专利名称：形成复合材料的方法
技术领域：
本发明涉及一种形成复合材料的方法，具体来说，本发明涉及一种形 成包含泡沫粒子的轻质复合材料的方法，虽然本发明的范围并非必须限定 于此。
背景技术：
塑料材料可用于制造范围很广的产品。各种各样的制造方法扩大了塑 料材料的可用性，塑料材料作为替代材料可用在以前由金属生产的产品， 如机动车或白色家电板材。尤其是，塑料材料可以具有高强度的品质，还 具有韧性好、生产成本低以及重量轻的特性。为了降低生产成本及控制塑料材料所制造部件的机械性能，已将填料 加入塑料材料中。许多填充塑料部件都加入轻质填料。诸如聚苯乙烯泡沫 的便宜的轻质填料己用于形成复合材料，该复合材料具有轻质、比聚结的 发泡产品更坚固、并且具有改进特性的改进的性能。诸如发泡粒子的各种轻质填料可以赋予其生产制品以减震特性或降噪 特性。例如，聚苯乙烯发泡球在模具中发泡，以形成具有良好减震特性的 聚结部件。包裹在壳中的这种产品随后被施用在聚结的泡沫球，用于形成 自行车头盔等。这样形成的部件可用于诸如抗震包装、降噪等的其它应用。 虽然能提供了良好的减震性能，但这些材料一般不能提供所要求的韧性或 强度，因为发泡粒子聚结在一起时不能提供高强度的产品，它们很容易破 裂。生产这种产品的其它技术涉及聚苯乙烯珠粒在注塑机模具中的发泡。 聚苯乙烯发泡粒子在基体材料注塑前在模具中形成有可能导致不均匀的产 品，因为发泡聚苯乙烯粒子的密度会随着模具中的条件、聚苯乙烯珠粒的来源和类型及其它因素而变化。发泡密度的范围可以是10-100g/L。
以前的方法设法通过聚苯乙烯珠粒(发泡粒子的前体)引入模具中，然后 施加蒸汽使珠粒发泡成泡沬粒子以形成这种产品。这些粒子必须在用塑料 材料填充模具之前现场干燥，以形成要求的复合材料。粗产品的发泡往往 不可预测，从而导致这种复合材料的质量波动，使用不同批次的粗产品时， 部件的质量不可重复。此外， 一旦粗产品进行了发泡就必须将其干燥，然 后才能将基材或基体引入模具中形成制成品。该方法带有一些缺点，因为使用蒸汽发泡粗产品会促进气泡形成，从而成为气穴(airpocket)，这会在制成品中产生空腔。此外，由于要求将塑料 材料迅速引入模具中，湍流会进一步促进气泡的形成，从而使形成空腔的 问题变得更加严重。该方法复杂、耗时、并且消耗大量的能源，其包括多个步骤，需施加 压力在模具中形成材料，并且会导致产品质量的变化，以及容易含有孔。我们现在设计了一种新的方法，其可以简便地形成质量均匀的具有要 求特性的颗粒复合材料。该方法可极大地改进上述问题，或至少可以为用 户提供可用的商业选择。发明内容根据本发明的第一实施方案，提供了一种生产复合材料的方法，其包 括以下步骤向模具中嵌入预先选定量的预先形成的泡沫粒子，并且向所 述模具中注入基体组合物，由此所述基体组合物绕粒子流动，形成基体组 合物中包裹有泡沫粒子的复合材料。向模具中注入预先选定量的预先形成的泡沫粒子，并且向所述模具注 入基体组合物，由此使所述基体组合物在粒子周围流动，形成基体组合物 中包裹有泡沬粒子的复合材料。根据本发明的第二个宽泛形式的方案，提供了一种由上述方法形成的 复合泡沫材料。本发明的方法涉及预先形成的粒子，将其按要求的量加入模具中，并 且用基体组合物填充模具，使基体组合物填充在粒子的缝隙之间以将其包
