CN108297333A - 一种多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品及其成型工艺 - Google Patents

一种多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品及其成型工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品及其成型工艺，属于材料加工领域。所述热塑性聚氨酯发泡制品分为若干部分，每个部分由不同密度的热塑性聚氨酯发泡材料组成，所述密度不同的热塑性聚氨酯发泡材料通过超临界二氧化碳发泡制得。

Description

一种多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品及其成型工艺
技术领域
本发明涉及一种多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品及其成型工艺，属于材料加工领域。
背景技术
热塑性聚氨酯弹性体(TPU)具有高模量、高强度、高伸长和高弹性，优良的耐磨、耐油、耐低温、耐老化性能，同时也因其具有环保概念，日益受到人们的欢迎。通过发泡技术使得TPU膨胀，颗粒内部产生大量微孔结构，制得的发泡材料具有低密度、高回弹性和柔韧性等优点，因此可以广泛应用于鞋底材料、包装与运输容器材料、缓冲垫片、汽车内饰等行业。通常情况下，由同一种泡沫材料成型的制品，功能相对比较单一，随着经济的发展，对TPU发泡材料的功能要求越来越严苛，不再仅限于一个TPU发泡制品的单一功能，而是希望同一TPU发泡制品的不同部分能够具有不同功能，以满足特殊领域的应用要求。因此，如果TPU发泡制品可实现各个部分填充不同密度的TPU发泡材料，就可以实现它功能的多样化，从而大大拓宽TPU发泡制品的应用领域。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品及其成型工艺，以解决目前发泡材料功能单一的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品，所述热塑性聚氨酯发泡制品分为若干部分，每个部分由不同密度的热塑性聚氨酯发泡材料组成，所述密度不同的热塑性聚氨酯发泡材料通过超临界二氧化碳发泡制得。本发明的热塑性聚氨酯发泡制品具有多维度功能，即不同部分呈现不同的功能，尤其是不同部分的弹性和缓冲性不一，满足某些对弹性和缓冲性能具备不一样要求的特殊领域。
热塑性聚氨酯发泡制品可以为球体，长方体、正方体、圆柱体等多面体。优选为球体，球体表面圆润不像多面体一样具有棱角，影响性能的表达，但是具体形状还是根据特定应用领域而定。热塑性聚氨酯发泡制品的若干部分优选为均匀等分的部分，首先，均匀等分使得成型过程中只需要使用一个模具，其次，不同密度的TPU发泡材料分布均匀，有利于TPU发泡制品性能提升。
TPU发泡制品的若干部分可以引入不同彩色料，让制品样式多样化，改善制品外观同时增加区分度。
作为优选，所述不同密度的热塑性聚氨酯发泡材料的最大密度差为0.06-0.20g/cm3。密度差太小，功能差异化体现不出来，密度差太大，各个部分之间不能有机融合，部分与部分之间容易脱落。优选地，不同密度的热塑性聚氨酯发泡材料的最小密度差为0.03-0.06g/cm3。
作为优选，所述热塑性聚氨酯为聚酯型热塑性聚氨酯和聚醚型热塑性聚氨酯中的一种或多种。多种类的热塑性聚氨酯制备的发泡材料性能要优于使用单一的热塑性聚氨酯，可能是不同类型的TPU形成复杂网络结构，实现了优势互补。
本发明采用以下技术方案达到本发明的另一个目的：一种多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品的成型工艺，所述工艺包括如下步骤：
(1)超临界二氧化碳发泡：将热塑性聚氨酯放入高压反应釜中，通入CO2，使CO2处于超临界状态进行保压渗透2-5h，泄压后迅速放入发泡设备，在100-150℃下加热发泡1-10min，制得不同密度的热塑性聚氨酯发泡材料；
(2)模压成型：将不同密度的热塑性聚氨酯发泡材料单独进行蒸汽模压成型，获得单个成型制品；
(3)将上述单个成型制品组合成多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品。
作为优选，所述单个成型制品通过蒸汽模压成型或胶粘剂或其他成型方式组合成多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品。
作为优选，高压反应釜的压力为10-40Mpa，温度为35-55℃。CO2的临界温度为31℃，临界压力7.38MPa，当温度和压力均超过临界值时的压缩CO2气体则为超临界CO2，一般而言，温度和压力越高，超临界CO2的渗透能力越好，但是设备的承受能力有限，若温度和压力过大，会严重损害设备，进而影响整个工艺。超临界CO2渗透进入热塑性聚氨酯中是一个缓慢的过程，保压渗透时间太短，超临界CO2还没有完全渗入弹性体，保压渗透时间太长，不利于节能，降低生产效率，所以选择渗透时间为2-5h。加热发泡温度为100-150℃，加热发泡时间为1-10min，若发泡处理的温度过高，则会导致材料发泡过大而爆裂，温度过低则发泡的倍率不够。
通过调控超临界二氧化碳发泡的工艺，制得不同密度的TPU发泡材料。本发明所使用的TPU发泡材料的密度为0.1-0.3g/cm3。
上述彩色料在超临界二氧化碳发泡过程中加入，与TPU混合后进行发泡。
所述超临界二氧化碳发泡中，还包括将热塑性聚氨酯与纳米填料的共混物进行发泡。所述纳米填料的质量为共混物的3-10％，其中纳米填料为碳酸钙、高岭土、滑石粉、云母粉、硫酸钡、硅灰石和硅藻土中的一种多多种，且粒径为0.1-50μm。纳米填料的存在不仅能在发泡过程中可以提供大量的成核点，诱导异相成核，从而发泡质量，也能增强补强TPU发泡材料。
