CN104271325A - 用于制备含以力封闭的方式连接至中空体的颗粒泡沫模制品的复合体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备含主体结构和连接至主体结构的外部壳体的复合体的方法，其中主体结构包含可由预发泡的泡沫颗粒获得的模塑泡沫且外部壳体包含在一端或在相对的两端开口的中空结构，且其中在模塑泡沫和中空结构之间形成力封闭连接。

Description

用于制备含以力封闭的方式连接至中空体的颗粒泡沫模制品的复合体的方法

本发明涉及一种制备含主体结构和连接至该主体结构的外部壳体的复合结构的方法，其中所述主体结构包含可由预发泡的泡沫颗粒获得的模塑泡沫且外部壳体包含在一端或在相对的两端开口的中空结构。

模塑泡沫以许多不同的方式使用并用于很多种应用中，这是因为其具有弹性且具有低的重量。

因此，例如，膨胀型聚丙烯泡沫珠粒用于制备模塑泡沫，其主要用作冲击敏感性商品的包装材料，或在车辆结构中用作用于减轻重量目的的轻质结构材料。所述材料优异的吸能特性和其高弹性提高了车辆的安全性且有助于减轻车辆重量。此外，由膨胀型聚丙烯泡沫珠粒制成的模塑泡沫是环境友好的且通常能够毫无困难的重复利用或回收。

模塑泡沫通常与其他材料一起进一步加工成复合结构，以便将提及的泡沫的有利特性与其他材料的特定的特性结合。

相应地，用于制备含外部壳体和由模塑泡沫制成的且与该外部壳体相连接的主体结构的复合组件的方法也是已知的。

因此，例如，DE 199 08 486 A1描述了用于在膨胀可模塑泡沫上或在泡沫模塑品上层压织物片材的方法。其中织物片材置于模具内并且然后引入可膨胀的聚合物颗粒并通过使用过热蒸汽而发泡，同时泡沫与织物片材相连接，或者首先制备泡沫模塑品并且然后在高压和高温下例如于模具中将织物片材层压到该材料上。

DE 40 24 274 A1公开了制备车辆装配中的缓冲部件的方法，其中预制的基底部件和表面箔分别插入一个半模的模具中，然后在所述两层之间引入可发泡的聚丙烯。通过暴露于热和压力下使聚丙烯发泡而形成牢固地连接至所述两层的缓冲层。

在两个说明书中描述的方法原则上限于片状组件的制备。所述方法不能加工中空结构以得到具有模塑泡沫的复合材料。

DE 10 2004 013 370 B4公开了一种吸能型组件，其中由热塑性塑料制成的吹塑成型的中空结构围绕在泡沫填料的四周。可模塑的泡沫，特别是以微珠(即预发泡的泡沫颗粒)的形式的可模塑的泡沫作为优选的泡沫填料而提及。所描述的制备方法是在以吹塑法的形式制备中空结构的过程中引入所述微珠，其中所述微珠可仅被压缩或可在暴露于例如过热蒸汽中彼此熔合以及任选地与中空结构的内壁熔合。然而，由于组件在这种方法制备后进行冷却，且由于伴随的微珠的收缩或可模塑泡沫的收缩，因此不可能避免泡沫填料与中空结构的内壁的至少某些分离，和/或在微珠或可模塑泡沫内形成不想要的腔体，或/和不想要的组件翘曲。

因此，本发明的目的是提供制备包含含有模塑泡沫的中空结构的复合结构的方法，其中不存在不想要的模塑泡沫与中空结构壁的分离，且不存在不想要的在模塑泡沫中腔体的形成，以使通过模塑泡沫的冲击能量吸收特性和弹性特性，中空结构在整个想要的区域上，特别是全部区域进行填充或硬化，且不存在不想要的翘曲。

因此，已经发现制备含主体结构和连接至该主体结构的外部壳体的复合结构的方法，其中所述主体结构包含可由预发泡的泡沫颗粒获得的模塑泡沫且外部壳体包含在一端或在相对的两端开口的中空结构，且其中对于本发明至关重要的是：