裹，并且优选缓慢地以基本上层流的速度填充模具，由此限制气泡的形成， 以及基本上填充满模具，以减少气隙和收縮。泡沫粒子可以是用另外的方法由晶体或珠粒发泡而预先形成的聚苯乙 烯珠粒。通过使用预先形成的泡沫粒子，可以在用所述粒子填充模具前使 泡沫粒子的密度偏差得到满足，从而导致更加均匀的产品。我们发现，虽 然预发泡粒子的材料处理比未发泡的珠粒更加复杂，但是，根据本发明而 生产的部件的改进的性能使得本方法与以前所用方法相比有很大的改善。 为了改变成形物体所要求的特性，可以通过改变加入模具中的粒子的量来 改变复合材料中聚苯乙烯的密度。因此，举例来说，包括20体积％聚苯乙烯粒子的复合材料会比包括80体积％聚苯乙烯粒子的复合材料具有更高的抗冲强度，但具有更低的隔离性能。本领域技术人员可以理解，其它发泡粒子如聚氨酯、聚丙烯或其它合 适的发泡材料也可用于形成泡沫粒子。优选泡沫粒子为发泡泡沫球的形式。还可对泡沫粒子进行着色，这样粒子和基体就可以有和谐或对比的颜 色，当材料被切割、磨损或以任何方式受损时可以产生美学观感。这样， 形成的物体可以承受冲击，但不会损害物体的美学观感。基体组合物优选在模具周边产生整体的壳，这样可以使粒子包含或夹 在形成模制产品周边的壳之间。希望不拘泥于理论，据信基体在模具周边 的流动促使发泡粒子离开模具，并使基体形成周边的壳。在本发明的一个 实施方案中，壳的聚合物可以在基体周围注塑成形而形成壳。基体可以由任何合适的塑料材料形成，如聚乙烯、聚氨酯、聚氨酯弹性体、酚醛聚合物或发泡PIR。优选基体具有高抗冲性能，以保持复合材料的冲击强度。填充颗粒材料的轻质和良好的隔离特性使塑料的强度完整性得到补充。本发明的复合泡沫材料可以包括多种另外的组分。所述复合材料可以 包括颜料、增塑剂、增强剂和填料等。本发明的复合泡沬材料可以包括回 收材料，如碎粉料。例如，在聚氨酯基体中，碎粉的聚氨酯或如来自废旧 轮胎的橡胶碎粉可以加入聚氨酯基体中，以便改善发泡复合体的机械性能 或降低成本。诸如短切纤维的增强材料也可加入复合泡沫材料中，以提供 所要求的机械性能。可以使用与复合泡沫材料相容的添加剂，如填料和增 强剂。发泡粒子可以通过多种便利的方法加入模具中，优选为通过文丘里系 统。文丘里系统产生真空，可将轻质粒子吸入模具中。对于每个模具，抽 气的时间选择可调节到对应于模具内具体的粒子量或粒子体积百分数。因 此，对于每个模具，真空的时间选择可以根据要求的粒子量占模具的体积 百分数来进行标定。例如，可以要求标定五种设置，每种对应于对模具填 充20%的粒子时的时间选择。基体可以与粒子同时注入，或者随后注入。当基体为诸如聚氨酯的热 固性聚合物时，基体可以以单体的形式注入，并且在施加外部压力的同时 将催化剂加入模具中。复合材料的均匀性带来的好处是可以将所要求的模具内的压力减少至250psi，相比之下，单独用聚氨酯制备所述物体吋要求 的压力更高。此外，复合材料的优势在于其生产产品的重量可以是用固体 聚氨酯生产的相似产品重量的十分之一或更低。预先形成的泡沫粒子可以单独注入模具中，或与基体组合物整体注入。 在本发明的一种形式中，预先形成的泡沫粒子可以与基体组合物一起注入 模具中。在一个实施方案中，预先形成的泡沫粒子可以与基体组合物进行 预混合，然后注入模具中。在该实施方案中，预先形成的泡沫粒子通过料 斗进料到挤出机的螺块(flight)中，而所述基体组合物也在加入预先形成的泡 沬粒子的下游注入挤出机。当基体组合物为热固性聚合物时，单体和催化 剂可单独注入挤出机，或者在注入挤出机之前混合。我们发现，有利的是 将预先形成的泡沫粒子与基体组合物进行预先混合，尤其当基体组合物为 聚氨酯时，因为这样可以使预混组分能够很快加入模具中，使得模具可在 单体与催化剂发生反应前密封。我们发现这样可以对模具进行更好的装填， 并可以提供密度更加均匀一致的产品。当基体组合物为聚氨酯泡沫时，模 具可以在基体发泡前密封。
