聚合物泡沫制品和制造聚合物泡沫的方法与流程

背景技术：

1、发泡聚合物制品由于提供了与实心聚合物制品相关的高强度，同时还实现密度的降低并因此实现用于形成选定体积的制品的聚合物的量的降低的高度期望的属性，因此在工业中被广泛采用。此外，该工业享有由发泡制品与其实心对应物相比的重量降低所提供的益处，同时仍然获得由聚合物本身实现的强度、韧性、抗冲击性等益处。

2、因此，该工业已经开发了用于将气体夹带到热塑性聚合物中以制造这样的泡沫制品的几种现在常规的方法。为了使用气体对发泡热塑性聚合物制品进行模制，商业指南和工业实践采用这样的熔融混合设备：可操作该熔融混合设备以在使气体或气体源与热塑性聚合物熔融混合，进一步地，在高于热塑性聚合物的熔融温度的温度下熔融混合的同时保持压力以限制设备内部中的气体膨胀。这样的方法和设备被设计成使气囊或气袋的形成最少化，否则所述气囊或气袋将通过熔融热塑性聚合物中的气体的膨胀而形成。因此，当驻留在熔融混合设备内并且布置在熔融混合设备内时，热塑性聚合物可以包含溶解或分散在其中的气体源或气体本身，同时不包括气囊或基本上不包括气囊。熔融热塑性聚合物和气体的处于或高于在大气压下将形成气囊的温度同时不包括气囊或基本上不包括气囊的混合物可以称为熔融充气混合物(molten pneumatic mixture)。气体或发气剂(pneumatogen)将在大气压下在熔融充气混合物中形成气囊的温度可以称为临界温度。因此，本领域中公知的熔融混合设备被设计成并且适合于制造并分配熔融充气混合物。此外，这样的设备适合于通过添加在特征温度下被释放或者通过在特征温度下的放热或吸热化学反应形成的初生气体、潜伏气体或潜在气体制造熔融充气混合物。初生气体、潜伏气体或潜在气体的临界温度是发生反应或气体被释放到热塑性聚合物中的温度。所有这样的材料和方法是充分了解的，并且出于该目的，不同设计的熔融混合设备可在商业上广泛获得。通常采用的熔融混合设备是这样的单螺杆挤出机或双螺杆挤出机：其被改良成在螺杆的远端处具有加压室以接收在混合期间通过操作螺杆将设置量或“注料量”的熔融充气混合物朝向加压室推进而行进的熔融充气混合物。

3、在加压室中积累设置量或注料量后，将熔融充气混合物从熔融混合设备中分配并通过流体连接的管、管道等引导至获得期望形状的模具的腔中。通常进行分配以在热塑性聚合物仍为熔融的同时使通过释放压力而在模具腔中发生的发泡(气囊形成)的量最大化。然后将腔中的膨胀泡沫冷却以产生发泡制品。使用该方法模制的发泡部件在本领域中称为注射成型泡沫部件。该技术通常限于制造厚度为约2cm或更小的部件的范围内。

4、采用发气剂源在模制部件中诱导泡沫结构的注射成型法可以从bociaga等的最近的同行评审期刊文章“the influence of foaming agent addition,talc fillercontent,and injection velocity on selected properties,surface state,andstructure of polypropylene injection molded parts.”cellular polymers 2020,39(1)3-30中了解。在该出版物中，将对于4.1mm厚度的标准注射成型iso测试棒的模制通常所采用的过程条件系统地改变以创建过程设置和制剂变量(发气剂源的浓度、填料含量、注射速度、注射时间、保持时间和保持压力)的16种不同的组合。作者教导了控制过程和制剂在所得泡沫部件中的泡沫结构方面产生一些变化，但所有变量均产生具有“表层(skinlayer)”的部件，“表层”为描述接近不含或基本上不含气囊的注射成型泡沫制品的表面的高度特征区域的技术术语。

5、对注射成型发泡制品的表面的检查以及对在表面下方在任何方向上延伸约500微米的区域的检查揭示了实心热塑性区域—即，不含气囊或基本上不含气囊的区域。由根据常规注射成型法的注射成型产生的泡沫部件包括表层特征。此外，根据所采用的方法、设备和材料，大多数这样的部件的表层显著厚于500μm，并且可以为1mm、2mm、3mm、或甚至更厚。

6、为了制造大的发泡部件(例如如货盘或手推车体)，以上常规方法是不足的，因为在填充模具期间在熔融充气混合物流动和膨胀时，大的模具腔引起过度的压降，并且在填充期间可能形成气囊，但随后从粘性聚合物流中合并或泄漏。因此，在“结构泡沫”模制的一些情况下，同时使用多个喷嘴以快速填充大的或厚的模具腔。在另一些情况下，可以在模具腔内施加显著的背压以防止在填充期间形成气囊；在填充模具之后释放压力用于使气囊基本上形成在模具腔内。这两种方法通常以单一过程使用。

