CN112512771A - 可生物降解和工业可堆肥的注射成型微孔软质泡沫及制造其的方法 - Google Patents

Abstract

本文件公开了由可生物降解和工业可堆肥的生物衍生的热塑性树脂注射成型微孔发泡各种软质泡沫组合物的方法，其用于例如鞋类组件、座椅组件、保护性齿轮组件和水上运动配件，其中制造方法包括以下步骤：生产合适的热塑性生物聚合物或生物聚合物共混物；用惰性氮气将所述热塑性生物聚合物或生物聚合物共混物注射成型成合适的模具形状；控制所述聚合物熔体、压力、温度和时间，从而形成所需的软质泡沫；以及利用所述注射成型过程中的气体反压，以确保所述发泡结构外部具有最少量的外观缺陷且几乎没有到没有塑料外皮的最佳泡沫结构。

Description

可生物降解和工业可堆肥的注射成型微孔软质泡沫及制造其 的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求标题为“BIODEGRADABLE AND INDUSTRIALLY COMPOSTABLE INJECTIONMOULDED MICROCELLULAR FLEXIBLE FOAMS, AND A METHOD OF MANUFACTURING THESAME,”且在2018年5月21日提交的美国临时专利申请号62/674,544的优先权和权益，其公开内容出于所有目的通过引用以其整体并入本文。

背景技术

本发明涉及由可生物降解和工业可堆肥的生物衍生热塑性树脂注射成型微孔发泡各种软质泡沫组合物的方法，其用于例如鞋类组件、座椅组件、保护性齿轮组件和水上运动配件。

通过堆肥进行降解是再生用于生产制成品的资源的重要方法。然而，当那些制成品涉及泡沫时，分解是有问题的。特别地，常规已知的软质泡沫制造方法存在几个缺点。例如，这些缺点包括选择和使用不可再生的聚合物、化学发泡剂和化学添加剂，它们在泡沫制造工业及其固有的处理工序中采用时通常不会生物降解，并且通常被认为对环境有害。这种生物降解的缺乏意味着许多常规的软质泡沫材料和包含它们的产品在几十年到几百年内在任何地方都是最终被填埋。

这也是有问题的，因为当今世界上垃圾填埋的过度使用对环境和经济两者都具有直接的负面影响。例如，在美国，垃圾填埋是第三大甲烷排放源。此外，在常规软质泡沫中使用的上述不可生物降解的聚合物和化学品特别衍生自不可再生的资源。这些材料不是天然可再生的，正如在生物衍生原料的情况，因此，它们的真正产生对环境是净损失，因为它们的材料经常被取用、使用，然后不可持续地被丢弃。此外，即使选择可再生聚合物用于常规已知的软质泡沫制造方法中，那些方法的化学发泡剂和交联也将可能因不可生物降解或堆肥的添加剂而污染可再生聚合物。因此，使其变成零和增益。此外，生物聚合物的交联也可能阻止任何合适的用于生物降解或堆肥的寿命终期解决方案，因为无法分离前体组分，从而导致更多的废物产生和更多的材料进入垃圾填埋场。

因此，尽管堆肥是提供可再生和可持续未来的重要方法，但是其在制造工业中的集成非常有限。然而，如果制造的材料可以制成可堆肥的，则其例如对于环境将是非常有用的。例如，软质泡沫材料的堆肥和生物降解产生了废物处置机会，这代表着对环境和经济的净效益。例如，通过将这些材料堆肥，可以减少送到垃圾填埋场和大量燃烧焚烧炉的废物的总量。

除了减少废物之外，堆肥过程还将产生富营养的可用产物，并且可用于改良贫瘠土壤以种植粮食或使花园肥沃。因此，尽管是新颖的，但堆肥和生物降解软质泡沫的非常观念可以彻底变革整个价值链，同时遵守所谓的循环经济的原则。有两种典型的堆肥形式：工业堆肥和家庭堆肥。这两种堆肥方法都具有益处和缺点。

工业堆肥是一种大规模堆肥形式，其被设计成处理非常大量的有机废物。其在大规模设施中在50℃至60℃的温度下进行。家庭堆肥是一种处理来自一个家庭的有机废物的堆肥形式。特别地，家庭堆肥是指在相对较低的温度下堆肥，如在家中的后院堆肥堆中见到的那些，因此名为“家庭”。与工业堆肥相比，家庭堆肥涉及有机材料或废物的较冷的需氧分解，所述有机材料或废物例如庭院下脚料、厨房碎屑、刨花、纸板和纸。家庭堆肥中处理的量比工业堆肥中处理的量小得多，并且堆肥通常用于私人花园。这个过程通常在小规模堆肥器和堆中进行。在这种方法中，温度通常在嗜冷(0-20℃)至嗜温(20-45℃)范围内(下文解释)。因此，存在不同的技术，但是一般处理是相同的：活性物堆肥接着固化的受控过程。

活性物堆肥阶段通常持续至少21天。在这些条件下，微生物在有机废物上生长，将其分解成CO₂和水，将其用作营养物。在堆肥期间，将有机废物堆积，结果，堆肥的部分能量作为热量释放。当肥堆的温度增加时，微生物群体发生转变：适应于环境温度的微生物(例如嗜温生物)停止其活性，死亡，并被适应于在高温下存活的微生物(例如嗜热生物)所替代。为了卫生的目的，对于家庭堆肥，温度应当维持在60℃以上至少一周，以便消除病原微生物。相反，工业堆肥的固化阶段将分解速率减慢到一致的程度，并且堆肥在低于40℃的较低嗜温范围内的温度下成熟。

工业堆肥的主要问题是输入原料应该适当处置以便有效地处理。也就是说，后勤挑战是一个障碍，因为需要适当地收集、分类并运输到工业堆肥设施。美国的组合堆肥和再循环转移率为约35%，这表明社会在绝大多数基础设施“闭环”废物转移之前还有很长的路要走。克服这种不足的一种方法是更好地教育终端用户并建立反馈到更大收回方案的收回方案的局部网络。开发足够的工业堆肥便利性和可及性的目标在日常生活中变得规范化并永远存在。

同样，家庭堆肥的普遍缺点是所涉及的工作量。所有需要的堆肥原料都需要被运送和/或转移到肥堆。一旦肥堆大到足以开始产生能量，并由此产生热量，则需要将其转变以使分解更快和更彻底，这可能是艰巨的工作。当有机物被充分分解时，必须运走家庭堆肥以用于土壤改良。家庭堆肥的另一缺点是普通人在家庭环境中可以产生的可用堆肥的量有限。有限的堆肥产生量潜在地让位给有限使用，因此，普通人致力于家庭堆肥工作的动机可能是低的。

由于这些缺点，传统上，制造业已经避免使用具有生物降解或堆肥潜力的原材料和前体成分。另外，传统上避免此的原因是这些材料所需的技术性能特性通常不如常规的不可生物降解和不可堆肥的种类。例如，一些但不是全部可堆肥前体成分的限制因素可能是这些成分趋于在产品的使用寿命结束之前分解和/或降解。这样的一个实例是紫外线敏感产品，由此，可生物降解和可堆肥的前体可能被反复的日光暴露侵袭和削弱，这可能最终导致产品在最终用户准备处置这个产品之前就损坏了。

另外，现代制造的当前关注点是排放物和废物方面的净中性、制造过程中使用的材料方面的可持续性以及产品及其材料的寿命终期方面的可再生性。因此，除了最终产品的可堆肥性之外，其净中性(例如关于CO₂排放)在选择用于制造消费品产品的适当材料方面变得重要。

因此，与目前存在的更传统的制造方法相比，对于本文公开的本发明制造方法来说，关键的驱动力是制造商生产环保的最终产品，因此，有用的是仔细考虑制造所述最终产品所用的材料并使其与产品的预期使用寿命相平衡。在生产期间这些问题应该解决但未被解决的挑战性产品的实例是采用泡沫的标准制造产品，例如在生产例如用于家具的缓冲材料中，和/或泡沫产品，例如用于制造跑鞋。

例如，跑鞋是一种高度专业化的产品，其暴露于反复滥用，例如：冲击、磨损和在可能是1-3年的相当长时间内的所有方式的环境暴露；取决于使用频率。当考虑用于制造用于家具或鞋底、中底的缓冲和/或用于跑鞋内底的缓冲的可持续材料时，重要的是考虑上述要求。无法在破损之前处理重复滥用的材料将不能生产令人满意的跑鞋。另外，在预期的寿命终期之前，在常规产品使用期间具有分解或弱化至破损点的可能性的任何材料都将是不可接受的。

为了解决这个问题，必须寻求具有技术性能特性和可持续性方面的恰当平衡(例如具有管理的寿命终期解决方案的可堆肥性)的专用材料，其相对于有害排放是净中性的(或负的)。特别地，由于家具缓冲材料体积大并且跑鞋是一种高要求的产品，家庭堆肥材料将不是用于其制造的合适的解决方案，因为较低的分解温度将转化为早于预期寿命终期就崩塌的家具或跑鞋。在这个实施例中，工业堆肥的材料是好得多的选择，因为它们可以处理更高的温度挑战，并且提供更好的技术性能特性，接近等于或等于它们的非工业可堆肥和非生物可降解的对应物。

基本上，用工业可堆肥材料制造的家具或跑鞋在产品的使用寿命期间将非常好地起作用，并且仅在产品的使用寿命结束时，材料才具有针对“闭环”废物转移的工业堆肥设置的选择。

因此，在可能的情况下，为了减少通常伴随制造过程的破坏性足迹，材料和制造过程应当以允许在产品寿命结束之后易于堆肥的方式制定。然而，如上所述，这是困难的，因为市售可得的可生物降解和可堆肥的前体非常有限。那些确实存在的材料不一定是设计好的，并且未必能够解决性能和长期可用性的所有组合挑战，同时在其使用寿命结束时在受控环境中容易地堆肥和生物降解。那些解决了上述挑战中的一些的前体不能解决其他问题，并且这导致消费者可能出现困境，并可能对含有它们的产品带来不好的评论。

尽管存在这些显著的缺点，但是能够在工业设施或在家堆肥的材料理论上将是可再生、可持续和绿色制造中的有用起始产品。

本发明制造方法的另一个方面是关于软质泡沫的生产。软质泡沫是一种通过将气穴截留在液体或固体中而形成的物体，由此所得泡沫部分地由于其延展性而被称为软质。软质泡沫材料通常用于缓冲应用，例如鞋类、家具、被褥和其他体育用品。软质泡沫通常分为两类：闭孔软质热塑性聚合物泡沫和开孔软质聚氨酯泡沫。这些泡沫类型中的每一种都具有非常不同的制造方法。

闭孔软质热塑性聚合物泡沫通常以干法生产，其中选择合适的人造聚合物并将其与各种化学添加剂、交联剂和化学发泡剂共混以生产“料团”，然后将料团捏合并挤出成扁平片材。然后将片材彼此堆叠并在受控压力下置于热压机中。所述材料混合物和化学发泡剂在热压腔内反应并膨胀。结果得到闭孔软质泡沫“块(bun)”或“块(block)”，然后将其切成一定厚度。相反，开孔软质聚氨酯泡沫通常以液体浇注过程或液体成型过程生产，其中人造多元醇化合物、异氰酸酯化合物和其他化学添加剂在浇注或注射成模制形状如“块(bun)”或“块(block)”时一起反应。结果得到开孔软质泡沫，然后将其切成一定厚度。

与上述一致，目前市场上可获得的软质泡沫的问题之一是它们几乎排他地使用不可再生的材料，并且在它们的制造中使用有害的化学品。此外，部分地由于在上述制造常规软质泡沫的方法中发生的化学交联，这些软质泡沫的物理结构不能被堆肥、生物降解或回收利用。这在很大程度上是由于其设计的化学组成和其不能被分离回到其根前体成分。也就是说，在常规软质泡沫材料寿命结束时，它没有进一步的用途，不能以任何已知的商业上可行的方法成功地再处理成新材料。

因此，鉴于上述内容，本文呈现了可用于生产可再生、可持续和/或对环境负责的最终产品的软质泡沫和制造方法，所述材料和最终产品能够持续使用而不分解，但在寿命结束后快速降解和堆肥。在以下所附描述中并且关于所呈现的附图及其特点阐述一个或多个实施方案的细节。从说明书、附图和权利要求书中将显而易见其他特点和优点。

发明内容

本文件呈现了由可生物降解和工业可堆肥的热塑性树脂改进注射成型微孔发泡各种软质泡沫组合物的方法。目前，世界上几乎所有已知的软质泡沫都衍生自不可再生的原料，并且大多数(如果不是全部的话)不是生物降解的或工业堆肥的。本发明的一个目的是生产软质泡沫，其引起最少量的环境危害，但也具有等于或大于常规不可生物降解的石化软质泡沫的显著技术性能特性。通过选择植物源原料用于生产生物聚合物，本发明有助于自大气隔绝温室气体，大大降低了对不可再生石油的依赖性，并显著减少了每年最终填埋的不可生物降解的废物。

在各种实施方案中，由此生产的软质泡沫可构造成工业堆肥，而不是家庭堆肥，尽管可设想家庭堆肥在一些情况下是可用的，这取决于市场。在各种情况下，工业堆肥是有用的，因为它确保软质泡沫将在功能化的最终产品的使用寿命期间持续有用，并且不会在成品使用中途时分解或崩裂。例如，对于购买一双仅由本发明的软质泡沫制成的鞋的人来说，在正常使用期间在鞋的使用寿命结束之前泡沫降解是不利的。

因此，在一个方面，本文可以提供制造可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫的方法，无论所述软质泡沫是开孔的还是闭孔的，并且所述方法可以包括以下步骤中的一个或多个：生产用于发泡的共混有热塑性生物聚合物的母料；用惰性氮气将所述热塑性生物聚合物共混物注射成型成合适的模具形状；使用动态模具温度控制，以确保最佳的孔结构；控制生物聚合物熔体、压力和时间，从而形成所需的软质泡沫；以及利用注射成型过程中的气体反压，以确保发泡部件外部具有最少量的外观缺陷且几乎没有到没有塑料外皮的最佳泡沫结构。

本公开的制造方法与仔细选择的生物衍生和可再生的原料合作打开了环境友好的闭环方法的大门。所述闭环方法开始于适当的材料选择。例如，选择第三方认证可堆肥的惰性且可快速再生的聚合物原料确保努力坚持循环经济的原则。为了这些目的，所选择的可快速再生的聚合物原料以可再生植物或矿物质的形式开始其寿命。一旦转化为合适的聚合物，这些对环境负责的前体可以与其他对环境负责的前体和成分组合，功能化成可以在所公开的制造方法中采用的定制的生物聚合物化合物。

特别地，一旦产生了合适的生物聚合物化合物，则在本公开的无化学品的制造方法中对其进行处理。所得软质泡沫材料是非交联的，并且在许多情况下，是可生物降解的和可堆肥的，例如，完全可生物降解和可堆肥的。因此，在其使用寿命结束时，可以将这些产生的泡沫仔细地研磨成小块，并在合格的设施中工业堆肥，以将其例如100%的组成分解回可用的生物质。然后，这种可用的生物质可用于生长更惰性和可快速再生的聚合物原料材料，并且所述过程以无限循环继续。因此，本文件描述可生物降解和工业可堆肥的微孔软质泡沫材料及其制造方法。所述泡沫可以是闭孔泡沫，但也可以潜在地形成为开孔泡沫。