改变粒子密度与基体密度之比可以提供一系列的特性，较高量的聚苯 乙烯体积数可以产生提高的柔软性与隔离性能，而聚苯乙烯的量较低时则产生较硬的低润湿性(dampening)的材料。要求的最终产品会影响产生特定应用所要求性能的粒子与基体的最佳 比率。该复合材料可用于生产一些领域中的板材海船(marine cmft)、车辆 (vehicle)板材、旅行车和野营车墙板、机动车(automobile)部件、汽车(car). 板材、座位泡沫材料、内饰件和仪表板、安全帽和安全栅、白色家电板材、 包装材料、建筑板材、音响和隔音板材、防火板和宇宙飞船板材。该复合材料可用于在产品形成过程中替代塑料材料，这些产品如白色 家电和黑色家电，尤其是要求有隔离特性的地方，如用于包裹个人计算机 或移动电话的布线。本发明的复合泡沫材料可有利地用于制冷。我们发现，发泡聚氨酯基 体和预先形成的聚苯乙烯粒子所形成的复合泡沫材料可以具有足够的强度 及足够的隔离性能，可为制冷提供改性的隔离材料。令人惊讶地，我们发现本发明的复合材料可用于形成托盘。令人惊讶 地，我们发现所述复合材料所形成的托盘具有足够的强度，可支撑许多传 统上用木质托盘支撑的重载。本发明复合材料所形成的托盘的重量约为木 质托盘的一半，但仍具有足够的强度，可作为有用的替代物。本发明复合材料的强度与重量之比可提供使用该复合材料的多种独特 应用。例如，在采矿业中，大型卡车经常需要用楔形物垫撑，如在更换轮 胎的时候，典型地楔形物用木材或钢材制成。由于有效垫撑采矿车所要求 的楔形物大小的原因，这些楔形物重量大，难以提举和操作。我们发现本 发明的复合材料可以容易地形成适用于采矿设备的楔形物，其重量足够轻， 易于操作及搬运。为了更易于理解本发明并付诸实施，现结合附图对其一个或多个优选 实施方案进行仅作为示例的描述。
图1所示为根据本发明方法生产的用于高应力应用的部件的剖面图； 图2所示为根据本发明方法的第二实施方案生产的自行车头盔的剖面图；图3所示为根据第二发明方法的第三实施方案生产的瓦片的剖面图； 图4所示为由本发明的复合材料所形成的托盘的透视图；以及， 图5所示为本发明复合材料所形成的车辆楔形物。
具体实施方式
图1所示的部件1设计为用于高应力的应用。该部件具有内壳2和外 壳3。该部件1由聚氨酯基体5形成，聚氨酯基体为自由起发密度为180克 /升的半刚性聚氨酯。聚氨酯基体5的模制密度为220~270克/升。发泡粒子4由粒径大小为3 4mm、密度为50~55克/升的PPE/PPU形 成。为了与着色聚氨酯基体5的颜色相匹配，发泡粒子4用黑色颜料进行 着色。干燥发泡粒子4，并将其进料到干净的模具中，然后注入聚氨酯基体5。 图2所示为自行车头盔11的剖面图。自行车头盔ll由聚氨酯基体15形成。聚氨酯基体15是半刚性的，其自由起发密度为80克/升。聚氨酯基体15的模制密度为120~150克/升。发泡粒子14是由粒径大小为3~4 mm、密度为30~35克/升的PPE/PPU形成。自行车头盔11的内壳12所示为发泡粒子14透过基体15扩展出来， 这是由于发泡粒子14相对于聚氨酯基体15的高体积造成的。外壳13覆盖 在预先形成的头盔上，提供美观的保护层，这样可以保护发泡粒子免受气 候的影响。图3所示为瓦片31的剖面图。瓦片31有外壳32。外壳32由聚氨酯基 体15形成，其在靠着形成瓦片31的模具的地方代替发泡粒子34。
