CN1995421A - 一种泡沫金属的基材及其制备方法和拉伸定型设备 - Google Patents

Abstract

泡沫金属的基材及其制备方法和拉伸定型设备，是一种将厚度(1.0－10)mm、孔数：(10－150)PPI的塑料泡沫材料竟加热、拉伸后，内部呈现一种三维椭圆泡形孔网络骨架结构。三维椭圆泡形孔网络骨架结构的长、短轴之比为(1.3∶1)－(10∶1)。本发明可以使泡沫金属材料纵向拉强提高、导电性增强，使泡沫镍产品纵向面密度严重不均得到空前改善，横向柔软性也大大提高。这对下游产业－电池制造业意义是重大的。这一参数可以直接提高生产效率和产能。极有利于获得电池的大体积比容量、质量比容量指标，获得高效电池。本发明可提高现有生产泡沫镍产品的质量，降低废品率，提高经济效益。

Description

一种泡沫金属的基材及其制备方法和拉伸定型设备

技术领域

本发明涉及一种泡沫金属的基体材料(简称：基材)及其制备方法和拉伸定型设备。具体说是一种具有“三维椭圆泡形孔网络骨架”的泡沫金属的基材，即将现有的圆形泡孔的泡棉制备成具有“三维椭圆泡形孔网络骨架”的泡沫金属基材及其方法和设备。

背景技术

当今，泡沫金属的基材通常采用塑料发泡材料(聚氨酯、聚醚酯、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等)。由于泡沫金属的孔隙度高、流体透过性好、能量吸收和吸音性能强、比面积大、毛细管滞留能力强等优点，泡沫金属产品已进入多项领域。如：电池行业(镍氢、镍镉、氢氧燃料电池等)、电化学工程(多孔电极、电解制氢电极、电解海水电极、污水处理电极等)、电化学催化工程(催化剂载体)、环保工程(吸音性能、阻尼材料、电磁波屏蔽材料、气、液净化，过滤分离材料等)等等。因此泡沫金属的年产量大幅度递增，市场广阔，应用前景非常好。所以，泡沫金属制品，特别是泡沫镍产品的质量更是日新月异，相关技术和专利文献频频浮出。

电池性能与泡沫镍产品质量密切相关。特别是泡沫镍网络泡形孔结构，对电池性能的提升至关重要。而塑料泡棉基体材料结构又决定着泡沫镍的结构和性能，也是电池性能改善的重要要素之一。

目前，生产泡沫镍的基体材料塑料泡棉的结构，均是三维圆泡形孔网络状。已往泡沫镍制造行业，对泡沫镍的基体材料孔形结构是“神圣不可侵犯”的。特别是在导电化工艺环节，普遍强调：不可对泡棉在导电化连续卷曲过程中施力变形。仅此目的，曾采取多项技术给予保护。使泡棉在导电化全过程中，最大限度不受力。经查：有两项专利(专利号：01128040.9)、(专利号：98219558.3)专门就其不能使泡棉变形，阐述卷曲机构的优越性等等。应当说：引入这些观念，对制造泡沫镍质量保证，具有历史性贡献。

但是，随着技术的发展，现在发现：正是由于上述泡棉的圆状孔网络结构制约着泡沫镍产品许多关键参数(如：面密度均匀性、拉伸强度、柔韧性等力学物理性能)，均直接影响着该产品的质量。因此，泡沫镍的基体材料质量缺陷，已成泡沫镍制造业不可越逾的阈限。严重阻碍质量、产能提高。更扼制电池产品的高性能提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种泡沫金属的基材，及其制备方法和拉伸定型设备。它可以克服现有泡沫塑料先天性质量缺点，突破已有泡沫金属基材不能变形的技术观念，改变生产泡沫镍基体材料的网络泡形孔结构，进一步提高泡沫镍的质量和力学物理性能，乃至最终提高电池产品的性能。

本发明的目的是这样实现的：泡沫金属的基材，其特征在于它是一种厚度：(1.0-10)mm、孔数：(10-150)PPI(每英寸长度内的孔数)的塑料泡沫材料。它的内部呈现一种三维椭圆泡形孔网络骨架结构。其椭圆泡形的长、短轴之比为：(1.3∶1)-(10∶1)。

