CN112976457A - 一种排气速率可控的模压发泡装置及其发泡工艺和应用 - Google Patents

一种排气速率可控的模压发泡装置及其发泡工艺和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及塑料成形加工技术领域，特别是涉及一种排气速率可控的模压发泡装置及其发泡工艺和应用。在两级密封件间设置排气管路，排气管路内设有气体限流阀，从而实现泄压过程中的排气速率的有效控制。此外，本发明在模具主体和模具底座上设置凸起和凹槽，凸起设有第二密封件，部分开模时第一密封件失效，聚合物原料内部形成一定程度的泡孔结构；全部开模时第一密封件和第二密封件全部失效，聚合物内部泡孔进一步生长，聚合物进一步发泡形成密度更低的聚合物泡沫。从而避免一次泄压大量气体膨胀导致强烈爆破，降低泄压过程高压气体冲击及巨大噪音。该装置与工艺排气速率可控、安全性高、噪音小、能耗低，产品结构多样、应用广泛、质量优异。

Description

一种排气速率可控的模压发泡装置及其发泡工艺和应用
技术领域
本发明涉及塑料成形加工技术领域，特别是涉及一种排气速率可控的模压发泡装置及其发泡工艺和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
聚合物泡沫制品由于其轻量化、易加工、机械性能良好、隔热隔音、缓冲缓震等特性在建筑保温、运动器具、运输包装、航空航天等领域已经得到了广泛应用。对聚合物制品广泛的需求催生了多种多样的聚合物发泡工艺与装备。根据加工方式的区别，常见的聚合物发泡工艺包括注塑发泡、连续挤出发泡、模压发泡等等。
其中，模压发泡是将聚合物原料与发泡剂加入预设温度的密闭模具中，模内高压状态持续一定时间保证发泡剂在聚合物基体扩散均匀后，快速打开排气通道使高压气体泄出，利用气体压力降实现聚合物发泡。模压发泡工艺简单，安全环保，泡沫结构细密，产品轻质高强、质量优异，是应用最为广泛的发泡工艺之一。
然而发明人研究发现多数模压发泡装置利用密封圈实现高压模具的密封，并利用球阀泄压，在使用过程中易损坏，更换成本较高。若直接开模具泄压，其泄压过程不可控，气体急速膨胀爆破的过程具有很大安全隐患，并且噪音极大，对人员身体有一定损害。另外，多数模压发泡装置泄压过程中气体直接排出，排气速率不可控，从而无法控制对聚合物内部泡孔的形核与生长，制造的泡沫结构单一。此外，常见的模压发泡过程需要大量液态水作为发泡助剂，在发泡过程中需要频繁的加热冷却，效率较低并且能耗较高。
发明内容
为了解决现有技术存在的球阀泄压易损坏，直接开模具泄压过程不可控，卸压排气速率不可控的问题，本发明提出一种排气速率可控的模压发泡装置及其发泡工艺和应用，在两级密封件间设置排气管路，排气管路内设有气体限流阀，从而实现泄压过程中的排气速率的有效控制。此外，本发明在模具主体和模具底座上设置凸起和凹槽，凸起设有第二密封件，部分开模时第一密封件失效，聚合物原料内部形成一定程度的泡孔结构；全部开模时第一密封件和第二密封件全部失效，聚合物内部泡孔进一步生长，聚合物进一步发泡形成密度更低的聚合物泡沫。从而避免一次泄压大量气体膨胀导致强烈爆破，降低泄压过程高压气体冲击及巨大噪音。该装置与工艺排气速率可控、安全性高、噪音小、能耗低，产品结构多样、应用广泛、质量优异。
具体的，本发明通过如下所述的技术方案实现的：
本发明第一方面，提供一种排气速率可控的模压发泡装置，包括：模具主体、模具型腔、通气管路、模具底座、排气管路、气体限流阀、第一密封件、第二密封件，所述模具主体与模具底座围成的密闭空间为模具型腔，所述模具底座与模具主体接触的区域设有第一密封件；
在模具底座与模具主体接触的区域中，模具主体靠近模具底座的一侧设有凸起，所述凸起外围设有第二密封件，所述模具底座靠近模具主体的一侧设有与凸起形状和位置相对应的凹槽，所述凹槽与模具型腔的距离大于第一密封件与模具型腔的距离；
