CN116985329A - 热塑性高分子材料一次物理发泡成型的加工方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热塑性高分子材料一次物理发泡成型的加工方法，其主要通过将模具设置于加压空间内，让模具在合模后形成的粗胚不需要另外取出，即可直接在压力舱内进行物理发泡的制程，大幅提升的加工制程的流畅程度及效率，且压力舱的体积小于传统压力釜的体积，其增压的过程中安全性能更是远优于传统压力釜。且粗胚直接于模具的模腔内进行发泡，通过顶模在粗胚发泡的过程中给予一定的限制，因此控制了粗胚的发泡密度，由此使粗胚能够形成没有气泡的肤层。

Description

热塑性高分子材料一次物理发泡成型的加工方法及其装置

技术领域

本发明涉及关于材料加工的技术领域，特别涉及指一种热塑性高分子材料一次物理发泡成型的装置。

本发明另关于上述热塑性高分子材料一次物理发泡成型的装置的加工方法。

背景技术

热塑性高分子材料主要通过发泡剂产生发泡，而发泡剂的种类可以分成化学发泡剂(chemical foaming agent)及物理发泡剂(physicalfoaming agent)，两者有许多不同。化学发泡剂在加入热塑性高分子材料后，其受热分解或原料之间发生化学反应而产生气体，使得热塑性高分子材料熔体中充满孔洞，但因为化学发泡剂常使用硝酸盐类，在发泡过程中会产生大量含有异味的气体，且因为化学发泡剂可能含有致癌物质，近年已传出未来可能禁用化学发泡剂，故物理发泡则成为近来首选的高分子发泡技术。

物理发泡主要利用高压将物理发泡剂溶入热塑性高分子材料中达到材料内气体压力与压力舱内气体压力平衡状态，当压力舱压力释放，热塑性高分子材料即开始发泡膨胀，由于物理发泡剂通常使用压缩气体，加工过程不会产生对人体有害的物质，相对较安全且环保，因此近几年已成为备受瞩目的热塑性高分子材料的发泡方式。

上述的物理发泡流程通常会使用高压釜设备对热塑性高分子材料进行加压，而一般高压釜的体积非常大，内部常会设置有多个支架用以吊挂粗胚，由此让高压釜在每一次加压作业时能够同时对大量的粗胚进行高压加工，然而，大型的高压釜设备虽然能够一次加工大量的粗胚，但因为其体积大，因此在提升压力时特别容易产生危险，故高压釜本身的结构不仅需要特别加固，启闭的门扉更需要以非常坚实的结构制成，尤其在盖上高压釜所使用的盘式法兰盖时，要将位于对角线的螺栓一对对的依次拧紧才能够确保加压后的安全，不仅容易因为人为疏失遗漏锁固螺栓造成危险，也因为依次锁固螺栓造成作业时间冗长。

再者，请参阅中国专利公告号CN103128973所述的具有多尺度泡孔结构高分子制品的制备方法，其揭示了在物理发泡的加工过程中需使用到的二种设备，其中一种设备为成形设备，另一种则为高压釜，在加工过程是先将热塑性高分子材料放置于成形设备中进行熔融以形成粗胚，再将粗胚转移至高压釜中加热加压，并在高压釜中注入呈超临界流体状态的物理发泡剂，以让物理发泡剂溶入粗胚，最后再开启高压釜快速泄压，让含有物理发泡剂的粗胚回到大气压力下，使粗胚开始发泡膨胀而成为成品。

因为发泡后的热塑性高分子材料同时具备有热导率低、隔音性强、弯曲张度高、回弹性高、具有疏水性的优点，因此发泡后的热塑性高分子材料常用于制作鞋子的中底，但按上述制程制造的鞋底，在开启高压釜后会使粗胚从内到外都产生气泡，造成体积变大并产生外观变形，需再经过二次加工冷热定形才能成为鞋中底。大型高压釜内温度，和超临界流体分布性很难控制达到全面均匀，会造成粗胚发泡密度不均，造成生产良率不佳。

