一种发泡装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种发泡装置，属于机械技术领域。


背景技术：

2.通过发泡的技术手段在聚合物中导入大量气泡，可以实现减少材料用量和产品轻量化的目的。此外，选择不同的聚合物材料和不同的泡孔结构，包括泡孔密度，泡孔尺寸，开/闭孔结构等，还可赋予发泡制品许多功能化特性，如特殊的压缩行为，光反射特性，隔热特性、阻尼特性等。
3.传统的发泡过程，从发泡体积是否受限上分类，基本可以分为两类，即在模具内的受限膨胀发泡和无模具的自由膨胀发泡。在模具内的受限膨胀发泡，即将浸有发泡剂气体的、处于高温高压状态的聚合物熔体注射入模具，在充模过程中，由于压力降低，聚合物熔体发生膨胀，充满整个型腔，随后冷却定型，得到形状和模具型腔相同的发泡体。模具内膨胀发泡存在模具成本较高的普遍问题，例如，对于鞋中底行业而言，同一款鞋有多个尺码，往往需要多套不同的发泡模具。此外，模具的升温、冷却耗费的能耗也比较大。
4.而无模具的自由膨胀发泡，即将通过快速打开模具或快速降低环境压力，使得浸有发泡剂气体的、处于高温高压状态的聚合物胚体快速膨胀。无模具的自由膨胀发泡无需模具，因此，其成本较在模具内的受限膨胀发泡明显降低，但是，无模具的自由膨胀发泡存在发泡倍率难以精确控制的问题，这大大限制了其进一步应用。亟需找到一种可精确控制发泡倍率的无模发泡装置。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本实用新型提供了一种发泡装置，所述发泡装置包括发泡容器，用于向发泡容器中通入高温气体的第一进气阀，用于向发泡容器中通入低温气体的第二进气阀，用于给发泡容器泄压的排气阀，以及用于控制发泡容器内压力的背压阀；
6.或者，所述发泡装置包括发泡容器，用于向发泡容器中通入高温气体的第一进气阀，用于给发泡容器泄压的排气阀，以及用于控制发泡容器内压力的背压阀。
7.在本实用新型的一种实施方式中，所述发泡装置包括还包括控制系统，所述控制系统通过控制第一进气阀和/或第二进气阀控制发泡容器中的温度，和/或，通过控制排气阀和/或背压阀控制发泡容器中的压力。
8.在本实用新型的一种实施方式中，所述控制系统还用于显示发泡容器中的温度和/或压力。
9.本实用新型技术方案，具有如下优点：
10.本实用新型提供了一种发泡装置，所述发泡装置包括发泡容器，用于向发泡容器中通入高温气体的第一进气阀，用于向发泡容器中通入低温气体的第二进气阀，用于给发泡容器泄压的排气阀，以及用于控制发泡容器内压力的背压阀，或者，所述发泡装置包括发泡容器，用于向发泡容器中通入高温气体的第一进气阀，用于给发泡容器泄压的排气阀，以
及用于控制发泡容器内压力的背压阀；使用此装置对发泡胚体进行无模发泡时，可根据目标发泡倍率控制发泡胚体的最终发泡倍率，且目标发泡倍率和最终发泡倍率之间的差值在5％以内，较为精确。
11.进一步地，所述发泡装置还包括还包括控制系统，所述控制系统通过控制第一进气阀和/或第二进气阀控制发泡容器中的温度，和/或，通过控制排气阀和/或背压阀控制发泡容器中的压力；控制系统的设置大大增加了此装置的智能化程度和精确度。
12.更进一步地，所述控制系统还用于显示发泡容器中的温度和/或压力；控制系统的设置大大增加了此装置的可视化程度。
附图说明
13.图1：本实用新型发泡装置的一种实施方式的整体结构示意图。
14.图2：pp的生长时间与环境压力、泡孔半径计算曲线。
15.图3：ps的生长时间与环境压力、泡孔半径计算曲线。
16.图1中，发泡容器1、第一进气阀2、第二进气阀3、排气阀4、背压阀5和控制系统6。
具体实施方式
17.下面结合具体实施例和附图，对本实用新型进行进一步的阐述。
18.实施例1
19.本实施例提供了一种可精确控制发泡倍率的发泡方法，包括如下步骤：
20.步骤一：将发泡胚体放入发泡容器中；
21.步骤二：将发泡剂气体通入发泡容器中，使得发泡剂气体溶解到发泡胚体中；
22.步骤三：根据目标发泡倍率x，计算环境压力p；
23.步骤四：待发泡剂气体在发泡胚体中达到溶解平衡后，将发泡容器中的压力泄压至环境压力p，使得发泡胚体膨胀发泡，得到发泡体；
24.步骤五：泄压至环境压力p后，在环境压力p下，将冷空气通入发泡容器中，使得发泡体冷却定型，得到发泡成品；
25.所述发泡容器中的温度为发泡温度t；
26.所述环境压力p的计算方法如下：
27.基于气泡的动量守恒：
28.根据公式计算得到发泡胚体的黏度η；式中，λ为发泡胚体的特征松弛时间，g为发泡胚体的刚性模量；
