CN113246363A

CN113246363A - 用于制造泡沫部件的方法

Info

Publication number: CN113246363A
Application number: CN202110182441.8A
Authority: CN
Inventors: 汉斯-皮特·纽伦堡; 詹尼克·沃纳; 迪特马尔·德鲁默尔; 卢卡斯·维特尔; 塞巴斯蒂安·海特尔; 迈克尔·沃尔夫
Original assignee: Adidas AG
Current assignee: Adidas AG
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2021-02-07
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2041-02-07
Also published as: DE102020201543A1; US20210246281A1; JP7186252B2; JP2021142747A; CN113246363B; EP3862163A1

Abstract

本发明涉及一种用于制造泡沫部件的方法，包括以下步骤：(a)在模具(230)中提供颗粒起始材料(110、111、112)。(b)软化所述起始材料(110、111、112)。(c)在模具内引起压力变化以在不使用发泡剂的情况下，在软化的起始材料(113)的至少一部分中引起发泡。(d)固化发泡的起始材料(116)。

Description

用于制造泡沫部件的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造泡沫部件的方法、用于执行该方法的模具以及以这种方式制造的泡沫部件。

背景技术

使用发泡剂制造泡沫部件是众所周知的方法。聚合物使用发泡剂的发泡可以例如以物理或化学方式发生。此外，低粘度聚合物也可以机械加工成泡沫结构，例如通过喷涂。在已知的物理发泡方法和工艺中，发泡剂在高压下被计量投配到熔体中，并因此溶解在其中。典型的发泡剂是烃，尤其是丁烷和戊烷，以及惰性气体二氧化碳和氮气。在已知的化学方法中，将化学物质引入熔体中，其在热的影响下在化学反应中形成气态产物。典型的化学发泡剂是异氰酸酯、偶氮二甲酰胺(azodicarbonamide)、肼、碳酸锌或碳酸氢钠。使用物理或化学发泡方法的常用方法是注塑、挤出或高压釜方法。这里，泡孔形成或溶解气体的成核是通过压降发生的，例如在泡沫挤出的情况下当熔体离开喷嘴时。泡孔生长和所得泡沫泡孔主要由发生的压降、材料中的发泡剂含量和发泡剂分布决定。通过冷却和固化塑料使泡孔稳定。

例如，WO 2015/182721A1涉及泡沫模塑品的制造。

CN105451956B涉及一种制造低密度泡沫制品的方法。

EP2139658B1涉及一种用于制造具有实心外皮和发泡芯的发泡塑料部件的方法。

此外，Vetter等在发表于International Journal of Polymer Science的“Influence of vacuum on the morphology and mechanical properties in rotaionalmolding”中涉及这样的事实，即旋转模塑适合于制造具有高度设计灵活性的无缝中空体。

已经发现，已知发泡方法的缺点是大部分已知发泡剂可能对环境具有负面影响。此外，存在一些发泡剂可能残留在所制造的泡沫部件中的风险，除了上述环境污染之外，这还可能对这些泡沫部件(例如运动用品的部件、车辆中的隔热材料等)附近的活体生物的健康具有负面影响。此外，在泡沫部件的制造中使用发泡剂导致额外的成本，这降低了这些方法的效益。

因此，本发明的问题是提供一种克服或至少减轻现有技术的缺点的制造泡沫部件的方法。特别地，根据本发明的方法将能够有效制造泡沫部件，其不需要额外添加发泡剂。

该问题由本发明提供的方法解决。还提供了有利的进一步实施例。

发明内容

根据本发明的用于制造泡沫部件的方法包括以下步骤：(a)在模具中提供颗粒起始材料；(b)软化起始材料；(c)在模具内引起压力变化以在不使用发泡剂的情况下，在软化的起始材料的至少一部分中引起发泡；以及(d)固化发泡的起始材料。

发明人认识到，通过引起模具内的压力变化，可以在软化的起始材料的至少一部分中引起发泡。因此，起始材料的软化最初可能导致颗粒的局部熔结。根据本发明的发泡不需要使用除工艺气氛之外的额外发泡剂。在本发明的上下文中，额外发泡剂是指常规发泡剂，其例如在现有技术中已经从化学或物理发泡方法中获知。因此，根据本发明的发泡可以归类为没有额外发泡剂的物理发泡。因此，与基于额外发泡剂的常规方法相比，本发明呈现了一种制造泡沫部件的不仅有效且更具成本效益的方式。通过消除对额外发泡剂的需要，还改善了环境平衡，这使得能够更可持续地制造泡沫部件。

在一些实施例中，起始材料可以包含尺寸为0.01至3mm，优选0.02至1.5mm，特别优选0.05至0.7mm的颗粒。本发明人已经发现，颗粒尺寸的选择对由其制备的泡沫部件的质量具有决定性的影响，其中已经证明特定范围的颗粒尺寸是特别有利的。特别地，颗粒尺寸可用于具体地影响所制造的泡沫部件中的最终泡孔尺寸。此外，颗粒尺寸可影响泡孔分布，其可根据泡沫部件的用途进行调节。

用于本发明的起始材料可以是热塑性和/或交联聚合物材料。交联聚合物材料可以包括热固性材料。这样，本发明展现了用于各种不同起始材料的方法。

在本发明的一些实施例中，软化的起始材料可以具有10¹至10⁵Pa·s，优选10²至10⁴Pa·s的粘度。本发明人已经认识到，软化的起始材料的特定粘度对于引起发泡是特别有利的。例如，起始材料的足够的流动性和/或可变形性是在引起压降时起始材料中的夹杂物膨胀的先决条件。如果软化的起始材料的粘度太低，则在膨胀过程之前或期间，气体夹杂物可能在软化的起始材料中不能稳定化。在这种情况下，气体夹杂物可扩散到表面。另一方面，如果粘度太高，则可能需要相当大的压差以引起膨胀过程。软化的起始材料的粘度的选择也可以影响气体夹杂物的类型，特别是膨胀的气体夹杂物的泡孔壁的厚度。