-在步骤a)中，通过引入温度为105℃至180℃的热流体而在模具中熔合预发泡的泡沫颗粒以得到模塑泡沫，然后在40℃至100℃的模具温度下将模塑泡沫脱模，

-在随后的步骤b)中，将从模具中移出的模塑泡沫冷却至温度为5℃至39℃，

-在随后的步骤c)中，通过中空结构的开口端将冷却的模塑泡沫引入至所述中空结构中，并且

-在随后的步骤d)中，在40℃至100℃的温度下将其中具有模塑泡沫的中空结构热老化0.5h至24h，其中在中空结构和模塑泡沫之间形成摩擦连接。

本发明的方法使得可制备含填充模塑泡沫的中空结构的复合结构，其中不存在不想要的模塑泡沫与中空结构壁的分离，且不存在不想要的在模塑泡沫中腔体的形成，以使通过模塑泡沫的冲击能量吸收特性和弹性特性，中空结构在整个想要的区域，特别是全部区域进行填充或硬化，且不存在不想要的翘曲。

本发明的方法在下文中进行描述。

本发明的方法可制备含主体结构和与该主体结构相连接的外部壳体的复合结构，其中所述主体结构包含可由预发泡的泡沫颗粒获得的模塑泡沫且外部壳体包含在一端或在相对的两端开口的中空结构。

预发泡的泡沫颗粒，已知为“珠粒”或“微珠”，原则上对于本领域技术人员而言是已知的且在文献中有所描述。优选的预发泡的泡沫颗粒的平均粒径范围通常优选为0.5mm至20mm、优选0.8mm至15mm、特别优选1mm至10mm。预发泡的泡沫颗粒原则上可由适合于形成预发泡的泡沫颗粒的任何聚合物而制备。预发泡的泡沫颗粒优选基于膨胀型聚丙烯(EPP)、膨胀型聚乙烯(EPE)、膨胀型聚苯乙烯(EPS)或膨胀型热塑性聚氨酯(ETPU)。在此提及的聚合物可以均聚物的形式使用或以共聚物的形式使用，所述聚合物具有最高达50重量％、优选最高达15重量％、特别优选最高达10重量％的一种或多种共单体，每种情况基于各聚合物的总重量计；特别合适的共聚物为丙烯-乙烯共聚物和苯乙烯-乙烯共聚物。构成预发泡的泡沫颗粒的特别优选的聚合物为丙烯均聚物或丙烯共聚物。这种类型的丙烯均聚物或丙烯共聚物详细地记载于例如EP-A 1813409。预发泡的泡沫颗粒的堆积密度范围通常为10kg/m³至150kg/m³、

优选在15kg/m³至120kg/m³范围内、特别优选在17kg/m³至100kg/m³范围内，并且取决于聚合物的性质和预发泡法的性质。

在本发明方法的第一步骤a)中，主体结构包含的模塑泡沫以随后各应用所期望的形状制备，其实例为正方形、片状、棒状以及复杂的几何形状，其中所述模塑泡沫的长度、宽度和高度通常各自互相独立地范围为0.1cm至300cm、优选为0.3cm至200cm、特别优选0.5cm至100cm。模塑泡沫的精确尺寸和中空结构的尺寸相互适当地进行调节-如在以下所述。该第一步骤a)本身和适合于实施的仪器(例如自动铸模机)对于本领域技术人员而言是已知的且记载于文献例如EP-A 1813409中，其在这一点上明确地纳入本说明书中；相应的仪器为市售可得的。预发泡的泡沫颗粒优选气动地引入模具中，特别是引入穿孔的铝、钢、烧结或合成的聚合物模具中，优选进行气动压缩，并且然后在所述模具中通过引入热流体，优选过热蒸汽进行熔合得到模塑泡沫，其中热流体的温度为105℃至180℃、优选110℃至170℃、特别优选115℃至160℃。在实际熔合过程后，所得的模塑泡沫在模具中冷却至这样的程度：随着模塑泡沫的外侧在冷却过程中变硬，所述外侧可承受在模塑泡沫内的内部压力。当模具温度下降至40℃至100℃、优选60℃至90℃、特别优选75℃至85℃时，模塑泡沫的冷却通常是足够的。在步骤a)完结时，当达到上述模具温度时，将模塑泡沫脱模。