在各种实施方案中，可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫可以被制成具有与常规石化乙烯乙酸乙烯酯(EVA)泡沫等相同的特性和特征，并且还含有高百分比的生物质-碳含量。例如，软质EVA泡沫是当今工业中普遍使用的材料。使EVA泡沫如此流行的是其相对低的成本和容易处理，同时对于给定的产品维持通常可接受的技术性能特性。EVA泡沫的不利方面很多。所述材料通常衍生自不可再生的原料，并且它与化学发泡剂化学交联以生产不易于生物降解、堆肥或回收的软质泡沫。

使本文所呈现的进步非常有用的一个因素是所产生的泡沫和由此生产的制成品的功能在于它们以类似于EVA的方式发挥功能，并且因此它们的技术性能特性类似于没有化学添加剂和交联的EVA的技术性能特性。结果得到商业上可接受的软质泡沫，其可以是普遍存在的EVA的直接替代品，但是其提供大大降低的环境影响和对环境负责的管理寿命终期解决方案。

因此，在一个方面，提供了用于制造可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫模制品的方法。在各种情况下，所述方法可以包括以下步骤中的一个或多个。例如，所述方法可以包括将用于发泡的共混有热塑性生物聚合物的母料引入成型设备的料筒中。所述方法可以另外包括在一定的温度和压力条件下将流体引入所述料筒中以产生超临界流体，所述超临界流体在与所述共混有热塑性生物聚合物的母料接触时产生热塑性发泡熔体。此外，所述方法可以包括将热塑性发泡熔体注射到合适模具形状的空腔中，并向所述空腔施加气体反压。最后，可以冷却所述空腔以产生模制品。

在各种情况下，一种或多种热塑性生物聚合物母料的引入经由注口衬套进行，例如其中共混有热塑性生物聚合物的母料经由双螺杆挤出机生产。在一个实施方案中，所述共混有热塑性生物聚合物的母料包含聚乳酸(PLA)、聚羟基链烷酸酯(PHA)、乙酸纤维素(CA)、淀粉和石油衍生的热塑性物中的一种或多种。在各种情况下，流体经由计量单元引入料筒中。在特定情况下，超临界流体包含氮气和二氧化碳中的一种或多种。超临界流体可以在一定的压力和温度下引入，例如其中压力范围为约150巴至约300巴，并且温度范围为约150℃至约350℃。同样，气体反压范围为约5巴至约50巴，施加时长为1秒至25秒。在某些情况下，温度可以经由动态模具温度控制来控制。

另外，在另一个方面，提供用于生产可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫模制品的注射成型设备。在各种情况下，所述注射成型设备可以包括以下中的一个或多个。可包括料斗，例如其中所述料斗构造成接收多种热塑性生物聚合物并将其引入成型设备中，例如热塑性生物聚合物在其中形成待共混的母料。可以包括计量单元，例如其中所述计量单元构造成接收流体，且在一定条件下将所接收的流体引入成型设备中，以在所述引入时产生超临界流体。所述成型设备可以包括具有第一空腔的料筒，所述料筒构造成接收共混的热塑性生物聚合物母料和流体，使得当将它们引入所述料筒中时，当超临界流体接触料筒空腔内的共混的热塑性生物聚合物母料时产生热塑性发泡熔体。还可以包括气体反压传送单元，其中GCP构造成将气体反压传送到第一空腔以控制发泡熔体的膨胀。此外，还可以包括具有与料筒的空腔流体连通的空腔的模具，其中所述模具的空腔构造成接收发泡熔体且在熔体冷却时产生软质泡沫模制品。

在各种实施方案中，注射成型设备可以包括往复螺杆，所述往复螺杆构造成压缩料筒的空腔内的发泡熔体，并且将压缩的发泡熔体输送到模具的空腔中。因此，在料筒的空腔和模具的空腔之间可以存在导管，其中所述导管包括具有注口衬套的喷嘴，以在料筒和模具之间形成密封。

因此，注射成型设备可以包括以下中的一个或多个：料斗，热塑性材料以小粒料形式供应到模具中。注射成型机上的料斗保持这些粒料。粒料可以从料斗通过料斗喉部重力进料到料筒和螺杆组件中。还可以包括料筒，其中注射成型机的料筒支撑往复塑化螺杆，且可以由电加热带加热。还可以存在往复螺杆,其中所述往复螺杆用于压缩、熔化和输送材料。往复螺杆可以包括三个区：进料区、压缩(或过渡)区和计量区。还可以存在喷嘴，其中所述喷嘴将料筒连接到模具的注口衬套且在料筒与模具之间形成密封。喷嘴的温度可以设定为材料的熔体温度或刚好低于所述熔体温度。当料筒处于其完全向前的处理位置时，喷嘴的半径可以利用定位环嵌套和密封在注口衬套中的凹半径内。在对料筒进行清洗期间，料筒可能从注口退出，因此清洗化合物可以从喷嘴自由下落。

另外，还可以提供模具和液压系统。模具系统可以包括系杆、固定压板和移动压板，以及容纳空腔、注口和流道系统、排出销、加热和冷却通道以及温度传感器和压力传感器的模制板(基底)。模具基本上是热交换器，其中熔融的热塑性物凝固成由空腔限定的所需形状和尺寸细节。在注射成型机上还可以存在液压系统，以便提供动力来打开和关闭模具、建立和保持锁模吨数、转动往复螺杆、驱动往复螺杆以及激励排出销和移动模芯。需要许多液压组件来提供这种动力，这些液压组件包括泵、阀、液压马达、液压配件、液压管和液压油箱。

还可以提供控制系统。所述控制系统可以构造成在机器操作中提供一致性和可重复性。其监测和控制处理参数，包括温度、压力、SCF配料、注射速度、螺杆速度和位置以及液压位置。处理控制可以对最终部件质量和处理经济性具有直接影响。处理控制系统的范围可以从简单的继电器开/关控制到极其复杂的基于微处理器的闭环控制。

还可以提供合模系统。所述合模系统可以构造成打开和关闭模具，支撑和承载模具的组成部件，并且产生足够的力以防止模具打开。合模力可以由机械(肘节)锁、液压锁或这两种基本类型的组合来产生。还可以提供传送系统。提供用于熔融塑料从机器喷嘴到部件空腔的通道的传送系统通常包括：注口、冷料井、主流道、支流道、浇口等。

因此，在另一个方面，提供了生产可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫模制品的系统。所述系统可以包括用于生产如上所述的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫模制品的注射成型设备。所述系统另外可以包括超临界气体配料系统，其构造成接收流体并在一定条件下将接收的流体引入料筒的第一空腔中以在所述引入时产生超临界流体，当所述超临界流体接触第一空腔内的共混的热塑性生物聚合物母料时，所述超临界流体产生发泡熔体。所述系统还可以包括动态温度控制系统，其构造成控制第一空腔和第二空腔中的一个或多个内的温度。还可以包括气体反压传送单元，其构造成将气体反压传送到第一空腔，以控制发泡熔体的膨胀。此外，可以包括具有一个或多个微处理器的控制单元，其中所述控制单元构造成根据一个或多个系统参数控制注射成型设备、超临界气体配料系统、动态温度控制系统和气体反压传送单元中的一个或多个。

特别地，系统组件可以包括注射成型机系统，所述注射成型机系统包括上述组件的集合，这些组件一起工作以成功地模制部件。这些部件是料斗、料筒、往复螺杆、喷嘴、模具系统、液压系统、控制系统、合模系统和传送系统。可以包括SCF气体配料系统，并且所述SCF气体配料系统包括惰性气体(例如氮气)罐、空气压缩机、SCF计量和控制装置、SCF喷射器和特别设计的往复螺杆，以及前止回阀和后止回阀两者。也可以提供动态温度控制系统，并且所述动态温度控制系统包括加热单元、冷却单元、顺序阀和计算机控制。此外，在模具的主体内设有加热元件和冷却通道，它们由动态温度控制系统进料，加热介质或冷却介质通过它们循环。它们的功能是调节模具表面上的温度。并且可以提供气体反压系统，其中所述气体反压系统包括气体(例如惰性气体，如氮气)罐、空气压缩机、气泵、气体减压阀、气体压力传感器和计算机控制。

所述系统和/或其任何子系统可以包括一个或多个传感器，例如包括温度、压力、加速度计、陀螺仪和方向传感器，例如其中一个或多个传感器构造成与注射成型装置的其他部件中的一个或多个通信地定位，例如在注射成型设备的一个或多个空腔内。在各种实施方案中，传感器可以是智能传感器并且包括诸如具有网络连接的通信模块，以便进行无线通信。因此，所述系统和/或其各种部件中的任一个可以包括通信模块，所述通信模块可以联接到控制模块、超临界气体配料系统、动态控制温度系统和气体反压控制单元中的一个或多个，例如其中通信模块构造成用于进行一个或多个无线通信方案，包括WIFI、蓝牙、低能量蓝牙和3G、4G和5G蜂窝通信。

在以下所附说明中阐述了一个或多个实施方案的细节。其他特点和优点将自说明书和权利要求书变得显而易见。

附图说明

现在将参考以下图详细描述这些和其他方面。

图1显示根据本公开的实施方式的发泡鞋类组件，即中底；

图2示出用于生产可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫的适于鞋类的注射成型微孔软质泡沫系统的示意图；

图3是制造可生物降解和工业可堆肥的注射成型微孔软质泡沫的方法的流程图；

在各个附图中类似的参考符号指示类似的元件。

具体实施方式

本文件描述可生物降解和工业可堆肥的微孔软质泡沫及其制造方法。所述泡沫优选是闭孔泡沫，但也可以潜在地形成为开孔泡沫。在各种实施方案中，可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫可以被制成具有与常规石化乙烯乙酸乙烯酯(EVA)泡沫等相同的特性和特征，并且还含有高百分比的生物质-碳含量。

本公开涉及生产可生物降解和工业可堆肥的微孔软质泡沫的方法及其制造方法。如上所讨论，发泡描述涉及在液体或固体中截留气穴的过程。通常，工业上使用发泡来生产轻质聚合物材料。这对于许多类型的产品是有利的解决方案，因为发泡材料赋予许多附加价值，例如柔软的缓冲、舒适和冲击保护等。

在各种情况下，有用的是发泡材料以微孔泡沫的形式。微孔泡沫以制造塑料的形式，特别制造以含有许多(例如数十亿个)尺寸可以小于约50微米的微小气泡。这种类型的泡沫通过在高压下将气体溶解到各种类型的聚合物中以引起气泡的均匀排列而形成，这通常被称为成核。用于控制和调节微孔泡沫密度的主要驱动力是用于产生它们的气体。取决于所使用的气体，泡沫的密度可以是预处理的生物塑料的约5%至约99%之间的任何值。

因此，在各种情况下，有用的是泡沫为闭孔泡沫。闭孔泡沫通常被称为完全被其壁封闭且因此不与其他孔互连的孔。这种类型的材料是有用的，因为其有效地减少流过孔的液体和气体的量。闭孔泡沫，例如根据本文公开的方法生产的闭孔泡沫，可用于其中耐液性至关重要的工业，例如缓冲、鞋类、船舶、HVAC和汽车用途。

然而，在各种情况下，可能有用的是泡沫为开孔泡沫。当开孔泡沫的一半以上的孔是开放的并且与其他孔互连时，开孔泡沫通常被分类为“开孔”。这种类型的泡沫，其可以在本文公开的方法中生产和采用，可以是有用的，因为其比闭孔泡沫更像弹簧一样操作，在压缩后容易地返回到其原始状态。“弹性”是由不受限制的空气运动和化学组成引起的。

在具体情况下，根据所述方法产生的泡沫和由其生产的产品以类似于软质乙烯乙酸乙烯酯(EVA)泡沫的方式起作用。特别地，软质EVA泡沫是当今制造工业中普遍使用的材料。使EVA泡沫如此流行的是其相对低的成本和容易处理，同时对于给定的产品维持通常可接受的技术性能特性。因此，以本文公开的方式生产的泡沫可以以相对低的成本生产，容易制造，同时不仅维持可接受，而且经常产生优异的技术性能产品，同时是环境友好的。

更特别地，如上所指示，EVA泡沫的缺点很多。所述材料衍生自不可再生的原料，并且与不容易生物降解、堆肥或回收的化学发泡剂化学交联。然而，与软质EVA泡沫不同，本公开的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫不含化学品或交联剂，并且当在其制造中使用适当的生物衍生聚合物时，它们易于生物降解和工业堆肥。

例如，在各种实施方式中，本文呈现了可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫，其可以被制成具有与常规石化乙烯乙酸乙烯酯(EVA)泡沫等相似的特性和特征，并且还含有高百分比的生物质-碳含量。特别地，在各种实施方案中，可生物降解的、净中性的和工业可堆肥的泡沫前体用于例如以环境友好的方式制备可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫。为了实现这些目标，可以选择使用任何数量的合适的生物衍生热塑性原料，并且它们可以源自通常不与动物饲料或人类食物竞争的可快速再生的原料。有利地，如所指出，仔细选择的生物衍生热塑性泡沫前体具有与常规使用的EVA几乎相当或相当的技术性能特性。

用于制备本公开的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫的这种合适的热塑性原料的非限制性实例是生物衍生PBAT共聚酯，如下所述，所述软质泡沫具有与常规的不可再生的EVA几乎相当或相当的技术性能特性。因此，在各种情况下，可以采用本发明的装置、系统及其使用方法，以生产可生物降解和工业可堆肥的微孔软质泡沫，所述微孔软质泡沫可以由可生物降解和工业可堆肥的生物衍生热塑性树脂产生。

更特别地，根据所公开的方法有用的泡沫前体可以是任何合适类型的热塑性树脂，例如由可快速再生的原料产生的生物衍生热塑性树脂或生物衍生热塑性化合物。

这种热塑性树脂是未加工的未成型聚合物，其在加热时熔融并变成液体，并且在冷却时硬化并变成固体。

热塑性物的产生不是简单的任务。需要复杂的化学和机械过程以制备最终产物。以其最简单的形式，热塑性物由聚合物构成，并且那些聚合物由化合物构成。为了产生制备聚合物和然后制备热塑性物所需的化合物，必须分解和分离不同类型的分子。通常，通过将泡沫前体以颗粒形式进料到合适的注射成型机中来使用泡沫前体。颗粒通过注射成型机处理，所述颗粒在其中液化并射入预成型的模腔中。在射入完成后，将模制部件冷却并以固态从模具中排出，如在本实施方案中实施的这个过程将在下文中更详细地讨论。

生物衍生热塑性物可以按类别描述。一类普遍的生物基热塑性前体和生物质。有两种类型的生物聚酯：聚乳酸(PLA)和聚羟基链烷酸酯(PHA)。PLA是一种类型的通过细菌发酵制备的热塑性物。PLA实际上是许多乳酸分子的长链。有许多不同的用于产生PLA的生物衍生原料，例如甘蔗、玉米、甜菜和木质素木材废料，仅举几个实例。PHA通常由天然存在的细菌和食物废物产生。有一种称为聚羟基丁酸酯(PHB)的PHA亚类，它是一种同样广泛可得的PHA。