上述的加工流程中需要将模具设备中成形的粗胚移动至高压釜设备，再将发泡后粗胚移到模具内定型，使加工流程不顺畅而造成生产效率低下的问题，且上述高压釜也因为体积过大，不仅造成危险，也容易造成作业时间冗长。有鉴于此，确有必要提供一种技术手段以改善上述缺陷。

发明内容

本发明的第一个目的在于，解决模具及压力釜以物理发泡流程发泡的热塑性高分子材料，需有二次加工移转制程以控制外型变形的问题。

本发明的第二个目的在于，解决因加工流程不顺畅而导致的生产效率较低的问题。

为达成上述目的，本发明为一种热塑性高分子材料一次物理发泡成型的装置，包含：

压力舱，具有底壳体及顶壳体，该底壳体具有由底壁环绕界定的底空间，且该底壳体朝向该顶壳体开放并具有底壳端面，该顶壳体具有由顶壁环绕界定的顶空间，且该顶壳体朝向该底壳体开放并具有顶壳端面，该顶壳体连接第一驱动组件，通过该第一驱动组件带动该顶壳体靠抵或远离该底壳体，当该顶壳体靠抵于该底壳体时，该顶壳端面紧贴附于该底壳端面，使该底空间与该顶空间连通并形成密封的加压空间；

超临界流体系统，具有容槽以及连通该容槽的输入管及回收管，该容槽内储存超临界流体，而该输入管及该回收管分别连通该加压空间；

模具，具有设置于该加压空间内的底模及顶模，该底模具有朝向该顶模凹设的模腔，该顶模连接第二驱动组件，通过该第二驱动组件带动该顶模与该底模合模或开模。

在一较佳实施例中，另具有支架，该压力舱设置于该支架内，且该第一驱动组件为压缸。

在一较佳实施例中，该输入管及该回收管的两端分别固定连接于该容槽以及该底壳体，该输入管及该回收管穿过该底壁并连通至该底空间。

在一较佳实施例中，该底模设置该底空间内，而该顶模设置于该顶空间内。

本发明另关于上述热塑性高分子材料一次物理发泡成型的装置的加工方法，其中：

第一步骤，放置热塑性高分子材料至该模腔内；

第二步骤，驱动该第二驱动组件使该顶模与该底模合模，以让该热塑性高分子材料被塑型成为粗胚；

第三步骤，驱动该第一驱动组件使该顶壳体靠抵于该底壳体，而该顶壳端面紧贴附于该底壳端面，使该底空间与该顶空间连通并形成密封的该加压空间；

第四步骤，驱动该第二驱动组件使该顶模开模而远离该底模，令该模腔与该加压空间连通；

第五步骤，提升该加压空间内的温度，并让该超临界流体系统通过该输入管将超临界流体输入至该加压空间内，使该加压空间内的压力增加，藉此让该超临界流体溶入该粗胚中，并维持该加压空间内的高压至预定时间，该超临界流体系统通过该回收管收回该加压空间内的超临界流体以降低该加压空间内的压力，使该粗胚在该加压空间内起泡并形成具有气泡的内层，以及包围该内层且不具有气泡的肤层；

第六步骤，驱动上模加压膜腔内发泡完成粗胚，经过模具加热、冷却定型后，并驱动该第一驱动组件使该顶壳体远离底壳体。

本发明通过将该模具设置于该加压空间内，让该模具在合模后形成的该粗胚不需要另外取出，即可直接进行物理发泡的制程，大幅提升的加工制程的流畅程度及效率。且该粗胚直接于该模腔内进行发泡，通过该顶模在该粗胚发泡的过程中给予一定的限制，因此达成外型变形控制并减少二次加工移转的制程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1显示本发明于一较佳实施例中的结构示意图；