模塑泡沫在其外侧上可具有功能元件，例如以点的形式或以凹槽的形式的突起或凹陷，其实例为珠粒、凹陷形貌、空腔或切口，例如其可用于实现所想要的弹性特性、更好地连接至中空结构或用于各应用中想要的功能，例如以排水槽的形式用于花园-家具行业中。(这种类型的功能元件在以下阶段的模塑泡沫的外部截面的描述中没有考虑，如通过其中使用的措辞“本质上”所示。)模塑泡沫还可包含由金属或合成聚合物制成的元件作为紧固元件或加强元件，其被插入泡沫结构中或与其相连接，且特别地其相对于泡沫膨胀的主方向垂直地连接。在步骤a)中这种类型的紧固元件或加强元件的引入对于本领域技术人员是已知的。

在随后步骤b)中，从模具中移出的模塑泡沫冷却至5℃至39℃、优选10℃至35℃、特别优选15℃至30℃的温度(其中所述温度在模塑泡沫的内部于模塑泡沫外侧的最大的最小距离处测量，因为此处通常是模塑泡沫冷却最慢的部分)。在最简单的情况下，所述冷却可通过储存在室温下而实现。用于所述冷却需要的时间可有很大变化，这是因为其特别取决于模塑泡沫的厚度和周围温度，但是其范围通常为1min至24h、优选2min至16h，特别优选范围为5min至12h。在步骤b)的冷却过程中，在模塑泡沫的泡孔中产生低于周围压力的压力，例如因为在模塑泡沫的内部中存在的蒸汽冷凝，并且这导致模塑泡沫的收缩。随着模塑泡沫的密度减少，且随着步骤b)中的冷却速度和绝对温差增加，所述收缩会变得更加明显。在步骤b)的冷却过程中模塑泡沫沿着三个空间方向中的每个空间方向的收缩率通常为1至20％，特别是2至10％。冷却的模塑泡沫的密度通常为10kg/m³至200kg/m³、优选为20kg/m³至180kg/m³、且特别优选为25kg/m³至150kg/m³，取决于采用的聚合物的性质和实现发泡过程的方式。

在本发明方法随后的步骤c)中，将冷却的模塑泡沫通过中空结构的开口端至少一定程度上，优选全部引入至所述中空结构。在此模塑泡沫至少一定程度上，优选全部填充中空结构。为使这种引入原则上是可能的，然后必须以本领域技术人员已知的方式在空间上调节至彼此合适，例如按照钥匙-锁(key-in-lock)的原则：模塑泡沫的外部形状、孔和中空结构内部空间的形状。一方面，孔和中空结构内部空间的形状必须足够大以允许引入模塑泡沫，但是另一方面必须仅以最小可能的程度大于模塑泡沫，以便在步骤d)中形成尽可能好的摩擦连接。

在本发明中，考虑到模塑泡沫和中空结构分别相对于彼此相同的空间排列，无论何时都要确保即使在步骤a)中在脱模温度下脱模的模塑泡沫太大而无法引入至中空结构，但是在步骤b)中冷却及其相关的收缩后，模塑泡沫也足够小从而可以引入中空结构。

在本发明方法的一个优选的实施方案中，垂直于步骤c)的引入方向的模塑泡沫的外部截面和垂直于步骤c)的引入方向的中空结构的内部截面具有基本上相同的形状。因此，优选将具有基本上为圆形的外部截面的模塑泡沫引入至同样具有基本上为圆形的内部截面的中空结构中，或者将具有基本上为矩形的外部截面的模塑泡沫引入至同样具有基本上为矩形的内部截面的中空结构中。在此各截面面积沿着步骤c)中的引入方向在模塑泡沫和中空结构的各自的整个长度上可保持相同(例如在沿着步骤c)中的引入方向为圆柱形的模塑泡沫和中空结构的情况下)，或者其可变得越来越小(例如在步骤c)中的引入方向成锥形地变窄的模塑泡沫和中空结构的情况下)。垂直于步骤c)中的引入方向的各中空结构的内部截面面积应选择为大于垂直于步骤c)中的引入方向的各模塑泡沫的外部截面面积，这是因为否则引入将不可能进行，但是必须优选的是所大于的量为可能的最小量，以便在步骤d)中形成最大效率的摩擦连接。

