CN113146916A - 一种基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及聚合物材料成型加工技术领域，具体涉及一种基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺，所述工艺为：先将聚合物制成一定粒径的颗粒，然后使高压气体进入聚合物颗粒达到饱和；将饱和后的聚合物颗粒转至热压模具进行升温熔融，融合成一个整体后快速降温并开模发泡，得到具有一定形状和结构的泡沫制品。与常规发泡工艺相比，本发明的发泡工艺生产流程短，生产耗能低，高效率低成本；制备的聚合物泡沫制品具有光滑细腻的外观，表面无拼接痕、孔洞等缺陷，可以直接制备具有复杂形状结构的低密度泡沫制品。

Description

一种基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺
技术领域
本发明涉及聚合物材料成型加工技术领域，具体涉及一种基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺。
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。
聚合物泡沫具有轻量化、减震缓冲、隔热消声等优异特性，广泛应用于航空航天、建筑、包装、交通运输、安全防护等领域。以超临界二氧化碳或超临界氮气为物理发泡剂的微孔发泡技术是制备聚合物泡沫的一种先进制造技术，具有绿色环保、无化学残留等优势。
对于形状结构复杂的低密度泡沫制品，目前主要采用两步法工艺，第一步通过珠粒发泡制备珠粒泡沫，然后再通过蒸汽模塑成型，制备具有一定形状结构的聚合物泡沫制品。这种基于两步法的成型工艺存在生产流程长、能耗高、成本高、废品率高等问题，所制备的聚合物泡沫制品的表面容易形成拼接痕、孔洞等缺陷。
发明内容
本发明针对上述所描述的问题，提出一种基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺，该工艺生产流程短，生产耗能低，高效率低成本，制备的聚合物泡沫制品具有光滑细腻的外观，表面无拼接痕、孔洞等缺陷。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下所述：
在本发明的第一方面，提供一种基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺，所述工艺为：先将聚合物制成一定粒径的颗粒，然后使高压气体进入聚合物颗粒达到饱和；将饱和后的聚合物颗粒转至热压模具进行升温熔融，融合成一个整体后快速降温并开模发泡，得到具有一定形状和结构的泡沫制品。
具体地，所述工艺包括如下步骤：
(1)通过挤出造粒，制得预设直径的细小球状聚合物颗粒；
(2)把聚合物颗粒置入高压釜中，并向釜中通入高压气体，直至高压气体扩散入聚合物颗粒，达到饱和状态；
(3)缓慢泄压，打开高压釜，把饱和后的聚合物颗粒快速转移至热压模具的模腔；
(4)闭合模具并将模具升温，直至模腔内的聚合物颗粒完全熔融，融合成一个整体；
(5)快速降低模具温度，冷却模腔内的聚合物熔体；
(6)待模腔聚合物熔体冷却至一定温度时，开模发泡，得到具有一定形状和结构的泡沫制品。
在本发明的第二方面，提供一种第一方面所述基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺在运动鞋、建筑、交通运输、隔热保温材料领域中的应用。
本发明的具体实施方式具有以下有益效果：
与常规发泡工艺相比，本发明的发泡工艺生产流程短，生产耗能低，高效率低成本；
制备的聚合物泡沫制品具有光滑细腻的外观，表面无拼接痕、孔洞等缺陷，可以直接制备具有复杂形状结构的低密度泡沫制品。
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。
图1为本发明基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺过程示意图；
图2为本发明实施例1中聚合物颗粒的实物照片；
图3为本发明实施例1中制备的聚合物泡沫；
图4为实本发明施例1中制备的聚合物泡沫的泡孔结构。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
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申请的示例性实施方式。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。
本发明的一种实施方式中，提供了一种基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺，所述工艺为：先将聚合物制成一定粒径的颗粒，然后使高压气体进入聚合物颗粒达到饱和；将饱和后的聚合物颗粒转至热压模具进行升温熔融，融合成一个整体后快速降温并开模发泡，得到具有一定形状和结构的泡沫制品。
