一种高分子聚合物材料超临界流体发泡装置的制作方法

本实用新型涉及聚合物发泡设备技术领域，具体涉及的是一种高分子聚合物材料超临界流体发泡装置。

背景技术：

高分子聚合物发泡材料广泛应用于隔热、隔音、减震、制鞋等领域。目前常用的聚合物材料发泡方式有物理发泡和化学发泡。化学发泡法是指将化学发泡剂与聚合物材料共混后，在一定温度下，化学发泡剂受热分解，产生气体是聚合物材料发泡，目前加热方式主要还是电加热方式，能耗高，效率低下等问题，同时化学发泡剂存在异味重，不环保，有一定的毒副作用等问题。物理发泡通常是指超临界流体发泡技术，由于物理发泡所使用的气体通常为二氧化碳或氮气，因此，非常的环保。

近年来，物理发泡技术成为聚合物材料发泡领域的新兴技术。目前，聚合物物理发泡方式主要有三种。第一种是挤出发泡，即将溶解有超临界流体的聚合物从单螺杆或双螺杆挤出机中挤出，经过模口定性成片材或板状，这种方法可以得到高发泡的材料，但发泡材料形状单一，只能是片材或棒状材料；第二种是通过将溶解有超临界流体的聚合物挤入到模具内，聚合物在模具内发泡，这种方式能够得到特殊形状的发泡材料，但只能得到发泡倍率小的材料；第三种方法是釜压发泡，即将物料放入高压釜中，通气施加压力，然后用电加热或油加热，将热量由外往里传递给高压釜中的聚合物材料，得到发泡材料通常是发泡粒子，如巴夫斯的E-TPU材料，需将这些发泡粒子进行热压成型，这种方法可以得到高发泡倍率的发泡粒子，但不能得到特殊形状的发泡材料，电加热和油加热都存在能耗大的问题。此外，第一种方法和第二种方法中，所需的设备复杂，造价高。传统的物理发泡技术因涉及电加热或油加热问题，由于电加热过程是通过热传导使聚合物材料加热，存在加热时间长，会出现局部加热温度过高而部分区域仍存在加热死角等问题。

鉴于此，本案发明人对上述问题进行深入研究，遂有本案产生。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种加热均匀，加热速度快，效率高的高分子聚合物材料超临界流体发泡装置。

为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是：

一种高分子聚合物材料超临界流体发泡装置，包括模具、气瓶、升压泵、第二气阀和第三气阀，所述模具上具有模腔，所述模具上设置有连通所述模腔的进气孔和排气孔，所述气瓶、所述升压泵、所述第二气阀和所述模具的进气孔依次相连，所述第三气阀连接于所述模具的排气孔上，其特征在于：所述气瓶与所述升压泵之间还安装有第一气阀，所述模具包括上模和下模，所述上模与所述下模之间设置有用于合模时起密封作用的绝缘垫片，所述上模、所述下模和所述绝缘垫片合模后构成密闭的上述模腔，所述上模和所述下模的外表面均设置有绝缘层，所述绝缘层的外表面包覆有金属外壳；所述进气孔位于所述上模或所述下模上，并且贯穿所述绝缘层和所述金属外壳，所述排气孔位于所述下模或所述上模上，并且贯穿所述绝缘层和所述金属外壳；还包括有射频电源，所述上模与所述下模均为导电金属或导电非金属，所述射频电源的两极经电缆分别与所述上模和所述下模连接。