29.根据公式y＝r
3-r3计算得到变换的拉格朗日坐标y；式中，r为泡孔的预设平均半径，其初始取值为r
b0
～s0中的任意值，其中，r
b0
为发泡胚体的初始泡孔半径，s0为发泡胚体的初始壳层半径；
30.根据公式计算得到泡孔壁在r方向的应
力分量τ
rr
，并且，根据公式计算得到泡孔壁在θ方向的应力分量τ
θθ
；式中，t”为气泡生长时间，其初始取值为最小时间步进0.001秒；
31.根据公式t＝t”+t’计算得到泄压时间t；式中，t’为气泡成核时刻；气泡成核时刻t’通过不同发泡胚体在不同压力下的发泡实验观察而得；
32.根据公式ps＝p
0-wt计算得到泄压开始后t时刻的发泡容器内的系统气压ps；式中，w为泄压速率，p0为泄压前发泡容器内的系统压力；
33.根据公式计算得到泡孔压力的第一估值p1；式中，γ为发泡胚体在发泡剂气体中的表面张力，rs为壳层半径，其初始取值为s0；
34.基于气泡壁表面的质量守恒：
35.根据公式计算得到泡孔压力的第二估值p2；式中，d为发泡剂气体的扩散系数，为发泡剂气体的理想气体常数，c为发泡胚体表面处的发泡剂气体浓度，kh为发泡剂气体在发泡胚体中的亨利常数；
36.根据公式a1＝(p
1-p2)/p1计算得到阈值a1，若a1≥0.001，则调整泡孔预设平均半径r和壳层半径rs的取值以重复阈值a1的计算直至a1《0.001，得到满足a1《0.001的泡孔预设平均半径r；所述壳层半径rs的取值根据调整后的泡孔预设平均半径r的取值计算，计算公式为r
s2
＝(s
02-r
b02
)+r2；
37.根据公式计算得到溶解在发泡胚体内的发泡剂气体浓度式中，v
lo
为发泡胚体的实心体积，co为达到溶解平衡时发泡胚体内的发泡剂气体浓度，t’为气泡成核时刻，pd为气泡内压力，rg为发泡剂气体的理想气体常数；
38.根据公式计算得到气泡成核速率j(t)；式中，f0和f为气泡成核速率的回归因子，na为阿伏伽德罗常数，kb为玻尔兹曼常数，mw为发泡剂气体的分子量，γ为发泡胚体的界面张力，kh为发泡剂气体在发泡胚体中的亨利常数，t为发泡温度，pc(t)为泄压开始后t时刻的发泡容器内的系统气压，其初始取值为泄压前发泡容器内的系统压力p0；
39.根据公式x＝vf/v
solid
计算得到发泡体的体积vf；式中，v
solid
为发泡胚体的体积；
40.根据公式和vf＝v
solid
+n*v
cell
计算得到发泡胚体内泡孔的平均体积v
cell
；式中，n为泡孔数量，j(t’)为气泡成核速率，t’为气泡成核时刻；
41.根据公式计算得到泡孔的平均半径re；
42.根据公式a2＝(r
e-r)/re计算得到阈值a2，若a2≥0.001，则调整气泡生长时间t”以重复阈值a2的计算直至a2《0.001，得到满足a2《0.001的系统气压ps，此系统气压ps的值即为环境压力p的值。
43.具体的，公式的获得过程如下：
44.基于质量守恒方程所述质量守恒方程的初始条件和边界条件为c|
r，t
″
＝0＝c0、和c|
r＝r，t
″
＝khp2；式中，t为泄压时间；
45.基于初始条件和边界条件，所述质量守恒方程可简化为式中，kh为发泡剂气体在发泡胚体中的亨利常数；
46.忽略对流项，并且通过对假设的多项式进行积分来简化方程，则所述质量守恒方程可简化为公式
47.作为优选，所述泡孔预设平均半径r的调整方法为：增大泡孔预设平均半径r的取值。
48.作为优选，所述泡孔预设平均半径r的调整方法为：再次取r
b0
～s0中的任意值，且每次调整，泡孔预设平均半径r的后一次取值均大于其前一次取值。
49.作为优选，所述气泡生长时间t”的调整方法为：增大气泡生长时间t”。
50.作为优选，所述气泡生长时间t”的调整方法为：使气泡生长时间t”的取值以每次0.001秒的幅度递增。
51.作为优选，所述泄压速率w的取值范围为10～1000mpa/s。
52.作为优选，所述泄压速率w的取值范围为100～200mpa/s。
53.作为优选，所述发泡胚体为半结晶聚合物或无定型聚合物；
54.当发泡胚体为半结晶聚合物时，所述发泡温度t＝t
m-(0～20℃)；
55.式中，tm为半结晶聚合物的熔化温度；
56.当发泡胚体为半结晶聚合物以外的其他聚合物时，所述发泡温度t＝tg+(0～100℃)；
57.式中，tg为无定型聚合物的玻璃化温度。
58.作为优选，当发泡胚体为半结晶聚合物时，所述发泡温度t＝t
m-5℃；当发泡胚体为半结晶聚合物以外的其他聚合物时，所述发泡温度t＝tg+20℃。