与模压发泡工艺相比，本发明公开的模压发泡成型工艺的主要特点包括：1)采用二氧化碳、氮气或者二氧化碳与氮气的混合物作为发泡剂；2)在模压发泡前，以预饱和的形式将二氧化碳、氮气或者二氧化碳与氮气的混合物等发泡剂溶解入聚合物颗粒之中；3)在预饱和发泡剂之前，将聚合物原料加工成细小的颗粒，以显著缩短预饱和所需要的时间。由于采用二氧化碳、氮气或者二氧化碳与氮气的混合物等作为发泡剂，因此具有绿色环保、无污染等优势；通过把聚合物原料加工成较小的颗粒，可以显著缩短预饱和的时间，从而缩短整个成型周期，提高生产效率；由于采用二氧化碳、氮气或者二氧化碳与氮气的混合物等作为发泡剂，并且配合模具升温与降温控制，可以显著提高发泡能力，使得成型的发泡制品具有密度低、力学性能好、外观光滑等特点。
具体地，所述工艺包括如下步骤：
(1)通过挤出造粒，制得预设直径的细小球状聚合物颗粒；
(2)把聚合物颗粒置入高压釜中，并向釜中通入高压气体，直至高压气体扩散入聚合物颗粒，达到饱和状态；
(3)缓慢泄压，打开高压釜，把饱和后的聚合物颗粒快速转移至热压模具的模腔；
(4)闭合模具并将模具升温，直至模腔内的聚合物颗粒完全熔融，融合成一个整体；
(5)快速降低模具温度，冷却模腔内的聚合物熔体；
(6)待模腔聚合物熔体冷却至一定温度时，开模发泡，得到具有一定形状和结构的泡沫制品。
在一种具体的实施方式中，步骤(1)中挤出造粒系统制得细小球状聚合物颗粒的直径为0.5～3.0mm；
优选的，所述聚合物选自：热塑性聚氨酯、热塑性尼龙弹性体、热塑性聚酯弹性体、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乳酸、乙烯-醋酸乙烯共聚物、硅橡胶、氟橡胶、热塑性弹性体、聚酰亚胺或聚醚酰亚胺。
在一种具体的实施方式中，步骤(2)中向釜中通入高压气体进行饱和，气体压力范围为5～30MPa，进一步优选的压力水平为10～20MPa。
优选的，所述高压气体为二氧化碳或氮气中的一种或两种；
在一种具体的实施方式中，步骤(2)中饱和温度范围为-50～150℃，优选为20～100℃。
在一种具体的实施方式中，步骤(3)缓慢泄压前快速降低高压釜的温度，优选的，把温度降低至25℃以下，以冷却釜内的聚合物颗粒，更有效得避免泄压过程中聚合物颗粒发泡。
在一种具体的实施方式中，步骤(4)中模具温度设定范围为160～240℃，在高温下停留一定时间，直至聚合物颗粒完全熔融。
在一种具体的实施方式中，步骤(5)中快速降低模具温度至50～140℃，以冷却模腔内的聚合物熔体，提高熔体强度和改善其发泡性能。
本发明的一种实施方式中，提供了一种上述基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺在运动鞋、建筑、交通运输、隔热保温材料领域中的应用。
下面结合具体的实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1
原料为德国巴斯夫公司生产的聚醚型热塑性聚氨酯，其邵氏硬度为85。
(1)对颗粒状热塑性聚氨酯原料进行干燥处理，干燥温度为85℃，干燥时间为3小时；
(2)利用双螺杆挤出造粒机，把经干燥的热塑性聚氨酯进行挤出造粒，制得等效粒径约为3.0mm的颗粒，如附图2所示，然后对制得的颗粒进行干燥处理，干燥温度为85℃，干燥时间为3小时；
(3)把制得且经干燥的塑料颗粒置入高压釜中，并向釜中通入高压二氧化碳和高压氮气的混合物，其中高压二氧化碳的质量分数为75％，高压氮气的质量分数为25％，系统压力设定为10MPa，温度设定为15℃，饱和时间设定为60分钟；
(4)打开高压釜的泄压阀，缓慢泄压，泄压完成后，打开高压釜，把塑料颗粒快速转移至热压模具的模腔之中；
(5)闭合热模压模具，并将模具升高至220℃，并在此温度下停留20分钟，直至模腔内的塑料颗粒完全熔融，融合成一个整体；
(6)快速降低模具温度至50℃，并在此温度下持续冷却2分钟；
(7)迅速打开热模压模具，得到热塑性聚氨酯泡沫制品，如附图3所示。
在该实施例中，所的热塑性聚氨酯泡沫的密度为0.11g/cm3，其内部具有均匀的泡孔结构，如附图4所示，平均泡孔尺寸约为85微米。
实施例2
原料为美国杜邦公司生产的聚酯弹性体，其硬度为45D。
(1)对颗粒状聚酯弹性体原料进行干燥处理，干燥温度为95℃，干燥时间为4小时；
(2)利用双螺杆挤出造粒机，把经干燥的聚酯弹性体进行挤出造粒，制得等效粒径约为1.0mm的颗粒，然后对制得的颗粒进行干燥处理，干燥温度为100℃，干燥时间为2小时；
(3)把制得且经干燥的塑料颗粒置入高压釜中，并向釜中通入高压二氧化碳，系统压力设定为20MPa，温度设定为100℃，饱和时间设定为20分钟；
(4)打开高压釜的泄压阀，缓慢泄压，泄压完成后，打开高压釜，把塑料颗粒快速转移至热压模具的模腔之中；
(5)闭合热模压模具，并将模具升高至240℃，并在此温度下停留15分钟，直至模腔内的塑料颗粒完全熔融，融合成一个整体；
(6)快速降低模具温度至80℃，并在此温度下持续冷却5分钟；