在一些情况下，淀粉或纤维素填料等可以任选地包括在生物聚酯共混物的形成中，因为包括它们使得共混更经济，并且在一些情况下，它们的使用提高了分解速率。另一种类型的生物衍生热塑性物被称为乙酸纤维素(CA)。CA是一种自植物各部分中见到的纤维素衍生的合成产物。目前用于制备CA的原料是棉花、木材和农作物废料，仅举几个实例。更进一步，淀粉是又一种类型的热塑性材料。通常，将淀粉用热、水和增塑剂处理以产生热塑性物。为了赋予强度，通常将淀粉与由其他材料制成的填料组合。目前可获得的用于生产淀粉的原料是玉米、小麦、马铃薯和木薯。还已知几种石油衍生的热塑性物可以是可生物降解的。常见的类型是聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己内酯(PCL)和聚丁酸酯己二酸酯对苯二甲酸酯(PBAT)以及聚乙烯醇(PVOH/PVA)。上述石油衍生的热塑性物可以以生物衍生品种生产。正在生产用于生产PBS、PCL、PBAT和PVOH/PVA的新的生物衍生原料，并且由于技术进步和突破而变得越来越可商购获得。可以根据本文所公开的方法产生并采用这些前体中的一种或多种。

一旦产生前体，则可以将它们发泡并例如通过如本文所公开的注射成型方法用于制备一种或多种最终产品。例如，在各种情况下，可以将生物衍生的热塑性前体发泡并例如通过注射成型用在最终产品生产过程中。在常规的泡沫注射成型，也称为直接注射膨胀泡沫成型中，首先将热塑性聚合物熔融。当热塑性聚合物均匀熔融时，将化学发泡剂分散到聚合物熔体中以使注射化合物可起泡。

然后将均匀的聚合物化合物注射到模具中以制备泡沫产品。通常，注射的聚合物化合物不被分类为泡沫，直到加热的模腔中的吸热反应活化化学发泡剂，从而产生膨胀的泡沫部件。因此，模腔尺寸必须小于最终部件尺寸。实际的部件膨胀在热塑性聚合物制剂内产生，使得当部件从模具中排出时，其增长到所需的部件尺寸。

一旦实现了所需的部件尺寸，它也随着冷却而收缩或缩小，这通常需要二次模制操作以获得精确的冷却部件尺寸。因此，控制常规注射成型泡沫的膨胀-收缩的过程可被认为是冗长、耗时和复杂的。如本文所讨论，这种注射成型技术可以用于生产前体和泡沫，以及由此生产的产品。然而，在具体情况下，可以如本文所公开的那样对常规注射成型机进行改进，以更好地实现可生物降解的、净中性泡沫前体的使用，所述可生物降解的、净中性泡沫前体可以用于改进的方法中，以产生可用于生产泡沫产品(例如家具缓冲材料、鞋组件、运动设备等)的环境友好的泡沫。

因此，尽管常规方法可以用于生产发泡产品，但在某些情况下，它可能具有一些缺点，尤其是在生产可堆肥的微孔软质泡沫方面。例如，在各种情况下，当使用可堆肥的生物衍生热塑性树脂生产可堆肥的软质泡沫时，典型的注射成型方法可能在各种不同的方式中有缺陷。例如，上述常规的未改进的泡沫注射成型方法可能是有缺陷的，并且不适合生产可生物降解和可堆肥的软质泡沫。其主要原因是由于常规的未改进的泡沫注射成型的性质，其中聚合物化合物在其制造期间交联。

如上所指示，交联可以描述为形成将几个聚合物链的部分保持在一起的共价键，其随机发生。结果得到在泡沫基质内的互连链的随机三维网络。这种交联泡沫不能容易地不交联，因此，各种前体成分不能容易地分离回它们各自的类型并生物降解或堆肥。因此，在不改变发泡设备及其制造中的使用方法的情况下，将不容易实现本发明所公开的优点。

因此，本文呈现以适于在注射成型方法中采用非交联前体的方式产生泡沫的制造机及其使用方法。

因此，在一个方面，本文呈现新的注射成型机。所述成型机可以构造成采用各种包括生物衍生的热塑性前体的软质泡沫组合物，其可以通过将前体施加到新的注射成型机中生产可堆肥的微孔软质泡沫结构的方式发泡，然后可以用于生产一种或多种软质发泡产品。因此，在一个方面，本文提供新的注射成型机。

区别本公开的制造机器的一些因素是使用与微孔气体配料系统联接的专用辅助设备，所述微孔气体配料系统可以固定到标准注射成型机上，从而改进和改善所述标准注射成型机。基本上，如本文所呈现的，标准注射成型机已经被大修和重新装备，以便以适合的方式起作用，以根据本公开使用。用于改进的一般方法开始于将注射成型机上的注射成型螺杆转变为能够处理超临界惰性气体，例如氮气、CO₂和/或非反应性和/或惰性气体。

然后，可以为注射成型机配备气体配料系统，用于例如在注射温度受控的模腔中之前，将适当量的适当气体配料到螺杆内的聚合物熔体中。另外，可以利用专用模腔，其中模具的热温度循环可以更好地控制所得泡沫的外皮质地和外皮厚度，以及减少部件生产的周期时间。此外，可以为注射成型机配备辅助气体反压系统，用于迫使惰性气体回到模具中，以抵消射入模具中的液体聚合物熔体。

这种反压对于确保熔融注射射料基本上(如果不是完全地)填充模腔并防止部件翘曲和收缩以及控制孔分布和孔密度是有用的。此外，适当的反压对部件的外皮质地和外皮厚度具有有益的影响。因此，当部件从模腔中排出时，没有可辨别的收缩，并且不需要立即使用模制泡沫部件的二次步骤。有益地，所述部件不交联，并且因此，其可以生物降解或堆肥，条件是在泡沫产生中使用合适的生物衍生的聚合物化合物。

鉴于上述内容，在一个方面，本公开涉及产生可生物降解和可堆肥的(例如工业可堆肥的)微孔软质泡沫结构。特别地，在一个实施方案中，所述方法从合适的生物聚合物或生物聚合物共混物开始。例如，在各种情况下，生物聚合物可以是一种或多种聚合物，例如由天然来源产生，由生物材料化学合成或由活生物体完全生物合成。

主要有两种类型的生物聚合物，一种是从活生物体获得的，另一种是从可再生资源产生但需要聚合的。由活生物体产生的那些包括蛋白质和碳水化合物。与合成聚合物不同，生物聚合物具有识别清楚的结构。这种类型的聚合物基于它们的化学结构而不同。使本公开的生物聚合物特别有用的是，它们在技术性能特性方面密切地模拟不可再生的EVA。

同样，在具体情况下，生物聚合物共混物可以用于产生泡沫结构，例如其中生物聚合物共混物可以是两种或更多种生物聚合物的定制化合物。几种非限制类型的生物聚合物是糖基生物聚合物、淀粉基生物聚合物、基于合成材料的生物聚合物和纤维素基生物聚合物。共混有生物聚合物的组合的典型比率将取决于所制造的产品的类型和所得部件的所需技术特性。

更特别地，在一个具体实施方案中，可以用作泡沫前体的生物聚合物共混物包括多种树脂，例如一种或多种固体或粘性材料，其可以例如在固化之后添加到熔体中以形成聚合物。因此，在聚合或固化后，树脂形成聚合物。例如，合适的树脂可以是以下中的一种或多种：脂族和脂族-芳族共聚酯来源。一般而言，脂族或脂族化合物涉及或表示其中碳原子形成开链而不是芳环的有机化合物。同样，合适的脂族-芳族化合物通常是碳原子开链(脂族部分)和一个或多个稳定的原子环(芳族部分)的无规组合。

典型地，链中芳族酸的量低于49%，尽管最近的技术进步已经显示出增加这种能力和进一步帮助生物降解的巨大希望。脂族-芳族化合物的实例是脂族-芳族共聚酯(AAPE)，其可以由任何数量的不可再生和可再生的原料生产，尽管可再生来源的AAPE是特别有用的。因此，在各种实施方案中，这些脂族化合物和/或脂族化合物中的一种或多种可以是共聚酯来源的。当聚酯被改性时，产生这样的共聚酯。例如，当在聚合过程中使用多于一种二酸或二醇时，产生共聚酯。在脂族-芳族共聚酯的情况下，进行前体变化的组合以基本上使脂族-芳族链杂化或“桥连”并在聚合过程中组合多于一种的另外前体。

合适的生物聚合物共混物的非限制性实例是聚乳酸(PLA)和聚(己二酸丁二酯-共-对苯二甲酸丁二酯)(PBAT)。聚乳酸(PLA)是衍生自可再生生物质的生物可降解的热塑性脂族聚酯。用于产生PLA的典型原料包括发酵的植物淀粉，例如玉米、木薯、甘蔗、甜菜浆，以及较低程度的木质素木材废料。同样，聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)是可生物降解的无规共聚物，特别是通常衍生自己二酸、1,4-丁二醇和对苯二甲酸的共聚酯。相较于使用不可再生石油来源的PBAT，使用可再生来源的PBAT更有利。在各种情况下，可以共混这些组分中的一种或多种。

两种或更多种热塑性生物聚合物的共混物提供在单一聚合物或共聚物中未见到的特性和价格的组合。有许多方法可成功地将生物聚合物共混在一起。常用的方法是使用双螺杆挤出将两种或更多种生物聚合物树脂熔融在一起，然后将熔融的生物聚合物树脂共混物挤出成线料，将线料冷却并进料到造粒机中，以产生称为母料的成阵列的粒化碎片。生物聚合物树脂共混的另一种方法是使用相容剂将生物聚合物共混物中的不同化学物质结合在一起。

通常，这也使用双螺杆挤出等以在上述方法中将增容剂和两种或更多种生物聚合物熔融在一起。

因此，本文已经确定，上述共混的热塑性生物聚合物树脂在形成本公开的最佳微孔软质泡沫结构方面显示出有利的技术特性。一些增强的技术特性包括：可接受的老化特性、优异的伸长率和优异的压缩形变以及其他益处。例如，如本文所公开的，使用生物聚合物共混物的优点是由给定生物聚合物共混物的形成和使用产生的增强的技术性能特性。具体地，当实现生物聚合物和/或生物聚合物-增容剂共混物的正确组合时，可以实现增强的性质，例如改善的伸长率、拉伸强度、冲击强度和熔体流动，仅举几个实例。

因此，这些树脂可以根据本文公开的方法和机器采用，以生产发泡剂。因此，在一个方面，本公开涉及发泡方法。如上所述，本文公开的机器和方法可以构造成用于进行发泡操作，由此气穴被截留在液体或固体中，所述发泡可以用于生产轻质聚合物材料。这对于许多类型的产品是有利的解决方案，因为发泡材料赋予许多附加价值，例如柔软的缓冲、舒适性、技术运动装备(包括鞋组件)和冲击保护等。

然而，在各种情况下，上述最佳的脂族和脂族-芳族共聚酯生物聚合物或生物聚合物共混物单独可用于产生软质泡沫，在各种情况下，它们在软质泡沫生产中的用途可以通过在发泡过程内包含合适的发泡剂而增强。

例如，目前使用的广泛已知发泡剂是一种称为偶氮二酰胺(ADA)的化学品。偶氮二酰胺通常预浸渍到石化热塑性母料树脂中，用于常规的注射成型泡沫方法。特别地，在发泡之前，生物塑料共混物中通常包括化学发泡剂(例如ADA)的预浸渍。其原因是需要预先浸渍化学发泡剂(例如ADA)，因为常规的注射成型发泡不能定制泡沫成型可变性。也就是说，化学发泡剂(例如ADA)在其改进或影响制造时发泡过程的物理方面的能力方面受到限制。

相反，本公开的专用发泡方法受益于稀有或惰性气体(例如氮气)提供的物理发泡。在所述方法中，可以调节生物聚合物熔体中气体(例如氮气)的配料浓度，并且这对发泡结果具有直接影响，这可以看作是定制所得泡沫的特定方面的主要优点。虽然存在几种已知可生物降解和工业可堆肥的石化衍生的热塑性物，例如PBAT共聚酯，但使用可再生来源的原料(例如纯PBAT共聚酯系列)是有利的。

例如，在生产发泡剂时，可能有用的是首先生产定制的母料，例如定制成生产用于给定产品类型的给定类型的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫的生物塑料共混物。例如，可以为不同类型的产品应用生产不同类型的定制母料化合物。这可以通过指示例如制造一双鞋中的特定类型的泡沫的工作可能不同于制造例如用于制造一件家具的特定类型的泡沫所需的工作来解释。此外，定制的母料可以各自含有用于给定产品用途的不同着色剂。再次，这里，不同产品类型需要不同方面的定制，并且生产独特的单独母料的能力对于这些特定用途是高度有利的。

不幸的是，ADA不是环境友好的，并且怀疑其是人类健康的致癌物质。因此，其在本发明方法中的用途和由此生产的产品在其优点方面受到限制。此外，常规石化热塑性母料树脂不是可生物降解的，也不是工业可堆肥的，因此，它们的优点也是有限的。考虑到使用ADA和常规石化产品生产母料的这些缺陷，本文呈现的是可生物降解的、工业可堆肥的热塑性生物聚合物树脂，其可以用于生产母料，以产生可生物降解和工业可堆肥的微孔软质泡沫。

在各种情况下，如上所讨论，为了获得用于制造成型最终产品的更佳的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫，例如以环境排放中性的方式，可以通过所述系统将超临界流体注射成型过程中。具体地，超临界流体是处于高于其临界温度(Tc)和临界压力(Pc)的状态的物质(液体或气体)。在所述临界点，气体和液体共存，并且超临界流体显示出与例如在标准条件下的液体或气体的特性不同的独特特性。有利的是使用惰性超临界流体，例如氮气、CO₂、He、Ne、Ar、Xe和其他这样的惰性气体，例如处于超临界流体态，所述气体可以根据本文公开的方法用作发泡过程中的发泡剂。

上述超临界流体通过在注射成型机料筒内的聚合物基质中溶解而起作用。当专用注射成型过程在受控的压力和温度下将液体生物塑料化合物注射到注射模腔中时，气体迫使聚合物熔体完全膨胀到模腔的最大极限。在所述方法中，气体可用于使发泡过程内聚合物基质的孔结构最大化。专用发泡过程的这种最大化确保在最终发泡部件内不期望的缩痕或翘曲最小化。这与常规化学发泡剂生产的软质泡沫的很大区别在于常规发泡剂不经受相同类型的超临界状态或压力，因此常规生产的泡沫在最终发泡部件中缺乏一致性，并且它们可能含有不期望的缩痕和翘曲。

更特别地，在各种情况下，惰性气体(例如氮气或二氧化碳)可以配制成超临界流体状态，然后可以用作物理发泡剂，例如在本文讨论的新型注射成型机和方法中。在这种情况下，所公开的改进的物理发泡方法可以与合适的热塑性生物聚合物合作采用或可以是共混的生物聚合物母料，使得生物聚合物或生物聚合物共混物和发泡剂协调工作以生产最佳的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫。