在本发明特别优选的方法中，特别是对于在相对于步骤c)中的引入方向垂直的方向上具有相同形状的各外部截面和内部截面的模塑泡沫和中空结构而言，垂直于步骤c)中的引入方向的熔合的模塑泡沫的外部截面面积与垂直于步骤c)中的引入方向的中空结构的内部截面面积相比在步骤a)的脱模过程中要大而在步骤b)的冷却过程中要小。本实施方案允许以特别有利的方式在步骤c)中将模塑泡沫引入至中空结构中以及在步骤d)中通过热老化而形成摩擦连接。

如上所述，中空结构内部空间的孔和形状要调节至适合于模塑泡沫的外部形状。鉴于这种前提，优选的合适的中空结构为在一端或两端开口的具有圆形、椭圆形、三角形、矩形或正方形截面形状的中空型材。

作为在两端开口的中空型材的优选的中空结构为管，特别是由金属、合成聚合物或玻璃组成的管。优选的管的截面形状为圆形、椭圆形、三角形、矩形或正方形。作为在两端开口的中空型材的其他优选的中空结构为柔性管，特别是含由金属、合成聚合物、天然纤维或玻璃制成的织造材料的柔性管，或为由金属制成的编织材料，或为由合成聚合物、天然纤维或玻璃制成的枝编制品。作为在两端开口的中空型材的其他优选的中空结构为柔性管状的合成聚合物箔。与管相比，柔性管和柔性管状的合成聚合物箔不是刚性的但可具有在基本上为所限定形状的截面形状(例如在由金属制成的厚壁织造柔性管的情况下)，所述所限定的形状优选为圆形、椭圆形、三角形、矩形或正方形，但其还可具有可变的截面形状(例如在柔性管状的合成聚合物箔的情况下，其中这些原则上可皱缩以得到具有如期望地小的内部截面面积的片状结构)，然而因此，特别是由于在步骤c)和d)中模塑泡沫的引入和热老化，可采用所限定的截面形状，其基本上由模塑泡沫的形状决定。所述管、柔性管和柔性管状的合成聚合物箔的长度范围优选为5cm至5m、特别优选范围为20cm至3m、特别是范围为50cm至1m，且优选的内径范围为1至100cm、特别优选范围为5至50cm、特别是范围为10至30cm；管和柔性管的壁厚和管状箔的厚度可在本领域技术人员已知的范围内自由选择，取决于所想要的应用和所用的材料。

作为在一端开口的中空型材的优选的中空结构为如上所述的管、柔性管和柔性管状的合成聚合物箔，但是条件是其一端被封闭。

其他优选的中空结构为壳状或槽状组件，特别优选由合成聚合物制成且特别是可通过注塑成型法获得的壳或槽。

非常特别优选的中空结构为在两端开口且由天然纤维制成的织造材料制成或由合成纤维制成的织造材料制成的柔性管，特别是由藤制成的柔性管，或由坡利藤(poly rattan)制成的织造材料制成的柔性管，或由合成聚合物藤制成的织造材料制成的柔性管，即类似于藤且可由基于聚乙烯的聚合物纱线获得且其本身是本领域技术人员已知的且记载于文献中，并且市售可得的织造材料。由天然纤维制成的织造材料制成的或由合成纤维制成的织造材料制成的这些柔性管可例如通过将由合适的织造材料制成的网的一边与相同网的对边进行黏结、熔合或缝合而获得。

中空结构和/或包含其的外部壳体的外侧可设计成装饰层或功能层，如由所想要的应用要求的。因此，例如其可用作本发明的复合结构的外部壳体、由合成聚合物和坡利藤或合成聚合物藤制成的织造材料的柔性管(特别是熔合织造材料得到的柔性管)制成的中空结构，其中这些外观对天然藤条枝编制品具有非常好的模仿，因此它们非常适合作为家具或家具组件。

中空结构的内侧可具有固定元件以便改进模塑泡沫的固定，其实例为突起状的隆起。(尤其可为了在中空结构的内部截面的介绍中所描述的形状而忽略这种类型的固定元件，且这由所使用的措辞“本质上”表示。)