在本发明的一些实施例中，步骤(b)中的软化可以包括在软化的起始材料中夹杂至少一种气体，特别是空气或氮气。发明人发现，在起始材料软化期间，可能形成粘性颗粒边缘层，这通常称为“熔结(sintering)”。在这些熔结过程中，存在于颗粒起始材料之间的工艺气体或工艺气体混合物，特别是空气或氮气，被封闭在软化的起始材料中。可替代地或附加地，此类气体夹杂物可由具有多孔特性的颗粒的起始材料引起。在这种情况下，至少一种气体不仅可以存在于单独的颗粒之间，而且可以已经存在于多孔颗粒起始材料内。在这两种情况下，化学发泡剂或附加气体可以在模具中分配，从而有助于保护环境。此外，使用已经存在于模具中的气体或气体混合物，例如空气，可以降低该方法的成本。此外，可以使用保护气体如氮气作为工艺气体以避免软化的起始材料中的热氧降解过程。与使用空气作为工艺气体混合物类似，这也将是环境友好的和/或成本有效的。此外，保护气体的使用在材料上可比空气更温和。

此外，发泡可以通过截留在软化的起始材料中的至少一种气体的膨胀而引起。这样，本发明展现了一种特别有利的方法，该方法在软化的材料中产生气体夹杂物，并通过改变模具内的压力使它们膨胀并因此发泡。

在本发明的一些实施例中，步骤(b)的软化可以包括加热起始材料。通过加热软化起始材料代表了可以用当前控制技术非常精确地控制的方法步骤。这是制造本发明的高质量泡沫部件的重要因素。例如，通过加热，可以非常精确地调节软化材料的粘度，这反过来可能影响泡沫形成。

此外，起始材料的加热可以包括通过直接热输入到起始材料或经由模具的热输入来加热。附加地或可替代地，加热可通过热传导或对流来进行。

在直接热输入到起始材料中的情况下，可以通过电磁辐射，尤其是在1-300GHz范围内的电磁辐射来实现。此外，可以使用热辐射，尤其是在红外范围内的热辐射。在这两种情况下，可以将辐射直接引导到模具中或者将辐射发射器放置在模具内。这样，本发明能够在不必加热模具本身的情况下加热模具内部的起始材料。因此，与常规的现有技术工艺相比，本方法的能量和成本效率可以得到改善。

在通过模具的热输入到起始材料中的情况下，在软化的起始材料中可能存在从模具壁到模具内部的下降的温度梯度。这样，例如，与模具内壁接触的颗粒起始材料首先软化。这可能导致首先软化的起始材料层粘附到模具的壁。更里面的颗粒因此可以通过与已经塑化的颗粒接触而熔结。因此，颗粒起始材料可以逐层熔化，直到整个材料处于熔融状态。这导致在根据本发明的软化的起始材料中有利的气体夹杂物。

在本发明的一些实施例中，软化的起始材料中的气体夹杂物的数量可通过加热的温度曲线来调节。发明人已经发现，随着热量供应的扩大，根据存在的气体或气体混合物如空气或氮气的溶解度，可能发生气体分子在软化的起始材料中的扩散，尤其是扩散到聚合物熔体中。因此，可以根据软化的起始材料的区域的温度分布选择性地调节不同层或区域中气体夹杂物的数量。例如，可以通过供热来减少气体夹杂物的数量。

特别地，与模具接触的起始材料的边缘层可以包括比起始材料的其它区域更少的气体夹杂物。如果经由模具引起热输入，则发生起始材料从外到内的加热。这样，在软化材料与模具壁接触的区域中的气体夹杂物可首先减少或溶解。这使得例如可以通过目标温度控制来制造具有可调节边缘层厚度的整体泡沫结构。术语“整体泡沫结构”在本发明中理解为包括泡沫泡孔的芯和基本上没有泡孔的边缘的泡沫结构。术语“基本上没有泡孔的边缘”包括制造中典型的波动和不准确性。

在这种情况下，边缘层可以包括0.1至2.0mm，优选地0.3至1.7mm，特别优选地0.5至1.5mm的厚度。这样，本发明展现了一种制造整体泡沫结构的方法，该结构包括优选厚度为几微米的边缘层。因此，可以实现泡沫部件的特别高的弯曲强度。此外，可以实现泡沫部件的低密度。例如，低密度对泡沫部件的重量具有积极的影响。此外，可以降低用于制造泡沫部件的材料成本。

在本发明的一些实施例中，起始材料的加工温度可以高于其熔融温度。这样，例如，可以控制软化的材料中的气体夹杂物的密度。因此，泡沫部件的结构，特别是泡沫密度或泡沫度，可以有利地适应于相应的用途。

在本发明的一些实施例中，模具内部的温度在模具的至少两个区域中可不同。此外，选择引起压力变化时的温度可能影响泡沫部件的性质，例如密度、泡孔尺寸、泡孔分布等。这样，在不均匀的热条件下，其可以通过模具内不同区域的局部温度控制而具体地调节，例如，可以引起局部发泡或局部不同的发泡。还可以通过模具内局部变化的温度分布产生分级的特性。

在本发明的一些实施例中，压力变化可以包括压力的减小。发明人已经发现，通过降低模具内的压力，可能存在或可能故意引起的软化的起始材料内的任何气体夹杂物将适应于压力降低，尤其是通过膨胀。因此，可以有利地使用压力降低以提供发泡。由于诱导的压力降低而使气体夹杂物膨胀的先决条件是包围膨胀的气体夹杂物的软化的起始材料具有足够的流动性或可变形性。在由于外部因素而可能发生气体膨胀的情况下，至少直到气体夹杂物中存在的压力对应于由模具中的压力降低设定的压力时，才可以发生发泡。这样，压力降低可以包括用于调节气体夹杂物的尺寸增加的参数，特别是由此产生的泡沫气泡尺寸。