优选的，所述上模和所述下模均为模具钢。

优选的，所述电缆为具有屏蔽电池波功能的电缆。

优选的，所述模腔的内壁上涂覆一层用于提高所述模腔抗粘附性能的特氟龙。

采用上述技术方案，本实用新型的有益效果在于：一、解决传统超临界发泡工艺过程中加热不均匀等技术问题；实现模内超临界发泡；实现超临界发泡和射频加热技术的巧妙结合。二、本实用新型克服传统技术的缺陷，使微波产生于模腔内，解决传统化学发泡中电加热过程中加热不均匀等技术问题，提升加热速度，实现快速高效发泡。三、本实用新型中，模具为导电金属或导电非金属，当开启射频电源后，模具可以直接发出高频射频，不要求模具上有穿透射频的物性，有利于降低模具的要求。四、本实用新型中，模具的外表面包裹有绝缘层，在绝缘层的外表面包覆有金属外壳，绝缘层能够起到保温作用，降低热能损耗，同时还能够起到阻隔射频外泄的作用，金属外壳起到屏蔽射频避免外泄的作用，这样通过一层阻隔射频和一层屏蔽射频，有效地避免射频外泄，更加安全，保证安全生产。当工人采用本实用新型的技术方案进行高分子材料发泡时，能够免遭射频的辐射。五，本实用新型也可以广泛用于PU、TPU、EVA，PE，PP，SEBS以及其它弹性体材料或共混材料的发泡。即使对于不吸收射频或者极性弱的聚合物材料，也可以通过共混高极性的高分子材料或无机材料来充当射频吸收剂，从而实现射频加热。因此，本实用新型具有广阔的应用前景，具有重要的应用价值。

附图说明

为了易于说明，本实用新型由下述的具体实施方式及附图作以详细描述。

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为应用本实用新型的技术方案获得的TPU发泡材料的剖视图(应用本实用新型的技术方案获得的TPU发泡材料的泡孔形貌图)。

图中：

1-气瓶； 2-升压泵；

3-模腔；

31-进气孔； 32-排气孔；

51-第一气阀；

52-第二气阀； 53-第三气阀；

61-上模； 62-下模；

7-绝缘垫片； 8-绝缘层；

9-金属外壳； 10-射频电源；

11-电缆。

具体实施方式

为了进一步解释本实用新型的技术方案，下面通过具体实施例来对本实用新型进行详细阐述。

射频是一种高频交流变化电磁波的简称，频率范围从300KHz～ 30GHz之间。其中，微波频段(300MHz-300GHz)又是射频的较高频段。传统的射频加热，主要利用高频段微波对物体作用从而达到加热的目的，具有加热速度快，受热均匀的特点。这种加热方式主要用于食物的加热灯，例如家用的微波炉。

如图1-2所示，本实用新型的高分子聚合物材料超临界流体发泡装置，包括模具、气瓶1、升压泵2、第一气阀51、第二气阀52和第三气阀53，模具上具有模腔3，模具上设置有连通模腔3的进气孔 31和排气孔32，气瓶1、第一气阀51、升压泵2、第二气阀52和模具的进气孔31经依次连接，第三气阀53连接于模具的排气孔32上，模具包括上模61和下模62，上模61与下模62之间设置有用于合模时起密封作用的绝缘垫片7，上模61、下模62和绝缘垫片7合模后构成密闭的上述模腔3，上模61和下模62的外表面均设置有绝缘层 8，绝缘层8的外表面包覆有金属外壳9；进气孔31位于上模61上，并且贯穿绝缘层8和金属外壳9的相应位置处，排气孔32位于下模 62上，并且贯穿绝缘层8和金属外壳9的相应位置处；还包括有射频电源10，上模61与下模62均为导电金属或导电非金属，射频电源10的两极经电缆11分别与上模61和下模62连接。

上述中，具体的：气瓶1、第一气阀51、升压泵2和第二气阀 52经连接管依次连接，第二气阀52经连接管或管体连接件与模具的进气孔31连接，第三气阀53经连接管或管体连接件与模具的排气孔 31连接，这里的连接管、管连接件均为本领域常规管体和管连接件。