所述模具主体设有排气管路，所述排气管路一端位于第一密封件与凹槽之间，另一端与外界连通；
所述排气管路中设有气体限流阀。
本发明第二方面，提供一种基于排气速率可控的模压发泡装置的发泡工艺，包括：预热装置和原料，合模和锁紧模具主体与模具底座，注入发泡剂，维持模具型腔的温度和压力一定时间后，模具部分开模，第一密封件失效，模具型腔内的高压气体经过气体限流阀从排气管路排出，模具全部开模，第一密封件和第二密封件失效，模具型腔内剩余的高压气体经分型面完全扩散至外界，模具型腔内气体压力下降至大气压。
本发明第三方面，提供一种发泡工艺制备得到的发泡材料。
本发明第四方面，提供一种排气速率可控的模压发泡装置和/或发泡工艺在制备非均质泡沫材料领域的应用。
本发明一个或多个实施例具有以下有益效果：
1)在模具主体和模具底座上设置凸起和凹槽，凸起设有第二密封件，部分开模时第一密封件失效，气体从排气管路排出，聚合物原料内部形成一定程度的泡孔结构；全部开模时第一密封件和第二密封件全部失效，聚合物内部泡孔进一步生长，聚合物进一步发泡形成密度更低的聚合物泡沫。这样设计避免一次泄压大量气体膨胀导致强烈爆破，降低泄压过程高压气体冲击及巨大噪音。该装置与工艺排气速率可控、安全性高、噪音小、能耗低，产品结构多样、应用广泛、质量优异。
2)排气管路为弯曲结，且排气管路内设有气体限流阀，从而实现泄压过程中的排气速率的有效控制。
3)开模直接泄压，无需另外安装球阀，从而避免频繁泄压造成阀门损坏。
4)发泡过程无需液态水作为发泡助剂，大幅降低模具升降温过程中的能源消耗，发泡过程环保高效。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1为本发明实施例1中排气速率可控的模压发泡装置闭模阶段的系统组成示意图；
图2是本发明实施例1中开模阶段一：部分开模阶段的模具系统结构示意图；
图3是本发明实施例1中开模阶段二：完全开模阶段的模具系统结构示意图；
图4是本发明实施例3中采用实施例1的装置与工艺方案发泡前TPU颗粒样品实拍图；
图5是本发明实施例3中采用实施例1的装置与工艺方案发泡后TPU颗粒样品实拍图；
图6是本发明实施例3中采用实施例1的工艺方案制备的TPU泡沫颗粒的内部泡孔结构；
图7是本发明实施例4中采用实施例1的装置与工艺方案发泡前TPEE板材样品实拍图；
图8是本发明实施例4中采用实施例1的装置与工艺方案发泡后TPEE板材样品实拍图；
图9是本发明实施例4中采用实施例1的工艺方案制备的TPEE泡沫板材的内部泡孔结构。
其中：1、模具主体，2、模具型腔，3、通气管路，4、模具底座，5、控温管路，6、聚合物原料，7、排气管路，8、气体限流阀，9、二级密封，10、一级密封，11、压力传感器，12、温度传感器。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
为了解决现有技术存在的球阀泄压易损坏，直接开模具泄压过程不可控，卸压排气速率不可控的问题，本发明提出一种排气速率可控的模压发泡装置及其发泡工艺和应用，在模具主体和模具底座上设置凸起和凹槽，凸起设有第二密封件，部分开模时第一密封件失效，气体从排气管路排出，聚合物原料内部形成一定程度的泡孔结构；全部开模时第一密封件和第二密封件全部失效，聚合物内部泡孔进一步生长，聚合物进一步发泡形成密度更低的聚合物泡沫。这样设计避免一次泄压大量气体膨胀导致强烈爆破，降低泄压过程高压气体冲击及巨大噪音。该装置与工艺排气速率可控、安全性高、噪音小、能耗低，产品结构多样、应用广泛、质量优异。
具体的，本发明通过如下所述的技术方案实现的：
本发明第一方面，提供一种排气速率可控的模压发泡装置，包括：模具主体、模具型腔、通气管路、模具底座、排气管路、气体限流阀、第一密封件、第二密封件，所述模具主体与模具底座围成的密闭空间为模具型腔，所述模具底座与模具主体接触的区域设有第一密封件；