在本发明的一些实施例中，压力变化可以达到0.05-5.0巴，优选0.1-2.0巴，特别优选0.2-1.0巴。本发明人已经认识到，对于根据本发明的用于制造泡沫部件的方法，与现有技术中已证实的方法相比，几百毫巴就已经足够了。因此，可以更便宜地制造的模具适合于根据本发明的方法，并且可以仅适合于小的压差。这可以导致所要求保护的方法的相当大的成本降低。尤其是在通常通过滚塑制造的大型泡沫部件如罐、装置和设备的外壳等的制造中，由于所需的低压差，在模具制造中可以实现相当大的成本节约。此外，与已证实的方法相比，模具内的较低压差可更快地实现。因此，可以缩短单个泡沫部件的制造过程的持续时间，使得根据本发明的方法比已证实的、持续更长时间的方法更有效。此外，本发明的方法可以提供使本发明的物理发泡对于其中物理发泡被很大程度排除的方法也是可行的可能性，因为用于使所用模具适应高压的更成本密集的模塑技术将是必要的。

在本发明的一些实施例中，软化之前模具中的初始压力可对应于大气压或超压。发明人已经发现，用于在软化的起始材料中引起发泡的参数之一是在起始材料软化之后压力变化的绝对值。因此，在一个大气压下的初始压力可通过在模具中产生负压而引起发泡。另一方面，可以使用高于一个大气压的初始压力，即模具中具有超压，以通过降低超压，尤其是直到大气压来引起发泡。这样，根据本发明的方法展现了一种关于模具内部压力的灵活方法。这例如对于待使用的模具，特别是其对于超压或负压的适应性，对于在引起压力变化之后的进一步的制造步骤，特别是在发泡的起始材料固化期间或之后，和/或对于其它参数，可能起到重要的作用。

此外，发明人已经发现，通过在仅起始材料的一部分，特别是最外层或区域处于软化状态时的时间点产生超压，可以减少该软化部分中的气体夹杂物。在仅在已经产生超压之后软化的部分、层或区域中，仍然可能发生气体夹杂物。通过在稍后的时间降低压力，在已经产生超压之后保留在软化部分中的这些气体夹杂物可以膨胀。通过控制在模具中施加超压或负压的时间点，可以具体地调节泡沫部件、各个层或整个泡沫部件的层厚度、发泡程度、材料密度或其它参数。

此外，超压可以包括压缩空气。这样，在制造根据本发明的泡沫部件中，可以避免使用额外的气体，这是成本密集型和/或对环境有害的。可替代地，超压可以包括压缩氮气。与空气相比，这提供了一种用于制造泡沫部件的同样成本有效和/或环境友好的方法。此外，通过使用氮气可以避免软化的起始材料中的热氧降解过程。

在本发明的一些实施例中，引起压力变化可以包括在达到或高于至少一部分起始材料的熔融温度时引起压力变化。本发明人已经认识到，起始材料的粘度根据温度而变化。此外，他们发现，根据本发明的发泡根据软化材料的粘度相对于已经提到的泡沫的参数，例如密度、泡孔尺寸、泡孔数目等，而不同地发展。因此，在与起始材料的熔融温度相关的不同温度下引起压力变化的可能性展现了调节泡沫部件的参数的可能性。

在本发明的一些实施例中，模具内压力变化的绝对值在模具的至少两个区域中可以不同。由于压力变化的绝对值代表发泡的起始材料中单个泡孔尺寸的基本参数，因此泡沫部件中变化的泡孔尺寸可以通过至少两个不同的压力变化范围来调节。

在本发明的一些实施例中，这些区域中的每一个中的发泡可通过模具内的至少两个区域中的温度和/或压差单独地调节。因此，根据本发明的方法提供了将泡沫部件的单独区域单独调节到预期用途的可能性。例如，在对稳定性的需求增加的区域中，泡沫部件内的泡孔尺寸可故意保持较小。此外，在重量轻是有利的另一部分中，可以增加泡孔尺寸和/或可以降低起始材料的密度。

在本发明的一些实施例中，在模具的至少一个区域中可不引起发泡。这样，本发明提供了一种可能性，即在制造过程中在泡沫部件中提供发泡区域和非发泡区域。因此，可以省去发泡和非发泡区域的附加连接。

在本发明的一些实施例中，固化可以包括在引起压力变化之后固化。本发明人已经认识到，一旦由于选定的压力变化而导致的流动性或可变形性不允许气体夹杂物的进一步膨胀，则所得泡沫结构发生稳定或固化。因此，有利的是在固化之前等待直到引起的压力变化之后，尤其是在发泡已经开始之后。在交联起始材料例如热固性起始材料的情况下，交联反应可以导致泡沫结构的固化或稳定化。

在本发明的一些实施例中，固化可以包括冷却发泡的起始材料。在热塑性起始材料的情况下，例如，可以通过在冷却过程期间固化软化的起始材料来实现固化。因此，发泡的起始材料的冷却，尤其是通过冷却模具的冷却，可以是有利的并且是良好可控的固化方法。

在本发明的一些实施例中，泡沫部件的密度可至少部分地通过压力变化量来调节。发明人已经认识到，软化的起始材料中的单独气体夹杂物的尺寸的增加可以通过压力变化量来调节。由于泡沫材料部件的气体夹杂物的尺寸的增加意味着其密度的降低，因此泡沫部件的密度可以以有效的方式通过压力变化量来调节。