在本发明方法的随后步骤d)中，其中具有模塑泡沫的中空结构在40℃至100℃、优选60℃至90℃、特别优选75℃至85℃的温度下例如于市售的隧道式干燥烘箱或其他烘箱中进行热老化0.5h至24h、优选0.75h至18h、特别优选1h至12h。在所述热老化过程中，空气扩散到材料中会使模塑泡沫的泡孔结构中的压力均衡且使在步骤b)的冷却过程中一定程度皱缩的泡孔壁恢复。所述过程引起模塑泡沫的膨胀，从而排出位于模塑泡沫和中空结构之间的空气，且模塑泡沫牢固地压在中空结构的内壁上，因此模塑泡沫在整个想要的区域上，特别是全部区域填充和/或硬化中空结构，且在中空结构和模塑泡沫之间形成摩擦连接。即使复合结构的冷却在步骤d)后进行，所述条件仍保持，这是因为在步骤d)的热老化过程中模塑泡沫的泡孔壁已稳定到足以抑制模塑泡沫的任何其他收缩。

对于某些应用，需要实现模塑泡沫与外部壳体的特别强的连接。在这些情况下，在步骤d)中形成的摩擦连接可通过中空结构和模塑泡沫之间的粘附性连接进行补充。为此，在实施步骤c)之前，模塑泡沫的外侧和/或中空结构的内侧至少在一定程度上具有适合于各自材料的且原则对于本领域技术人员已知的粘合剂。

含主体结构和与该主体结构相连接的外部壳体的复合结构可由如上所述的本发明的方法获得，其中主体结构包含可由预发泡的泡沫颗粒获得的模塑泡沫且外部壳体包含在一端或在相对的两端开口的中空结构，且其中中空结构和模塑泡沫之间具有摩擦连接。

在描述本发明方法的上下文中已经记载了复合结构的优选实施方案，所述优选实施方案相应地适用于实际的复合结构的优选实施方案。

特别优选的复合组件包含模塑泡沫，特别地呈立方体形状的模塑泡沫作为主体结构，所述模塑泡沫由预发泡的丙烯均聚物颗粒或丙烯共聚物颗粒制备且在用作外部壳体的中空结构的整个表面与该中空结构具有摩擦连接，其中由天然纤维制成的织造材料的柔性管或合成纤维制成的织造材料的柔性管、特别地由坡利藤制成或由合成藤制成的织造材料制成的柔性管形成中空结构。

可通过本发明方法获得的复合结构特别地适合在任何类型的仪器中，特别地在家具中，优选在暴露至风化的家具(例如庭院用椅或庭院用长椅)，或在机动车辆中作为弹性、冲击能量吸收、隔音、隔热和/或承重组件。可通过本发明方法获得且包含由天然纤维织物或合成纤维织物制成且用作外部壳体的柔性管，特别地包含由坡利藤织物或合成藤织物制成的柔性管的复合结构，特别适合作为家具，特别是暴露至风化的家具的座椅或靠背元件。本发明方法使得可制备含填充模塑泡沫的中空结构的复合结构，其中不存在不想要的模塑泡沫与中空结构壁的分离，以及不存在不想要的在模塑泡沫中腔体的形成，从而借助于模塑泡沫的冲击能量吸收特性和弹性特性，中空结构在整个想要的区域上，特别是全部区域进行填充或硬化，且不存在不想要的翘曲。

以下实施例进一步解释本发明。

实施例：

本发明的实施例1：

立方体状的模塑泡沫借助温度为135℃的过热蒸汽在循环时间为3.0min的市售可得的自动铸模机中由膨胀型聚丙烯泡沫颗粒制备，所述膨胀型聚丙烯泡沫颗粒的平均粒径为3.5mm、堆积密度为17.5kg/m³、作为BASF SE出售的购得，并且这些模塑泡沫在75℃的模塑温度下脱模。在脱模中仍然热的模塑泡沫的尺寸为113cm×51.5cm×15.45cm；模塑泡沫的密度为27.45kg/m³。

在10h后，泡沫模制品完全冷却至20℃的温度，即其内部也是。由于在这一过程中发生收缩，冷却的模塑泡沫的尺寸为102cm×48cm×13.5cm，且该块料每侧的中心相对于边缘稍微凹陷。