图2显示本发明于一较佳实施例中的第一步骤的示意图；

图3显示本发明于一较佳实施例中的第二步骤的示意图；

图4显示本发明于一较佳实施例中的第三步骤、第四步骤及第五步骤的示意图；

图5显示本发明于一较佳实施例中的第六步骤的示意图；

图6显示粗胚经过发泡后形成内层及肤层的剖视图；

图7为热塑性高分子材料一次物理发泡成型的装置的加工方法步骤示意图。

符号说明

10 压力舱

11 底壳体

111 底壁

112 底空间

113 底壳端面

12 顶壳体

121 顶壁

122 顶空间

123 顶壳端面

13 第一驱动组件

14 加压空间

20 超临界流体系统

21 容槽

22 输入管

23 回收管

30 模具

31 底模

311 模腔

32 顶模

33 第二驱动组件

40 支架

A 热塑性高分子材料

A’ 粗胚

A’1 内层

A’2 肤层

S1 第一步骤

S2 第二步骤

S3 第三步骤

S4 第四步骤

S5 第五步骤

S6 第六步骤

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明为一种热塑性高分子材料一次物理发泡成型的装置，主要具有压力舱10、超临界流体系统20及模具30，其中：

该压力舱10具有底壳体11及顶壳体12，该底壳体11具有由底壁111环绕界定的底空间112，且该底壳体11朝向该顶壳体12开放并具有一底壳端面113，该顶壳体12具有由顶壁121环绕界定的顶空间122，且该顶壳体12朝向该底壳体11开放并具有顶壳端面123，该顶壳体12连接第一驱动组件13，通过该第一驱动组件13带动该顶壳体12靠抵或远离该底壳体11，当该顶壳体12靠抵于该底壳体11时，该顶壳端面123紧贴附于该底壳端面113，使该底空间112与该顶空间122连通并形成密封的加压空间14；在本实施例中，另具有支架40，该压力舱10设置于该支架40内，且该第一驱动组件13为压缸。

该超临界流体系统20具有容槽21以及连通该容槽21的输入管22及回收管23，该容槽21内储存超临界流体，而该输入管22及该回收管23分别连通该加压空间14；在本实施例中，该输入管22及该回收管23的两端分别固定连接于该容槽21以及该底壳体11，该输入管22及该回收管23穿过该底壁111并连通至该底空间112，当然该输入管22及该回收管23也能够穿过该顶壁121并连通至该顶空间122，或是该输入管22穿过该顶壁121并连通至该顶空间122，而该回收管23穿过该底壁111并连通至该底空间112，该输入管22及该回收管23系穿过该顶壁121或该底壁111的配置并无特别限制。

该模具30系具有设置于该加压空间14内的底模31及顶模32，该底模31具有朝向该顶模32凹设的模腔311，该顶模32连接第二驱动组件33，通过该第二驱动组件33带动该顶模32与该底模31合模或开模；在本实施例中，该底模31及该顶模32即为模仁(或称内模)。该底模31设置于该底空间112内，而该顶模32设置于该顶空间122内，该第二驱动组件33为压缸。

其次，储存于该容槽21内的该超临界流体以氮气或二氧化碳为较佳的选择，但并不限于氮气或二氧化碳，所述的超临界流体(Supercritical Fluid；SCF)黏度接近气体、密度接近液体，具高质传效率、低表面张力以及溶解度可随温度、压力调控等特性。

以上为本发明于一较佳实施例中的结构组态及其连接关系，本发明的加工方法及使用步骤请参阅图2至图7，依序如下所述：

请参阅图2显示第一步骤S1，放置热塑性高分子材料A至该模腔311内；在本实施例中使用的热塑性高分子材料A可以为氨纶，所述的热塑性高分子材料A为热塑性聚氨酯弹性体又称热塑性聚氨酯橡胶(另称Thermoplastic polyurethane,TPU)，是一种(AB)n型嵌段线性聚合物，该热塑性高分子材料A在高温状态下呈现熔融状态或溶液状态，在熔融状态或溶液状态下分子间作用力(Intermolecular force)减弱，而冷却或溶剂挥发之后又有强的分子间作用力联机在一起，恢复原有固体的性能。