在本发明的一些实施例中，泡沫部件的结构可以至少部分地受起始材料的至少一种以下性质的影响：颗粒的材料、颗粒形状、颗粒尺寸和颗粒尺寸分布。

本发明人已经发现，除了通过压力控制密度之外，根据本发明的用于制造泡沫部件的方法还在工艺方面提供了影响所得泡沫部件的性质的其它可能性。例如，起始材料的选择代表中心控制变量。此外，在软化状态下和在存在的气体夹杂物膨胀之前的起始材料的初始直径对于发泡起始材料中的最终泡孔尺寸和分布是决定性的。因此，颗粒形状、颗粒尺寸和颗粒尺寸分布可对所得泡沫结构具有积极影响。以相同的方式，通过使用不同的颗粒尺寸，泡沫结构可以局部地或在泡沫部件的部分中不同地设定或调节，泡沫部件的部分可以以彼此分离的方式布置在模具中，例如并排布置。因此，所产生的气体夹杂物的变化的气泡直径可以导致在模具中以均匀的压降发泡之后在相应的区域或部分中的不同程度的发泡。根据本发明，聚合物共混物的多材料应用或用途也是可能的，并且代表了影响或调整泡沫部件的另一参数。例如，起始材料的颗粒可以包含所谓的“芯-鞘结构”，由此颗粒芯和颗粒鞘可以包含不同的特性，例如软化或固化行为或类似性质。这样，其中，根据本发明的泡沫部件的加工和/或应用特性可以被有意地优化。也可以以热固性或弹性体方式涂覆热塑性颗粒芯。这样，例如，可以实现软化的起始材料的改进的压缩变形行为。同样，弹性体颗粒芯，例如来自旧车轮胎或用过的运动用品的回收材料，可以用热塑性颗粒涂料涂覆以制造根据本发明的泡沫部件。

在本发明的一些实施例中，该方法可进一步包括将第二材料引入模具中。这样，该方法提供了一种泡沫部件的产品，其可以适用于各种用途。

在本发明的一些实施例中，第二材料可以包括填料或增强元件。因此，例如，除了泡沫部件的有利的低密度之外，可以实现泡沫部件的特别高的稳定性。同样，其它材料的各种特性，特别是填料或增强元件的各种特性，可以通过根据本发明的方法结合到泡沫部件中。

在本发明的一些实施例中，在第二材料中可以不发生发泡。这样，尽管在至少部分起始材料中发泡，第二材料的基本特性仍可保持。此外，两种材料的特性的组合是可能的。

在另一方面，本发明涉及通过根据前述实施例之一的方法制造的泡沫部件。

上面已经关于制造泡沫部件的方法的实施例解释的本发明的许多优点同样可应用于泡沫部件和制造泡沫部件的模具的实施例。

在本发明的一些实施例中，泡沫部件可以包括中空体。这样，根据本发明的方法，尤其是通过滚塑，展现了在不使用化学发泡剂的情况下由泡沫材料制造高品质中空体的有效可能性。

在本发明的一些实施例中，泡沫部件可以包括非发泡边缘层。

在本发明的一些实施例中，边缘层可以包括0.1至2.0mm，优选0.3至1.7mm，特别优选0.5至1.5mm的厚度。

在本发明的一些实施例中，泡沫部件可以不含发泡剂。

在本发明的一些实施例中，泡沫部件可以包含开孔、混合孔或闭孔气体夹杂物。这样，可以在所制造的泡沫部件中设定不同的特性，例如在开孔气体夹杂物的情况下吸收液体，或者相反，在闭孔气体夹杂物的情况下排斥液体。在闭孔气体夹杂物的情况下，根据本发明的泡沫部件由于其可调节的密度而有利地适合作为浮体中的浮力助剂，特别是船、游泳辅助设备或冲浪板。

在本发明的一些实施例中，泡沫部件可以包括整体泡沫结构。

在本发明的一些实施例中，泡沫部件可以形成为隔热材料(insulatingmaterial)。由于在本发明的泡沫部件中气体夹杂物的膨胀是可调节的，并且由于空气和多种聚合物材料提供了差的热传导特性，因此根据本发明的泡沫部件可以特别好地适合作为隔热材料。

在本发明的一些实施例中，泡沫部件可以包含阻尼材料，特别是用于运动用品的阻尼材料。如上所述，根据本发明的方法可用于调节泡沫部件中的气体夹杂物的数量和尺寸。此外，该方法可用于由具有橡胶弹性特性的起始材料，例如热塑性弹性体制造泡沫部件。这样，可以特别有效地制造具有优异机械阻尼性能和舒适特征的阻尼材料，例如那些对鞋底有利的阻尼材料。特别地，鞋底的不同元件，包括外底、中底等，对于这些元件有利的是具有不同的特性，例如热绝缘、阻尼、缓冲等，可以根据本发明在一个工艺步骤中制造。这可以消除对单独元件的耗时且成本密集的接合或胶合的需要。

在本发明的一些实施例中，泡沫部件可以包括运动用品的一部分，特别是球或护具。球的一部分可以例如包括面板的一层或面板的多个不同层。不同的层可以包括外顶层、中间泡沫层和基层等，其中的每一个包括不同的特性。多个不同的层可以单独地制造，然后接合在一起。可替代地，多个不同的层，特别是包括球的内囊，可以有利地在一个过程中制造。这样，本发明提供了一种特别可持续的用于制造球的方法，其中可以免除对各个面板层的胶合。此外，与现有技术中已知的常规方法相比，在一个工艺步骤中制造单独的层显著减少了残余材料的量。应当注意，在根据本发明的方法中多个不同层的制造不限于球的生产，而是适合于多个泡沫部件。如果运动用品的部件涉及护具，则这些可以包括头盔、护胫、胸甲、关节护具等。这种护具可适于附接到运动服。此外，运动用品的组成部件可以包括背包、袋子、杆、特别是曲棍球杆等的至少一部分。