本公开的合适生物聚合物、生物塑料和生物塑料共混物可以衍生自可再生资源，例如不与动物饲料和人类食物竞争的那些，以及衍生自可再生资源的废物流的那些。用于生产生物聚合物或生物聚合物共混物的合适生物聚合物的非限制性实例由聚乳酸(PLA)、聚(L-乳酸)(PLLA)、聚(己二酸丁二醇酯-共-对苯二甲酸丁二醇酯)(PBAT)、聚己内酯(PCL)、聚羟基链烷酸酯(PHA)、聚琥珀酸丁二醇酯(PBS)、聚己内酯(PCL)、聚琥珀酸己二酸丁二醇酯(PBSA)、聚己二酸丁二醇酯(PBA)和热塑性淀粉(TPS)组成。本公开的合适生物聚合物共混物是以上列出的生物聚合物和生物塑料类型的任何组合，以及由含有生物质的聚(己二酸丁二醇酯-共-对苯二甲酸丁二醇酯)(PBAT)组成的任何混合生物聚合物共混物。这种情况的非限制性实例是含木质素的PBAT共混物，其中木质素来源于木材废料，且PBAT来源于可再生资源。

因此，在各种实施方案中，本文公开的注射成型装置及其使用方法可用于生产具有均匀孔成核的泡沫。如所讨论，本文公开的设备及其使用方法可以用于产生均匀的孔成核以产生泡沫，由此随机且自发地产生泡沫核，并因此在具有最少杂质至没有杂质的单相溶液系统中不可逆地生长。例如，如下所述，在一个方面，提供了制造软质和/或硬质泡沫的方法。可以实施所述方法以衍生出开孔或闭孔泡沫，例如其中泡沫具有固有的可堆肥、抗微生物和/或阻燃特性。

在某些情况下，所述方法可以包括形成母料的一个或多个步骤，例如包括将一种或多种树脂(例如共聚物载体树脂)与各种发泡成分共混。在随后的步骤中，所述方法可以包括添加抗微生物化合物，使得泡沫材料可以用于生产抗微生物、抗菌和/或抗病毒的鞋类组件、家具组件、瑜伽垫、服装、体育用品组件、医疗装置和/或阻燃制品，以及其他合适的用途。特别地，根据本文公开的方法，所生产的产品可以用于大量的应用，并且通常它们的生产方法可以分成三个不同的阶段。首先，制备本体聚合物产物。接着，将聚合物暴露于各种处理步骤。

最后，将聚合物转化成其最终产品，例如衣服、抗微生物地毯、家具、汽车组件、瑜伽垫、鞋组件，包括鞋底、中底、鞋内底等。

特别地，可以采用这种单相溶液以产生成核位点，孔在所述成核位点生长并且通过气体扩散到气泡中而膨胀。本文公开的机器和方法特别可用于引发发泡过程，所述发泡过程导致以小气泡均匀分散在泡沫基质内的方式产生均匀的孔成核。具体地，与常规发泡不同，本公开的超临界流体形成的软质泡沫受益于可以直接归因于小气泡尺寸的大大改善的机械特性。更具体地，本文公开的装置和方法构造成产生的气泡直径为约100微米或更大至约l微米或更小，例如约50微米至约l0微米或更小，例如约20微米至约40微米，包括约30微米，并且它们通过使用热力学不稳定性来产生，并且在泡沫产生中都不使用常规化学发泡剂。

例如，在一个具体实施方案中，所述系统可以构造成使用本文所公开的本发明的新型注射成型机来生产具有均匀孔成核作用的可生物降解和工业可堆肥的微孔软质泡沫，当生物聚合物或生物聚合物共混物的单相溶液和超临界流体(SCF)通过注射浇口进入注射成型机的模腔时，可以发生所述孔成核作用。具体地，如本文以下更详细地解释，本发明的注射成型机构造成生产熔融材料，例如通过将模具前体注射到模具中以生产成品部件或组成部件。注射成型机可以包括材料料斗、注射冲头或螺杆型柱塞和加热单元。这种注射成型机以吨位为单位进行定额，所述吨位表示机器可以施加的合模力的量。

因此，所述方法可以从颗粒状生物塑料化合物通过强制冲头从料斗进料到加热的料筒中开始。当颗粒通过专用的往复螺杆型柱塞缓慢向前移动时，超临界流体通过单独的超临界计量辅助机器经由注射器引入，所述辅助机器可以直接连接到向螺杆进料的注射成型设备。因此，在螺杆旋转期间，超临界流体在生物聚合物熔体内饱和，并且这产生单相溶液。

然后迫使熔融混合物进入具有高背压的加热室，所述熔融混合物在其中在由计算机界面控制的温度下熔融。当柱塞前进时，熔融的生物塑料化合物被迫穿过靠在模具上的喷嘴，允许其通过浇口进入模腔。因此，本发明的发泡方法可以构造成使聚合物材料经受机械或物理过程，通过所述过程在发泡剂的存在下将热和压力施加到聚合物材料。发泡剂可以是化学来源的，如常规闭孔EVA发泡的情况，或者其可以是惰性来源的，如本公开的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫的情况。因此，鉴于上述情况，当溶液进入模具时，压力下降，这导致SCF从溶液中出来，产生孔核。

特别地，在螺杆旋转期间，超临界流体在生物聚合物熔体内饱和，这在一定温度和压力下产生单相溶液。迫使熔融混合物进入具有高背压的加热模腔中，并且单相溶液的压力从微孔处理压力下降到大气压，因此发生快速压力卸载。成核现象由于气体从混合物中分离而发生。此时，核生长成为稳定的气泡。气泡尺寸由饱和度、微孔处理压力和混合温度确定，这些都可以由本系统和方法控制。

因此，当产生数百万个核并且核稳定时，气泡开始生长。

气泡形态由SCF浓度以及注射成型处理参数确定。因此，可以选择这些参数用于由所述系统控制，以产生有用的和/或确定的气泡形态。当部件的模制结束时，将模具冷却并且熔体温度降低，这迫使熔体冻结并固化。同样，这些参数可以由所述系统严格控制，例如取决于要生产的最终产品。具体地，此时，气泡停止生长并且所得部件的形状是固定的。然后孔生长直到材料填充模具，并且SCF的膨胀能力被耗尽。

因此，在所述方法中，熔融的生物聚合物和SCF共混物被可控地射入加热的模腔中，并经历突然的压力下降。数百万个微小气泡从核生长中产生，并且这些气泡物理地迫使熔融混合物膨胀到模腔的最大约束。当熔融混合物膨胀到最大物理潜能时，材料在模具内快速冷却并且气泡停止形成，熔融混合物停止膨胀，并且形成最终的固化部件。所有这些在注射成型系统内在几秒钟内发生。

如所指示，所述制造方法在上述注射成型机上运行，所述注射成型机已被改进以精细地控制：计量、传送、混合、温度、压力、注射、速度等。例如，辅助计量单元可以用于控制计量以将准确饱和SCF气体配料传送到聚合物熔体中。具体地，合适的气体配料辅助机器可以构造成将惰性气体转换成超临界流体状态，并例如通过计算机控制机构计量传送到注射成型机中的SCF的配料。

例如，操作员或适当构造的微控制器可以将气体配料辅助机器编程为预定的SCF气体配料量。实质上，气体配料辅助机器是SCF传送系统，其可以电子地和/或物理地联接到注射成型机。特别地，用于本公开的合适的SCF气体配料辅助机器可以构造成产生气体配料系统的线路，所述气体配料系统设计成将工业级氮气或其他惰性气体转换为超临界流体。气体配料设备可以构造成在高达且甚至超过275巴的压力下将SCF精确配料和注射到注射成型机中。

为了操作气体配料设备，操作员可以采用相关的计算装置，诸如台式或膝上型计算装置，所述计算装置构造成产生用于控制系统设备和相应的控制参数(诸如配料设备)的图形用户界面(GUI)。例如，操作员可以将选择的参数(例如所需SCF气体配料射入参数)输入GUI中。然后，所述系统的处理元件实时计算所有的辅助参数，并优化SCF到注射成型机的传送。因此，系统的控制单元确保气体配料系统和注射成型机一起例如通过计算机控制的网络协同工作。因此，所述气体配料系统是本公开的独特属性，因为超临界惰性气体可以容易地用作物理发泡剂以代替常规软质泡沫中使用的化学反应性发泡剂生产本公开的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫。对SCF在生物聚合物中的混合的这种控制可用于产生单相溶液。

此外，在本公开的注射成型过程期间，将SCF注射到聚合物熔体中。在注射成型机螺杆和料筒内，在确定的温度和压力下获得聚合物-SCP混合单相溶液。温度和压力可以可变地控制，并且直接与所生产的软质泡沫的类型和将使用最终产品应用类型有关。在这个阶段，SCF的浓度由饱和度、微孔处理压力和混合温度确定。可以提供制备本公开的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫的实施例，所述软质泡沫用于制备发泡家具、汽车、运动和/或鞋部件，特别是中底。用于所述非限制性实施例的合适生物聚合物共混物的非限制性实施例是形成生物聚合物化合物的可快速再生的PBAT生物聚酯。

因此，首先颗粒状生物聚合物化合物通过料斗进料到注射成型机中。接着，当引入特定SCF气体配料并将其均匀混合到现在熔融的生物聚合物化合物中，使其完全饱和时，使生物聚合物缓慢移动通过注射成型机螺杆和料筒。熔融的生物聚合物化合物和SCF现在是单相溶液。初始SCF气体浓度的非限制性实例可以是Co＝0.25%，熔体温度范围在176℃和250℃之间，且更优选在180℃范围内。

另外，在各种实施方案中，例如在动态模具温度控制(DMTC)方案中，模具内的温度可以连同压力一起被精细地控制。例如，可以采用DMTC法以确保膨胀生物聚合物熔体内的一致的孔结构。特别地，DMTC可以构造成包括在注射填充阶段期间快速改变和控制模具温度和/或压力。这由此在有或没有压力的情况下根据热冷循环两者动态地控制模具温度和/或压力。

例如，系统的控制模块可以构造成在注射填充阶段期间控制模具温度，例如，在这样的情况下，可以采用动态模具温度控制。更具体地，与常规已知的注射成型方法相比，这里采用的动态模具温度控制的重要特征在于可以被动态控制模具温度本身。在熔体注射单相溶液之前，可以首先将模具加热到预设上限。在熔体填充阶段期间，模腔表面的温度可以保持高于所述上限，以防止熔体过早地固化。当熔体填充过程结束时，模具被快速冷却到下限(排出温度)，然后模制的泡沫部件被排出模腔。

如本文所实施的动态模具温度控制(DMTC)依赖于基于快速电棒加热和快速水冷却的控制方法。

具体地，本公开所采用的DMTC由五个主要组件组成：空气压缩机、阀门交换装置、计算机控制的模具温度控制单元、电加热模具和冷却塔。冷却塔可以用于向模具供应充足的水冷却。空气压缩机用于产生压缩空气作为气动阀的驱动气体，并用于排除冷却后残留的冷却水以免进入模具。阀门交换装置用于切换阀门，以将不同的介质从管道转移到模具，例如热循环和冷循环。

因此，在各种情况下，本文的机器和方法可以包括用于使反应材料通过的管道和其他导管，所述导管与一个或多个热交换单元相关联，以在反应物被泵送到和/或通过所述导管和管道时加热和/或冷却反应物。在这种情况下，可以控制交换器以将温度调节到反应水平。在管道的一端可以包括分配头，所述分配头可以与一个或多个阀相关联。此外，分配头可以电路联接到处理线。电加热模具用于模制发泡部件的最终形状。模具温度控制的功能是控制模具的加热和冷却；所有这些都通过计算机控制与注射成型机配合。

同样，如所指示，也可以例如通过气体反压(GCP)方案精细地控制压力。例如，在制造过程中可以利用GCP方案，以更好地确保最终产品的最佳泡沫结构，并且以在所得软质泡沫上几乎没有外皮或没有外皮的方式来这样做。例如，使用这种GCP方法，加压模腔可以用SCF注射，其可以单独地或一起起作用以抵消气体在熔体内的膨胀。特别地，当反压被释放时，常规上会穿透表面的气泡被截留在内部，从而产生光滑的外皮。

所述气体反压过程防止气泡在形成发泡部件时接触并穿透发泡材料的表面。这通过在熔融单相溶液注射射出和保持时间的同时或大约在这一时间由GCP系统施加到模腔的抵消压力来实现。惰性气体气泡受到巨大的力，因此熔融单相溶液没有机会在形成时将截留的气泡释放到发泡结构的外部。结果得到模制的泡沫部件，其具有在部件的外侧上形成的外观光滑的外皮。

因此，如本文所实施，系统的控制器可以实施气体-反压(GCP)程序，其构造成通过在泡沫注射成型的熔体-注射阶段施加不同的气体压力来改善发泡过程的控制。例如，通过控制系统的各种组件，控制系统可以构造成施加变化的螺杆容纳SCF单相溶液压力和GCP压力，例如与适当的射料量、射料保持时间、熔体温度和模具温度合作。

以这种方式，产生一种完整的系统，通过所述系统可以生产高质量和商业上可接受的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫部件。具体地，GCP压力的细微变化影响泡沫的表面质量。例如，在不使用GCP的情况下，在位于模腔内的聚合物熔体中形成的气泡可能释放，并且所得发泡部件的外观可能是不可接受的。另外，在不使用GCP的情况下，外皮厚度可能不期望地厚，因为当熔融单相溶液膨胀到模具中时，没有反压来抵消熔融单相溶液的快速冷却。特别地，单相溶液在注射射出期间将撞击钢模边界，并且立即固化，形成不期望的厚外皮，这对于大多数商业应用是不可接受的。总之，处理参数对最终部件质量具有可证明的影响。因此，以这些方式，所述GCP过程可以以控制发泡的方式实施，例如通过表面质量、泡沫结构、外皮厚度等中的一种或多种实施。

因此，在各种实施方案中，所述系统可以构造成以形成单相溶液的方式产生SCF。特别地，在各种实施方案中，产生单相溶液，其中SCF可以是：完全溶解并均匀分散在熔融生物聚合物中，这在仔细控制的处理条件下在注射料筒内部发生。例如，如所讨论，单相溶液的形成对于生产本公开的一致的可大量生产的模制泡沫部件是关键的。

因此，注射成型系统过程应构造成以非常一致的方式可控制且可重复。为了实现这一点，第一道防线是确保生物聚合物化合物和SCF均匀地混合成单相溶液，例如其中单相溶液完全饱和并分散在注射成型机料筒内的生物聚合物熔体内。一旦获得单相溶液，系统则可以可靠地输入所需的射料重量、射料保持时间和GCP气体配料，以便以时间优化和可大量生产的方式定制可无止境地重复的模制泡沫部件。

因此，SCF应该在固定的时间量内被准确地质量流量计量到生物聚合物中。例如，系统控制模块可以构造成使得在配料周期期间，在料桶内建立以下恰当的条件：温度、压力和剪切。同样，背压、螺杆速度和料筒温度可以由系统的一个或多个控制元件精细地控制。另外，可以调节SCF传送系统，以建立产生最佳单相溶液的处理条件。