请参阅图3显示第二步骤S2，驱动该第二驱动组件33使该顶模32与该底模31合模，以让该热塑性高分子材料A被塑型成为粗胚A’；在本实施例中，驱动该第二驱动组件33带动该顶模32朝向该底模31靠近进而合模。在该顶模32与该底模31合模后，通过该顶模32及该底模31将该热塑性高分子材料A压合成特定的形状，例如：鞋底、鞋跟、表带、气囊、缓冲隔热发泡材等，使该模腔311内完全填满该粗胚A’。

请参阅图4同时显示第三步骤S3、第四步骤S4及第五步骤S5，在该第三步骤S3中驱动该第一驱动组件13使该顶壳体12靠抵于该底壳体11，而该顶壳端面123紧贴附于该底壳端面113，使该底空间112与该顶空间122连通并形成密封的该加压空间14；在本实施例中，驱动该第一驱动组件13带动该顶壳体12朝向该底壳体11靠近并靠抵于该底壳体11，使该顶壳端面123完全贴附于该底壳端面113，让该顶空间122与底空间112连通而形成该加压空间14，且因为该顶壳端面123完全贴附于该底壳端面113，使该加压空间14呈现完全密封的状态。

该第四步骤S4，驱动该第二驱动组件33使该顶模32开模而远离该底模31，令该模腔311与该加压空间14连通；在本实施例中，驱动该第二驱动组件33带动该顶模32与该底模31开模以扩大该模腔311，开模后该顶模32与该底模31之间的距离并不特别限定，但在本实施例中开模后该顶模32与该底模31之间存在微小的缝隙，仅为让该加压空间14能够与该模腔311连通，且因为该顶模32并未完全离开该底模31，在该粗胚A’进行发泡的过程若产生膨胀，能够藉由顶模32防止该粗胚A’在发泡过程中过度变型。也因为该粗胚A’仍位于该模腔311内，在该粗胚A’加热至适当温度(温度因材料不同而改变)呈现熔融状态时能够由该模腔311承接而不会溢流。

该第五步骤S5，提升该加压空间14内的温度，并让该超临界流体系统20通过该输入管22将超临界流体输入至该加压空间14内，使该加压空间14内的压力增加，藉此让该超临界流体溶入该粗胚A’中，并维持该加压空间14内的高压至预定时间，请参阅图6，该粗胚A’在该加压空间14内起泡并形成具有气泡的内层A’1，以及包围该内层A’1且不具有气泡的肤层A’2；请参阅图4，在本实施例中是使用氮气作为该超临界流体，该超临界流体通过该输入管22进入该加压空间14内，使该加压空间14内的压力逐渐升高，且通过该压力舱10提升该加压空间14的温度，让该粗胚A’加热至熔融状态，在该粗胚A’呈现熔融状态时，该超临界流体通过高溶解性和高扩张性特点注入熔融状态的该粗胚A’中，通过该超临界流体使该粗胚A’发泡而产生该内层A’1，又因为该加压空间14内的高压环境使该粗胚A’的外层无法产生气泡进而产生包围该内层A’1的该肤层A’2。

请参阅图5显示第六步骤S6，该超临界流体系统20通过该回收管23收回该加压空间14内的超临界流体以降低该加压空间14内的压力，同时降低该加压空间14的温度，并驱动该第一驱动组件13使该顶壳体12远离底壳体11；在本实施例中，先通过该回收管23将该加压空间14内的该超临界流体回收，藉此让该加压空间14内的压力逐渐下降，通过逐步下降压力的过程能够稳定该粗胚A’保持其外型，从而确保该肤层A’2不会在该第六步骤S6中产生气泡，而降低该加压空间14的温度则能够保持该粗胚A’在该第五步骤S5中被塑造的形状，并在驱动该第一驱动组件13开启该顶壳体12后取出成品。