在另一方面，本发明涉及一种模具，其适于执行根据本发明的用于制造泡沫部件的方法，并且包括控制装置，特别是用于降低模具中的压力。

在本发明的一些实施例中，模具可以适用于高达50巴、优选25巴、特别优选10巴、最优选大气压的最大压力。

在本发明的一些实施例中，模具可以适用于高达0.8巴，优选0.5巴，更优选0.2巴，特别优选0.1巴的最小压力。

在本发明的一些实施例中，压力和/或温度可在模具内的至少两个区域中单独地调整。

在本发明的一些实施例中，模具可以适于是可移动的。这样，根据本发明的模具适用于各种模塑工艺，特别是适用于滚塑或运动模塑。

附图说明

以下参照附图更详细地描述了本发明的各方面。这些附图示出了：

图1(图1A至1F)：根据本发明的方法的示意图；

图2：用于制造根据本发明的泡沫部件的模具的示意图；

图3：随着在执行根据本发明的方法期间的时间而变化的压力或温度的示例性曲线；

图4：随着所引起的压力降低而变化的根据本发明的泡沫部件的密度曲线；

图5A和5B：在引起不同的压力降低之后，根据本发明的泡沫部件的示意图；以及

图6A至6E：根据本发明的不同泡沫部件的示意图。

具体实施方式

下面，将更详细地解释关于泡沫部件的本发明的示例性实施例。尽管以下参照本发明的示例性实施例描述了特定的特征组合，但是应当理解，本公开不限于这些实施例。特别地，并非所有特征都必须存在以实现本发明，并且可以通过将一个实施例的某些特征与另一实施例的一个或多个特征相结合来修改实施例。

下面参照图1(图1A至1F)描述根据本发明的用于制造泡沫部件的方法100的实例。

方法100包括作为第一步骤的在模具中提供颗粒起始材料，例如粉末、丸粒、微粒或类似物。颗粒的尺寸，其被理解为颗粒的最长膨胀方向，可以覆盖0.01至3mm的范围。应当注意，为了清楚起见，图1A至1F没有示出闭合的模具。相反，颗粒的支承表面代表根据本发明的模具的侧壁131，在图1A中，在该侧壁上设置有第一层颗粒起始材料110。

方法100还包括软化起始材料的步骤。在图1A至1E中，软化由加热120颗粒起始材料110来表示。该过程可以在恒定的初始压力p₀下进行，其中p₀可以是大气压力或超压。加热120通过经由模具的热输入来实现，这可以通过照射模具壁131来实现，特别是通过红外辐射(IR辐射)，或通过变温温控的(variothermally temperature-controlled)模具壁131来实现。可替代地，加热也可以通过直接热输入到起始材料中来实现，例如通过电磁辐射或IR辐射。在这种情况下，可以将辐射发射器放置在模具内部。电磁辐射的优选范围在1至300GHz之间。

由于模具壁131的加热120，颗粒起始材料的第一层110随着时间开始软化并粘附到模具壁131，这在图1B中示意性地示出了第一层110。第二层111、第三层112和其它层中的其它颗粒开始与已经软化和塑化的颗粒熔结。因此，颗粒起始材料逐层熔化，直到全部起始材料处于软化状态，尤其是熔融液体状态113。该方法示于图1C至1E中。应当注意，为了清楚起见，逐步增加图1A至1D中的各个层。然而，优选在一个步骤中提供至少部分颗粒起始材料，然后如所示逐层软化它。

在熔化期间，单独的颗粒之间的气体夹杂物114通过在形成的熔化相中发生的熔结过程而被截留。截留的气体或气体混合物114可以是空气或氮气。例如，通过使用具有多孔特性的颗粒的起始材料，也可以产生另外的气体夹杂物114。颗粒尺寸、形状和颗粒尺寸分布可显著限定熔体113中气体夹杂物114的尺寸、数量和分布，并因此限定发泡的起始条件。所用的聚合物材料可以是热塑性材料和/或交联材料。发泡的另一个先决条件是软化的材料必须处于粘滞相(viscous phase)，其中在10¹至10⁵Pa·s，优选10²至10⁴Pa·s范围内的粘度对于发泡是有利的。在该范围内，由于粘性熔体的流动性，粘性熔体可以提供用于膨胀气体夹杂物的空间，这是首先使得膨胀成为可能的条件。另一方面，在该粘度范围内熔体足够坚韧以将膨胀气体夹杂物115结合(bind)在熔体中。该结合可以至少部分地防止膨胀的气体夹杂物115由于其与软化的起始材料113相比更低的密度而在熔体中上升。另一方面，该结合可防止熔体中的膨胀气体夹杂物115的泡孔破裂或泡孔壁突破。这样，软化的起始材料的粘度可以是除了引起的压力变化量之外的形成不同泡孔结构例如开孔、混合孔、闭孔或类似结构的参数。

在另一步骤中，方法100包括在模具内引起压力变化以在软化的起始材料113的至少一部分中引起发泡的步骤，而不使用除工艺气氛之外的额外发泡剂。发泡是基于在熔体113内截留的气体114的膨胀。膨胀可由模具内的引起的压降引起，其中在工艺开始时施加的模具压力和施加以引起发泡的压力由p₀和p₁表示。优选的压力变化可以在0.05至5.0巴的范围内，其中0.2至1.0巴的范围内的压力变化已经足以用于膨胀。初始压力的降低可以通过外部泵来完成。另一方面，也可以通过增大模具的气密密封容积，例如通过移动模具壁131的至少一部分，来引起压力降低。当气体夹杂物115内的压力基于膨胀已经适应模具内的降低压力p₁时，可以认为发泡完成。