例如，如上所讨论，控制模块可以可通信地联接到与系统相关的质量流量计量装置，所述质量流量计量装置构造成测量流过系统的一个或多个容器(例如管)的流体的质量流速。质量流速是每单位时间流过固定点的流体的质量。由于其与本公开有关，因此实施质量流量计量的原理以确保泡沫模制过程中的一致的可重复性。具体地，如上所述，特别设计的注射器联接到注射成型料筒，所述注射成型料筒能够由系统的处理器的计算机控制的编程来控制。因此，所述系统可以构造成实施具体的SCF气体配料传送到生物聚合物熔体，并且计算机控制的程序可以基于来自质量流速的实时数据收集(例如通过来自一个或多个系统传感器的反馈)优化传送。质量流量计量的这种使用确保了对于本发明的单相溶液的最佳过程控制。

因此，在配料周期期间，可以控制整个系统(例如料筒内)的温度以使得在料筒内的温度在100℃和600℃之间，例如在200℃和500℃之间，例如在300℃和400℃之间，并且更特别地，在320℃和380℃之间，包括在360℃和380℃之间。同样地，可以精细地控制SCF传送压力，以使其在1,000 PSI和8,000 PSI之间的范围内，例如在1,500 PSI和6,000 PSI之间，例如在2,000 PSI和5,500 PSI之间，特别地在3,000 PSI和4,000 PSI之间，并且更特别地在2,600 PSI和2,800 PSI之间。

以这种方式，控制模块可以构造成使得温度和压力协同工作以在生物聚合物熔体和所得发泡基质内产生最佳的核和所得气泡。另外，关于剪切，当熔融生物聚合物层相对于彼此流动时，在料筒内建立剪切。因此，在注射期间，熔融的生物聚合物化合物可以流过料筒喷嘴的熔体传送通道，例如在进入模具如贮存器(fountain)之前。

剪切是在旋转螺杆和固定料筒之间拉伸生物聚合物，导致在材料内产生热量。因此，在注射成型过程中应控制剪切。因此，所述系统的一个或多个控制单元可以构造成例如控制注射速度、填充时间和其中的公差，以在给定的注射成型机尺寸和给定的注射成型机螺杆和料筒尺寸下实现用于生产给定的生物聚合物化合物的正确条件。

也可以控制背压。例如，背压是注射成型机中的压力，当生物聚合物被注射到模具中时，由生物聚合物施加所述压力。具体地，背压是在注射螺杆恢复以将下一生物聚合物射料加载到模具中时施加到注射螺杆的阻力。如上所指示，所述系统的各种参数可以构造成控制和/或调节背压。

此外，所述系统的控制器可以构造成控制和调节螺杆速度。螺杆速度可以通过计算机控制来控制。如所指示，在注射成型操作的初始阶段，螺杆在料筒内旋转，以与SCF气体合作均化熔融的生物聚合物化合物混合物。本公开的螺杆速度的非限制性实例可以是1rpm、或5 rpm、或10 rpm至75 rpm、或100 rpm、或200 rpm，例如20 rpm、25 rpm、或30 rpm至40 rpm、50 rpm或60 rpm。

所述系统可以包括加热和/或冷却控制单元，其可以与料筒相关联，以控制料筒中的温度。因此，控制模块可以构造成控制料筒-温度。因此，可以控制料筒温度，以使其中的温度如发泡过程所需的那样更热或更冷。

因此，鉴于上述内容，SCF传送系统可以包括控制单元，所述控制单元构造成控制SCF传送压力和SCF配料重量的组合，所述配料重量通常以克为单位。SCF压力和配料可以以影响单相溶液的方式控制。也就是说，SCF配料越少，生物聚合物熔体内SCF饱和需要越少，而SCF配料越多，熔体内SCF饱和需要越多。同样，SCF传送压力越低，饱和的吸收越少，因此核的生长程度越低，所述核可以生长以在熔融的生物聚合物熔体内形成气泡。并且SCF传送压力越大，饱和的吸收越多，因此核的生长程度越大，所述核可以生长以在熔融熔体内形成气泡。

关于饱和，所述系统和设备构造成在一定温度和压力下将气体传送到熔化室，使得超临界流体形成并在生物聚合物熔体内饱和，例如在螺杆旋转期间。因此，在受控的温度和压力下产生单相溶液。具体地，在注射成型机的螺杆和料筒内，在确定的温度和压力下，可以获得聚合物-SCP混合单相溶液。更具体地，系统控制器可以以取决于所生产的软质泡沫的类型和所生产的最终产品的类型的方式可变地控制温度和压力。

在这个阶段，SCF的浓度可以例如通过反馈回路确定和控制，由此例如通过传感器确定饱和量，所述传感器评价饱和过程进展，然后基于达到饱和水平的确定的设定点来调节微孔过程压力和混合温度。在这种情况下，在螺杆旋转期间，超临界流体(SCF)可控制地在生物聚合物熔体内饱和，并且这在确定的温度和压力下产生单相溶液。SCF是两部分熔融生物聚合物化合物混合物的一部分，并且它在本发明的注射成型模具中在确定的压力和温度的存在下用作物理发泡剂。

因此，鉴于上述情况，在一个方面，本文提供用于生产可生物降解和工业可堆肥的微孔软质泡沫的机器及其使用方法。特别地，在一种情况下，泡沫例如通过微孔注射成型(MuCell)法(例如MuCell制造)生产和/或用于生产发泡产品。MuCell制造采用如上所述的超临界流体，所述超临界流体经受极端压力并溶解到如下所述的制造工具的螺杆料筒内的聚合物熔体中，所述制造工具构造成优化SCF配料，以便产生被加热到液态的熔融生物聚合物熔体。

因此，在注射成型机的中心是注射成型机料筒和其中包含的螺杆，两者通常由工具钢制成。在计量并随后挤压或“射入”动态温度控制的模具组件中之前，料筒是本发明单相溶液的主要传送入口。因此，生物聚合物熔体通过注射成型机料斗传送到料筒中。并且所述系统控制器将给定量的颗粒状生物塑料粒料进料到料斗中作为注射成型机操作中的最初步骤中的一个。

具体地，在注射期间，SCF蒸发并变成气泡，例如成品模制部件形式的泡沫。因为气泡达到微米尺寸，所以所述方法产生微孔发泡。本文所述的方法优于常规注射技术，因为其产生的所得产物证明以下一种或多种：收缩较小、产品重量轻、缩痕少，并且可以由低成本前体产生。更具体地，对于较少的收缩，可以通过理解体积收缩是由热收缩引起来控制收缩，这影响所有聚合物，并且因此，可以通过系统传感器跟踪收缩进程并精细地控制料筒条件以调节收缩过程来避免收缩。

本质上，收缩描述了当材料从液体变为固体时材料体积变化的程度。在常规的注射成型中，模具不是用压力来控制温度的，因此通过常规方法使用的熔融聚合物在与注射模具的冷工具钢接触时收缩，并且这引起收缩。在本发明的机器和系统中，收缩可以被控制并且由于温度控制的加压模具通常是不成问题的，其确保熔融的生物聚合物填充模具内部的最大表面积而不会过早冷却，以及加压模腔自身的施加的均匀应力进一步有助于这一点。

关于一般情况下的轻质产品的生产，聚合物膨胀得越多，重量的降低就越大。然而，本系统构造成通过经由施加适当的压力、温度和时间来调节条件而优化单相溶液，从而可以实现轻质泡沫的最佳质量。例如，这有利于需要轻质泡沫的产品应用，例如在缓冲材料、鞋类泡沫和用于生产运动设备的泡沫中。同样，对于控制常规软质泡沫制造中的缩痕，当部件冷却时，缩痕和空隙是由厚区段处材料的局部收缩而没有足够的补偿所引起的。

特别地，缩痕通常出现在与腿部或肋部相对和/或邻接的表面上。这是由于不平衡的散热和/或类似因素而发生的。在发泡部件的外侧上的材料已经冷却并固化之后，芯材开始冷却。其收缩将主壁的表面向内拉动，从而产生缩痕。如果外皮足够坚硬，则外皮的变形可以被芯中空隙的形成所代替。

与常规软质泡沫成型所面临的缩痕和空隙挑战不同，机器构造和本系统参数是可控的，以便生产本公开的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫，从而使这些问题的遭遇最小化。特别地，在本发明方法中，SCF气体以调节(例如最大化)发泡过程内聚合物基质的孔结构的方式控制。这种专用发泡方法的最大化更好地确保了在最终发泡部件内没有不期望的缩痕或空隙。

另外，如所指出的，本系统的有用益处在于其利用低成本材料，并且所生产的最终产品具有较小的翘曲。特别地，由于上面讨论的许多原因，本公开受益于如下方法，其中SCF气体负责使发泡过程内聚合物基质的孔结构最大化。这种专用发泡方法的最大化确保了最终发泡部件内的翘曲最小。

本系统的另一益处是其可以构造成控制公差。例如，所述系统可以构造成进行紧密公差软质发泡注射成型。特别地，可以采用如本文呈现的紧密公差软质发泡注射成型，以生产顺利地一起工作并且有助于产品的总体较低故障率的部件。

为了使产品可靠地并如预期的那样工作，其所有部件必须平滑地装配在一起。因此，本发明设备及其组成部件已经被设计成紧密地控制公差。通常，这些部件以可能的最佳公差生产。存在不同范围的可接受公差；例如，非常紧密的公差为+/-0.001"。有时甚至千分之几英寸也可以意味着合适部件和不合适部件之间的差异。

因此，在设计阶段的早期识别紧密公差是有用的。这是因为设计工程师必须考虑发泡部件几何形状、整体发泡部件尺寸和发泡部件壁厚的要求，所有这些都对公差控制有影响，并且如果不仔细管理，所有这些都可能加剧缩痕、翘曲和不一致的部件公差。本系统和设备克服了这些设计挑战中的大多数，同时仍使用最佳设计实践，因为SCF气体负责使发泡过程内聚合物基质的孔结构最大化。同样，系统可以构造成在模具内更快地冷却。

由于上述原因，缩痕、翘曲和公差的不一致性大大降低。这在很大程度上是由于发泡基质内的均匀尺寸和均匀分布的微观孔。因此，为了实现这些益处，应该精细地控制微孔发泡过程。例如，如所指示，当沿着熔体前沿发泡时，推进会在模制表面上引入条纹和流痕，从而导致缺陷。

除了上述之外，这些缺陷在本文中可以通过采用共注射和模具内装饰技术中的一种或多种进一步最小化。然而，在许多情况下，这可能受成本过高限制。然而，本系统通过选择本公开的附加值可以被接受和欣赏的优质产品机会，克服了这种受成本过高限制的情况。

应注意，在各种情况下，SCF发泡可能存在缺点，因为在一些情况下，其可能引起熔体粘度和其他物理性质的变化。特别地，当SCF均匀扩散到聚合物熔体中时，单相溶液通过增加自由体积降低聚合物的粘度而起到可逆增塑剂的作用。这种效应还降低了聚合物的玻璃化转变温度以及聚合物的拉伸强度。这可能导致不均匀的气泡尺寸。

不均匀的气泡尺寸潜在地导致生产在整个部件中具有不一致的技术性能特性的模制泡沫部件，以及潜在地导致不期望的外观问题。当试图生产在大规模生产期间各部件之间具有相同技术性能特性的一致可再生的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫时，这两个问题都是存在的。本系统构造成克服这些困难。

因此，如上所讨论，为了克服这些缺点并且更精细地控制微孔发泡过程，采用了上文讨论的气体反压(GCP)。如上所讨论，精细地控制气体反压，使得在形成发泡部件时调节气泡以使其不接触和突破发泡材料的表面。这是通过由GCP系统施加到模腔中的抵消压力来实现的，所述抵消压力可以与注射熔融单相溶液的同时或大约与其同时，同时控制模具内的保持时间。为了这些目的，也可以精细地控制模具温度和压力。

一旦注射，则惰性气体气泡经受巨大的力，并且因此熔融单相溶液没有机会在形成时将截留的气泡释放到发泡结构的外部。同样，施加在单相溶液上的巨大的力有助于在模具内部发泡结构内更好地分布数百万个微小的气泡，以及有助于气泡尺寸的一致性。结果是在部件的外部形成具有外观光滑的外皮的模制泡沫部件，并且在大规模生产期间对于部件与部件之间的可重复的技术性能特性具有一致的气泡尺寸。

例如，可以构造系统以允许引入GCP来控制发泡过程，例如通过在熔体注射阶段施加不同的气体压力和/或温度。因此，将GCP引入位于注射成型机内的模腔内的发泡过程中。首先，通过气体压缩机和气泵将惰性气体通过气体控制阀泵入模腔中。气体压力传感器将来自气体控制值(value)的实时数据反馈到计算机控制器。

所述系统通过在计算机系统内设置配料参数和保持时间来启动GCP向模腔中的配料。然后计算机系统启动惰性GCP射料到模腔的适当配料。如果不使用GCP，生物聚合物熔体将进入模腔并立即开始发泡，产生不均匀的气泡，这些气泡突破表面并在泡沫外部产生不期望的漩涡痕迹，这是有问题的。

同样，也可以精细地控制注射速度，例如其中注射速度可以由螺杆压力(P_螺杆)与气体压力(P_气体)之间的差来确定。具体地，当P_螺杆略高于P_气体，并且两个参数足够高时，溶解SCP的熔体流入模腔而不发泡。P_螺杆设定成高于P_气体，并且P_气体低于临界压力，导致部分起泡。最后，适当选择P_螺杆、P_气体和压差以及动态模具温度能够更精确地控制气泡尺寸。

因此，通过微调这些参数，流动诱发的条纹即使不能完全消除也能被最小化。

具体地，这些参数可以部分地通过考虑流动行为来确定。例如，在一个实施方案中，在不同的模具温度(185℃、195℃和205℃，注射速度(5 mm/s、10 mm/s和15 mm/s螺杆速度)和GCP (50巴、100巴、200巴和300巴)下，用溶解了0.4重量% SCF的N₂的聚合物熔体的行为产生流变(流动)。在这种情况下，当GCP为300巴时，测量的剪切速率在3000-11000s^-1范围内，并且玻璃化转变温度Tg从96℃降至50℃。同样，在这种情况下，与常规注射成型相比，当GCP从50巴增加到200巴时，熔体粘度下降约30%。

具体地，当GCP为300巴时，根据注射条件，没有任何发泡的单相注射熔体的粘度可以降低多达50%。这是有用的，因为其降低了压力要求和温度要求，从而降低了制造成本，特别是能量成本，并且还降低了生产期间的发泡部件循环时间。因此，这些系统参数都是为了更大的能量节约，因为压力和温度要求更低并且循环时间更少，这转化为更快且费用更少地生产更多的部件，例如通过选择正确的生物聚合物化合物和定制处理温度、压力和保持时间以适合材料的机械特性。

另外，如所指示，本发明的机器和系统的重要特点是它们可以构造成控制气泡尺寸以便更均匀。如上所讨论，这可以通过控制温度、压力、SCF配料控制、GCP、DMTC和以上讨论的其他参数来部分地实现。所有这些属性协同作用以确保最佳的、最均匀的气泡尺寸和它们在发泡基质内的最佳均匀分散。此外，通过控制流体沿熔体前沿的漂移可以改善表面质量。

