CN111300713B - 一种模内一次发泡成型工艺及发泡制品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模内一次发泡成型工艺，包括如下步骤：S1：将树脂珠粒在超临界气体中预浸渍，得到待发泡珠粒；S2：将待发泡珠粒转移到封闭空间内，通入湿空气，使得待发泡珠粒处于流化状态；S3：使用微波对待发泡珠粒和湿空气进行加热；S4：排气发泡成型，得到发泡制品。本发明一步成型得到发泡制品，制品内部无缺陷，性能良好；使用微波加热待发泡珠粒，热效率高，传热深度大，加热时间短；使用上下表面均带有密集小孔的非极性材料制成的模具，易加工得到，成本低，并在模具下方设置鼓风装置，以保证微波照射时珠粒处于流化态，受热均匀且不会产生堆积缺陷；使用超临界流体作为物理发泡剂浸渍发泡，生产过程绿色环保，适宜工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料加工领域，具体涉及一种模内一次发泡成型工艺及发泡制品。
背景技术
聚合物发泡材料是指通过气相均匀分布在聚合物固相中而形成具有多孔结构的聚合物复合材料。由于其存在的多孔结构，聚合物发泡材料具有优异的隔音隔热性能、抗震缓冲性能等。其中，热塑性聚合物发泡材料的成型工艺主要有挤出发泡成型、注塑发泡成型及珠粒模塑成型三大类。挤出发泡成型工艺只能生产横截面单一产品，如片材、板材、管材等；注塑发泡成型可生产复杂结构制品，但受工艺限制，产品密度大，发泡倍率低；珠粒模塑成型可制备低密度，形状复杂发泡制品，是近年研究的热点。
目前工业上常用的珠粒模塑成型的方法是两步法工艺。先将树脂珠粒使用化学发泡剂或物理发泡剂进行发泡，得到发泡珠粒，再将发泡珠粒填充至模具内，通过水蒸气等介质进行加热塑形，使发泡粒子相互熔接，得到复杂发泡制品。该方法存在以下问题，制备得到的成型体性能损失较大。珠粒一次发泡时内部会存在缺陷，二次模塑成型时已发泡珠粒堆积必然存在空隙，两次缺陷累加会使成型体力学性能下降，限制其应用场景，同时，使用水蒸气加热成型时间长，工业化效率低。
发明内容
为此，本发明的所要解决的技术问题是克服现有两步法中缺陷累加会使成型体力学性能下降，限制其应用场景，同时，使用水蒸气加热成型时间长，工业化效率低的缺陷，提供一种模内一次发泡成型工艺及发泡制品。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种模内一次发泡成型工艺，包括如下步骤：
S1：将树脂珠粒在超临界气体中预浸渍，得到待发泡珠粒；
S2：将待发泡珠粒转移到模具内，向模具内通入湿空气，并使用微波对待发泡珠粒和湿空气进行加热；
S3：排气发泡成型，得到发泡制品。
优选地，所述步骤S2中，微波功率为2000-3000MHz，加热时间为30-180s。
所述模具内湿空气的相对湿度为10-50％，压力为0.2-0.8MPa。
步骤S1中，所述树脂珠粒为极性热塑性聚合物树脂珠粒，所述极性热塑性聚合物树脂珠粒的粒径为0.5-5mm，所述极性热塑性聚合物树脂珠粒是微波吸收型材料，可利用微波对其进行加热。
优选地，所述极性热塑性聚合物树脂珠粒为聚氨酯弹性体、聚酰胺弹性体和聚酯弹性体中的至少一种。
所述超临界气体为氮气和/或二氧化碳；
优选地，所述超临界气体为氮气和二氧化碳的混合气体，所述混合气体中氮气和二氧化碳的体积比为(3-49)：1。
进一步地，所述预浸渍的温度为50-100℃，压力为10-40MPa，时间为10-480min。
进一步地，所述S3中排气发泡成型为，以1-40MPa/s的泄压速率降至标准大气压，然后通入0-5℃的冷空气冷却。
进一步地，所述模具表面分布气流孔，气流孔的直径小于树脂珠粒的直径，所述模具使用可透微波的非极性聚合物或陶瓷制成，所述非极性聚合物为聚合物侧链不含极性官能团的聚合物，例如可为聚乙烯和/或聚丙烯；
通过气流孔将湿空气持续通入模具内使待发泡珠粒处于流化态，具体方法是在模具下方设置鼓风装置。