在方法100的最终步骤中，发泡的起始材料116必须与膨胀的气体夹杂物115一起固化或稳定。随后形成泡沫部件的泡沫泡孔的膨胀气体夹杂物115的稳定化可以通过借助于冷却过程123使发泡的起始材料116凝固来进行。可替代地，在交联聚合物材料作为起始材料的情况下，交联反应的触发可以导致泡沫泡孔115的稳定。

下面参照图2描述根据本发明的用于制造泡沫部件的模具230的实施例。

组件200包括可旋转地安装在轴234上的模具230。例如，通过均匀旋转，可以制造基本上恒定厚度的泡沫部件，其中大约1-5％的与制造相关的微小厚度差异被表述“基本上”所涵盖。模具230包括圆柱形外壁231，其可以用下凸缘232和上凸缘233气密地密封。模具230可适于例如制造中空体。此外，模具230适合于1毫巴至50巴范围内的负压以及超压，其中在起始材料软化之后仅几百毫巴的压差可能足以形成泡沫。外壁231可以由IR辐射体235加热，由此模具230中的起始材料(图2中未示出)可以经由外壁231加热。为了过程控制，高温计236位于模具230内部，其可确定软化的起始材料和/或熔体的温度。其它温度传感器，例如热电偶或振荡石英晶体，可以代替高温计236或与之结合使用。为了能够改变模具230的内部压力，连接器237经由旋转接头238附接到下凸缘232。该连接器237可以连接到用于压力降低的真空泵以及压缩机或使用压缩气体以产生超压的装置。模具230可以分成单独的部分(图2中未示出)，其中可以单独地调节内部压力。模具的各个区域也可以分别加热或冷却。通过细分模具，可以制造分级的或分段不同的泡沫部件。

图3示出了在执行根据本发明的方法的示例期间随着过程的持续时间而变化的内部压力和起始材料的温度的示例性曲线300，其中内部压力作为连续线340，起始材料的温度作为虚线341。开始时，起始材料处于室温320，或者由于来自先前制造过程的模具的余热或整个组件的废热而稍高，即10-15℃。在该方法开始时，填充和密封的模具的内部压力325为大气压力。通过恒定的温度斜坡321，起始材料被加热到熔融温度或以上，并且在该温度下保持一定的、优选等温的保持时间322。高于熔融温度的保持时间322可以确保全部起始材料以软化或熔融状态存在，或者至少通过软化颗粒表面可以进行熔结。另一方面，通过将熔体保持在熔融温度以上，可以减少熔体中溶解的气体夹杂物的数量。当热量经由模具引入材料时，这首先发生在与模具壁接触的层中，然后进一步扩散到熔体的内部。因此，在特定的保持时间322内，例如，在制造的泡沫部件中可以实现无泡沫外层和/或整体泡沫结构。在等温保持时间322结束之后，冷却过程323开始。在冷却过程323期间，现在发生压力降低326。压力降低326的时间点以及因此冷却过程323内的真空施加温度可以取决于熔体的粘度，该粘度在冷却过程323期间增加。由于压力降低326，软化的起始材料即熔体中的未溶解的气体夹杂物膨胀，导致发泡。一旦气体夹杂物的内部压力适应于模具的降低的内部压力，发泡完成。维持负压的保持时间327可以取决于粘度、压降的绝对值和发泡的其它参数。当发泡的材料由于冷却过程323而最终再次凝固并且泡沫已经稳定时，内部压力可以再次增加328直到达到大气压力329，可以打开模具并且可以移除至少部分地完成的泡沫部件。除了示例性的曲线300以外，在本发明的范围内，其它的曲线也是可能的，特别是具有不同的时间点和至少一个温度变化和至少一个压力变化的绝对值。

图4示出了随着所引起的压力变化而变化的，经实验确定的所制造的泡沫部件的密度的曲线400。为了建立曲线400，在不同的引起压力变化下制造至少八种泡沫部件，根据DIN EN ISO 845标准测定它们的密度，和在所得的测量点401之间进行内插402。由于在本情况中密度降低是基于膨胀的气体夹杂物，这可以被认为是发泡或发泡程度的量度。因此，曲线402清楚地显示，对于本发明所用的制造泡沫部件的方法，几百毫巴可能足以引起发泡。例如，在仅一巴的压差下，根据本发明的泡沫部件的密度可以降低至超过三分之一，而不使用额外发泡剂。因此，根据本发明的方法特别适合于轻质结构，用于制造浮力辅助设备，例如用于船、游泳辅助设备或冲浪板，或其它应用领域。

在图5A和图5B中，分别示意性地示出了具有不同发泡程度或密度的根据本发明的泡沫部件的摄影图像500和计算机断层图像501。当制造泡沫部件时，使用高密度聚乙烯PE-HD，其中在本发明的范围内也可以使用其它起始材料，特别是热塑性或交联聚合物材料。如果在根据本发明的制造方法中没有引入压差，即Δp_v＝0，则由于颗粒起始材料，气体夹杂物514可能出现在固化起始材料516中，但是这些气体夹杂物不以膨胀形式存在。在与模具壁接触的边缘层517中也没有膨胀的气体夹杂物。因此，在这种情况下，其是在制造过程中存在于模具的未引起发泡的部分中的泡沫部件的区域。这种特性已经随着Δp_v＝400毫巴的引起的压力降低而改变，使得在固化的起始材料516中的气体夹杂物515已经以膨胀形式存在。在图5B中，可以容易地看出，大部分膨胀气体夹杂物515是闭孔的。

如果引起的压差增加到Δp_v＝950毫巴或Δp_v＝999毫巴，如图5A和5B所示，则固化的起始材料516中的膨胀的气体夹杂物515的尺寸进一步增加。在压力变化Δp_v＝950毫巴的情况下，气体夹杂物基本上(即，除了少数例外)是混合孔。这随着压力差进一步增加到Δp_v＝999毫巴而改变，其中在这种情况下，气体夹杂物515基本上是开孔的。注意，边缘层517总是包括比固化的起始材料516的剩余部分更少的气体夹杂物。边缘层517的厚度可以在0.1mm和2.0mm之间，但是优选在0.5mm和1.5mm之间。