瓦片31由聚氨酯基体35形成，所述聚氨酯基体为自由起发密度为180 克/升的半刚性聚氨酯。聚氨酯基体35的模制密度为220~270克/升。发泡粒子34由粒径大小为3~4mm、密度为50~55克/升的PPE/PPU形成。图4所示为本发明复合材料所形成的托盘40。托盘40的腿41由本发 明的复合材料模制而成。托盘40的托板42也由本发明的复合材料形成。图5所示为由复合材料所形成的车轮楔形物50，该复合材料具有根据. 本发明的其中嵌有聚苯乙烯粒子的聚氨酯基体。车轮楔形物50具有垫面51、 一对相对的侧壁52及基底53。楔形物50窄的部分为实心体，加厚的部分 为空心。窄的部分一般要接触并约束车辆的轮胎，而加厚部分则更要经受 横向荷载而非压縮载荷，相应地，空心结构可以减少楔形物50的重量，从 而使得其更易于操作，而不会明显地降低其性能。缝隙55可以使待形成的 楔形物减少重量，同时仍能足以抵御车辆的移动。以上实施方案原则上仅用于举例说明本发明，对于本领域技术人员， 进行各种修改和变化是很正常的。本发明可以以各种方式和其它实施方案 予以实施和进行。也应理解的是，本文所用的术语仅为了描述的目的，不 应被理解为任何限定。
权利要求
1.一种制备复合材料的方法，其包括以下步骤向模具中嵌入预先选定量的预先形成的泡沫粒子，并且向所述模具中注入基体组合物，由此所述基体组合物绕所述粒子流动，形成基体组合物中包裹有泡沫粒子的复合材料。
2. 权利要求1的方法，其中所述预先形成的粒子选自以下组中发泡 聚苯乙烯、发泡聚氨酯和发泡聚丙烯。
3. 权利要求1或2的方法，其中所述预先形成的泡沫粒子是聚苯乙烯 泡沫球。
4. 权利要求1 3之一的方法，其中所述基体组合物形成围绕所述复合 材料的壳。
5. 权利要求1 4之一的方法，其中所述基体组合物选自以下组中聚乙烯、聚氨酯、聚氨酯弹性体、酚醛聚合物或发泡PIR。
6. 权利要求5的方法，其中所述基体组合物为聚氨酯。
7. 权利要求6的方法，其中所述聚氨酯为聚氨酯泡沫。
8. 权利要求1 7之一的方法，其中所述组合物进一步包括颜料、增塑 剂、增强剂或填料。
9. 权利要求1~8之一的方法，其中所述组合物包含预先形成的聚苯乙 烯泡沫粒子和聚氨酯基体组合物。
10. 权利要求9的方法，其中所述基体组合物进一步包括碎粉的聚氨酯 或碎粉的橡胶。
11. 权利要求1~10之一的方法，其中所述预先形成的泡沫粒子通过文 丘里系统嵌入模具中。
12. 权利要求1~11之一的方法，其中所述基体为热固性聚合物，所述基体以单体的形式注入，并且在施加外部压力的同时将催化剂加入模具中。
13. 权利要求1 12之一的方法，其中所述预先形成的泡沫粒子与基体 组合物整体注入。
14. 权利要求14的方法，其中所述预先形成的泡沬粒子通过料斗进料 到挤出机的螺块中，并且所述基体组合物也在加入预先形成的泡沫粒子的 下游被注入挤出机。
15. 权利要求14的方法，其中所述基体组合物为热固性聚合物，单体 和催化剂被分别注入挤出机，或者在注入挤出机之前混合。
16. 由权利要求1 15之一的方法形成的复合材料。
17. 权利要求16的复合材料，其中所述复合材料可用于选自以下组中 的应用中海船、车辆板材、旅行车和野营车墙板、机动车部件、汽车板 材、座位泡沫材料、内饰件和仪表板、安全帽和安全栅、白色家电板材、 包装材料、建筑板材、音响和隔音板材、防火板和宇宙飞船板材。
18. 由权利要求16的复合材料形成的隔离板材。
19. 由权利要求16的复合材料形成的托盘。
20. 由权利要求16的复合材料形成的车辆楔状物。
全文摘要
一种生产复合材料的方法，包括以下步骤向模具中嵌入预先选定量的预先形成的泡沫粒子，并且向所述模具注入基体组合物，由此所述基体组合物绕粒子流动，形成基体组合物中包裹有泡沫粒子的复合材料。
文档编号B29C70/66GK101128303SQ200580034821
公开日2008年2月20日 申请日期2005年8月11日 优先权日2004年8月12日
发明者埃里克·克沃维利尔斯 申请人:太平洋战略咨询有限公司