上述泡沫金属的基材的拉伸定型设备：它包括安装在机壳内的卷绕系统和加热系统，在加热系统的前、后部位设置有张力调整系统，其特征在于卷绕系统的各辊筒均以同一线速度旋转，张力调整系统包括安装在加热器前的上摆杆机构和安装在加热器后的下摆杆机构。上、下摆杆机构分别包括有悬挂在机壳内的摆杆，在摆杆的下端铰接有重锤，并在两侧摆杆之间安装有与泡沫紧密接触的旋转辊筒提供拉伸定形的张力。

上述拉伸定型设备的加热系统中的加热器，可以采用定向红外线加热器、定向微波加热器、电阻加热器、或采用加热式辊筒对泡沫塑料基体热传导加热。也可以采用真空磁控溅射阴极，利用溅射过程伴随产生的辐射热等等，均能对泡沫塑料进行加热，创造拉伸永久变形条件。

上述泡沫金属的基材的制备方法：其特征在于它是将厚度：(1.0-10)mm、孔数：(10-150)PPI的塑料泡沫材料进行加热、拉伸和冷却定型，在该过程中，塑料泡沫材料所处的温度场的温度：(130-250)℃、加热前塑料泡沫材料所受拉力，借助上、下摆杆两侧重锤的重量对泡沫材料施加张力，重锤的重量在(2-22)kg，塑料泡沫材料所受拉力：(0.018-0.2)N/mm²，拉伸时对泡沫塑料的牵引线速度：(0.3-25)m/min。

本发明的制备方法可以在大气压力下进行，也可以在真空状态下进行。

本发明能对已有泡沫材料依据设定参数，通过PLC可完全自动化进行冷态预拉伸变形、加热变形、冷却定形。获得三维椭圆泡形孔网络骨架结构的泡棉，三维方向等值均匀可控。即其纵向拉长、横向缩短及厚度变薄。并同步去除含在原泡沫材料内含有的有害工艺油污分子和水分子，更有利于下道电镀工艺。由于原有三维几何尺寸发生改变，从而也发生“尺寸效应”的奇妙特性。其最明显效果是：它的一系列力学物理性能均得到前所未有的改善。如：本发明的的泡棉新结构，比原泡沫金属产品纵向拉强提高、导电性增强。尤其是原泡棉由于旋切工艺缺陷，即纵向始终存在所谓“明、暗区”波动性周期，造成泡沫镍产品纵向面密度严重不均。但经本发明拉伸定形后，确得到空前改善。另一收获是：它的横向柔软性大大提高。这对下游产业-电池制造业意义是重大的。因这一参数可以直接提高它们的生产效率和产能。又由于新的三维椭圆泡形孔网络骨架结构空间容量变大。它极有利于，获得大体积比容量、质量比容量指标的电池。实现电池的高比能量输出、高倍率放电、高充放电效率及长循环寿命目标高效电池。本发明可提高现有生产泡沫镍产品的质量，降低废品率，提高经济效益。

经查新检索，尚未发现有与本发明相雷同、相近专利技术和文献。特别是在电池同行业中，也未发现能制造三维椭圆泡形孔网络骨架结构的泡棉和新型泡沫镍产品文献报道。

附图说明

图1是本发明的拉伸定型设备的机芯结构示意图。

图2是图1中所示的摆杆机构的结构示意图。

图3是图2的侧视图。

图4是本发明的另一种实施例的示意图。

图5-图7是本发明的三维椭圆泡形孔网络骨架结构的泡沫塑料材料的显微镜下的放大图。

具体实施例

下面结合具体实施例及其附图对本发明做进一步详细的说明。

图1、图2和图3所示的是本发明针对原塑料泡沫材料的拉伸定型设备及其卷绕系统、加热系统和安装在加热系统前、后部的张力调整系统。上述结构安装在机壳内(图中未给出)。本发明可以在真空状态下实施，也可以在非真空状态下实施。所以上述机壳包括设有真空系统和充氩气系统的真空机壳和非真空机壳。

如图1所示，本发明的设备中卷绕系统包括放卷辊1和收卷辊20，放卷辊1和收卷辊20由两台电机分别驱动。还包括有两个牵引辊，即上牵引辊9和下牵引辊13。上牵引辊9和下牵引辊13可以由同一台电机驱动，也可以由两台电机分别驱动。驱动放卷辊和收卷辊的电机及驱动牵引辊的电机，通过工业电脑(PLC)电气控制系统，使之达到同步控制，实现塑料泡沫材料在整个制备过程中的线速度始终一致。