59.作为优选，所述半结晶聚合物为聚丙烯(pp)、聚乳酸(pla)、聚乙烯(pe)、聚丁烯(pb)、热塑性聚氨酯弹性体(tpu)、热塑性聚酯弹性体(tpee)、热塑性尼龙弹性体(tpae)、聚己二酰己二胺(pa66)或聚十二内酰胺(pa12)中的一种或一种以上。
60.作为优选，所述无定型聚合物为聚苯醚(ppo)、聚碳酸酯(pc)、聚苯乙烯(pc)或聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)中的一种或一种以上。
61.作为优选，所述发泡剂气体为n2或co2中的一种或一种以上。
62.实施例2
63.本实施例提供了用于实现实施例1所述方法的发泡装置，所述发泡装置包括发泡容器1，用于向发泡容器1中通入高温气体的第一进气阀2，用于向发泡容器1中通入低温气体的第二进气阀3，用于给发泡容器1泄压的排气阀4，以及用于控制发泡容器1内压力的背压阀5；
64.或者，所述发泡装置包括发泡容器1，用于向发泡容器1中通入高温气体的第一进气阀2，用于给发泡容器1泄压的排气阀4，以及用于控制发泡容器1内压力的背压阀5。
65.作为优选，所述发泡装置包括还包括控制系统6，所述控制系统6通过控制第一进气阀2和/或第二进气阀3控制发泡容器1中的温度，和/或，通过控制排气阀4和/或背压阀5控制发泡容器1中的压力。
66.作为优选，所述控制系统6还用于显示发泡容器1中的温度和/或压力。
67.实施例3
68.本实施例提供了实施例1所述方法在制备发泡制品中的应用，所述应用以长100mm*宽100mm*厚10mm的pp(聚丙烯)实心板材为发泡胚体(pp实心板材的基本数据见表1，参考文献“yichong c.evaluation of lldpe/ldpe blend foamability by in situ rheological measurements and bubble growth simulations[j].chemical engineering science.2018(192):488-498”)，设定目标发泡倍率x＝20、发泡温度t＝145℃(tm＝155℃)、泄压前发泡容器内的系统压力p0＝15mpa、泄压速率w＝100mpa/s，具体制备过程包括如下步骤：
[0069]
步骤一：将实施例2所述发泡装置预热至145℃后，将长100mm*宽100mm*厚10mm的pp实心板材悬挂在预热好的发泡装置中；
[0070]
步骤二：打开第一进气阀，通过第一进气阀将预热至145℃的co2通入发泡容器中直至发泡容器中的压力达15mpa，使得co2在高温高压下溶解到pp实心板材中；
[0071]
步骤三：根据目标发泡倍率，计算得到可将pp实心板材膨胀至目标发泡倍率的环境压力p＝1.8mpa；
[0072]
步骤四：待co2在pp实心板材中达到溶解平衡后，打开排气阀，将发泡容器中的压力在100mpa/s的泄压速率下泄压至1.8mpa，使得发泡胚体膨胀发泡，得到发泡体；
[0073]
步骤五：泄压至1.8mpa后，打开背压阀和第二进气阀，设定背压阀的压力为1.8mpa，并且，通过第二进气阀将冷空气通入发泡容器中，使得发泡体在稳定的1.8mpa下冷却定型，得到发泡成品；
[0074]
或者，步骤五：泄压至1.8mpa后，打开背压阀，设定背压阀的压力为1.8mpa，并且，将发泡容器放入冷却仓中，使得发泡体在稳定的1.8mpa下冷却定型，得到发泡成品；
[0075]
所述环境压力p的计算方法如下：
[0076]
成核速率：
[0077][0078]
成核时间t
′
为0.01s，成核数量为：
[0079]
n＝j(t
′
)
×
t
′
＝1.676
×
10
14
×
0.01＝1.676
×
10
12
个/m3[0080]
平均泡孔体积为：
[0081][0082]
平均孔径为：
[0083][0084]
s0为：
[0085][0086]
设泡孔生长阶段时间步长为0.001s，当r为3.433μm时，p1、p2为：
[0087]
p1＝15.346mpa，p2＝15.342mpa
[0088]
阈值a1：
[0089][0090]
满足收敛条件，调整rs：
[0091][0092]
计算下一时间步长时的r值，直至r值满足：
[0093][0094]
当计算至0.164s时，r值为51.369μm，此时阈值a2：
[0095][0096]
此时，环境压力为1.8mpa。生长时间与环境压力、泡孔半径计算曲线如图2。