7、然而，前述结构泡沫模制方法没有解决实际上阻挡工业开发非常大的部件的问题。众所周知，接近熔融物质表面的区域将比其内部冷却得更快，并且在物质内形成温度的冷却梯度。物质内最深的点处的冷却速率最慢。就填充有大量熔融聚合物或充气混合物的大模具腔而言，物质的内部区域可能冷却得如此慢使得热塑性塑料的粘性流动允许气囊合并，从而形成大的不含聚合物的袋并破坏限定这样的泡沫的预期的连续聚合物基体。当聚合物冷却至低于其熔融转变的温度时，这种作用可能通过聚合物体积的收缩而加剧。对于大的发泡部件，这种作用甚至可能导致部件内部的泡沫结构的完全塌陷。

8、在没有遍及部件的连续聚合物基体的情况下，无法实现与发泡制品相关的组合的强度和密度降低。具有大的不含聚合物的区域或空隙的发泡部件损害部件的结构完整性，这使得这样的部件不适合于其预期用途。这些严重的技术问题使得聚合物泡沫的工业应用对于许多以其他方式高度有用且有益的应用受到限制。因此，持续需要提供用于制造发泡制品，特别是大的或厚的发泡制品的改进方法。持续需要获得始终具有连续泡沫结构的部件。特别需要获得具有大于2cm的厚度并且始终具有连续泡沫结构的部件。在工业中持续需要使用常规设备和材料来解决这样的需求。

技术实现思路

1、本文描述了制造熔融聚合物泡沫的方法。所述方法包括：将热塑性聚合物和发气剂源添加至挤出机；将热塑性聚合物和发气剂源在挤出机中在一定压力下加热并混合以形成熔融充气混合物，其中熔融充气混合物的温度超过发气剂源的临界温度；在挤出机的收集区域中收集一定量的熔融充气混合物；限定收集区域中的膨胀体积以使收集区域中的压力下降(减压)；在限定之后允许经过一定时间的膨胀期；以及从收集区分配熔融聚合物泡沫。在实施方案中，膨胀体积被选择成在收集区域中提供总预期熔融泡沫体积的10％至300％，此外其中减压的速率(即，限定压降的速率)为至少0.01gpa/秒，在实施方案中，为0.1gpa/秒或更大；以及在一些实施方案中，为1.0gpa/秒或者甚至更大，例如最高至5.0gpa/秒。大于0.01gpa/秒的减压速率在本文中被称为“快速减压”。在一些这样的实施方案中，快速减压与高背压相结合，其中背压是例如在收集区域中或在用于进行减压的设备的一个或更多个另外的区域(例如在引发减压的注射成型机的筒体区域)中所需的压力的量，此外其中“高背压”意指500kpa或更大的背压，例如500kpa和高达25mpa的背压，还受到用于进行减压的注射成型机的限制。

2、通过使用本文描述的方法，还采用在收集区域中的熔融充气混合物的快速减压，在还采用高背压来引发快速减压的实施方案中，获得这样经稳定的熔融聚合物泡沫：所述经稳定的熔融聚合物泡沫能够形成具有足以容纳在其内部的至少一个位置中的理论上20cm至1000cm直径的球体的形状和体积的聚合物泡沫制品，并且特征还为具有遍及制品整体的限定了多个气囊的连续热塑性聚合物基体，并且总制品体积为1000cm3或更大、2000cm3或更大、3000cm3或更大、4000cm3或更大、或者5000cm3或更大、或者2000cm3至5000cm3或甚至更大。在一些这样的实施方案中，从制品的表面延伸500微米的表面区域包括遍及其整体的压缩气囊。

3、我们还发现，通过采用收集区域的快速减压，在还采用高背压的实施方案中，可以采用0秒至5秒的膨胀期以获得特征为具有遍及制品整体的限定了多个气囊的连续热塑性聚合物基体的聚合物泡沫制品。我们还发现，通过采用快速减压，在还采用高背压的实施方案中，可以实现600秒至2000秒或甚至更长的膨胀期。熔融充气混合物在膨胀期期间不受干扰或基本上不受干扰。

4、在一些实施方案中，在从收集区分配熔融聚合物泡沫之前，使熔融充气混合物经受加压然后减压(获得压降)的1至5次循环。

5、在实施方案中，分配为分配至成形元件；在一些实施方案中，成形元件为模具。在实施方案中，在挤出机的收集区域与模具之间存在流体连接。在实施方案中，分配为熔融聚合物泡沫的无阻碍流动。在一些实施方案中，分配为分配熔融聚合物泡沫的线性流。在实施方案中，熔融聚合物泡沫接触模具并且部分地、基本上或完全地填充模具腔。