将织造坡利藤的网剪出尺寸为246cm×50cm的矩形片材，两个短的相对侧边重叠2cm而相互叠加，并且这些熔合以形成以两端开口的柔性管的形式的中空结构。

分别制备且冷却的模塑泡沫中的一个，使其两个最小侧面中的一个侧面朝前，然后将其完全插入柔性管中，所述柔性管由合成聚合物藤制成的织造材料制成。(对于在脱模后还热的模塑泡沫来说，这是不可能的，因为它太大。)

最后，在80℃的温度下，将其中具有模塑泡沫的由合成聚合物藤制成的织造材料制成的柔性管在烘箱中热老化10h，然后移除，并冷却至室温。

所得的与作为外部壳体的由合成聚合物藤制成的织造材料制成的柔性管牢固连接的模塑泡沫测量的尺寸为108cm×50cm×14cm。模塑泡沫完全硬化为所得的复合结构而没有不想要的翘曲，且在模塑泡沫和由合成聚合物藤制成的织造材料制成柔性管之间的任意点上没有可观察到的分离，或者在模塑泡沫中没有任何可观察到的不想要的腔体。

所得的复合结构适合作为用于庭院家具的承重座位区。

对比实施例1：

正如发明实施例1中所述制备的且由合成聚合物藤制成的织造材料制成的柔性管插入模腔尺寸为110cm×50cm×15cm的模具中，且本发明实施例1中所述的类型的膨胀型聚丙烯泡沫颗粒被装入所述柔性管中。然后，发泡过程也在温度为135℃下用过热蒸汽进行3.0min，最后所得的复合结构从模具中移出并冷却。

由这个对比实施例获得的复合模制品显示出显著的翘曲，在模塑泡沫和由合成聚合物藤制成的织造材料制成的柔性管之间的许多点上有分离，且所述柔性管没有完全硬化。

Claims (8)

1.一种制备含主体结构和连接至该主体结构的外部壳体的复合结构的方法，其中所述主体结构包含可由预发泡的泡沫颗粒获得的模塑泡沫且所述外部壳体包含在一端或在相对的两端开口的中空结构，所述方法包括

在步骤a)中，通过引入温度为105℃至180℃的热流体而在模具中熔合预发泡的泡沫颗粒以得到模塑泡沫，然后在40℃至100℃的模具温度下将模塑泡沫脱模，

在随后的步骤b)中，将从模具中移出的模塑泡沫冷却至温度为5℃至39℃，

在随后的步骤c)中，通过中空结构的开口端将冷却的模塑泡沫引入至所述中空结构中，并且

在随后的步骤d)中，在40℃至100℃的温度下将其中具有模塑泡沫的中空结构热老化0.5h至24h，其中在中空结构和模塑泡沫之间形成摩擦连接。

2.权利要求1的方法，其中对于模塑泡沫和中空结构相对于彼此各自相同的空间排列，在步骤a)中在脱模温度下脱模的模塑泡沫太大而无法引入至中空结构，但是在步骤b)中冷却后，所述模塑泡沫足够小而能够在步骤c)中引入中空结构。

3.权利要求1至2的方法，其中垂直于步骤c)的引入方向的模塑泡沫的外部截面和垂直于步骤c)的引入方向的中空结构的内部截面具有基本上相同的形状。

4.权利要求1至3的方法，其中与垂直于步骤c)的引入方向的中空结构的内部截面面积相比，垂直于步骤c)的引入方向的熔合的模塑泡沫的外部截面面积在步骤a)的脱模过程中更大而在步骤b)的冷却过程后更小。

5.权利要求1至4的方法，其中模塑泡沫的外侧和/或中空结构的内侧至少在一定程度上具有粘合剂且在步骤d)中在中空结构和模塑泡沫之间还形成粘附性连接。

6.权利要求1至5的方法，其中中空结构为在一端或两端开口的具有圆形、椭圆形、三角形、矩形或正方形截面形状的中空型材。

7.权利要求1至6的方法，其中中空结构为由金属、合成聚合物或玻璃组成的管，或为含有由金属、合成聚合物、天然纤维或玻璃制成的织造材料的柔性管，或为由金属制成的编织材料，或为由合成聚合物、天然纤维或玻璃制成的枝编制品，或为柔性管状的合成聚合物箔。

8.权利要求1至7的方法，其中在步骤a)中模塑泡沫由含丙烯均聚物或丙烯共聚物的预发泡的泡沫颗粒制备。