CN104690873B - 用于生产聚合物微孔发泡材料的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生产聚合物微孔发泡材料的设备和方法，本发明设备结构简单可靠，通过隔板的移动来控制反应室的内压、加压速率、卸压速率等，灵活调整和控制发泡状态，生产效率高，能制造出大厚度、性质均一的块状聚合物微孔发泡材料。尤其对于EVA等，能发出厚度大于10cm的柱状原材料，目前市场上还没有超出此厚度的EVA材料。

Description

用于生产聚合物微孔发泡材料的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于生产聚合物微孔发泡材料的设备和方法。

背景技术

聚合物微孔发泡材料是指孔径小于100um，孔密度大于1.0x106个/cm³的多孔聚合物发泡材料。具有优异的减震隔热和吸声性能，并在保持机械性能的前提下显著降低制品重量，节约成本，广泛用于包装，隔热保温，减震缓冲和消音等领域。

但现有技术不能制备厚度大的块状聚合物微孔发泡材料(例如大平板和模内发泡)，适用性较差，精度控制和设备装置要求高(例如注射发泡)。

且现有技术不能对发泡反应室的内压、加压速率、卸压速率等进行灵活控制，生产效率低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于生产聚合物微孔发泡材料的设备和方法。

为实现上述目的，本发明提供一种用于生产聚合物微孔发泡材料的设备，包括：

轴向延伸的密闭壳体，

内置于壳体并可沿壳体轴向平移的隔板，

壳体内腔被隔板分隔出的密闭反应室，

设于反应室一侧并用于输出聚合物微孔发泡材料的出口，

与出口连接并用于密闭出口的盖体，

与隔板连接并驱动隔板沿壳体轴向平移以调整反应室内腔体积的驱动机构，

与反应室连接并向反应室单向输入聚合物和发泡剂的混合物料输入装置，

与反应室连接并向反应室单向输入超临界流体的超临界流体输入装置，

与反应室连接并用于调整反应室内温的内温调整装置，

与反应室连接并用于反应室减压的减压装置，

以及对反应室内的混合物料进行搅拌的搅拌装置；

所述搅拌装置包括：设于反应室内的搅拌头，以及驱动搅拌头周向旋转并沿壳体轴向平移的移动轴。

优选的，所述搅拌头内设有加热管和/或温度传感器。

优选的，所述移动轴贯穿盖体，所述移动轴与盖体的结合部设有密封机构；所述驱动机构包括：与隔板连接并驱动隔板沿壳体轴向平移的推杆；所述推杆贯穿壳体，所述推杆与壳体的结合部设有密封机构。

优选的，所述搅拌头为沿移动轴周向均布的搅拌杆或搅拌框。

优选的，所述内温调整装置包括环绕于反应室外壁的加热器和/或冷却器。

优选的，所述混合物料输入装置和反应室间设有单向阀；所述超临界流体输入装置和反应室间设有气阀和/或计量阀；所述减压装置为安全阀、减压阀或排气孔。

优选的，所述壳体为圆柱形或棱柱形(如长方体形)。

优选的，所述壳体卧置，所述隔板竖置或斜置。

本发明还提供一种用于生产聚合物微孔发泡材料的方法，其使用上述设备，并包括如下步骤：

1)备料：将聚合物粒料和发泡剂在密炼机中混合后投入混合物料输入装置；

2)进料：隔板在推杆驱动下移动至外侧位，混合物料输入装置向反应室中单向输入混合物料，减压装置排出多余空气；或者，隔板从内侧位移动至外侧位，把混合物料吸入反应室中；

3)压缩加压：隔板由外侧位移动至中间位，由减压装置排出多余空气后，所有阀门闭合；隔板再由中间位移动至内侧位，为反应室加压；内温调整装置工作，使反应室内温调整至预定值；搅拌装置搅拌混合物料，搅拌头在移动轴的驱动下周向旋转并沿壳体轴向往返平移，搅拌均匀后，搅拌头在移动轴的驱动下贴靠反应室内壁并停止旋转；