总之，图5A和5B显示，根据本发明的泡沫部件的密度至少部分地可通过压力变化量来调节。

为直接比较，图6A并排示出了根据本发明的泡沫部件600和根据本发明的泡沫部件的其中没有发生发泡的部分601。两个泡沫部件600、601由固化的起始材料616组成，其中仅在泡沫部件600中，膨胀的气体夹杂物615是清晰可见的。气体夹杂物引起泡沫部件600的体积，特别是厚度的显著增加。因此，本发明允许在不使用额外发泡剂的情况下制造具有比未发泡的起始材料更低密度的泡沫部件600。

图6B示出了另一个泡沫部件610的示意性特写横截面，其由例如热塑性聚氨酯TPU制成。泡沫部件610包括在凝固的起始材料616中的膨胀的气体夹杂物615。此外，例如在制造期间与模具壁接触的边缘层617不含气体夹杂物。这样，根据本发明的方法可以特别有效地用于在不使用发泡剂的情况下制造整体泡沫结构。

图6C示意性地示出了根据本发明的另一泡沫部件620。类似于泡沫部件610，泡沫部件620还包括不含气体夹杂物的边缘层617和固化的起始材料616中的膨胀的气体夹杂物615。然而，在这种情况下，将也不包含气体夹杂物的另一边缘层618施加到泡沫部件620。第二边缘层618也可由固化的起始材料616或不同的材料组成。在由起始材料制造泡沫部件620的情况下，其可能的制造方法可以包括以下步骤：在模具中提供颗粒起始材料；闭合模具并在模具中引起真空；软化起始材料的第一部分，特别是对应于边缘层617的部分；在模具中提供大气压力；软化起始材料的第二部分，特别是其中预期有气体夹杂物的部分，第二部分的软化在大气压力下进行；引起负压以在第二部分中引起发泡；在负压下软化第三部分，特别是对应于边缘层618的部分；固化发泡和非发泡的起始材料，在固化之后提供大气压力，并且随后打开模具。这样，发泡可以在这些区域中的每一个中通过在模具内的至少两个区域中的温度和压力分布来单独地调节。因此，本发明特别适合于在一个制造过程中提供具有不同发泡程度的各个层，并因此提供泡沫部件的特性，其中可以免除各个层的后续胶合。应当注意，根据本发明的方法不限于三层。本发明的方法还可以提供多于三层和/或在各个层中使用不同的材料。

图6D示意性地示出了根据本发明的另一泡沫部件630。类似于泡沫部件610、620，泡沫部件630还包括不含气体夹杂物的边缘层617和固化的起始材料616中的膨胀的气体夹杂物615。然而，在这种情况下，将也包含气体夹杂物的另一边缘层619施加到泡沫部件630。边缘层619由与固化的起始材料616不同的起始材料组成，但也可由相同的材料组成。同样，第二材料可以包括例如纤维的填料，或者其中不引起发泡的增强元件。第二材料可以至少部分地被固化材料包围或包封。

图6E示意性地示出了根据本发明的另一泡沫部件630。类似于泡沫部件610、620、630，泡沫部件640还包括在固化的起始材料616中的膨胀的气体夹杂物615。在这种情况下，与泡沫部件600类似，边缘层617比先前实施例610、620、630中的薄得多。另一差异是泡沫部件640的厚度从最小厚度652到最大厚度651逐渐增加。泡沫部件640的基本上梯形的结构例如可以借助于与重力不垂直的模具壁来有意调节，在该模具壁上提供颗粒起始材料，该颗粒起始材料软化并且在压力降低之后再次固化。同样，泡沫部件640的基本上梯形的结构可由在沿模具的梯度温度分布下引起的压力变化引起。沿着模具的梯度温度分布可以导致软化的起始材料的梯度粘度，这可以影响例如发泡程度或膨胀的气体夹杂物的尺寸。在相同程度上，泡沫部件的其它形状可以通过模具的取向和形状来调节。另一方面，类似于泡沫部件640，梯形的泡沫部件也可以通过分级发泡实现。这可以例如通过在模具内的梯度温度下保持时间来实现，这允许调整气体夹杂物的数量或密度。可替代地，可以沿着软化的起始材料产生梯度压力差。然而，在这些情况下，所制造的泡沫的发泡程度、密度、泡孔尺寸或其它参数也将沿着固化的起始材料(图6E中未示出)分级。

不含额外发泡剂且可通过本发明方法获得的可能的泡沫部件例如为隔热材料。由于膨胀的气体夹杂物和这些气体的通常差的传导性，尤其是差的热传导性，它们可以有利地用于隔绝，尤其是用于隔热。

不含额外发泡剂并可通过本发明方法制造的其它泡沫部件例如是阻尼材料，尤其是用于运动用品的阻尼材料。通过所述方法制造鞋的优点是，例如，完全可以在没有鞋楦的情况下制造。根据本发明的方法，不使用鞋楦的鞋的制造更灵活，并且节省时间和成本。此外，根据本发明的方法对于在单个制造过程中制造多层元件，例如鞋底或护具所需的多层元件是有利的，因为可以省去随后的不同层或元件的结合。此外，由于不存在额外发泡剂，所制造的运动用品，特别是运动服，比可比较的现有技术运动用于更适合于与皮肤直接接触。

此外，运动用品如球、护具、头盔、护胫、包、背包、球拍等可以部分或完全通过本发明的方法制造。在护具的情况下，根据待保护的身体部分，它们可以例如通过适合于待保护的身体部分的基本上圆柱形形状的模具获得。在可选的后处理步骤中，所得泡沫部件可被切成两半以能够例如放在胸板上。该护具还可适于连接到运动服上。

