过程中使所述模具维持在高压下，优选地，其中所述高压是高至3巴，优选地高至5巴，优选地在2巴和3巴之间或者在3巴和5巴之间。

19.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中方法还包括在模制之前加压所述模具。

20.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述颗粒被加热到的高温是在80℃和180℃之间，优选地在105℃和165℃之间，优选地高至110℃、120℃、130℃、140℃或高至150℃。

21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中所述模具内的高压和高温被维持足以使得由所述颗粒的融合形成所述模制物品的时间。

22.根据任一项前述权利要求所述的方法，还包括在模制之前加压所述模具中的所述颗粒。

23.根据权利要求22所述的方法，其中加压所述颗粒包括机械地或物理地压缩所述颗粒优选地5-100体积％，所述压缩例如是通过反压力填充。

24.根据任一项前述权利要求所述的方法，还包括，任选地在模制完成之前，从所述模具中除去空气，优选地由被气化的传热流体来置换所述空气，优选地经阀排放所述空气或者将所述空气排放到储气罐中。

25.根据任一项前述权利要求所述的方法，还包括在所述颗粒发生融合之后使所述模具降压，优选地，所述颗粒一发生融合就使所述模具降压。

26.根据任一项前述权利要求所述的方法，还包括从所述模具中排放所述被气化的传热流体。

27.根据任一项前述权利要求所述的方法，还包括在模制之后的冷却步骤，优选地，其中所述冷却步骤包括以下的至少一个

i)将加压气体注入到所述模具中；或

ii)冷却所述模具的至少一个表面或电极，优选地，其中所述冷却步骤包括沿着所述模具的至少一个表面或电极引导流体。

28.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述颗粒包括闭孔泡沫颗粒，由闭孔泡沫颗粒组成，或者是闭孔泡沫颗粒。

29.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中树脂包括脂族树脂、由脂族树脂组成，或者是脂族树脂。

30.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中树脂包括聚烯烃、由聚烯烃组成，或者是聚烯烃。

31.根据权利要求30所述的方法，其中所述树脂包括非芳族聚烯烃(即，聚烯)、由非芳族聚烯烃组成，或者是非芳族聚烯烃。

32.根据权利要求31所述的方法，其中所述树脂包括聚丙烯和聚乙烯、由聚丙烯和聚乙烯组成，或者是聚丙烯和聚乙烯。

33.根据权利要求31所述的方法，其中所述树脂包括聚丙烯、由聚丙烯组成，或者是聚丙烯。

34.根据权利要求31所述的方法，其中所述树脂包括聚乙烯、由聚乙烯组成，或者是聚乙烯。

35.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述树脂包括共聚物，由共聚物组成，或者是共聚物，所述共聚物优选聚丙烯及其共聚物或者聚乙烯及其共聚物。

36.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述方法还包括通过预处理所述颗粒来控制所述颗粒或珠的密度，优选地在模制之前预加压所述颗粒以将气体引入所述颗粒中。

37.根据权利要求36所述的方法，其中所述颗粒在所述模具的外部被预加压并且随后被转移到所述模具，优选地，其中所述颗粒被存储于高压的压力罐中。

38.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述模具包括封闭的或部分封闭的腔。

39.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中模具材料包括对在板电极之间产生的所述射频电磁场是基本上可透过的材料，优选地，其中所述模具材料包括

i)聚合物，诸如聚丙烯、高密度聚乙烯、聚醚酰亚胺或聚四氟乙烯；或

ii)陶瓷，诸如氧化铝、莫来石、MICOR或叶蜡石。

40.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述模具还包括对在所述板电极之间产生的所述射频电磁场是基本上不可透过的第二材料，优选地，其中所述第二模具材料形成所述模具的侧壁或内衬并且适合于与正被模制的物品直接接触。

41.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述电极板用介电的或不导电的间隔材料间隔开，优选地，其中所述间隔材料限定所述模具的至少一个侧壁，更优选地，其中所述模具的至少一个侧壁被嵌入板电极中。

42.根据任一项前述权利要求所述的方法，所述模具的腔的至少一侧与至少一个电极直接接触。

43.根据权利要求5至44中任一项的方法，其中所述模具适合于经受住由于所述传热流体的气化而产生的高压。

44.用于由颗粒制造模制物品的装置，包括：

一对电极；

用于在所述电极之间产生射频电磁场的工具；

模具，其位于所述电极之间；以及

用于将所述电磁场施加到所述模具的工具；

其中所述装置适合于介电地加热被放置于所述模具中的传热流体和颗粒至足以使所述颗粒的表面软化的温度，使得所述颗粒融合，由此以形成由所述模具成形的所述模制物品，优选地，还包括以下中的至少一个

i)用于将所述颗粒和所述传热流体放置在所述模具中的工具，所述放置例如是通过缝隙填充或反压力填充；

ii)板电极；

iii)用于压缩所述颗粒的工具；或

iv)用于加压所述模具的工具。

45.根据权利要求44所述的装置，其中所述电极之间的间距是根据被处理的材料可调节的；优选地，以便改变所施加的电磁场的性能。

46.一种模制产品，其是利用权利要求1至43中任一项所述的方法或者利用权利要求45或46所述的装置获得的。