4)充入超临界流体：超临界流体输入装置向反应室内单向输入超临界流体，通过隔板保持反应室内压，通过内温调整装置使反应室内温保持在预定值，溶胀渗透一定时间；

5)卸压：通过隔板移位对反应室进行卸压，并通过内温调整装置使反应室降温，最后使隔板停留在成型位，混合物料形成整块聚合物微孔发泡材料；

6)出料：打开盖体，通过隔板将聚合物微孔发泡材料推出反应室；

其中，

隔板在外侧位时，反应室内腔体积达到最大预定值；

隔板在内侧位时，反应室内腔体积达到最小预定值；

所述中间位位于外侧位与内侧位之间；

所述成型位为中间位或外侧位。

清洗反应室内壁，可准备下一工作循环。

将聚合物微孔发泡材料切除边角料和接触痕迹后，可切片状或块状，用热压或冷压工艺制成各种产品。

优选的，所述备料步骤中：聚合物粒料的用量为95～99.5重量份，发泡剂的用量为0.5～5重量份；所述聚合物粒料为EVA、ABS、HIPS、PP、PE中的一种或多种；所述发泡剂为AC发泡剂；

所述压缩加压步骤中：反应室加压至14.5～15.5MPa，反应室内温调整为130～170℃；

所述充入超临界流体压步骤中：超临界流体为二氧化碳或氮气；反应室内压保持在14.5～15.5MPa，反应室内温保持在130～170℃，溶胀渗透15～30分钟；

所述卸压压步骤中：反应室降温至30℃，卸压速率为10MPa/s。

本发明设备结构简单可靠，通过隔板的移动来控制反应室的内压、加压速率、卸压速率等，灵活调整和控制发泡状态，生产效率高，能制造出大厚度、性质均一的块状聚合物微孔发泡材料。尤其对于EVA等，能发出厚度大于10cm的柱状原材料，目前市场上还没有超出此厚度的EVA材料。

本发明设备也可通过隔板的反向移动，产生负压，从而使发泡体进一步增大，得到更低密度的轻质材料。

根据聚合物微孔发泡材料产品界面形状不同，密闭壳体可为圆柱桶形，或者棱柱形(如长方体形)。

隔板能在壳体里轴向平移，同时与壳体密封严密，根据不同聚合物微孔发泡材料的要求，例如低压发泡能承受2～7MPa的压力。

反应室用于制出特定体积大小的聚合物微孔发泡材料。

混合物料输入装置和反应室间设有单向阀，打开时进料，关闭时保持压力。

内温调整装置包括加热器和/或冷却器，控制反应室的工作温度。

高压气体输入装置，向反应室内提供物理发泡剂。计量阀用于控制物理发泡剂(二氧化碳或氮气)的流率。

搅拌装置包括搅拌头和移动轴，搅拌头能旋转和沿壳体轴向平移，能将注入的聚合物和发泡剂搅混分散均化。

搅拌装置实际上代替了注塑发泡工艺中的螺杆，存料空间更大，搅拌更均匀，成本更低。

搅拌头可伸缩至反应室内壁，以避免陷入成型材料内部。

搅拌头内部可装加热管，在反应室内部加热原料，使温度能均匀分布，加热和冷却能保持内外一致，使泡孔更加均匀一致。

搅拌头也可加装温度传感器，测量原料内部温度，进一步保证内外温度一致。

搅拌头可设计为各种形状，适用于不同搅拌环境，搅拌头采用搅拌框，可以将靠近反应室内壁的原料搅拌均匀，消除边缘区域(产品外表面)发泡不成熟的现象，减少浪费。

本发明适用性广泛，通过局部装置的改变，可用于各种聚合物原料的发泡成型，例如可增加进料阀门，分别加入多种原料。例如设定更多隔板位置，来满足更复杂的发泡工艺过程。

附图说明

图1是本发明的一个示意图，其搅拌头采用搅拌杆；

图2是本发明的另一个示意图，其搅拌头采用搅拌框。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明具体实施的技术方案是：