顾名思义，熔体前沿是熔融单相溶液进入模腔的点。熔体前沿速度是熔体前沿推进速度。对于具有复杂空腔几何形状的任何模具，空腔的一部分可以比其他区域填充得更快。通过控制熔体前沿速度，例如通过控制温度、压力和SCF配料控制，以及控制其他参数，可以获得更均匀的模腔填充速度，并且这确保了所得泡沫部件的表面质量在外观上是可接受的。

因此，一旦已经产生单相溶液，如上所述，改进的注射成型机将溶液维持在加压状态直到注射开始。例如，机器可以构造成通过截流喷嘴和螺杆位置控制的组合作用来实现这一点，如上所述。特别地，截流喷嘴可以构造成用作塑化料筒(具有往复螺杆)与模具之间的连接。这种截流喷嘴可以是自控的或外部控制的，并且它们可以用于避免熔融射料之间的熔体流淌，并且因此防止减压和过早发泡到模具中。

因此，所述截流喷嘴防止减压和过早发泡到模具中。例如，在没有截流喷嘴的情况下，单相溶液在模腔内将不具有足够的压力，并且将不能产生期望的模制泡沫部件。同样，可以采用主动或被动螺杆位置控制来防止通过螺杆的向后运动而减压。

特别地，系统可以构造成实施主动螺杆位置控制，例如其中连续地监测螺杆的位置，且调节施加到螺杆背部的压力以维持确定的位置设定点或保持在螺杆背部上的恒定压力。例如，在被动位置控制中，在螺杆收回结束时，防止用于调节背压的油排出到其油罐。这种残油防止螺杆由于单相溶液的压力而向后移动。

另外，如上所指示，适当的模具设计有助于维持单相溶液。具体地，在模具包括热流道系统的那些情况下，可以包括和控制一个或多个浇口以防止例如在模具打开时材料从喷嘴滴落。更具体地，热流道系统可以在此用于注射成型设备中，且可以包括物理加热的部件系统，使得其可以更有效地用于将熔融塑料从机器的喷嘴转移到模具工具空腔中。例如，可以使用“冷流道”或“热流道”，例如在冷流道是未加热的物理通道的情况下，采用所述冷流道以在熔融塑料离开喷嘴之后将其引导到模腔中，并且热流道被加热而冷流道不被加热。

同样，在各种情况下，所述设备可以包括喷嘴断口，其构造成在正常工作期间断开与注口衬套的接触。这种构造在叠层或串联的模具中是有用的，这些模具在注口衬套上采用截流装置。特别地，注口衬套可以构造成接受机器喷嘴，从而允许熔融的生物聚合物化合物进入模具。在机器喷嘴必须脱离与注口衬套的接触的情况下，熔融的生物聚合物化合物可能从注口衬套向后流淌，并且可能发生模具的减压。任何熔融流淌废料均可以增加生产成本，负面影响熔体的下一次射料，并且甚至会阻止模具的适当闭合，这将潜在地产生甚至更多的问题。

为了克服这个问题，可以选择具有截流装置的注口衬套。否则，来自热流道的压力将通过注口衬套释放。

特别地，当注口衬套需要截流装置时，除了上述其他益处之外，所述截流装置还阻止组合模内压力过高。模具的任何减压都将潜在地阻止熔融部件的发泡，结果，将不会形成所需的模制部件。

如上所指示，各种发泡剂可以用于可生物降解和工业可堆肥的微孔泡沫的注射成型。在具体情况下，这些发泡剂可以包括惰性和/或稀有气体，例如惰性氮气或二氧化碳或能够转化成超临界流体(SCF)状态的其他气体。根据本文公开的设备、系统及其使用方法，SCF可以通过例如专门设计的计算机控制的注射器引入(例如注射到)机器中，例如到熔体料筒中，所述计算机控制的注射器可以联接(例如固定)到注射成型机料筒，例如用于将发泡剂进料到料筒内的熔融生物聚合物熔体中。注射成型机控制器可以被编程以将具体SCF气体配料量(无论是氮气还是二氧化碳等)传送到生物聚合物熔体中，所述传送可以由系统控制器优化。

因此，上述SCF发泡剂中的每一种都有其用途，这取决于要生产的最终部件的技术要求。特别地，如所指出，有用的SCF是二氧化碳，在其超临界状态下，在相同压力下其密度比氮气大，但其具有高得多的热容量。实验表明，超临界状态的二氧化碳产生可用于某些缓冲应用的致密泡沫。相比之下，超临界氮气可以用于生产具有较小孔的低密度发泡部件，其可用于本公开的鞋类和体育用品应用。

因此，用于生产运动用品(例如鞋)的有用的发泡剂是SCF氮气，因为其提供改进的重量减轻和在比SCF二氧化碳低得多的重量百分比下的精细孔结构，但是对于家具和汽车用途，有用的发泡剂是二氧化碳，其产生大得多的孔结构，尽管尺寸和/或重量更大。具体地，在各种情况下，发泡部件的增强的重量减少是需要最小量重量的产品应用的有用特征。作为非限制性实施例，持续需要包含非常轻且展示经受重复滥用的能力的软质泡沫的跑鞋。

通过在上述实施例中提供具有精细孔结构的增强的重量减轻，注射成型的软质泡沫部件将依靠其通过制造可接受的轻质鞋增加跑步者效率的能力。此外，上述泡沫的精细孔结构将确保具有组成部件的非常耐用的跑鞋，所述组成部件将能够处理由跑步者在加速运动时向鞋的发泡部件恒定地施加压力和冲击而产生的重复冲击力。

事实上，SCF氮气水平通常将比获得可相比部件所需的SCF二氧化碳水平低至少75%。因此，当与SCF二氧化碳相比较时，SCF氮气水平需求大大降低确保了当大量生产用于制造鞋组件的本公开的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫时最佳的材料节省和时间节省。然而，SCF二氧化碳在各种特定情况下是有用的发泡剂，例如当粘度降低是主要处理目标时，和/或当应用不能耐受SCF氮气的更具侵蚀性的发泡作用时。

在某些情况下，SCF二氧化碳是合适的发泡剂，特别是在半软质泡沫中。软质泡沫和半软质泡沫两者都可以包括在相同类别的软质泡沫中，因为它们均衍生自玻璃化转变温度(Tg)低于其使用温度(通常为室温)的聚合物。在使用物理发泡剂的物理发泡过程期间，看到玻璃化转变的下降。氮气和二氧化碳发泡剂的有效性的这些差异源于它们在生物聚合物熔体中的行为。

例如，二氧化碳(在31.1摄氏度和72.2巴下变成SCF流体)在生物聚合物中的溶解度是氮气(在-147℃和34巴下变成超临界流体)的4至5倍。例如，在未填充的生物聚合物中氮气的饱和点为约1.5重量%至2重量%，这取决于温度和压力条件，而二氧化碳的饱和水平接近8重量%。二氧化碳在生物聚合物中还表现出较大的移动性，允许其比氮气进一步迁移到现有的气泡中。从孔成核的角度来看，溶解度和移动性越大意味着成核的孔越少，而那些确实成核的孔将倾向于更大。

然而，当目标是降低粘度时，溶解度成为优点。溶解在生物聚合物中的SCF起到增塑剂的作用，降低生物聚合物的粘度。因为粘度降低部分地是添加到生物聚合物中的SCF的量的函数，并且因为二氧化碳具有比氮气更高的溶解度极限，所以用二氧化碳降低粘度的能力更大。当生产部件所需的氮气的量如此低以致于不可能一致地处理部件时，二氧化碳也是有用的。

由于二氧化碳是侵蚀性小得多的发泡剂，因此有时使用低水平的二氧化碳更容易。例如，与小于0.05%的非常低水平的氮气相比较，二氧化碳水平为0.15%或0.2%。如前述实施例中所指示的情况主要发生在软材料和具有厚横截面的部件的情况下。因此，物理发泡剂(SCF氮气或SCF二氧化碳或其他SCF)在最终发泡部件和含有它们的最终产品中起有用的作用。

首先，选择相容的生物聚合物或生物聚合物化合物和相关SCF气体的适当组合是有用的。其次，以最佳配料重量和压力的方式适当利用SCF气体对于确保单相溶液内的最大饱和度以及确保用于在发泡基质内产生数百万个均匀气泡的核的最佳产生是关键的。另外，最终结果，均匀形成的注射成型的软质泡沫部件，依赖于SCF和GCP气体配料过程的所有方面，这些方面与注射成型机温度、压力和保持时间协同工作，以获得商业上可接受的模制泡沫部件，如上所述。

如所指示，在一个方面，提供制造可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫的方法，无论所述软质泡沫是开孔的还是闭孔的。在各种情况下，制造方法包括以下步骤中的一个或多个。首先，可以将热塑性生物聚合物共混到母料中以用于发泡。作为非限制性实例，所提及的母料可以通过双螺杆挤出机来生产，其中两种或更多种生物聚合物、填料和/或添加剂可以均匀共混到单一聚合物熔体中，例如在挤出料筒内。然后将熔融的生物聚合物共混物线料挤出、冷却并造粒成称为母料的颗粒，然后可以如上所述处理所述颗粒。合适的生物聚合物、生物塑料、填料、添加剂和着色剂的任何组合都可以并入母料生产中。

因此，一旦产生，则可以将热塑性生物聚合物共混物与SCF(例如惰性氮气或二氧化碳气体)一起注射成型成合适的模具形状。

如上所述，本发明的注射成型可以用于通过将熔融材料注射到产品模具中来生产部件的制造方法。在本公开中，选择合适的生物聚合物或生物聚合物共混化合物，例如颗粒形式。上述颗粒可以在辅助粒料干燥器中预干燥以确保去除任何潜在的水分。然后可以将预干燥的粒料引入注射成型机料斗中。然后，操作员选择注射成型机的最佳料筒温度、喷嘴温度和模具温度，并通过计算机控制输入这些值。

此外，可以缩放最优SCF气体配料百分比和压力以及最优GCP气体配料和压力，并且可以将这些值输入系统控制单元中或者由系统控制单元以其他方式(例如动态地)确定。一旦适当地构造系统，注射成型机就准备好操作。可以将颗粒以计算机控制所指定的量释放到注射成型机的螺杆和料筒中，它们在其中在具体的温度或温度组下熔融。

SCF气体通过计算机控制在受控的压力和配料量下通过SCF注射器引入注射成型料筒中。SCF使现已熔融的颗粒饱和，并且产生单相溶液。然后，在适当的反压和螺杆定位下，注射成型机将测量的射料量的单相溶液送入动态温度控制的模腔中。在熔体内经历核生长，并且在生物聚合物熔体内形成数百万个微孔气泡。基本上同时，GCP系统通过计算机控制将预计量配量的反压气体送入模具中，这优化了孔的均匀性并调节了表面纹理以获得最佳的外观。然后，可以将动态温度控制的模具温度切换成水冷却，并且气泡的形成和熔体的膨胀停止。此时，形成软质泡沫模制部件，并将其从模具中排出。

特别地，如上所指示，系统可以构造成实现动态模具温度控制，其可以用于产生最佳孔结构。例如，如所述，动态模具温度控制(DMTC)实现了快速电棒加热和快速水冷却。更特别地，本文采用的DMTC程序可以包括以下五个主要组件中的一个或多个：空气压缩机、阀门交换装置、计算机控制的模具温度控制单元、电加热模具和冷却塔。冷却塔构造成向模具提供水冷却，以便进行冷却操作，同时适当构造的空气压缩机产生压缩空气以驱动气体通过气动阀，以便在冷却之后排除任何残留冷却水以免其进入模具。一个或多个阀门交换装置可以构造并用以切换阀门，以将不同的介质从各种机器管线传递到模具，例如用于热循环和冷循环。可以包括电控加热元件，并且将其构造成模制发泡部件的最终形状。水塔和加热元件一起可以起到精细地控制模具温度的作用，从而在进行模制过程中可以快速地加热模具和/或冷却模具。

所有这些都通过适当构造的计算机处理器与注射成型机配合。例如，本发明的DMTC系统的冷却水温度控制的非限制性实例可以是15℃至30℃，并且DMTC系统的加热元件温度范围的另外非限制性实例可以在60℃至150℃之间的范围内，并且可以在90℃至130℃的范围内，并且可以是其间的任何温度。以这些方式，可以控制生物聚合物熔体、压力和时间，以便形成所需的软质泡沫。

特别地，在本公开的注射成型过程期间，将SCF注射到聚合物熔体中。在注射成型机螺杆和料筒内，在确定的温度和压力下获得聚合物-SCP混合单相溶液。温度和压力可以通过计算机控制可变地控制，并且直接与所生产的软质泡沫的类型和最终产品应用的类型有关。通过施加不同的螺杆容纳的SCF单相溶液压力和GCP压力，与适当的射料量、射料保持时间、熔体温度和模具温度合作，建立一个完整的系统，通过所述系统可以生产高质量和商业上可接受的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫部件，例如通过在注射成型过程中利用气体反压，以确保最佳的泡沫结构，其中在泡沫部件的外部具有最少量的外观缺陷并且几乎没有到没有塑料外皮。

如所指示，根据本文所公开的装置、系统及其方法生产的产品的有益效果在于，它们可以是可生物降解的和/或可堆肥的，例如以家庭或工业堆肥方案。特别地，生产构造成在工业堆肥方案中分解的物品确保了软质泡沫将持续所得产品的使用寿命，例如通过以使其不会在最终物品内在使用中途分解或崩裂的方式使功能化。例如，对于购买仅由本公开的软泡沫制成的家具、鞋或其他运动设备的人来说，泡沫在产品使用寿命结束之前的正常使用期间降解将是有害的。

更特别地，本公开受益于惰性物理发泡剂和可生物降解和工业可堆肥的生物聚合物或生物聚合物化合物的使用。这两个方面一起形成单相溶液，其在专用的软质泡沫注射成型系统内功能化。结果得到用于多种类型的最终产品的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫；其非限制性实例是用于制鞋的鞋类泡沫。所得软质泡沫材料是非交联的、不含化学品的和环境友好的。

在可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫寿命结束时，其可以通过废物转移而重新引导到适当的工业堆肥设施中，由此将泡沫磨碎并工业堆肥成可用的生物质。最终结果产生如下系统，所述系统遵守所谓的循环经济的各个方面。本公开的软质泡沫以“泥土至泥土”开始和结束，这意味着天然生物过程已经适于制造供人类使用的材料和产品，具有最小量的环境影响。这些软质泡沫在其使用寿命期间既不损害技术性能特性，也不损害其环保设计。

如上文所讨论，本文的装置、系统及其使用方法可以用于生产一种或多种模制最终产品的用途，例如用于鞋类、座椅、汽车、保护性装备和/或运动装备的组件。因此，在各种实施方案中，本文提供了可用于鞋的构造的一种或多种组件，例如其鞋底、中底和/或鞋内底，例如其中鞋底形成鞋的基部，并且构造成用于与地面接触，中底形成中间结构和缓冲元件，并且鞋内底构造成插入鞋内，并且从而向鞋提供缓冲和/或支撑。