作为优选，所述蒸汽模压成型的温度为150-220℃，压力为0.1-0.8MPa，保压时间为3-10min。根据热塑性聚氨酯发泡材料密度的不同，相应调整蒸汽模压成型条件。
发泡材料进行蒸汽模压成型的具体步骤为：先将模具进行预热，使模具的表面温度达到发泡材料的熔点；将发泡材料由料枪打入模具腔体内，然后通入0.1-0.8MPa、150-220℃高温蒸汽，此时关闭一边的冷凝水阀，打开蒸汽进汽阀，同时，使相对面的蒸汽进汽阀关闭，冷凝水阀打开，以使蒸汽从相反的方向喷出；在一定压力下，各个颗粒表面相互熔融粘合制得制品，保压3-10min后，卸掉蒸汽，冷却。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
1、本发明的热塑性聚氨酯发泡制品具有多维度功能，即不同部分呈现不同的功能，可以根据需要定制化设计各个部分的功能，以满足某些特殊领域的应用要求。
2、TPU发泡制品的成型方式简单易操作，环保无污染。
附图说明
图1为TPU发泡制品四等分截面示意图。
图2为TPU发泡制品四不等分截面示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例以及附图对本发明的技术方案作进一步描述说明。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
图1中的四等分区域填充有四种不同密度的TPU发泡材料，作为对比，图2中的四不等分区域同样填充有四种不同密度的TPU发泡材料。
本发明中使用的TPU为美国路博润公司的Estane品牌，牌号为：5703、5708、54640和58212。5703和5708为聚酯型TPU，54640和58212为聚醚型TPU。
实施例1
将5703TPU放入高压反应釜中，通入CO2，高压反应釜的压力为35Mpa，温度为48℃，保压渗透5h，在泄压后迅速放入发泡设备，在140℃下加热发泡9min，制得密度为0.15g/cm3的发泡材料；
将5703TPU放入高压反应釜中，通入CO2，高压反应釜的压力为32Mpa，温度为46℃，保压渗透5h，在泄压后迅速放入发泡设备，在130℃下加热发泡9min，制得密度为0.18g/cm3的发泡材料；
将5703TPU放入高压反应釜中，通入CO2，高压反应釜的压力为30Mpa，温度为45℃，保压渗透4.5h，在泄压后迅速放入发泡设备，在130℃下加热发泡8min，制得密度为0.23g/cm3的发泡材料；
将5703TPU放入高压反应釜中，通入CO2，高压反应釜的压力为20Mpa，温度为45℃，保压渗透4h，在泄压后迅速放入发泡设备，在120℃下加热发泡8min，制得密度为0.27g/cm3的发泡材料；
将密度为0.15g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.30MPa、180℃高温蒸汽，保压3min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，取出制品；将密度为0.18g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.35MPa、190℃高温蒸汽，保压4min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，取出制品；将密度为0.23g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.40MPa、190℃高温蒸汽，保压5min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，取出制品；将密度为0.27g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.45MPa、200℃高温蒸汽，保压6min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，取出制品；
将上述制得的A、B、C和D制品通过蒸汽模压成型组合成多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品。如图1所示，该热塑性聚氨酯发泡制品为球体，球体均匀分为四个部分A、B、C和D，在本实施例中，A填充0.15g/cm3的发泡材料，B填充0.18g/cm3的发泡材料，C填充0.23g/cm3的发泡材料，D填充0.27g/cm3的发泡材料。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，实施例1中的5703TPU被5703TPU和54640TPU以质量比1:1形成的混合物取代，其它条件跟实施例1相同。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于：如图2所示，实施例3制得的热塑性聚氨酯发泡制品为球体，球体不均匀地分为四个部分A、B、C和D，其中，A填充0.15g/cm3的发泡材料，B填充0.18g/cm3的发泡材料，C填充0.23g/cm3的发泡材料，D填充0.27g/cm3的发泡材料，其它条件跟实施例1相同。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于，实施例4使用5703TPU和硫酸钡的混合物进行发泡，其中硫酸钡的质量为混合物总量的5％，其它条件跟实施例1相同。
实施例5
将5703TPU放入高压反应釜中，通入CO2，高压反应釜的压力为35Mpa，温度为52℃，保压渗透5h，在泄压后迅速放入发泡设备，在150℃下加热发泡10min，制得密度为0.10g/cm3的发泡材料；
将5703TPU放入高压反应釜中，通入CO2，高压反应釜的压力为32Mpa，温度为46℃，保压渗透5h，在泄压后迅速放入发泡设备，在130℃下加热发泡9min，制得密度为0.18g/cm3的发泡材料；