如图1、图2所示，本发明提供一种用于生产聚合物微孔发泡材料的设备，包括：

轴向延伸的密闭壳体1，

内置于壳体1并可沿壳体1轴向平移的隔板2，

壳体1内腔被隔板2分隔出的密闭反应室3，

设于反应室3一侧并用于输出聚合物微孔发泡材料的出口，

与出口连接并用于密闭出口的盖体4，

与隔板2连接并驱动隔板2沿壳体1轴向平移以调整反应室3内腔体积的驱动机构，

与反应室3连接并向反应室3单向输入聚合物和发泡剂的混合物料输入装置5，

与反应室3连接并向反应室3单向输入超临界流体的超临界流体输入装置6，

与反应室3连接并用于调整反应室3内温的内温调整装置7，

与反应室3连接并用于反应室3减压的减压装置8，

以及对反应室3内的混合物料进行搅拌的搅拌装置；

所述搅拌装置包括：设于反应室3内的搅拌头9，以及驱动搅拌头9周向旋转并沿壳体1轴向平移的移动轴91。

所述搅拌头9内设有加热管和/或温度传感器。

所述移动轴91贯穿盖体4，所述移动轴91与盖体4的结合部设有密封机构；所述驱动机构包括：与隔板2连接并驱动隔板2沿壳体1轴向平移的推杆21；所述推杆21贯穿壳体1，所述推杆21与壳体1的结合部设有密封机构。

所述搅拌头9为沿移动轴91周向均布的搅拌杆(如图1所示)或搅拌框(如图2所示)。

所述内温调整装置7包括环绕于反应室3外壁的加热器和/或冷却器。

所述混合物料输入装置5和反应室3间设有单向阀51；所述超临界流体输入装置6和反应室3间设有气阀和计量阀61；所述减压装置8为安全阀、减压阀或排气孔。

所述壳体1为圆柱形或棱柱形(如长方体形)。

所述壳体1卧置，所述隔板2竖置或斜置。

本发明还提供一种用于生产聚合物微孔发泡材料的方法，其使用上述设备，并包括如下步骤：

1)备料：将聚合物粒料和发泡剂在密炼机中混合后投入混合物料输入装置5；

2)进料：隔板2在推杆21驱动下移动至外侧位C，混合物料输入装置5向反应室3中单向输入混合物料，减压装置8排出多余空气；或者，隔板2从内侧位A移动至外侧位C，把混合物料吸入反应室3中；

3)压缩加压：隔板2由外侧位C移动至中间位B，由减压装置8排出多余空气后，所有阀门闭合；隔板2再由中间位B移动至内侧位A，为反应室3加压；内温调整装置7工作，使反应室3内温调整至预定值；搅拌装置搅拌混合物料，搅拌头9在移动轴91的驱动下周向旋转并沿壳体1轴向往返平移，搅拌均匀后，搅拌头9在移动轴91的驱动下贴靠反应室3内壁并停止旋转；

4)充入超临界流体：超临界流体输入装置6向反应室3内单向输入超临界流体，通过隔板2保持反应室3内压，通过内温调整装置7使反应室3内温保持在预定值，溶胀渗透一定时间；