加热系统如图1所示，采用面对泡沫材料布置的加热器10、11、12。上述加热器10、11、12也可以是定向红外线加热器、或定向微波加热器、也可以采用真空磁控溅射阴极对泡棉进行辐射加热。另外，本发明还可以将过渡辊设置成加热辊，或者设置加热板等。采用加热辊(或板)对泡沫材料基体直接进行加热。上述加热方式和加热器结构均为已有技术。总之，本发明的加热方式不局限于附图中所给出的结构形式。

张力调整系统如图2和图3所示，包括安装在加热器前的上摆杆机构和安装在加热器后的下摆杆机构，上、下摆杆机构的结构相同。在机壳内设置有支架26，在支架26上安装有摆杆主轴3，在摆杆主轴3上悬挂有两个摆杆4，在两个摆杆4的后面设置两个限位元件5，保持摆杆在平时状态时与水平夹角为60度。摆杆下端部安装有摆杆轴21及旋转辊筒6，旋转辊筒6与摆杆轴21可相对运功。在摆杆轴端两侧悬挂重锤7。图中24是卷绕过程中的泡棉，图号2、8、14、15、16是泡棉在牵引、卷绕过程中支撑、传递、转移拉张力的过渡辊。

由图3可见，在摆杆主轴3的一端，安装有角位移传感器25。借助它来测定塑料泡沫材料在拉伸过程中摆杆输出的角位移量，通过PLC来控制放卷辊电机、收卷辊电机与牵引辊电机线速度相同，以达到塑料泡沫材料所受张力恒定目的。本发明还可以在泡沫塑料横向表面上安装有张力传感器，测量泡沫塑料在拉伸过程中所受到的张力大小与设定值相比较，修正放卷、收卷电机对牵引电机的线速度不同步。

上述目的也可以通过安装张力传感器来实现。

图4所示是本发明的另一种实施例。按本发明的拉伸、加热和定型机构，安装在制造卷式片状塑料发泡材料后端，与它的旋切设备对接，就可直接将发泡后的圆泡形孔网络骨架结构的泡沫塑料加工成三维椭圆泡形孔网络骨架结构的材料。图中30是泡沫塑料的旋切机构，31是旋切后的片式泡沫塑料材料，它由收卷辊筒39卷绕成卷。在收卷辊筒和旋切机构之间安装有加热系统35，加热系统的前、后部安装有张力调整机构32，图中33是牵引辊，34是过渡辊。

以下是制备三维椭圆泡形孔网络骨架结构的泡沫塑料材料的方法。本发明的制备方法不仅仅局限于使用本发明附图中所给出的拉伸定型设备，它可以在其它任何具有温度控制、拉伸速度控制及张力控制的设备中实施。

实施例一：非真空电阻加热方式

1、选择现有圆形泡孔网络骨架结构的聚氨酯泡沫塑料作为基材原料：规格：厚度2.1mm，孔数：94PPI，幅宽1050mm，卷长度200m。

2、将上述基材原料装夹在图1所示的卷绕系统的放卷辊1上，牵拉最外层泡棉依次缠绕，路经过渡辊2、摆杆旋转辊筒6、过渡辊8，上牵引辊9，通过两面设置的加热器10、11、12，继续经过下牵引辊13、过渡辊14、15、下行绕至下摆杆的旋转辊筒16、过渡辊19、达到收卷辊20，缠绕锁定。

3、设定各相关参数：张力调整系统中的上摆杆的重锤重量4kg/侧，采用电阻加热方式。对泡沫材料加热，恒温空间内200℃，进行拉伸变形。下摆杆的重锤重量1kg/侧，对泡沫基材的牵引速度20m/min。

4、启动加热器电源，启动牵引辊电机、放卷辊电机、收卷辊电机，按设定参数输入牵引辊电机(含对变频器控制)，并依程序控制放卷辊电机(含对变频器控制)、控制收卷辊电机(含对变频器控制)的线速度，保持与牵引辊同步。同时还借助上、下两摆杆角位移传感器或张力传感器对放卷、收卷电机转速输出给予超前、滞后的修正，保证塑料泡沫材料在恒温、牵引线速度一致的条件下被拉伸变形。