作为一种优选的，上模61和下模62均为模具钢。

优选的，电缆11为具有屏蔽电池波功能的电缆。这里的电缆11 为现有公知的一类电缆，即：指常规电缆表面再裹一层金属网，起到电磁屏蔽作用的电缆。

优选的，模腔3的内壁上涂覆一层用于提高所述模腔抗粘附性能的特氟龙。

上述中，进气孔31和排气孔32，无论设置在上模61还下模62 都具有等同功能，不影响本实用新型技术方案的整体性和可实施性。本实用新型进气孔31和排气孔32设置方式仅为一种优选方式，将进气孔31和排气孔32任意设置在上模61或下模62上，均能达到同样的效果。

需要说明的是：上模61和下模62上的金属外壳9的作用是屏蔽射频避免射频外泄，确保使用者在使用本实用新型的装置时不会被射频辐射到，更加安全。本实用新型的高分子聚合物材料超临界流体发泡装置的结构也比较简单易于制造和安装。

绝缘层8的作用将金属外壳9与上模61和下模62隔开，实现电不导通。绝缘垫片7的作用是隔断上模61和下模62，将上模61和下模62绝缘阻隔开，使二者电不导通，从而当上模61和下模62接通射频电源10后，上模61和下模62产生高频振荡电流，高频振荡电路会产生高频振荡电场，进而在整个模腔3内产生射频。射频在模腔3内不断来回反射，从而使整个模腔3内的聚合物材料受热均匀。

升压泵2的作用是将气体压力提升至达到超临界状态所需压力以上。这样可以保证注入模腔3内的压缩气体为超临界状态，便于溶入经射频加热后的聚合物材料内部，有利于聚合物材料充分发泡成型。

公知在高分子成型发泡过程中，需要用模具。现有技术是将模具连同模具内的高分子材料一同放入密闭微波辐射空间，对高分子材料进行加热，类似于生活中常见的微波炉加热食物。然而，运用这种方式进行发泡，高分子发泡对模具有特殊的要求，必须是能够穿透微波的材料，才能用作模具，比如金属材料就不能作为模具使用，这就限制了射频加热的应用，因为许多高分子发泡产品发泡过程中，要求模具由足够的耐压，耐温等性能。本实用新型的上模61和下模62除作为用于聚合物发泡成型的模具以外，还作为产生射频的正负电极，能够完全克服上述问题。另外，本实用新型中所采用模具为导电金属或导电非金属，也解决了模具材料有特殊要求的问题。

本实用新型一种高分子聚合物材料超临界流体发泡装置及发泡方法均可以广泛用于PU、TPU、EVA，PE，PP，SEBS(SEBS热塑性弹性体)以及其它弹性体材料或共混材料的发泡。即使对于不吸收射频或者极性弱的聚合物材料，也可以通过共混高极性的高分子材料或无机材料来充当射频吸收剂，从而实现射频加热。

SEBS是饱和型SBS，或称氢化SBS，是由特种线型SBS加氢使双键饱和而制得，SBS在催化剂存在下适度定向加氢，则使聚丁二烯链段氢化成聚乙烯(E)和聚丁烯(B)链鼓，故称为SEBS。同样，SIS氢化后使其中的聚异戊二烯转变为聚乙瞻(E)和聚丙烯链段，则得饱和型SIS(SEPS)。

本实用新型一种高分子聚合物材料超临界流体发泡方法，以TPU 聚合物材料为原材料，选用二氧化碳气体作为物理发泡剂为例，具体操作步骤如下：

(1)放料合模：先关闭第一气阀51、第二气阀52和第三气阀 53，再将待发泡TPU聚合物材料放放置于模具的模腔3内，再进行合模，再通过现有常见压紧机构对合模后的模具进行压紧。

步骤(1)中，在将待发泡TPU聚合物材料放置于模具的模腔3 内之前，预先在模腔3的内壁上涂覆有一层用于提高模腔3抗粘附性能的特氟龙。常见压紧机构为常规的发泡硫化仪，并通过常规方式对合模后的模具进行压紧。特氟龙材料涂覆后是长期有效的，作为模腔内壁使用。所以，模腔3内壁涂覆特氟龙的次数是根据实际生产进行涂刷，并不需要多次重复涂刷。因此，采用本实用新型方法是仅需涂刷一次特氟龙，在运用本实用新型方法进行第二次、第三次、第N 次等发泡时，都无需再次涂刷一次特氟龙。