5)卸压：通过隔板2移位对反应室3进行卸压，并通过内温调整装置7使反应室3降温，最后使隔板2停留在成型位，混合物料形成整块聚合物微孔发泡材料；

6)出料：打开盖体4，通过隔板2将聚合物微孔发泡材料推出反应室3；

其中，

隔板2在外侧位C时，反应室3内腔体积达到最大预定值；

隔板2在内侧位A时，反应室3内腔体积达到最小预定值；

所述中间位B位于外侧位C与内侧位A之间；

所述成型位为中间位B或外侧位C。

清洗反应室3内壁，可准备下一工作循环。

将聚合物微孔发泡材料切除边角料和接触痕迹后，可切片状或块状，用热压或冷压工艺制成各种产品。

所述备料步骤中：聚合物粒料的用量为95～99.5重量份，发泡剂的用量为0.5～5重量份；所述聚合物粒料为EVA、ABS、HIPS、PP、PE中的一种或多种；所述发泡剂为AC发泡剂；

所述压缩加压步骤中：反应室3加压至14.5～15.5MPa，反应室3内温调整为130～170℃；

所述充入超临界流体压步骤中：超临界流体为二氧化碳或氮气；反应室3内压保持在14.5～15.5MPa，反应室3内温保持在130～170℃，溶胀渗透15～30分钟；

所述卸压压步骤中：反应室3降温至30℃，卸压速率为10MPa/s。

本发明设备结构简单可靠，通过隔板2的移动来控制反应室3的内压、加压速率、卸压速率等，灵活调整和控制发泡状态，生产效率高，能制造出大厚度、性质均一的块状聚合物微孔发泡材料。尤其对于EVA等，能发出厚度大于10cm的柱状原材料，目前市场上还没有超出此厚度的EVA材料。

本发明设备也可通过隔板2的反向移动，产生负压，从而使发泡体进一步增大，得到更低密度的轻质材料。

根据聚合物微孔发泡材料产品界面形状不同，密闭壳体1可为圆柱桶形，或者棱柱形(如长方体形)。

隔板2能在壳体1里轴向平移，同时与壳体1密封严密，根据不同聚合物微孔发泡材料的要求，例如低压发泡能承受2～7MPa的压力。

反应室3用于制出特定体积大小的聚合物微孔发泡材料。

混合物料输入装置5和反应室3间设有单向阀51，打开时进料，关闭时保持压力。

内温调整装置7包括加热器和/或冷却器，控制反应室3的工作温度。

高压气体输入装置，向反应室3内提供物理发泡剂。计量阀61用于控制物理发泡剂(二氧化碳或氮气)的流率。

搅拌装置包括搅拌头9和移动轴91，搅拌头9能旋转和沿壳体1轴向平移，能将注入的聚合物和发泡剂搅混分散均化。

搅拌装置实际上代替了注塑发泡工艺中的螺杆，存料空间更大，搅拌更均匀，成本更低。

搅拌头9可伸缩至反应室3内壁，以避免陷入成型材料内部。

搅拌头9内部可装加热管，在反应室3内部加热原料，使温度能均匀分布，加热和冷却能保持内外一致，使泡孔更加均匀一致。

搅拌头9也可加装温度传感器，测量原料内部温度，进一步保证内外温度一致。

搅拌头9可设计为各种形状，适用于不同搅拌环境，搅拌头9采用搅拌框，可以将靠近反应室3内壁的原料搅拌均匀，消除边缘区域(产品外表面)发泡不成熟的现象，减少浪费。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.用于生产聚合物微孔发泡材料的方法，其特征在于，使用设备生产聚合物微孔发泡材料，所述设备包括：

轴向延伸的密闭壳体，

内置于壳体并可沿壳体轴向平移的隔板，

壳体内腔被隔板分隔出的密闭反应室，

设于反应室一侧并用于输出聚合物微孔发泡材料的出口，

与出口连接并用于密闭出口的盖体，

与隔板连接并驱动隔板沿壳体轴向平移的驱动机构，

与反应室连接并向反应室单向输入聚合物和发泡剂的混合物料输入装置，

与反应室连接并向反应室单向输入超临界流体的超临界流体输入装置，

与反应室连接并用于调整反应室内温的内温调整装置，

与反应室连接并用于反应室减压的减压装置，

以及对反应室内的混合物料进行搅拌的搅拌装置；

所述搅拌装置包括：设于反应室内的搅拌头，以及驱动搅拌头周向旋转并沿壳体轴向平移的移动轴；

所述方法包括如下步骤：

1)备料：将聚合物粒料和发泡剂在密炼机中混合后投入混合物料输入装置；

2)进料：隔板在推杆驱动下移动至外侧位，混合物料输入装置向反应室中单向输入混合物料，减压装置排出多余空气；或者，隔板从内侧位移动至外侧位，把混合物料吸入反应室中；

