用于制造包括热塑性材料泡沫层和纤维增强热塑性材料覆盖层的热塑性材料夹层结构的方法和设备与流程

用于制造包括热塑性材料泡沫层和纤维增强热塑性材料覆盖层的热塑性材料夹层结构的方法和设备本发明涉及一种用于制造具有热塑性材料泡沫层和纤维增强热塑性材料覆盖层的夹层结构的方法和设备。一种众所周知的用于制造热塑性夹层结构的方法包括挤出一个热塑性材料泡沫层，并将它粘合在两个纤维增强热塑性材料覆盖层之间作为泡沫芯，所述两个纤维增强的热塑性材料覆盖层通常来自与所述泡沫层相同的热塑性材料。这种已知方法的一个缺点是芯的发泡和芯到覆盖层的粘合是分开的步骤，这要求严格的加工控制和对准。EP-A-636463已经公开了一种分批生产夹层板的方法，该夹层板由一个发泡式芯层和两个纤维增强覆盖层组成。这种已知的分批加工包括如下步骤：提供热塑性材料(诸如聚醚酰亚胺)的板，该热塑性材料包含一定量的合适的溶剂；将所述板放置在具有类似热塑性材料(诸如聚醚酰亚胺)的两个纤维增强层之间；将芯带状物和覆盖层组件放置在两个压制板之间；向压制板供应热量和压力，以引起芯带状物的发泡，并且当获得预定的泡沫层厚度时冷却压制板。在该实施例中，发泡在低于聚醚酰亚胺的Tg温度下进行，所述聚醚酰亚胺包含二氯甲烷作为溶剂，以起到物理起泡剂作用。这种已知的分批加工的缺点是相对慢的生产率，特别是用于加工夹层结构。另一个缺点是溶剂需要通过干燥来从夹层结构中移除，这是一个耗时和耗能的步骤，增加了成本。GB701066已经公开了一种从热塑性质量块(诸如聚氯乙烯)生产闭孔多孔主体的分批方法，该分批方法为通过在封闭的压制机中使气体在高压力下溶解在质量块中，随后加热直到质量块完全胶化，然后降低压力并将质量块的体积增加初始体积的1/5-2/5并且之后冷却质量块，完全释放质量块压力且使质量块自由膨胀。这种方法不适合生产夹层结构，因为一旦自由膨胀，覆盖层将易于凸出，从而这些覆盖层将不会呈现平坦且光滑的表面。US-A-3160689已经公开了分批生产闭孔多孔主体的方法，该方法以优选地通过添加硬化凝胶剂将塑性凝胶(例如，包括软化剂和/或溶剂的聚氯乙烯)和潜在的起泡剂保持在油灰状稠度。这种塑性凝胶具有待被以缩减尺寸制成的主体的形状，且被放置在处于超大气压的气体压力下的压力容器中，经受加热，以便分解潜在的起泡剂并且使塑性凝胶胶化。然后胶化的主体被冷却至胶化温度以下的温度，同时维持在其塑性状态，这之后释放压力从而使主体膨胀至最终形状而不接触模具壁。在一个优选实施方案中，在冷却之前，执行分布在成型主体中的气体的有限的膨胀。同样这种方法不适合于生产夹层结构，因为覆盖层会凸出且不会呈现平坦且光滑的表面。此外，在待被发泡的主体的所有方向上的膨胀不能应用到增强覆盖层。另外，额外的胶化材料降低了泡沫的机械特性，从而降低了最终的泡沫的压缩/剪切强度。然而，在一个夹层结构中，泡沫的机械性能对夹层结构的最终的机械性能非常重要。因此，应避免胶化材料。同时大量溶剂的存在对于它在夹层结构中的应用是不利的，因为溶剂不得不通过干燥(例如，在烤炉中)被移除，这是一个耗时的加工，因为泡沫中的其余溶剂不得不经覆盖层扩散。此外，对于轻量产品，不希望在泡沫层中含有固体。本发明的一个目的是提供一种制造具有热塑性材料泡沫层和纤维增强热塑性材料覆盖层的夹层结构的方法，该方法没有上述缺点，至少以较小的程度。本发明的另一目的是提供一种制造这样的夹层结构的方法，其中所有步骤可在同一个压制机中执行。本发明的另一目的是提供一种连续制造这样的夹层结构的方法，以及提供一种用于执行这样的方法的设备。