在模具底座与模具主体接触的区域中，模具主体靠近模具底座的一侧设有凸起，所述凸起外围设有第二密封件，所述模具底座靠近模具主体的一侧设有与凸起形状和位置相对应的凹槽，所述凹槽或凸起与模具型腔的距离大于第一密封件与模具型腔的距离；
所述模具主体设有排气管路，所述排气管路一端位于第一密封件与凹槽之间，另一端与外界连通；
所述排气管路中设有气体限流阀。
通过在模具主体上设置凸起，在模具底座上设置凹槽，为两级密封提供结构基础。模具底座与模具主体接触的区域设有第一密封件，凸起外围设有第二密封件，所述凹槽或凸起与模具型腔的距离大于第一密封件与模具型腔的距离，排气管路一端位于第一密封件与凹槽之间，另一端与外界连通，这样设计可以保证模具在开模时实现两级密封：当未开模时，由于第一密封件的密封作用，模具型腔保持密封；当部分开模也就是模具主体与模具底座分开一定距离，第一密封件裸露，凹槽和凸起并未完全分离，第二密封件仍起到密封作用。此时模具型腔内的高压气体经第一密封件、排气管路排出，但由于排气管路还设有气体限流阀，因此卸压过程可控，聚合物原料内部形成一定程度的泡孔结构；当全部开模，也就是模具主体和模具底座完全分离，凸起与凹槽分离，此时第一密封件和第二密封件都处于裸露状态，失去密封功能，模具型腔内的高压气体从分型面排出，聚合物内部泡孔进一步生长，聚合物进一步发泡形成密度更低的聚合物泡沫。
这样设计可以既能保证气体排出速率可控，噪音小，又能通过两级密封调控卸压流程，进而调控聚合物内部泡孔的形核与生长，制备多种孔径和密度的发泡材料。
在本发明的一个或多个实施例中，所述排气速率可控的模压发泡装置还包括控温管路、压力传感器和温度传感器。
在本发明的一个或多个实施例中，所述通气管路连通气体增压流量控制泵和模具型腔。气体增压流量控制泵用于调控发泡剂的压力和流量。
在本发明的一个或多个实施例中，所述第一密封件位于模具主体或模具底座。
在本发明的一个或多个实施例中，所述第一密封件和第二密封件各自独立地选自硅胶、橡胶、铝合金、镁合金、铜合金和钛合金。
在本发明的一个或多个实施例中，第一密封件高出模具主体或模具底座表面的距离小于凸起高度；
优选地，所述控温管路与模具温度控制机连接，内部流体介质为水、油或蒸汽。
模具主体，用于形成模具型腔；模具底座，用于放置模具主体形成密闭型腔；通气管路，用于向模具型腔内通入发泡剂；排气管路，连通型腔与外界，用于泄压排出气体；控温管路，用于通入流体介质以控制模具温度；气体限流阀，用于控制泄压过程排气流速；气体增压流量控制泵，用于向型腔内注入发泡剂；模具温度控制机，用于调控流体介质温度；温度传感器，用于监测型腔内温度；压力传感器，用于监测型腔内气体压力。
优选地，所述控温管路以弯曲结构分布于模具主体与模具底座内部；
优选地，所述排气管路为弯曲结构；
优选地，所述排气速率可控的模压发泡装置还包括：所述模具底座靠近模具主体的一侧设有凸起，所述凸起外围设有第三密封件，所述模具主体靠近模具底座的一侧设有与凸起形状和位置相对应的凹槽，所述凹槽与模具型腔的距离大于第一密封件与模具型腔的距离。
本发明第二方面，提供一种基于排气速率可控的模压发泡装置的发泡工艺，包括：预热装置和原料，合模和锁紧模具主体与模具底座，注入发泡剂，维持模具型腔的温度和压力一定时间后，模具部分开模，第一密封件失效，模具型腔内的高压气体经过气体限流阀从排气管路排出，模具全部开模，第一密封件和第二密封件失效，模具型腔内剩余的高压气体经分型面完全扩散至外界，模具型腔内气体压力下降至大气压。
在本发明的一个或多个实施例中，所述发泡剂为物理发泡剂，选自二氧化碳、氮气、戊烷及其混合气体；
优选地，所述模具型腔内发泡剂气体压力水平为1～50MPa，优选的发泡剂气体压力水平为5～30MPa；
优选地，所述模具型腔内温度范围为20～350℃，优选的温度控制范围为50～300℃；
优选地，所述气体限流阀设于排气管路位于分型面的端口，优选的气体限流阀的当量通径范围为5～100毫米；