3)压缩加压：隔板由外侧位移动至中间位，由减压装置排出多余空气后，所有阀门闭合；隔板再由中间位移动至内侧位，为反应室加压；内温调整装置工作，使反应室内温调整至预定值；搅拌装置搅拌混合物料，搅拌头在移动轴的驱动下周向旋转并沿壳体轴向往返平移，搅拌均匀后，搅拌头在移动轴的驱动下贴靠反应室内壁并停止旋转；

4)充入超临界流体：超临界流体输入装置向反应室内单向输入超临界流体，通过隔板保持反应室内压，通过内温调整装置使反应室内温保持在预定值，溶胀渗透一定时间；

5)卸压：通过隔板移位对反应室进行卸压，并通过内温调整装置使反应室降温，最后使隔板停留在成型位，混合物料形成整块聚合物微孔发泡材料；

6)出料：打开盖体，通过隔板将聚合物微孔发泡材料推出反应室；

其中，

隔板在外侧位时，反应室内腔体积达到最大预定值；

隔板在内侧位时，反应室内腔体积达到最小预定值；

所述中间位位于外侧位与内侧位之间；

所述成型位为中间位或外侧位。

2.根据权利要求1所述的用于生产聚合物微孔发泡材料的方法，其特征在于，所述搅拌头内设有加热管和/或温度传感器。

3.根据权利要求2所述的用于生产聚合物微孔发泡材料的方法，其特征在于，所述移动轴贯穿盖体，所述移动轴与盖体的结合部设有密封机构；所述驱动机构包括：与隔板连接并驱动隔板沿壳体轴向平移的推杆；所述推杆贯穿壳体，所述推杆与壳体的结合部设有密封机构。

4.根据权利要求3所述的用于生产聚合物微孔发泡材料的方法，其特征在于，所述搅拌头为沿移动轴周向均布的搅拌杆或搅拌框。

5.根据权利要求4所述的用于生产聚合物微孔发泡材料的方法，其特征在于，所述内温调整装置包括环绕于反应室外壁的加热器和/或冷却器。

6.根据权利要求5所述的用于生产聚合物微孔发泡材料的方法，其特征在于，所述混合物料输入装置和反应室间设有单向阀；所述超临界流体输入装置和反应室间设有气阀和/或计量阀；所述减压装置为安全阀、减压阀或排气孔。

7.根据权利要求6所述的用于生产聚合物微孔发泡材料的方法，其特征在于，所述壳体为圆柱形或棱柱形。

8.根据权利要求7所述的用于生产聚合物微孔发泡材料的方法，其特征在于，所述壳体卧置，所述隔板竖置或斜置。

9.根据权利要求8所述的用于生产聚合物微孔发泡材料的方法，其特征在于，

所述备料步骤中：聚合物粒料的用量为95～99.5重量份，发泡剂的用量为0.5～5重量份；所述聚合物粒料为EVA、ABS、HIPS、PP、PE中的一种或多种；所述发泡剂为AC发泡剂；

所述压缩加压步骤中：反应室加压至14.5～15.5MPa，反应室内温调整为130～170℃；

所述充入超临界流体步骤中：超临界流体为二氧化碳或氮气；反应室内压保持在14.5～15.5MPa，反应室内温保持在130～170℃，溶胀渗透15～30分钟；

所述卸压步骤中：反应室降温至30℃，卸压速率为10MPa/s。