本发明的另一目的是提供一种制造基于这样的夹层结构的三维物体的方法。因此，发明在第一方面提供了一种用于制造夹层结构的方法，该夹层结构包括至少一个第一热塑性材料泡沫层和两个第二热塑性材料纤维增强覆盖层，该方法包括如下步骤：a)提供一个起始结构(startingstructure)，该起始结构包括至少一个第一热塑性材料层以及两个第二热塑性材料纤维增强覆盖层，所述第一热塑性材料具有一个熔解温度或溶解范围；其中所述至少一个第一热塑性材料层包括一种化学起泡剂，该化学起泡剂具有的分解温度在第一热塑性材料的熔解温度或熔解范围之上；b)将该起始结构接触加热(contactheating)至化学起泡剂的分解温度之上的一个温度，使得发生化学起泡剂的分解，从而获得一个中间结构，其中已分解的化学起泡剂存在于所述至少一个第一热塑性材料层中；c)在化学起泡剂的分解之后，将由此获得的中间结构冷却至所述第一热塑性材料的熔解温度或熔解范围之上的一个发泡温度；其中所述接触加热步骤b)和冷却步骤c)在压力下执行，以及其中所述起始结构和中间结构与所述压制工具接触，从而防止所述至少一个第一热塑性材料层的发泡；d)紧随步骤c)，在所述发泡温度处，使包括中间结构的已分解的化学起泡剂的所述至少一个热塑性材料层发泡，其中使得该中间结构的体积增大至一个最终体积且之后保持恒定，从而获得所述夹层结构，该结构包括所述至少一个第一热塑性材料泡沫层和两个第二热塑性材料纤维增强覆盖层；以及e)冷却由此获得的、处于基本恒定的最终体积的夹层结构。在根据发明中的方法中，一个组件被用作起始结构(步骤a))，该组件包括至少一个第一热塑性材料层，该至少一个第一热塑性材料层包括化学起泡剂，该层被定位在两个第二热塑性材料纤维增强覆盖层之间。第一热塑性材料具有一个熔解点或熔解范围。化学起泡剂被选择为使得它的分解温度高于第一热塑性材料的熔解点或熔解范围。在步骤b)中，这个起始结构经受加热处理，特别是使用已被加热的压制工具接触加热，以使化学起泡剂分解成为气体分解产物，如氮气、氨气、氧气、一氧化碳和二氧化碳。为了以合适的速度执行分解反应以用于大量生产，在分解温度之上15℃-60℃的范围内的温度是优选的。气体分解产物保持在该中间结构中的至少一个第一热塑性材料层中，同时该结构被冷却，例如该通过将中间结构(包括主表面以及横向侧面)封闭。在压力下维持该中间结构与所述压制工具接触，从而防止包括化学起泡剂的气体分解产物的所述至少一个第一热塑性材料层发泡。在本说明中，包括处于两个覆盖层之间的、未发泡的、包括化学起泡剂的气体分解产物的所述至少一个第一热塑性材料层的结构被称为“中间结构”。一旦充分的冷却(步骤c))降至待发泡的层中的第一热塑性材料的熔解点或熔解范围之上的一个温度，在维持所述中间结构与所述压制工具接触的同时，在步骤d)中，通过增大压制机的压制工具之间的距离，从而引起至少一个第一热塑性材料层通过气体分解产物的膨胀而发泡，该中间结构的体积被允许增大至最终体积，在板或“环状/连续”产品的情况下特别是最终厚度。在发泡步骤d)之前的冷却步骤c)防止了由于在发泡期间由压制工具施加的显著较低的力而导致热塑性材料纤维增强覆盖层将被松弛，尤其是如果在发泡期间温度将高于第二热塑性材料的熔解点或熔解范围时。这样的松弛将会影响最终产品的机械特性并且也会降低表面外观。因此，允许该中间结构在单个发泡步骤中发泡至所期望的夹层结构最终体积，通常只有厚度增大。以此方式，获得了包括至少一个发泡式第一热塑性材料层和至少两个第二热塑性材料纤维增强覆盖层的夹层结构产品。