在某些实施方案中，鞋组件可以包括本文生产的泡沫材料，所述材料可以是环境友好的、生物可降解的和可堆肥的。在各种情况下，每个单独的组件可以由包括基底层和缓冲层的多个层组成，例如在缓冲层的情况下。例如，在具体实施方案中，可以包括支撑构件，例如联接到基底层的支撑构件，并且在组件是鞋内底的情况下，可以包括足弓接触部或足跟接触部中的一个或多个处。

特别地，在各种实施方案中，可以生产泡沫材料，例如其中泡沫材料可以用于生产缓冲垫、缓冲家具、鞋组件(例如其鞋内底)、垫子、纤维、织物等。其他有用的产品可以包括堵缝剂，例如硅氧烷堵缝剂，硅氧烷医用手套，用于药物传送系统的硅氧烷管，硅氧烷粘合剂，硅氧烷润滑剂，硅氧烷涂料和其他合适的硅氧烷产品，例如避孕套。在各种实施方案中，泡沫产品可以以其中泡沫材料可以具有一种或多种抗微生物、抗细菌、抗真菌、抗病毒和/或阻燃特性的方式生产。

更特别地，在一个方面，本公开通常可以涉及用于制造家具如软垫家具和/或其垫子的方法，所述家具例如为包括泡沫或以其他方式由泡沫构成的家具，所述泡沫例如是可生物降解的和/或可堆肥的。因此，本公开的泡沫有利地用于制造包括这样生产的泡沫插入件的家具。已经证明生产和采用的树脂和泡沫有利地用作缓冲材料，例如用于枕头、软塌、床、座垫或用于其他装饰家具等。

例如，根据上文公开的方法，可以生产小块泡沫至大块泡沫的模具，例如以形成泡沫插入件，例如用于家具或汽车配件组件。然后，根据生产的家具的类型和形式，可以将泡沫块切割成具有所需尺寸和形状的较小的块。具体地，然后可以将定尺寸和切割的块施用到家具或汽车框架或其他边界材料或以其他方式装配在家具或汽车框架或其他边界材料内，可以将它们一起覆盖以生产最终的家具产品，无论其是枕头、沙发、垫子(例如沙发或汽车垫子)等。另外，在需要的情况下，外壳或边界材料可以例如通过钉合和/或钉住而连接到框架材料，或者以其他方式紧固到待装饰的物品的框架并用织物或其他材料覆盖。

因此，在各种实施方案中，当制造软垫家具，例如软塌或汽车座椅时，可以生产框架。家具的各种内部(例如结构)组件可以安装在框架内，例如弹簧等，然后根据上文公开的方法生产的泡沫片材可以定位在弹簧中、弹簧上面和弹簧周围，例如用于缓冲和/或绝缘。当然，也可以包括其他材料，例如棉层、羊毛层、毡层、橡胶基产品等，然后可以添加覆盖材料以覆盖框架并完成产品制造。

具体地，本发明的泡沫与本文公开的其他材料一起可以起到填料或填充物的功能，当覆盖材料在框架上面拉伸时，所述填料或填充物可以被成形、调节和收拢在覆盖物下面。另外，如所指示，在各种情况下，由于许多原因，这里生产的泡沫产品在本领域已知的那些产品中和其上面，其中最重要的事实是典型的PU和/或EVA泡沫无法以任何方式进行生物降解，而这里生产的泡沫组件却可以。因此，在各种实施方案中，提供在开放框架上构造家具的方法。例如，在一种情况下，所述方法可以包括以下步骤中的一个或多个。

特别地，所述方法可以包括提供框架，所述框架限定靠背、多个侧壁和座位部，例如其中相对于彼此，靠背框架部基本上竖直延伸，而座位部基本上水平延伸，以此方式使得座位部横切竖直部。所述方法还可以包括将扁平泡沫片材切割成适当的尺寸和形状以为背部和座位和/或侧壁部提供衬垫，将扁平覆盖材料切割成适当的尺寸和形状以最后加工背部、座位和/或侧壁部，在间隔开的位置处将泡沫片材和覆盖材料连接在一起，并压缩泡沫以在其外表面形成波状外形预定设计并形成大体上扁平的子组件，其中泡沫片材和覆盖材料在连接位置中间自由地相对移动，以及成形并连接所述子组件到框架。泡沫缓冲材料或缓冲制品的罩盖可以是通常用于装饰家具和覆盖装饰枕头等的任何合适的覆盖材料，例如机织羊毛织物、机织尼龙织物或由其他各种合成纤维机织的织物以及例如皮革等的材料。

此外，在另一个方面，本公开通常涉及用于制造鞋组件(例如鞋的鞋底、中底和/或鞋内底)的方法，所述鞋组件例如包括泡沫(例如，可堆肥泡沫)或以其他方式由泡沫构成的鞋组件。特别地，在具体实施方案中，提供了用于制造鞋底、中底、鞋内底和/或其他鞋垫的方法。例如，本发明的鞋垫可以是一种缓冲装置的形式，其适于插入或以其他方式装配在鞋(例如跑鞋或运动鞋)内，其可以构造成在跑步或行走时减少足部撞击表面(例如地面)的冲击，从而吸收和/或衰减对足部的震动。

特别地，包括中底和鞋垫的鞋底组件可以包括一个或多个层。例如，在一些情况下，可以提供基底层、泡沫层和/或织物层。具体地，可以包括相对弹性材料的基底层，和/或例如设置在基底层上面的泡沫层，和/或设置在泡沫层上面的织物层。因此，所述方法可以包括将基底层、泡沫层和织物整体地形成为三层层压片。在各种情况下，支撑层可以至少设置鞋跟区域，所述支撑层可以由刚性材料构成，所述刚性材料例如密度高于层压材料的刚性材料。可以提供粘合剂、胶水或其他连接机构，并且将其用于连接并形成具有支撑层的三层层压物。

更特别地，在其他情况下，用于制造诸如鞋垫的鞋组件的方法可以包括以下步骤：提供泡沫层和/或提供织物层；加热泡沫层；将泡沫层和织物层接合；提供基底层，例如，具有与泡沫层相同、比其更大或更小的密度的基底层；以及加热基底层和泡沫层中的至少一个，以将基底层与泡沫层联接，从而形成双层或三层层压物。

所述方法还可以包括提供预形成的支撑构件，例如足弓支撑和/或足跟构件，所述构件可以具有与泡沫层的密度基本上相同、或更小、或更大的密度。在具体情况下，支撑构件可以由压缩泡沫材料形成，以获得更大的密度，并且因此获得与泡沫层的刚性相比更大的刚性。

另外，热和/或压力可再活化的粘合剂可以施加在支撑和/或足跟构件和层压物之间。然后可以对组合物施加模制压力，以使三层层压物形成和/或成形为支撑和/或足跟构件，以形成整体单件式鞋垫，其中预形成的足跟构件形成成品鞋垫的底部表面的后部和/或支撑构件形成其中部，例如其中部和/或足跟区域，且基底层形成成品鞋垫的底部表面的前部区域。

然而，应当注意，不需要包括支撑和/或足跟构件，并且在一些情况下，可以排除一个或多个层压组件或增加其他层压层。还应注意，在某些实施方案中，泡沫层可以比基底层更柔韧和/或更有缓冲性，例如具有更大的硬度，基底层继而可以比支撑构件更柔韧和/或更有缓冲性，例如具有更大的硬度。因此，更柔韧的泡沫和基底层可以是相对弹性的并且在形状上符合所需的鞋尺寸和构造，而一个或多个支撑层可以是相对更刚性的。

特别地，如所指示，泡沫层和/或一个或多个支撑层可以由本文公开的可生物降解的和/或环境友好的泡沫材料构造。具体地，支撑层可以是更致密的泡沫，从而使支撑层更硬。因此，在各种实施方案中，泡沫层可以具有约2磅/立方英尺、或约3磅/立方英尺、或约5磅/立方英尺至约10磅/立方英尺或更高的密度，例如在约4-6磅/立方英尺之间的范围内的密度。另外，泡沫层可以具有1/8"±5%的厚度，例如在约3/32"-5/32"的厚度范围内。

同样，基底层也可以具有约2磅/立方英尺、或约3磅/立方英尺、或约5磅/立方英尺至约10磅/立方英尺或更高的密度，例如在约4-6磅/立方英尺之间的范围内的密度。基底层的厚度可以是大约5/16"±10%。然而，在各种情况下，基底层的厚度可以在约1/4"或更小至约7/16"的厚度范围内。关于支撑层，其可以主要形成在内衬的足弓和/或足跟区域，其也可以由本文公开的可生物降解和/或可堆肥的泡沫制成。

然而，支撑层可以通过压缩制成，使得最终密度为大约22-23磅/立方英尺。织物层可以由任何合适的材料如棉花、聚酯或聚丙烯编织物构造。在各种情况下，材料和泡沫层可以通过火焰层压技术层压在一起，所述技术采用指向泡沫层的明火。明火在表面上产生足够的热以引起平板泡沫层的熔化。一旦熔化，织物层就可以与其接合，并且夹在一起的两层可以在冷却辊之间运行，同时在辊之间施加足够的压力，使得这两层接合在一起。

在所述过程中的此时，这些层仍然维持为平板形式。然后，这些集成层也可以通过火焰层压接下来接合到基底层上。先前集成的材料和泡沫层可以接合到支撑层，然后这些多层层压层可以在冷却辊之间运行。在所述过程的这个阶段，这些层仍然是平板形式。然后，如此层压到这种程度的层准备用于模制。这可以通过将层压层加热到大约250℉的模制温度，例如约1分钟至约5分钟或更长的时间如约225秒来进行。这充分地加热了先前层压的层，以容许它们插入模具中。

以下是参考附图对本公开的各种实施方式的描述。因此，在一个方面，提供鞋类组件。特别地，如图1中所示，本公开的一个实施方案是鞋类组件，即微孔软质泡沫中底100，其由可生物降解和工业可堆肥的热塑性生物聚合物共混物102制成。

具体地，可生物降解和工业可堆肥的注射成型微孔软质泡沫中底由一种或多种生物聚合物和生物聚合物共混物(例如包括热塑性生物聚合物)制成。特别地，用于制造可生物降解和工业可堆肥的注射成型微孔软质泡沫的热塑性生物聚合物或生物聚合物共混物可以任选地由任何数量的脂族和脂族-芳族共聚酯等产生。

用于生产生物聚合物或生物聚合物共混物的合适生物聚合物的非限制性实例由聚乳酸(PLA)、聚(L-乳酸)(PLLA)、聚(己二酸丁二醇酯-共-对苯二甲酸丁二醇酯)(PBAT)、聚己内酯(PCL)、聚羟基链烷酸酯(PHA)、聚琥珀酸丁二醇酯(PBS)、聚己内酯(PCL)、聚琥珀酸己二酸丁二醇酯(PBSA)、聚己二酸丁二醇酯(PBA)和热塑性淀粉(TPS)组成。另外，混合生物聚合物共混物可以用于制造可生物降解和工业可堆肥的注射成型微孔软质泡沫。混合生物聚合物共混物的非限制性实例由含藻的聚(己二酸丁二醇酯-共-对苯二甲酸丁二醇酯)(PBAT)组成。

在所提供的实施例中，混合生物聚合物的藻类部分由干燥粉末形式的任何合适种类的藻类组成。合适的藻类物种的几个非限制性实例包括蓝绿藻、绿藻、红藻、褐藻和硅藻及其组合。上述干燥的藻类粉末可以在标准设备上与PBAT生物聚合物一起双螺杆挤出，使得藻类粉末变性成PBAT的聚合物链。由此形成用于制造本公开的可生物降解和工业可堆肥的注射成型微孔软质泡沫的混合生物聚合物。

所生产的泡沫产品可以包括或以其他方式并有许多以下成分：填料粉末和/或一种或多种添加剂。特别地，根据应用，添加剂也可以用于生物聚合物制剂中。例如，低聚(天冬氨酸-共-丙交酯)(PAL)可以任选地配混成母料以加速生物降解。另外，可以利用填料(例如来自霰石的沉淀碳酸钙、淀粉等)以降低部件成本，同时维持成品软质泡沫的可再生和可生物降解完整性。

此外，用于生物聚合物制剂的另外添加剂可以由以下一种或多种组成。可以包括成核剂，例如微叠层滑石或高纵横比的鲕状霰石。这些成核剂可以通过防止孔聚结、降低堆积密度和改进回弹性以及其他有益地增强的属性而大大改进所得软质泡沫的关键特性。用于生产可生物降解和工业可堆肥的注射成型微孔软质泡沫的成核剂的几个非限制性实例是作为Mistrocell®由Imerys Talc America Inc., Houston, Texas销售的微叠层滑石和作为OceanCal®由Calcean Minerals & Materials LLC, Gadsden, Alabama销售的高纵横比的鲕状霰石。

还可以包括着色剂、染料和颜料。例如，各种着色剂(例如染料、颜料或生物颜料)可以任选地用于本发明的生物聚合物制剂中。几个非限制性实例是植物来源的天然色素，其已经为生物聚合物用途而定制，例如由Treffert GmBH & Co. KG, Bingen am Rhein提供的广泛范围或由Holland Colours Americas Inc., Richmond, Indiana提供的那些。

存在许多可以根据以下采用的构造和实施方案：中底100的所需物理特性和预期的最终用途，无论是用于工作、娱乐、水中使用等，其不应被这些实施例所限制。

所述系统的合适装置可以在图2中示例说明，并且可以用于生产如上文公开的泡沫材料。例如，在使用中，将生物聚合物母料202进料到任何合适的注射成型机206的料斗204中。生物聚合物母料通过加热液化，同时通过注射成型机螺杆208传输。将氮气或CO₂气体210注射到生物聚合物熔体中并混合212。此外，生物聚合物-气体混合物处于压力下并且将其注射到注射成型工具214中。与生物聚合物-气体注射合作，气体反压系统216通过气体控制阀220将一定配量的计量氮气或CO₂气体218送入加压模制工具。

此后不久，动态模具温度控制系统(DMTC) 222控制和调节模制工具214内部的温度。然后将模制工具214充分冷却，并将所得可生物降解和工业可堆肥的注射成型微孔软质发泡部件从注射成型机中排出。

图3提供说明生产可生物降解和工业可堆肥的注射成型微孔软质泡沫的方法300的流程图。在302处，选择生物聚合物混合物，并且在304处，通过材料料斗将混合物吸入注射成型机。在306处，将生物聚合物混合物液化和均化，同时通过注射成型机螺杆传输。在308处，将氮气或CO₂气体注射到生物聚合物熔体。在310处，生物聚合物-气体混合物处于压力下并将其注射到注射成型工具中。在312处，动态地控制注射成型工具温度以确保最佳的孔结构。在314处，将最佳配量的气体反压施加到注射模制工具足够长的时间，以确保具有最小外皮厚度的理想泡沫结构。在316处，充分冷却注射成型工具，并且将所得模制泡沫部件从注射成型机中排出。

在一些实施方案中，并且不对本文的公开内容施加限制，可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫制造方法包括以下概述的步骤。处理设置程序围绕在螺杆速度、温度和压力条件下建立配料到注射料筒中的受控SCF反复考虑，产生单相溶液。