6、在实施方案中，方法还包括将经分配的熔融聚合物泡沫冷却至低于热塑性聚合物的熔融转变的温度。在实施方案中，对于挤出机的一种或更多种另外的材料，其中一种或更多种材料选自着色剂、稳定剂、增亮剂、成核剂、纤维、颗粒、和填料。在实施方案中，发气剂源为发气剂以及添加为加压添加。在另一些实施方案中，发气剂源包括碳酸氢盐、多元羧酸或其盐或酯、或其混合物。

7、本文还公开了使用本文所述的方法、材料和设备制造的聚合物泡沫制品。在实施方案中，聚合物泡沫制品具有遍及其整体的表征为在其中限定了多个气囊的连续聚合物基体的泡沫结构。在实施方案中，聚合物泡沫制品的表面区域包括压缩气囊。在实施方案中，表面区域为从制品的表面延伸500微米的区域。

8、本文还公开了热塑性聚合物泡沫制品，所述制品具有遍及其整体的泡沫结构，所述泡沫结构为在其中限定了多个气囊的连续聚合物基体，此外其中制品的表面区域包括压缩气囊。在一些实施方案中，表面区域为制品的从其表面延伸500微米的区域。在一些实施方案中，制品包括距其表面大于500微米的压缩气囊。

9、在实施方案中，聚合物泡沫制品包括其中直径为2cm或更大的球体(sphere)将在至少一个位置中配置在聚合物泡沫制品内而不从表面突出的形状和体积。在一些这样的实施方案中，聚合物泡沫制品还包括其中直径为2cm的球体将不配置在聚合物泡沫制品内而将从表面突出的一个或更多个位置。在实施方案中，聚合物泡沫制品的体积为大于1000cm3、1000cm3至5000cm3、2000cm3至5000cm3或甚至大于5000cm3。在实施方案中，聚合物泡沫制品具有这样的形状和体积：其中直径为2cm至1000cm，例如20cm至1000cm的至少一个(理论)球体将在至少一个位置中配置在聚合物泡沫制品内，而不从制品的表面突出。在实施方案中，聚合物泡沫制品包括大于2000cm3的体积以及其中直径为2cm或更大的球体将在至少一个位置中配置在聚合物泡沫制品内而不从表面突出的形状和体积。在实施方案中，聚合物泡沫制品包括2000cm3至5000cm3的体积以及其中直径为至少20cm的球体将在至少一个位置中配置在聚合物泡沫制品内而不从表面突出的形状和体积。在实施方案中，聚合物泡沫制品还包括大于5000cm3的体积以及其中直径为20cm至1000cm的球体将在至少一个位置中配置在聚合物泡沫制品内而不从表面突出的形状。在实施方案中，聚合物泡沫制品包括其中直径为20cm至1000cm的一个球体将在至少一个位置中配置在聚合物泡沫制品内而不从表面突出的形状；在另一些实施方案中，聚合物泡沫制品具有其中直径为20cm至1000cm的两个球体将配置在聚合物泡沫制品内而不从表面突出的形状。在又一些实施方案中，聚合物泡沫制品具有其中直径为20cm至1000cm的三个或更多个球体将配置在聚合物泡沫制品内而不从表面突出的形状。

10、在实施方案中，用于制造聚合物泡沫制品的材料没有特别限制并且包括选自以下的热塑性聚合物：聚烯烃、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯、聚(乳酸)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、四氟乙烯共聚物、聚醚砜、聚缩醛、聚芳酰胺、聚苯醚、聚丁烯、聚丁二烯、聚丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯、离聚物(ionomeric polymer)、聚醚-酰胺嵌段共聚物、聚芳醚酮(polyaryletherkeytone)、聚砜、聚苯硫醚、聚酰胺-酰亚胺共聚物、聚(丁二酸丁二醇酯)、纤维素制品(cellulosics)、多糖、及其共聚物、合金、掺合物和共混物。在一些实施方案中，热塑性聚合物为混合的塑料废料流。连续聚合物基体任选地还包含选自以下的一种或更多种另外的材料：着色剂、稳定剂、增亮剂、成核剂、纤维、颗粒、和填料。

11、我们发现，使用前述方法形成的聚合物泡沫制品可通过随后熔融成型法100％回收。根据本文描述的方法制造的聚合物泡沫制品可以使用本文描述的方法回收。因此，在实施方案中，根据本文描述的实施方案中的任一者的并且根据本文描述的方法中的任一者形成的第一聚合物泡沫制品也是用于根据本文描述的方法形成第二聚合物泡沫制品的热塑性聚合物的来源。在这样的实施方案中，当第一聚合物泡沫制品用于制造第二聚合物泡沫制品时，其为回收材料原料。

12、其他目的和特征在下文中将部分地明显并且部分地指出。