本发明还提供采用上述的发泡工艺制得的发泡制品。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明一步成型得到发泡制品，先将树脂珠粒在超临界流体中浸渍，使气体分子溶解在树脂珠粒中；将待发泡珠粒转移到模具内，并向模具内通入湿空气，使得待发泡珠粒处于流化状态；微波加热后，树脂珠粒温度升高，气体在树脂珠粒中溶解度降低；后排气泄压，珠粒发泡并熔接成型。本发明避免两步法中因为多次发泡导致的缺陷累加使制品力学性能下降，本发明制品内部无缺陷，性能良好。
2.本发明使用微波加热待发泡珠粒，热效率高，传热深度大，短时间内即可得到发泡制品。极性热塑性聚合物在微波照射下，内部分子通过极化产生介质损耗，将微波转变为热能。同时，通入一定压力的湿空气，在微波加热下，分散在空气中水分子升温，保证发泡箱内珠粒表面与内部受热均匀，有助于发泡时珠粒之间的结合。
3.本发明使用上下表面均带有密集小孔的模具，小孔直径小于树脂珠粒直径。在模具下方设置鼓风装置，以保证微波照射时珠粒处于流化态，受热均匀且不会产生堆积缺陷。同时，本发明模具使用可透波的非极性聚合物或者陶瓷制得，易加工得到，成本低。在传统珠粒模塑成型时由于温度压力高，对模具要求较高，通常使用铝合金等金属材质制作，成本较高，且不易加工。本发明利用微波对珠粒加热并模塑成型，发泡的温度压力较低，可使用更易获得的非极性聚合物、陶瓷模具，大大降低生产开发成本。
4.本发明使用超临界流体作为物理发泡剂浸渍发泡，生产过程绿色环保，适宜工业化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是本发明实施例1-3中使用的发泡装置的结构示意图。
附图标记：
1-发泡箱；2-微波发射装置；3-模具；4-鼓风装置；5-进气阀，6-排气阀；7-压力监控装置；8-湿空气压缩装置；9-冷空气压缩装置。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
以下实施例1-3使用的模具3均为可透波的聚乙烯材料制得，模具表面分布的气流孔的直径为0.3mm。
实施例1
本实施例提供一种模内一次发泡成型工艺，包括如下步骤：
(1)将熔点是165℃，硬度为85A，粒径为0.5-5mm的热塑性聚氨酯弹性体(TPU)珠粒在高压釜内浸渍10min。其中浸渍温度100℃，浸渍压力40MPa,使用的超临界气体为氮气：二氧化碳体积比＝3：1；
(2)将浸渍后的TPU珠粒铺满模具3并合模，放置于发泡箱1内，打开湿空气压缩装置8，通过进气阀5向发泡箱内充入相对湿度50％的湿空气，用压力监控装置7使发泡箱1内压力达到0.2MPa，同时打开鼓风装置4，使珠粒处于流化状态；
(3)打开微波发射装置2，对珠粒进行微波加热，设定微波频率2000MHz，加热时间180s；
(4)打开排气阀6，以1MPa/s的速率泄气之标准大气压，再打开冷空气压缩装置9向发泡箱1内通入0℃冷空气冷却，得到发泡制品。
最后得到的发泡制品，通过肉眼观察表面无缺陷，粒子熔接紧密，密度0.18g/cm3，直角撕裂强度(测试标准：ISO 8067:2008)为140N/cm，落球回弹(测试标准：ASTM D3574)为62％。
实施例2
本实施例提供一种模内一次发泡成型工艺，包括如下步骤：
(1)将熔点为170℃，硬度为94A，粒径为0.5-5mm的热塑性聚酰胺弹性体(TPAE)珠粒在高压釜内浸渍480min。其中浸渍温度50℃，浸渍压力10MPa,使用的超临界气体为氮气：二氧化碳体积比＝49：1；
(2)将浸渍后的TPAE珠粒铺满模具3并合模，放置于发泡箱1内，打开湿空气压缩装置8，通过进气阀5向发泡箱内充入相对湿度10％的湿空气，用压力监控装置7使发泡箱1内压力达到0.8MPa，同时打开鼓风装置4，使珠粒处于流化状态；
(3)打开微波发射器2，对珠粒进行微波加热，设定微波频率3000MHz，加热时间30s；
(4)打开排气阀6，以40MPa/s的速率泄气之标准大气压，再打开冷空气压缩装置9向发泡箱1内通入5℃冷空气冷却，得到发泡制品。