确保SCF配料的基本条件得到满足，主要有七个处理设定点需要调节：SCF传送压力：设定所述SCF在螺杆旋转期间配料的生物塑料压力。这是指螺杆收回期间的具体生物聚合物背压，也指螺杆空转期间的螺杆位置控制。作为非限制性实例，生物聚合物传送的压力设定点可以在2,000 psi和3,000 psi的范围内，且更优选在2,700 psi和2,800 psi的范围内。所述设定点设定了SCF配料开始的螺杆位置，然后可以将SCF注射器设定为打开或关闭位置。所述位置应设定成使得在螺杆收回期间料筒中的压力在开始配料之前已变得稳定。作为非限制性实例，打开位置可以在0.3英寸和0.4英寸的范围内。

也可以控制射料量和SCF的百分比。这控制了在每个循环期间配给的SCF的实际质量。作为非限制性实例，射料量可以在100克至300克的范围内，且更优选200克。SCF百分比的非限制性实例可以在0.45%和0.75%的范围内，且更优选0.5%。所述系统还可以构造成优化配料。这通过最大化配料时间和最小化流速(预计量压力和传送压力之间的压力差)来实现。配料时间的非限制性实例为1-2秒，且更优选1.7秒。

也可以实现动态模具温度控制(DMTC)。这是一种涉及在注射填充阶段期间快速改变和控制模具温度的过程，从而根据热循环和冷循环两者动态地控制模具温度。在熔体注射之前，首先将模具加热到预设上限。在熔体填充阶段期间，模腔表面的温度保持高于所述上限，以防止熔体过早地固化。

当熔体填充过程结束时，模具被快速冷却到称为排出温度的下限，所述排出温度是部件从模腔排出的温度。本公开的最佳模具温度范围的非限制性实例是40℃至150℃，冷却速度为1℃/秒至15℃/秒，且更优选11℃/秒。本发明的模具冷却时间的非限制性实例在80秒和100秒之间。

同样，也可以控制气体反压(GCP)。这是包括加压模腔的过程，所述加压模腔被注入氮气以抵消气体在熔体内的膨胀。当释放反压时，常规上会穿透表面的气泡被截留在内部，从而产生光滑的外皮。GCP通过表面质量、泡沫结构和外皮厚度控制发泡。本发明的气体反压的非限制性实例是0巴/10巴/30巴/50巴，保持时间在l秒和25秒之间，且更优选5秒。本发明的平均微孔孔径的非限制性实例可以微米(μm)为单位测量在1微米和100微米之间，且更优选40微米。

鉴于上述情况，在一些实施方式中，生产合适的热塑性生物聚合物共混物。一旦生成热塑性共混物，热塑性生物聚合物共混物可以例如通过添加惰性气体(例如氮气)而注射成型为合适的模具形状。另外，也可以精细地控制压力。

例如，可以在注射成型过程中利用气体反压。这对于进一步确保具有最少量的外观缺陷并且发泡部件外侧上几乎没有到没有塑料外皮的最佳泡沫结构也是有用的，这对于基于模具形状制造可以具有多种最终用途的发泡产品是重要的。模制过程可以包括实施动态模具温度控制。例如，在各种实施方案中，动态控制模制过程的温度对于实现最佳孔结构是有用的。可以控制的模制过程的其他要素包括控制：生物聚合物熔体、压力和时间，从而形成所需的软质泡沫。

因此，鉴于上述情况，本发明涉及由可生物降解和工业可堆肥的生物衍生热塑性树脂注射成型微孔发泡各种软质泡沫组合物的方法，其用于例如鞋类组件、座椅组件、保护性齿轮组件和水上运动配件。

产生可生物降解和工业可堆肥的微孔软质泡沫结构从合适的生物聚合物或生物聚合物共混物(例如脂族和脂族-芳族共聚酯来源的那些)开始。合适的生物聚合物共混物的非限制性实例是聚乳酸(PLA)和聚(己二酸丁二酯-共-对苯二甲酸丁二酯)(PBAT)。上述共混的热塑性生物聚合物树脂在形成本发明的最佳微孔软质泡沫结构中显示出有利的技术特性。一些增强的技术特性包括：可接受的老化特性、优异的伸长率和优异的压缩形变以及其他益处。

最佳的脂族和脂族-芳族共聚酯生物聚合物或生物聚合物共混物不能在没有合适的发泡剂和发泡过程的情况下单独产生软质泡沫。目前使用的最广泛已知的发泡剂是一种称为偶氮二酰胺(ADA)的化学品。偶氮二酰胺通常预浸渍到石化热塑性母料树脂中，用于常规的注射成型泡沫方法。不幸的是，ADA不是环境友好的，并且怀疑其是人类健康的致癌物质。此外，常规石化热塑性母料树脂不是可生物降解的，也不是工业可堆肥的。为了获得用于上述发明的最佳的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫，在改进的注射成型方法中使用超临界流体态的惰性氮气或二氧化碳作为物理发泡剂。改进的物理发泡方法与合适的热塑性生物聚合物或共混的生物聚合物母料合作使用，使得生物聚合物或生物聚合物共混物和发泡剂协调工作以生产最佳的可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫。

本公开的注射成型方法依赖于当生物聚合物或生物聚合物共混物的单相溶液和超临界流体(SCF)通过注射浇口进入模腔时发生的均匀孔成核。当溶液进入模具时，压力下降，这导致SCF从溶液中出来，产生孔核。然后孔生长直到材料填充模具，并且SCF的膨胀能力被耗尽。所述制造过程在注射成型机上运行，所述注射成型机已被改进以允许计量、传送和混合SCF到生物聚合物中以产生单相溶液。采用动态模具温度控制(DMTC)以确保膨胀的生物聚合物熔体内的一致的孔结构。DMTC可以最好地描述为在注射填充阶段期间模具温度的快速改变和控制；这由此根据热循环和冷循环两者动态地控制模具温度。气体反压(GCP)也用于制造过程中以确保最佳泡沫结构，在所得软质泡沫上几乎没有外皮。GCP可以最好地描述为包括加压模腔的过程，所述加压模腔被注射SCF以抵消熔体内的气体膨胀。当释放反压时，常规上会穿透表面的气泡被截留在内部，从而产生光滑的外皮。GCP通过表面质量、泡沫结构和外皮厚度控制发泡。

单相溶液的产生，其中SCF完全溶解并且均匀分散在熔融生物聚合物中，在仔细控制的处理条件下在注射料筒内部进行：SCF必须在固定的时间量内被准确地质量流量计量到生物聚合物中。并且在配料期间，可以在料筒内建立温度、压力和剪切的恰当条件。

背压、螺杆速度和料筒温度控制以及SCF传送系统都在建立产生单相溶液的处理条件中起作用。

一旦产生单相溶液，改进的注射成型机将溶液维持在加压状态直到注射开始。所述机器通过截流喷嘴和螺杆位置控制的组合作用实现这一点。所述截流喷嘴防止减压和过早发泡到模具中。主动或被动螺杆位置控制防止通过螺杆的向后运动而减压。在主动螺杆位置控制期间，连续地监测螺杆的位置，且调节施加到螺杆背部的压力以维持位置设定点或在螺杆背部上保持恒定压力。在被动位置控制中，防止用于调节背压的油在螺杆收回结束时涌入其罐中。这种残油防止螺杆由于单相溶液的压力而向后移动。

适当的模具设计还有助于维持单相溶液。具有热流道系统的模具需要阀门浇口以防止在模具打开时材料从喷嘴滴落。在正常操作期间机器喷嘴与注口衬套断开接触的模具，例如叠层或串联模具，需要在注口衬套上截流。否则，来自热流道的压力将通过注口衬套释放。

用于注射成型可生物降解和工业可堆肥的微孔泡沫的发泡剂是超临界流体(SCF)状态的惰性氮气或二氧化碳。上述SCF发泡剂中的每一种都有其用途，这取决于要生产的最终部件的技术要求。

本发明的有用的发泡剂是SCF氮气，因为它以比SCF二氧化碳低得多的重量百分比提供改进的重量减轻和精细孔结构。事实上，SCF氮气水平通常将比获得可相比部件所需的SCF二氧化碳水平低至少75%。然而，SCF二氧化碳在两种情况下是优选的发泡剂：当粘度降低是主要处理目标时或当应用不能耐受SCF氮气的更具侵蚀性的发泡作用时。

两种发泡剂的有效性差异源于它们在生物聚合物熔体中的行为。在31.1℃和72.2巴下变成SCF流体的二氧化碳在生物聚合物中的溶解度是在-147℃和34巴下变成超临界流体的氮气的4至5倍。例如，氮气在未填充的生物聚合物中的饱和点为约1.5-2重量%，这取决于温度和压力条件，而二氧化碳的饱和水平接近8重量%。二氧化碳在生物聚合物中还表现出较大的移动性，允许其比氮气进一步迁移到现有的气泡中。从孔成核的角度来看，溶解度和移动性越大意味着成核的孔越少，而那些确实成核的孔将倾向于更大。

然而，当目标是降低粘度时，溶解度成为优点。溶解在生物聚合物中的SCF起到增塑剂的作用，降低生物聚合物的粘度。因为粘度降低部分地是添加到生物聚合物中的SCF的量的函数，并且因为二氧化碳具有比氮气更高的溶解度极限，所以用二氧化碳降低粘度的能力更大。

当生产部件所需的氮气的量如此低以致于不可能一致地处理部件时，二氧化碳也是优选的。由于二氧化碳是侵蚀性小得多的发泡剂，因此有时使用低水平的二氧化碳更容易。例如，与小于0.05%的非常低水平的氮气相比较，二氧化碳水平为0.15%或0.2%。如前述实施例中所指示的情况主要发生在软材料和具有厚横截面的部件的情况下。

尽管上面已经详细描述了一些实施方案，但是其他修改也是可能的。其他实施方案可以在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.制造可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫模制品的方法，所述方法包括：

将用于发泡的共混有热塑性生物聚合物的母料引入成型设备的料筒中；

在一定的温度和压力条件下将流体引入所述料筒中以产生超临界流体，所述超临界流体在与所述共混有热塑性生物聚合物的母料接触时产生热塑性发泡熔体；

将所述热塑性发泡熔体注射到合适模具形状的空腔中；

向所述空腔施加气体反压；以及

冷却所述空腔以产生所述模制品。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述热塑性生物聚合物母料中的一种或多种的引入经由注口衬套进行。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述共混有热塑性生物聚合物的母料通过双螺杆挤出机生产。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述共混有热塑性生物聚合物的母料包含聚乳酸(PLA)、聚羟基链烷酸酯(PHA)、乙酸纤维素(CA)、淀粉和石油衍生的热塑性物中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述流体经由计量单元引入所述料筒中。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述超临界流体包含氮气和二氧化碳中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述超临界流体在一定的压力和温度下引入，所述压力的范围为约150巴至约300巴，并且所述温度的范围为约150℃至约350℃。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述温度经由动态模具温度控制来控制。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述气体反压范围为约5巴至约50巴，施加时长为1秒至25秒。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述模制品为包括鞋底、中底和鞋内底中的一种或多种的鞋组件。

11.生产可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫模制品的注射成型设备，所述注射成型设备包括：

料斗，其构造成接收多种热塑性生物聚合物并将其引入所述成型设备中，所述热塑性生物聚合物形成待共混的母料；

计量单元，其构造成接收流体，且在一定条件下将所述接收的流体引入所述成型设备中，以在所述引入时产生超临界流体；

具有第一空腔的料筒，所述料筒构造成当将所述共混的热塑性生物聚合物母料和所述流体引入所述成型设备中时接收所述共混的热塑性生物聚合物母料和所述流体，以这种方式使得在所述超临界流体接触所述第一空腔内的所述共混的热塑性生物聚合物母料时产生热塑性发泡熔体；

气体反压传送单元，其构造成将气体反压传送到所述第一空腔，以控制所述发泡熔体的膨胀；以及

具有与所述料筒的第一空腔流体连通的第二空腔的模具，所述第二空腔构造成接收所述发泡熔体且在所述熔体冷却时产生所述软质泡沫模制品。

12.根据权利要求11所述的注射成型设备，其还包括往复螺杆，其构造成压缩所述第一空腔内的所述发泡熔体，并且将所述压缩的发泡熔体输送到所述模具的第二空腔中。

13.根据权利要求12所述的注射成型设备，其还包括在所述料筒的第一空腔和所述模具的第二空腔之间的导管，所述导管包括喷嘴，其中所述喷嘴还包括注口衬套，以在所述料筒和所述模具之间形成密封。

14.根据权利要求13所述的注射成型设备，其中所述热塑性生物聚合物包含聚乳酸(PLA)、聚羟基链烷酸酯(PHA)、乙酸纤维素(CA)、淀粉和石油衍生的热塑性物中的一种或多种，并且所述流体包含氮气和二氧化碳中的一种或多种。

15.根据权利要求14所述的注射成型设备，其中所述模具具有一定形状以生产包括鞋底、中底和鞋内底中的一个或多个的鞋组件的模制品。

16.生产可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫模制品的系统，所述系统包括：

生产所述可生物降解和工业可堆肥的软质泡沫模制品的注射成型设备，所述注射成型设备包括：

料斗，其构造成接收多种热塑性生物聚合物并将其引入所述成型设备中，所述热塑性生物聚合物形成待共混的母料；

具有第一空腔的料筒，其构造成接收所述共混的热塑性生物聚合物母料，以此方式产生发泡熔体；

以及

具有与所述料筒的第一空腔流体连通的第二空腔的模具，所述第二空腔构造成接收所述发泡熔体且在所述熔体冷却时产生所述软质泡沫模制品；

超临界气体配料系统，其构造成接收流体并在一定条件下将所述接收的流体引入所述料筒的第一空腔中以在所述引入时产生超临界流体，当所述超临界流体接触所述第一空腔内的所述共混的热塑性生物聚合物母料时，所述超临界流体产生发泡熔体；

动态温度控制系统，其构造成控制所述第一空腔和所述第二空腔中的一个或多个内的温度；

气体反压传送单元，其构造成将气体反压传送到所述第一空腔，以控制所述发泡熔体的膨胀；以及

控制单元，其包括一个或多个微处理器，所述控制单元用于根据一个或多个系统参数来控制所述注射成型设备、所述超临界气体配料系统、所述动态温度控制系统和所述气体反压传送单元中的一个或多个。

17.根据权利要求16所述的系统，其还包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器选自包括温度、压力、加速度计、陀螺仪和方向传感器的列表，所述一个或多个传感器构造成定位在所述注射成型设备的一个或多个空腔内。

18.根据权利要求17所述的系统，其还包括通信模块，所述通信模块联接到所述控制模块、所述超临界气体配料系统、所述动态控制温度系统和所述气体反压控制单元中的一个或多个，所述通信模块构造成用于进行选自包括WIFI、蓝牙、低能量蓝牙和蜂窝通信的列表的一个或多个无线通信方案。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述动态温度控制系统包括一个或多个加热元件和冷却元件，所述一个或多个加热元件和冷却元件联接到所述料筒和所述模具的内部和外部中的一个或多个。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述模具具有一定形状以生产包括鞋底、中底和鞋内底中的一个或多个的鞋组件的模制品。

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