最后，也可以使用根据本发明的方法制造浮力辅助设备，例如浮子、船、游泳辅助设备、冲浪板或其它。由于可调节的发泡，密度以及因此浮力可在制造期间直接调节。这可以消除对组合和连接若干不同浮体的复杂方法的需要。

Claims

1.一种用于制造泡沫部件的方法，包括以下步骤：

a.在模具(230)中提供颗粒起始材料(110、111、112)；

b.软化所述起始材料(110、111、112)；

c.在所述模具内引起压力变化以在不使用发泡剂的情况下，在软化的起始材料(113)的至少一部分中引起发泡；以及

d.固化发泡的起始材料(116)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述起始材料(110、111、112)包括尺寸为0.01至3mm、优选0.02至1.5mm、特别优选0.05至0.7mm的颗粒。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述起始材料(110、111、112)包括热塑性和/或交联聚合物材料。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，软化的起始材料(113)包括在10¹至10⁵Pa·s，优选10²至10⁴Pa·s的范围内的粘度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述软化包括在软化的起始材料(113)中夹杂至少一种气体(114)，特别是空气或氮气。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述发泡是由被截留在所述软化的起始材料(113)中的至少一种气体(114)的膨胀引起的。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述软化包括加热(120)所述起始材料(110、111、112)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述起始材料(110、111、112)的加热(120)包括直接热输入到所述起始材料(110、111、112)或经由所述模具(230)的热输入来加热(120)。

9.根据权利要求7至8中任一项所述的方法，其中，通过加热的温度曲线，能够调节所述软化的起始材料(113)中的气体夹杂物(114)的数量。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，与所述模具(230)接触的所述起始材料的边缘层(517、617)包括比所述起始材料(113)的其他区域更少的气体夹杂物(114)。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述边缘层(517、617)的厚度为0.1至2.0mm，优选0.3至1.7mm，特别优选0.5至1.5mm。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述起始材料(110、111、112)的加工温度高于其熔融温度。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，所述模具(230)内的温度在所述模具(230)的至少两个区域中是不同的。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述压力变化包括所述压力的降低(326)。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述压力变化是0.05至5.0巴，优选0.1至2.0巴，特别优选0.2至1.0巴。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中，在所述软化之前所述模具(230)中的初始压力(325)对应于大气压力或超压。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述超压包括压缩空气或氮气。

18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其中，引起所述压力变化包括在达到或高于所述起始材料(113)的至少一部分的熔融温度时引起所述压力变化。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中，所述模具(230)内的压力变化的绝对值在所述模具(230)的至少两个区域中是不同的。

20.根据权利要求13至19中任一项所述的方法，其中，在这些区域中的每一个中的发泡能够通过在所述模具(230)内的至少两个区域中的温度和/或压差单独地调节。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，其中，在所述模具(230)的至少一个区域中不引起发泡。

22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法，其中所述固化包括在引起压力变化之后固化。

23.根据权利要求1至22中任一项所述的方法，其中，所述固化包括冷却(123、323)所述发泡的起始材料(116)。

24.根据权利要求1至23中任一项所述的方法，其中，所述泡沫部件的密度至少部分地能够通过所述压力变化的量来调节。

25.根据权利要求1至24中任一项所述的方法，其中，所述泡沫部件的结构至少部分地受到所述起始材料(110、111、112)的至少一种以下性质的影响：颗粒的材料、颗粒形状、颗粒尺寸和颗粒尺寸分布。

26.根据权利要求1至25中任一项所述的方法，还包括将第二材料引入所述模具(230)中。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述第二材料包括填料或增强元件。

28.根据权利要求26或27所述的方法，其中，在所述第二材料中不发生发泡。

29.通过根据前述权利要求中任一项所述的方法制造的泡沫部件。

30.根据权利要求29所述的泡沫部件，其中，所述泡沫部件包括中空体。

31.根据权利要求29或30所述的泡沫部件，其中，所述泡沫部件包括非发泡的边缘层(517、617)。

32.根据权利要求31所述的泡沫部件，其中，所述边缘层(517、617)的厚度为0.1至2.0mm，优选为0.3至1.7mm，特别优选为0.5至1.5mm。

33.根据权利要求29至32中任一项所述的泡沫部件，其中，所述泡沫部件不含发泡剂。

34.根据权利要求29至33中任一项所述的泡沫部件，其中，所述泡沫部件包括开孔、混合孔或闭孔气体夹杂物(515、615)。

35.根据权利要求29至34中任一项所述的泡沫部件，其中，所述泡沫部件包括整体泡沫结构。

36.根据权利要求29至35中任一项所述的泡沫部件，其中，所述泡沫部件形成为隔热材料。

37.根据权利要求29至35中任一项所述的泡沫部件，其中，所述泡沫部件包括阻尼材料，特别是用于运动用品的阻尼材料。

38.根据权利要求29至35中任一项所述的泡沫部件，其中，所述泡沫部件包括运动用品的一部分，特别是球或护具的一部分。

39.一种模具(230)，其适于执行根据权利要求1至28中任一项所述的方法，并且包括控制装置，所述控制装置特别地用于降低所述模具(230)中的压力。

40.根据权利要求39所述的模具(230)，其中，所述模具(230)适用于高达50巴、优选25巴、特别优选10巴、并且最优选大气压的最大压力。

41.根据权利要求39或40所述的模具(230)，其中，所述模具(230)适用于高达0.8巴，优选0.5巴，更优选0.2巴，特别优选0.1巴的最小压力。

42.根据权利要求39至41中任一项所述的模具(230)，其中，所述压力和/或温度在所述模具(230)内的至少两个区域中是单独可调节的。

43.根据权利要求39至42中任一项所述的模具(230)，其中，所述模具(230)适于是可移动的。