接下来，在步骤e)中，由此获得的夹层产品被允许冷却且同时仍受压且与压制工具接触且它的体积保持恒定。此处，应注意，由于步骤d的操作温度和最终的低温度(通常是环境温度)之间的差异，可能发生依赖温度的体积减小(收缩)。在任何速度下，没有进一步的膨胀发生。有利的是，以高的冷却速度执行冷却步骤，以至少降到第一热塑性材料的熔解温度之下，从而允许第一热塑性材料的泡沫孔快速固化。随后，可进一步加工所获得的夹层产品，包括根据尺寸切割、进一步成形(例如通过变形)、包装和储存。在本发明中，化学起泡剂的分解不与初始包含化学起泡剂的所述至少一个第一热塑性材料层的发泡同时发生，并且在不同的温度处发生。根据本发明，化学起泡剂的分解温度高于第一热塑性材料的熔解温度或熔解范围。如果这些分解和发泡的步骤在相同的温度下被同时执行，则要么此工作温度就分解速度而言将是适当的，但是对于在泡沫中形成足够的泡沫孔而言太高，因为第一热塑性材料的黏性或熔体强度(meltstrength)将会非常低。如果以就第一热塑性材料的黏性或熔体强度而言合适的温度同时执行，则分解速度会缓慢，并且会成为连续加工中的一个限制因素。高温下化学起泡剂的分解(其中已熔解的第一热塑性材料的黏性或熔体强度低)还提供气体分解产物很好地分布在整个第一热塑性材料层的优势。具有足够量的化学起泡剂的第一热塑性材料的挤出膜恰恰在所讨论的热塑性材料的熔解温度或熔解范围之上且在分解化学起泡剂的起始温度之下被挤出。化学起泡剂分解的起始温度通常在第一热塑性材料的熔解温度的10％-20％之内。因此，在高于第一热塑性材料的熔解温度或熔解范围的25％-35％的一个温度处，化学起泡剂在数十秒内的有效分解可被执行。例如，取决于无规立构PP存在的数量和结晶度，市售(全同立构)丙烯具有处于160℃-171℃范围内的熔解点(由不同的扫描量热法决定)。取决于粉末的颗粒尺寸，偶氮二甲酰胺一般在170℃之上开始分解，而本发明中的热分解有利地在如上述指出的显著更高的温度下执行，诸如200℃之上。对于所述至少一个第一热塑性材料层和热塑性材料纤维增强覆盖层的材料的选择尤其取决于最终产品应用的期望特性。适合于待使用化学起泡剂被发泡的层的热塑性材料包括晶体热塑性材料和非晶体热塑性材料这两者。晶体热塑性材料是优选的，因为玻璃转化温度和熔解点之间的差异小，这提供了一旦在小的温度间隔内发泡即固化热塑性材料的可能性。对于大量生产，聚烯烃如聚乙烯、聚丙烯是优选实施例。底部纤维增强覆盖层和顶部纤维增强覆盖层优选地用相同的第二热塑性材料和相同的增强部制成。取决于鉴于最终用途的期望特性，用于顶部纤维增强覆盖层和底部纤维增强覆盖的第二热塑性材料纤维增强材料可以不同。用于泡沫层和覆盖层的热塑性材料可以是相同的或者不同的，包括不同的等级。下文中，出于指示目的，覆盖层中的热塑性材料(如果有的话)称为第二热塑性材料。实施例包括聚烯烃(从C2-C4单体中获得)如聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)、聚酰胺(PA)、聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜(PES)、聚砜(PSU)、聚苯砜(PPSU)，聚酮诸如聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、液晶高分子、聚氯乙烯(PVC)、热塑性聚氨酯(TPU)等以及它们的组合。也可以考虑热塑性生物聚合物。如以上指出的，还可以使用不同的热塑性材料的...