将5703TPU放入高压反应釜中，通入CO2，高压反应釜的压力为20Mpa，温度为45℃，保压渗透4h，在泄压后迅速放入发泡设备，在120℃下加热发泡7min，制得密度为0.28g/cm3的发泡材料；
将5703TPU放入高压反应釜中，通入CO2，高压反应釜的压力为15Mpa，温度为45℃，保压渗透3.5h，在泄压后迅速放入发泡设备，在110℃下加热发泡7min，制得密度为0.32g/cm3的发泡粒子；
将密度为0.10g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.25MPa、170℃高温蒸汽，保压2.5min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，取出制品；将密度为0.18g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.35MPa、190℃高温蒸汽，保压4min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，取出制品；将密度为0.28g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.45MPa、200℃高温蒸汽，保压6.5min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，取出制品；将密度为0.32g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.5MPa、210℃高温蒸汽，保压7min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，取出制品；
将上述制得的四种制品通过蒸汽模压成型组合成多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品。如图1所示，该热塑性聚氨酯发泡制品为球体，球体均匀分为四个部分A、B、C和D，在本实施例中，A填充0.10g/cm3的发泡材料，B填充0.18g/cm3的发泡材料，C填充0.28g/cm3的发泡材料，D填充0.32g/cm3的发泡材料。
实施例6
将5708TPU和58211TPU以1:1.2形成的混合物放入高压反应釜中，通入CO2，高压反应釜的压力为35Mpa，温度为52℃，保压渗透5h，在泄压后迅速放入发泡设备，在150℃下加热发泡10min，制得密度为0.10g/cm3的发泡材料；
将5708TPU和58211TPU以1:1.2形成的混合物放入高压反应釜中，通入CO2，高压反应釜的压力为35Mpa，温度为48℃，保压渗透5h，在泄压后迅速放入发泡设备，在140℃下加热发泡9min，制得密度为0.15g/cm3的发泡材料；
将5708TPU和58211TPU以1:1.2形成的混合物放入高压反应釜中，通入CO2，高压反应釜的压力为32Mpa，温度为46℃，保压渗透5h，在泄压后迅速放入发泡设备，在130℃下加热发泡9min，制得密度为0.18g/cm3的发泡材料；
将5703TPU放入高压反应釜中，通入CO2，高压反应釜的压力为30Mpa，温度为45℃，保压渗透5h，在泄压后迅速放入发泡设备，在130℃下加热发泡8min，制得密度为0.22g/cm3的发泡材料；
将密度为0.10g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.25MPa、170℃高温蒸汽，保压2.5min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，取出制品；将密度为0.15g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.30MPa、180℃高温蒸汽，保压3min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，取出制品；将密度为0.18g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.35MPa、190℃高温蒸汽，保压4min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，取出制品；将密度为0.22g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.40MPa、180℃高温蒸汽，保压5min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，取出制品；
将上述制得的四种制品通过胶黏剂组合成多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品。如图1所示，该热塑性聚氨酯发泡制品为球体，球体均匀分为四个部分A、B、C和D，在本实施例中，A填充0.10g/cm3的发泡材料，B填充0.15g/cm3的发泡材料，C填充0.18g/cm3的发泡材料，D填充0.22g/cm3的发泡材料。
对比例1
将5708TPU放入高压反应釜中，通入CO2，高压反应釜的压力为35Mpa，温度为48℃，保压渗透5h，在泄压后迅速放入发泡设备，在140℃下加热发泡9min，制得密度为0.15g/cm3的发泡材料；将密度为0.15g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.30MPa、180℃高温蒸汽，保压3min后，卸掉蒸汽，打开模具，冷却，开模取出制品，制得密度为0.15g/cm3的发泡制品。制品为实施例1所述的球体。
对比例2
将5708TPU放入高压反应釜中，通入CO2，高压反应釜的压力为32Mpa，温度为46℃，保压渗透5h，在泄压后迅速放入发泡设备，在130℃下加热发泡9min，制得密度为0.18g/cm3的发泡材料；将密度为0.18g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.35MPa、190℃高温蒸汽，保压4min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，制得密度为0.18g/cm3的发泡制品。制品为实施例1所述的球体。