5、按照本实施例所设定的参数，获得如图7所示的三维椭圆泡形孔网络骨架结构的泡沫金属的基材，其椭圆长短轴之比为1.63∶1。实施例二：非真空定向红外线加热方式

1、经旋切机构30旋切后的泡沫塑料材料31厚度：1.9mm、幅宽：1050mm、卷长：100m，孔数：110PPI。

2、采用定向红外线加热器35，两组功率：10kw，两组红外线加热器与泡沫塑料距离：150mm，对泡沫塑料提供变形恒温度：230℃。

3、对泡沫塑料牵引速度：10m/min。

4、张力调整系统：加热器前的摆杆机构中的摆杆两侧配重：2kg/侧x2＝4kg、泡沫塑料被拉伸时，摆杆达到水平位置。加热器后的张力调整机构中的摆杆两侧配重：1kg/侧x2＝2kg，

5、完成拉伸定形后的三维椭圆泡形孔网络骨架结构的泡沫塑料材料，其长短轴平均比：b/a＝1.5(参看图6)。

实施例三：真空状态下磁控溅射阴极辐射加热

1、原料泡沫塑料材料规格：厚度：2.1mm、幅幅：1050mm、卷长：200m、孔数：110PPI。

2、摆杆系统：上摆杆两侧配重：2.7kg/侧x2＝5.4kg、泡棉拉伸时，摆杆达到水平位置。下摆杆两侧配重：1kg/侧x2＝2kg：

3、抽真空、充入氩气，使机壳内的真空度和充氩气，符合磁控溅射阴极的放电要求。

4、两组磁控溅射阴极功率：22kw/组。

5、磁控溅射阴极与泡沫塑料距离：120mm。

6、对泡棉牵引速度：0.8m/min。

7、完成拉伸定形后的三维椭圆泡形孔网络骨架结构的泡沫塑料材料长短轴之比：b/a＝3，(参看图5)。

8、由于本实施例采用真空磁控溅射阴极对泡沫塑料辐射加热，所以在加热的同时已经完成了导电化处理，可直接转入生产泡沫镍的下道生产工序：电镀、烧结等。

通过本发明的上述制备方法生产出的三维椭圆泡形孔网络骨架结构的泡沫金属的基体材料，再实施导电化处理(或导电胶法、或化学镀法、或真空镀膜法)就可以进行泡沫镍产品的生产了。

Claims (7)

1、泡沫金属的基材，其特征在于它是一种厚度：(1.0-10)mm、孔数：(10-150)PPI(每英寸长度内的孔数)的塑料泡沫材料，它的内部呈现一种三维椭圆泡形孔网络骨架结构。

2、根据权利要求1所说泡沫金属的基材，其特征在于三维椭圆泡形孔网络骨架结构的长、短轴之比为(1.3∶1)-(10∶1)。

3、泡沫金属的基材的拉伸定型设备，它包括安装在机壳内的卷绕系统和加热系统，在加热系统前段和加热系统后段设置有张力调整系统，其特征在于卷绕系统的各辊筒均以同一线速度旋转。张力调整系统包括安装在加热器前段的上摆杆机构和安装在加热器后段的下摆杆机构，上、下摆杆机构分别包括有摆杆和在摆杆的下端铰接有重锤，并在两侧摆杆之间安装有旋转辊筒，上、下摆杆机构安装有传感器。

4、根据权利要求3所说的泡沫金属的基材的拉伸定型设备，其特征在于所说的传感器为角位移传感器或张力传感器。

5、根据权利要求3所说的泡沫金属的基材的拉伸定型设备，其特征在于所说的加热系统中的加热器可以是电阻加热器、或定向红外线加热器、或定向微波加热器、或磁控溅射阴极辐射加热器、或与泡沫塑料直接接触的圆筒状或平板状的的热传导加热器。

6、泡沫金属的基材的制备方法，其特征在于它是将厚度：(1.0-10)mm、孔数：(10-150)PPI的塑料泡沫材料进行加热、拉伸和冷却定型的过程，在该过程中，塑料泡沫材料所处的温度场的温度：(130-250)℃，塑料泡沫材料所受拉力：(0.018-0.2)N/mm²，拉伸时对泡沫塑料的牵引线速度：(0.3-25)m/min。

7、根据权利要求6所说的制备方法，其特征在于冷却采用自然冷却或风冷方法或接触式传导冷却。

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