本发明通过将该模具30设置于该加压空间14内，让该模具30在合模后形成的该粗胚A’不需要另外取出，即可直接进行物理发泡的制程，大幅提升的加工制程的流畅程度及效率。且该粗胚A’直接于该模腔311内进行发泡，通过该顶模32在该粗胚A’发泡的过程中给予一定的限制，因此控制了该粗胚A’的发泡密度，由此使该粗胚A’能够形成该肤层A’2。值得一提的是，该压力舱10能够加工的粗胚的数量，与设置于该压力舱10内的模具30的数量相同，而压力舱10内一般是设置一个或是较少量的模具30，因此该压力舱10能够仅通过该第一驱动组件13即密封该加压空间14，且该超临界流体系统20增加该加压空间14的压力时也能够由该第一驱动组件13保持密封状态而不泄漏，当然，设置于该压力舱10内的该模具的数量能够根据需求增加或减少，其数量并不以一个为限。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种热塑性高分子材料一次物理发泡成型的加工方法，其特征在于：

第一步骤，放置热塑性高分子材料至模腔内；

第二步骤，驱动第二驱动组件使顶模与底模合模，让热塑性高分子材料被塑型成为粗胚；

第三步骤，驱动第一驱动组件使顶壳体靠抵于底壳体，而顶壳端面紧贴附于底壳端面，使底空间与顶空间连通并形成密封的加压空间；

第四步骤，驱动第二驱动组件使顶模开模而远离底模，令模腔与加压空间连通；

第五步骤，提升加压空间内的温度，并让超临界流体系统通过输入管将超临界流体输入至加压空间内，使加压空间内的压力增加，由此让超临界流体溶入粗胚中，并维持加压空间内的高压至预定时间，粗胚在加压空间内起泡并形成具有气泡的内层，以及包围内层且不具有气泡的肤层；

第六步骤，超临界流体系统通过回收管收回加压空间内的超临界流体以降低加压空间内的压力，同时降低加压空间的温度，并驱动第一驱动组件使顶壳体远离底壳体。

2.一种热塑性高分子材料一次物理发泡成型的装置，其特征在于，包含：

压力舱，具有底壳体及顶壳体，该底壳体具有由底壁环绕界定的底空间，且该底壳体朝向该顶壳体开放并具有底壳端面，该顶壳体具有由顶壁环绕界定的顶空间，且该顶壳体朝向该底壳体开放并具有顶壳端面，该顶壳体连接第一驱动组件，通过该第驱动组件带动该顶壳体靠抵或远离该底壳体，当该顶壳体靠抵于该底壳体时，该顶壳端面紧贴附于该底壳端面，使该底空间与该顶空间连通并形成密封的加压空间；

超临界流体系统，具有容槽以及连通该容槽的输入管及回收管，该容槽内储存超临界流体，而该输入管及该回收管分别连通该加压空间；

模具，具有设置于该加压空间内的底模及顶模，该底模具有朝向该顶模凹设的模腔，该顶模连接第二驱动组件，通过该第二驱动组件带动该顶模与该底模合模或开模。

3.如权利要求2所述的热塑性高分子材料一次物理发泡成型的装置，其特征在于，另具有支架，该压力舱设置于该支架内，且该第一驱动组件为压缸。

4.如权利要求2所述的热塑性高分子材料一次物理发泡成型的装置，其特征在于，该输入管及该回收管的两端分别固定连接于该容槽以及该底壳体，该输入管及该回收管穿过该底壁并连通至该底空间。

5.如权利要求2所述的热塑性高分子材料一次物理发泡成型的装置，其特征在于，该底模设置于该底空间内，而该顶模设置于该顶空间内。