对比例3
将5703TPU放入高压反应釜中，通入CO2，高压反应釜的压力为30Mpa，温度为45℃，保压渗透4.5h，在泄压后迅速放入发泡设备，在130℃下加热发泡8min，制得密度为0.23g/cm3的发泡材料；将密度为0.23g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.40MPa、190℃高温蒸汽，保压5min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，制得密度为0.23g/cm3的发泡制品。制品为实施例1所述的球体。
对比例4
将5703TPU放入高压反应釜中，通入CO2，高压反应釜的压力为20Mpa，温度为45℃，保压渗透4h，在泄压后迅速放入发泡设备，在120℃下加热发泡8min，制得密度为0.27g/cm3的发泡材料；将密度为0.27g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.45MPa、200℃高温蒸汽，保压6min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，制得密度为0.27g/cm3的发泡制品。制品为实施例1所述的球体。
对比例5
对比例5与实施例1的区别在于，对比例5中密度不同的热塑性聚氨酯发泡材料采用常规物理发泡法制得，发泡剂为偶氮二甲酰胺，控制发泡温度和时间，分别制得密度为0.15g/cm3、0.18g/cm3、0.23g/cm3和0.27g/cm3的发泡粒子。后续步骤同实施例1，不在此赘述。
对比例6
对比例6与实施例1的区别在于：将密度为0.15g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.89MPa、230℃高温蒸汽，保压12min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，取出制品；将密度为0.18g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.95MPa、200℃高温蒸汽，保压13min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，取出制品；将密度为0.23g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.99MPa、240℃高温蒸汽，保压11min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，取出制品；将密度为0.27g/cm3的发泡粒子通过料枪打入预热的模具中，通入0.99MPa、250℃高温蒸汽，保压14min后，卸掉蒸汽，打开单元模具，冷却，取出制品。后续步骤同实施例1，不在此赘述。
对实施例1-6和对比例1-6制得的产品进行性能测定，分别测定TPU发泡制品的A、B、C和D面的回弹率以及冲击吸收率。测定结果如表1所示。
表1实施例1-6和对比例1-6的性能指标
从表1中可知，本发明制备出的热塑性聚氨酯发泡制品具有多维度功能，实施例1-6中的A、B、C和D部分具有不同的回弹吸收率和冲击吸收率，其功能可根据具体应用需要，通过进行组分上的调节，从而实现不同的功能以及功能的差异化程度，以满足不同场合的应用要求。
另外，本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内；同时本发明方案所有列举或者未列举的实施例中，在同一实施例中的各个参数仅仅表示其技术方案的一个实例(即一种可行性方案)。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品，其特征在于，所述热塑性聚氨酯发泡制品分为若干部分，每个部分由不同密度的热塑性聚氨酯发泡材料组成，所述密度不同的热塑性聚氨酯发泡材料通过超临界二氧化碳发泡制得。
2.根据权利要求1所述的一种多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品，其特征在于，所述不同密度的热塑性聚氨酯发泡材料的最大密度差为0.06-0.20g/cm3。
3.根据权利要求1或2所述的一种多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品，其特征在于，所述热塑性聚氨酯为聚酯型热塑性聚氨酯和聚醚型热塑性聚氨酯中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的一种多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品的成型工艺，其特征在于，所述工艺包括如下步骤：
(1)超临界二氧化碳发泡：将热塑性聚氨酯放入高压反应釜中，通入CO2，使CO2处于超临界状态进行保压渗透2-5h，泄压后迅速放入发泡设备，在100-150℃下加热发泡1-10min，制得不同密度的热塑性聚氨酯发泡材料；
(2)模压成型：将不同密度的热塑性聚氨酯发泡材料单独进行蒸汽模压成型，获得单个成型制品；
(3)将上述单个成型制品组合成多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品。
5.根据权利要求4所述的一种多维度功能的热塑性聚氨酯发泡制品的成型工艺，其特征在于，所述蒸汽模压成型的温度为150-220℃，压力为0.1-0.8MPa，保压时间为3-10min。
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