[0097]
通过密度测量仪测定制备得到的发泡成品的密度ρf，并且，通过公式x＝ρ
solid
/ρf计算制备得到的发泡成品的最终发泡倍率；式中，ρ
solid
为发泡胚体pp的密度，为0.92g/cm3。
[0098]
计算结果如下：最终发泡倍率为19.4倍，与目标发泡倍率之间的差值仅有3％。
[0099]
表1 pp的基本数据
[0100][0101]
实施例4
[0102]
本实施例提供了实施例1所述方法在制备发泡制品中的应用，所述应用以长为100mm，直径为10mm的ps(聚苯乙烯)实心棒材为发泡胚体(ps实心棒材的基本数据见表2，参考文献“royer j r,gayy j,desimone j m,et al.high-pressure rheology of polystyrene melts plasticized with co2:experimental measurement and predictive scaling relationships[j].journal of polymer science part b:polymer physics,2000,38(23):3168-3180.”)，设定目标发泡倍率x＝10、发泡温度t＝150℃(tg＝100℃)、泄压前发泡容器内的系统压力p0＝15mpa、泄压速率w＝200mpa/s，具体制备过程包括如下步骤：
[0103]
步骤一：将实施例2所述发泡装置预热至150℃后，将长为100mm，直径为10mm的ps实心棒材悬挂在预热好的发泡装置中；
[0104]
步骤二：打开第一进气阀，通过第一进气阀将预热至150℃的co2通入发泡容器中直至发泡容器中的压力达15mpa，使得co2在高温高压下溶解到ps实心棒材中；
[0105]
步骤三：根据目标发泡倍率，计算得到可将ps实心棒材膨胀至目标发泡倍率的环
境压力p＝1.6mpa；
[0106]
步骤四：待co2在ps实心棒材中达到溶解平衡后，打开排气阀，将发泡容器中的压力在200mpa/s的泄压速率下泄压至1.6mpa，使得发泡胚体膨胀发泡，得到发泡体；
[0107]
步骤五：泄压至1.6mpa后，打开背压阀和第二进气阀，设定背压阀的压力为1.6mpa，并且，通过第二进气阀将冷空气通入发泡容器中，使得发泡体在稳定的1.6mpa下冷却定型，得到发泡成品；
[0108]
或者，步骤五：泄压至1.6mpa后，打开背压阀，设定背压阀的压力为1.6mpa，并且，将发泡容器放入冷却仓中，使得发泡体在稳定的1.6mpa下冷却定型，得到发泡成品；
[0109]
所述环境压力p的计算方法如下：
[0110]
成核速率：
[0111][0112]
成核时间t
′
为0.01s，成核数量为：
[0113]
n＝j(t
′
)
×
t
′
＝1.142
×
10
16
×
0.01＝1.142
×
10
14
个/m3[0114]
平均泡孔体积为：
[0115][0116]
平均孔径为：
[0117][0118]
s0为：
[0119][0120]
设泡孔生长阶段时间步长为0.001s，当r为2.450μm时，p1、p2为：
[0121]
p1＝10.241mpa，p2＝10.243mpa
[0122]
阈值a1：
[0123]
[0124]
满足收敛条件，调整rs：
[0125][0126]
计算下一时间步长时的r值，直至r值满足：
[0127][0128]
当计算至0.164s时，r值为12.336μm，此时阈值a2：
[0129][0130]
此时，环境压力为1.6mpa。生长时间与环境压力、泡孔半径计算曲线如图3。
[0131]
通过密度测量仪测定制备得到的发泡成品的密度ρf，并且，通过公式x＝ρ
solid
/ρf计算制备得到的发泡成品的最终发泡倍率；式中，ρ
solid
为发泡胚体ps的密度，为1.05g/cm3。
[0132]
计算结果如下：最终发泡倍率为10.2倍，与目标发泡倍率之间的差值仅有2％。
[0133]
表2 ps的基本数据
[0134][0135]
综合实施例3-4的结果可知，使用实施例1所述方法对发泡胚体进行无模发泡时，可根据目标发泡倍率精确控制发泡胚体的最终发泡倍率，且目标发泡倍率和最终发泡倍率之间的差值在5％以内，较为精确。
[0136]
虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何
熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。