最后得到的发泡制品，通过肉眼观察表面无缺陷，粒子熔接紧密，密度0.07g/cm3，直角撕裂强度(测试标准：ISO 8067:2008)为60N/cm，落球回弹(测试标准：ASTM D3574)为72％。
实施例3
本实施例提供一种模内一次发泡成型工艺，包括如下步骤：
(1)将熔点是160℃，硬度为98A，粒径为0.5-5mm的热塑性聚酯弹性体(TPEE)珠粒在高压釜内浸渍200min。浸渍温度70℃，浸渍压力20MPa,使用的超临界气体为氮气：二氧化碳体积比＝4：1；
(2)将浸渍后的TPEE珠粒铺满模具3并合模，放置于发泡箱1内，打开湿空气压缩装置8，通过进气阀5向发泡箱内充入相对湿度30％的湿空气，用压力监控装置7使发泡箱1内压力达到0.4MPa，同时打开鼓风装置4，使珠粒处于流化状态；
(3)打开微波发射器，对珠粒进行微波加热，设定微波频率2500MHz，加热时间60s；
(4)打开排气阀6，以6MPa/s的速率泄气之标准大气压，再打开冷空气压缩装置9向发泡箱1内通入2℃冷空气冷却，得到发泡制品。
最后得到的发泡制品，通过肉眼观察表面无缺陷，粒子熔接紧密，密度0.15g/cm3，直角撕裂强度(测试标准：ISO 8067:2008)为95N/cm，落球回弹(测试标准：ASTM D3574)为70％。
对比例1
本对比例和实施例1相比是传统的两步法制备发泡制品，包括如下步骤：
(1)将熔点是165℃，硬度为85A的热塑性聚氨酯弹性体(TPU)珠粒在高压釜内浸渍并泄压发泡。浸渍时间30min，浸渍温度110℃，浸渍压力40MPa,实用超临界流体为氮气：二氧化碳体积比＝3：1，泄压速率400MPa/s。
(2)将发泡后的TPU珠粒铺满蒸汽热压模具，合模并通入蒸汽，蒸汽压力为0.18MPa，保持3min，关闭蒸汽，输入冷水进行冷却。
最后得到的发泡制品，通过肉眼观察表面存在缺陷，密度0.2g/cm3，直角撕裂强度(测试标准：ISO 8067:2008)为34N/cm，落球回弹(测试标准：ASTMD3574)为60％。
和实施例1相比，对比例1得到的发泡制品存在缺陷，同时撕裂强度明显小于实施例1，质量差异明显。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (5)
1.一种模内一次发泡成型工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将树脂珠粒在超临界气体中预浸渍，得到待发泡珠粒；
S2：将待发泡珠粒转移到模具内，向模具内通入湿空气，并使用微波对待发泡珠粒和湿空气进行加热；
S3：排气发泡成型，得到发泡制品；
所述步骤S2中，所述模具内湿空气的相对湿度为10-50％，压力为2-8bar；
所述模具表面分布气流孔，气流孔的直径小于树脂珠粒的直径；
通过气流孔将湿空气持续通入模具内使待发泡珠粒处于流化态；
所述超临界气体为氮气和二氧化碳的混合气体，所述混合气体中氮气和二氧化碳的体积比为(3-49)：1；
所述预浸渍的温度为50-100℃，压力为10-40MPa，时间为10-480min；
所述S3中排气发泡成型为，以1-40MPa/s的泄压速率降至标准大气压，然后通入0-5℃的冷空气冷却。
2.根据权利要求1所述的发泡成型工艺，其特征在于，其特征在于，所述步骤S2中，微波功率为2000-3000MHz，加热时间为30-180s。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的发泡成型工艺，其特征在于，步骤S1中，所述树脂珠粒为极性热塑性聚合物树脂珠粒，所述极性热塑性聚合物树脂珠粒的粒径为0.5-5mm。
4.根据权利要求3所述的发泡成型工艺，其特征在于，所述极性热塑性聚合物树脂珠粒为聚氨酯弹性体、聚酰胺弹性体和聚酯弹性体中的至少一种。
5.一种发泡制品，其特征在于，采用权利要求1-4中任一项所述的发泡工艺制得。
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