其中，特氟龙是聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene)，英文缩写为 PTFE，(俗称"塑料王，哈拉")，在中国，由于发音的缘故，"Teflon" 这一商标又被称之为"特氟龙"、"铁氟龙"、"铁富龙"、"特富龙"、"特氟隆"等等，皆为"Teflon"的音译。这种材料的产品一般统称作"不粘涂层"，是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，所以可作润滑作用之途，亦成为了不沾锅和水管内层的理想涂料。

(2)充填物理发泡剂：启动升压泵2，打开第一气阀51将气瓶 1内的二氧化碳气体送入升压泵2，升压泵2将二氧化碳气体压缩至 15MPa，此时，升压泵2将二氧化碳气体被压缩成超临界流体，然后再打开第二气阀52，超临界流体自动注入模具的模腔3内。

步骤(2)中，升压泵2将二氧化碳气体压缩形成超临界流体所需临界压力以上(二氧化碳气体的临界压力为7.39MPa)。这样可以保证注入模腔3内的压缩二氧化碳气体为超临界状态，便于溶入经射频加热后TPU聚合物材料内部，有利于TPU聚合物材料充分发泡成型。这里需要说明的是：超临界流体是类似流体的特殊状态。每种气体得到超临界流状态的最小压力称之临界压力，二氧化碳的临界压力为7.39MPa，氮气的临界压力为：3.4MPa。

(3)加热处理：开启射频电源10，模具产生高频射频，模腔3 内的TPU聚合物材料在模具产生的高频射频作用下被加热，超临界流体溶解并进入TPU聚合物材料内部。

步骤(3)中，在上模611和下模622之间高产生频振荡电场， TPU为强极性高分子材料，在高频振荡电场下分子会不停地随之转换方向。随着极性分子不断转向，彼此发生碰撞，相互摩擦进而产生热量，进而使TPU聚合物材料自身温度升高，待TPU聚合物材料加热至所需温度后，关闭射频电源108。需要特别说明的是，温度的高低是由聚合物材料的性质和所希望的产品的发泡率等因素来设定。通常在一定温度范围内温度高越高，发泡率就高，因为聚合物材料温度越高，溶解在聚合物中的超临界流体越多。

(4)降压发泡：先关闭第二气阀52，再打开第三气阀53，模腔 3内气压急速下降，溶解进入TPU聚合物材料内部的超临界流体迅速膨胀，TPU聚合物材料发泡并充满整个模腔3。

(5)开模取件，关闭第一气阀51和升压泵2，再打开步骤(1) 中对合模后的模具进行压紧的现有常见压紧机构，待现有常见压紧机构完全打开后，再打开模具，取出TPU聚合物的发泡材料，得到与模腔3形状一致的TPU聚合物的发泡材料。

还需特别说明的是，除了二氧化碳气体作为物理发泡剂，氮气气体也可以作为物理发泡剂。所以，不仅限二氧化碳气体作为物理发泡剂，氮气等气体也可同样作为超临界流体。

本实用新型的高分子聚合物材料超临界流体发泡装置及发泡方法适用于物理发泡，也是采用物理发泡对高分子聚合物进行发泡。物理发泡通常是指超临界流体发泡技术，即将超临界流体与材料置于密闭的空间，加热到一定温度后，超临界流体渗入到聚合物材料中，瞬间卸载压力，渗入到聚合物材料中的超临界流体在聚合物材料内部膨胀，得到发泡材料。由于物理发泡所使用的气体通常为二氧化碳或氮气，因此，非常的环保。

因此，本实用新型一种高分子聚合物材料超临界流体发泡装置及发泡方法均具有广阔的应用前景，具有重要的应用价值。

上述实施例和图式并非限定本实用新型的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本实用新型的专利范畴。