优选地，所述部分开模距离为0.5～10厘米，进一步优选的部分开模距离为1～5厘米。
本发明第三方面，提供一种发泡工艺制备得到的发泡材料。
本发明第四方面，提供一种排气速率可控的模压发泡装置和/或发泡工艺在制备非均质泡沫材料领域的应用。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
如图1所示，一种排气速率可控的模压发泡装置，包括：模具主体1、模具型腔2、通气管路3、模具底座4、排气管路7、气体限流阀8、第一密封件10、第二密封件9，所述模具主体1与模具底座4围成的密闭空间为模具型腔2，所述模具底座4与模具主体1接触的区域设有第一密封件10；在模具底座4与模具主体1接触的区域中，模具主体1靠近模具底座4的一侧设有凸起，所述凸起外围设有第二密封件9，所述模具底座4靠近模具主体1的一侧设有与凸起形状和位置相对应的凹槽，所述凹槽或凸起与模具型腔2的距离大于第一密封件10与模具型腔2的距离，也就是说凸起和凹槽的位置位于第一密封件10的外侧。所述模具主体1设有排气管路7，所述排气管路7一端位于第一密封件10与凹槽之间，另一端与外界连通；排气管路中7设有气体限流阀8。所述模压发泡装置还包括控温管路5、压力传感器11和温度传感器12。
利用该发泡装置进行的发泡工艺为：预热装置和聚合物原料6，合模和锁紧模具主体1与模具底座4，从通气管路3注入发泡剂，通过控温管路5、压力传感器11和温度传感器12保证维持模具型腔2的温度和压力一定时间后，模具部分开模，如图2所示，第一密封件10失效，模具型腔2内的高压气体经过气体限流阀8从排气管路7排出。模具全部开模，如图3所示，第一密封件10和第二密封件9失效，模具型腔2内剩余的高压气体经分型面完全扩散至外界，模具型腔2内气体压力下降至大气压。
实施例2
一种排气速率可控的模压发泡装置，与实施例1区别在于，本实施例中模具主体设有凹槽，模具底座设有凸起，凹槽与凸起相配合，第二密封件位于凸起外围，其余结构与实施例1相同。
实施例3
原料为德国巴斯夫(BASF)公司生产的热塑性聚氨酯(TPU)，牌号为Elastollan1180A，其熔融指数为15g/10min(@190℃/8.7kg)、密度为1.11g/cm3(@23℃)。将TPU原料颗粒在真空干燥箱中进行80℃，3小时的烘干处理后，进行实验。
第一步，预热模具主体与模具底座，设定预热温度为125℃；
第二步，预热结束后，将TPU原料颗粒倒入模具型腔中，并闭合和锁紧模具；
第三步，通过气体增压流量控制泵向模具型腔内通入二氧化碳与氮气的混合气体，并控制模具型腔内的混合气体压力为30MPa，保持15分钟；
第四步，模具部分开模，持续1秒钟，期间一级密封失效，模具型腔内的混合气体经过当量通径为100毫米的气体限流阀从排气管道排出，模具型腔内气体压力下降至6MPa左右。
第五步，模具全部开模，二级密封失效，模具型腔内剩余的混合气体从分型面逸出，取出TPU泡沫颗粒置于室温冷却定型。
在该实例中，最终制得低密度大倍率的TPU泡沫颗粒，如图4和图5所示。泡沫颗粒的平均发泡倍率约为9.52倍，泡沫颗粒平均密度约为0.116g/cm3。如图6所示，泡沫颗粒内部的泡孔结构细密均匀，平均泡孔尺寸约为8.5μm。
实施例4
原料为美国杜邦(Dupont)公司生产的热塑性聚酯弹性体(TPEE)，牌号为Hytrel3078，其熔融指数为5g/10min(@190℃/2.16kg)、密度为1.07g/cm3(@23℃)。将TPEE原料颗粒在真空干燥箱中进行80℃，3小时的烘干处理。利用压片机和模板，将经干燥的TPEE颗粒在200℃，100MPa压力下压制成板材，使用制备的TPEE板材进行试验。
第一步，预热模具主体与模具底座，设定预热温度为142℃；
第二步，预热结束后，将TPEE板材置于模具型腔中，并闭合和锁紧模具；
第三步，通过气体增压流量控制泵向模具型腔内通入二氧化碳气体，并控制模具型腔内的混合气体压力为10MPa，保持30分钟；