(7)迅速打开热模压模具，得到聚酯弹性体泡沫制品。
在该实施例中，所的聚酯弹性体泡沫的密度为0.092g/cm3，其内部具有均匀的泡孔结构，平均泡孔尺寸约为35微米。
实施例3
原料为法国阿科玛公司生产的尼龙弹性体，其硬度为43D。
(1)对颗粒状尼龙弹性体原料进行干燥处理，干燥温度为90℃，干燥时间为3小时；
(2)利用双螺杆挤出造粒机，把经干燥的尼龙弹性体进行挤出造粒，制得等效粒径约为0.5mm的颗粒，然后对制得的颗粒进行干燥处理，干燥温度为100℃，干燥时间为1.5小时；
(3)把制得且经干燥的塑料颗粒置入高压釜中，并向釜中通入高压二氧化碳和高压氮气的混合物，其中高压二氧化碳的质量分数为80％，高压氮气的质量分数为20％，系统压力设定为15MPa，温度设定为80℃，饱和时间设定为10分钟；
(4)打开高压釜的泄压阀，缓慢泄压，泄压完成后，打开高压釜，把塑料颗粒快速转移至热压模具的模腔之中；
(5)闭合热模压模具，并将模具升高至230℃，并在此温度下停留25分钟，直至模腔内的塑料颗粒完全熔融，融合成一个整体；
(6)快速降低模具温度至75℃，并在此温度下持续冷却4分钟；
(7)迅速打开热模压模具，得到尼龙弹性体泡沫制品。
在该实施例中，所的尼龙弹性体泡沫的密度为0.085g/cm3，其内部具有均匀的泡孔结构，平均泡孔尺寸约为52微米。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (11)

1.一种基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺，其特征在于，所述工艺为：先将聚合物制成一定粒径的颗粒，然后使高压气体进入聚合物颗粒达到饱和；将饱和后的聚合物颗粒转至热压模具进行升温熔融，融合成一个整体后快速降温并开模发泡，得到具有一定形状和结构的泡沫制品。
2.如权利要求1所述的基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺，其特征在于，所述工艺包括如下步骤：
(1)通过挤出造粒，制得预设直径的细小球状聚合物颗粒；
(2)把聚合物颗粒置入高压釜中，并向釜中通入高压气体，直至高压气体扩散入聚合物颗粒，达到饱和状态；
(3)缓慢泄压，打开高压釜，把饱和后的聚合物颗粒快速转移至热压模具的模腔；
(4)闭合模具并将模具升温，直至模腔内的聚合物颗粒完全熔融，融合成一个整体；
(5)快速降低模具温度，冷却模腔内的聚合物熔体；
(6)待模腔聚合物熔体冷却至一定温度时，开模发泡，得到具有一定形状和结构的泡沫制品。
3.如权利要求2所述的基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺，其特征在于，步骤(1)中挤出造粒系统制得聚合物颗粒的直径为0.5～3.0mm。
4.如权利要求2所述的基于气体预饱和的聚合物模压发泡工艺，其特征在于，所述聚合物选自：热塑性聚氨酯、热塑性尼龙弹性体、热塑性聚酯弹性体、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乳酸、乙烯-醋酸乙烯共聚物、硅橡胶、氟橡胶、热塑性弹性体、聚酰亚胺或聚醚酰亚胺。
5.如权利要求2所述的基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺，其特征在于，步骤(2)中向釜中通入高压气体进行饱和，气体压力范围为5～30MPa，进一步优选的压力水平为10～20MPa。
6.如权利要求2所述的基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺，其特征在于，步骤(2)中所述高压气体的成分为CO2或N2或二者的混合物。
7.如权利要求2所述的基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺，其特征在于，步骤(2)饱和温度范围为-50～150℃，优选为20～100℃。
8.如权利要求2所述的基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺，其特征在于，步骤(3)缓慢泄压前快速降低高压釜的温度，优选的，把温度降低至25℃以下。
9.如权利要求2所述的基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺，其特征在于，步骤(4)中模具温度设定范围为160～240℃，在高温下停留一定时间，直至聚合物颗粒完全熔融。
10.如权利要求2所述的基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺，其特征在于，步骤(5)中快速降低模具温度至50～140℃。
11.一种权利要求1-10任一权利要求所述的基于气体预饱和的聚合物模压发泡成型工艺在运动鞋、建筑、交通运输、隔热保温材料领域中的应用。
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