第四步，模具部分开模，持续1秒钟，期间一级密封失效，模具型腔内的混合气体经过若干当量通径为5毫米的气体限流阀从排气管道排出，模具型腔内气体压力下降至5MPa左右。
第五步，模具全部开模，二级密封失效，模具型腔内剩余的混合气体从分型面逸出，取出TPEE泡沫板材置于室温冷却定型。
在该实例中，最终制得低密度大倍率的TPEE泡沫板材，如图7和图8所示。泡沫板材的发泡倍率约为10.6倍，泡沫板材密度约为0.101g/cm3。如图9所示，泡沫板材内部的泡孔结构均匀，平均泡孔尺寸约为63μm。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种排气速率可控的模压发泡装置，其特征在于，包括：模具主体、模具型腔、通气管路、模具底座、排气管路、气体限流阀、第一密封件、第二密封件，所述模具主体与模具底座围成的密闭空间为模具型腔，所述模具底座与模具主体接触的区域设有第一密封件；
在模具底座与模具主体接触的区域中，模具主体靠近模具底座的一侧设有凸起，所述凸起外围设有第二密封件，所述模具底座靠近模具主体的一侧设有与凸起形状和位置相对应的凹槽，所述凹槽或凸起与模具型腔的距离大于第一密封件与模具型腔的距离；
所述模具主体设有排气管路，所述排气管路一端位于第一密封件与凹槽之间，另一端与外界连通；
所述排气管路中设有气体限流阀。
2.根据权利要求1所述的排气速率可控的模压发泡装置，其特征在于，所述排气速率可控的模压发泡装置还包括控温管路、压力传感器和温度传感器。
3.根据权利要求1所述的排气速率可控的模压发泡装置，其特征在于，所述通气管路连通气体增压流量控制泵和模具型腔。
4.根据权利要求1所述的排气速率可控的模压发泡装置，其特征在于，所述第一密封件位于模具主体或模具底座。
5.根据权利要求1所述的排气速率可控的模压发泡装置，其特征在于，所述第一密封件和第二密封件各自独立地选自硅胶、橡胶、铝合金、镁合金、铜合金和钛合金。
6.根据权利要求1所述的排气速率可控的模压发泡装置，其特征在于，第一密封件高出模具主体或模具底座表面的距离小于凸起高度；
优选地，所述控温管路与模具温度控制机连接，内部流体介质为水、油或蒸汽；
优选地，所述控温管路以弯曲结构分布于模具主体与模具底座内部；
优选地，所述排气管路为弯曲结构；
优选地，所述排气速率可控的模压发泡装置还包括：所述模具底座靠近模具主体的一侧设有凸起，所述凸起外围设有第三密封件，所述模具主体靠近模具底座的一侧设有与凸起形状和位置相对应的凹槽，所述凹槽与模具型腔的距离大于第一密封件与模具型腔的距离。
7.基于权利要求1至6中任一项所述排气速率可控的模压发泡装置的发泡工艺，其特征在于，包括：
预热装置和原料，合模和锁紧模具主体与模具底座，注入发泡剂，维持模具型腔的温度和压力一定时间后，模具部分开模，第一密封件失效，模具型腔内的高压气体经过气体限流阀从排气管路排出，模具全部开模，第一密封件和第二密封件失效，模具型腔内剩余的高压气体经分型面完全扩散至外界，模具型腔内气体压力下降至大气压。
8.基于权利要求7所述的发泡工艺，其特征在于，
所述发泡剂为物理发泡剂，选自二氧化碳、氮气、戊烷及其混合气体；
优选地，所述模具型腔内发泡剂气体压力水平为1～50MPa，优选的发泡剂气体压力水平为5～30MPa；
优选地，所述模具型腔内温度范围为20～350℃，优选的温度控制范围为50～300℃；
优选地，所述气体限流阀设于排气管路位于分型面的端口，优选的气体限流阀的当量通径范围为5～100毫米；
优选地，所述部分开模距离为0.5～10厘米，进一步优选的部分开模距离为1～5厘米。
9.权利要求7或8所述发泡工艺制备得到的发泡材料。
10.权利要求1至6中任一项所述排气速率可控的模压发泡装置和/或权利要求7或8所述发泡工艺在制备非均质泡沫材料领域的应用。
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