用于生产固体泡沫的方法和设备、产品以及用途与流程

本技术涉及权利要求1中限定的方法以及权利要求11中限定的用于连续生产固体泡沫的设备。此外，本技术涉及权利要求16中限定的产品以及权利要求18中限定的方法的用途。可以生产固体泡沫，诸如生物基固体泡沫，并且可以由固体泡沫生产产品。

背景技术：

1、通过液体泡沫途径制造生物基固体泡沫表现为是获得新型轻质材料的有前途的方法。目前，由于在高温环境中的缓慢干燥，使用这种途径生产的泡沫由于其结构是各向同性的，这也倾向于同时使泡形状松弛。在许多应用中，在一个方向上具有高强度而在另一个方向上具有良好导热性的具有类似木材性质的轻质材料将是有益的。具体来说，这样的各向异性结构的隔热性能优于各向同性结构。

2、生产各向异性泡沫的一种方式是使用冷冻铸造，例如，拉沃恩,n.&博格斯特伦,l.(n.&bergstrom,l.)(2017),《纳米纤维素基泡沫和气凝胶：加工、性质和应用》(nanocellulose-based foams and aerogels:processing,properties,andapplications),材料化学杂志a(journal of materials chemistry a),5(31),16105-16117，其中首先通过高压迫使泡形成细长形状，然后使用低温气体冷冻泡沫。冷冻后，压力降低，导致水从泡沫析出，同时保持其结构完整。由于高压所需的机器和冷冻所需的能量消耗，这种方法相当昂贵。

3、从wo2020011587a1中已知一种由纤维素纤维和谷蛋白组成的多孔材料。在这个申请中，描述了一种产生具有疏水结构的硬质生物可降解各向同性泡沫的方法。

4、从wo2015036659a1中已知一种形成纤维产品的方法。连续的卷对卷(roll-to-roll)工艺产生薄的或大的纸状片材。这里，纤维形成集中于不按比例放大的模具铸造以及连续工艺。此外，泡沫据称是各向同性的混合物，不是各向异性的，也不是细长的。因此，泡沫不具有显著的依赖于定向的强度差异。

5、从us 10,357,936中已知一种隔热板。在隔热板中，保护性覆盖层和隔热层结合在一起。

6、此外，从us20110111998a1中已知颗粒稳定的流体-流体界面的改进，从jp5254982b2中已知一种管状薄膜制造设备，从cn201810602082a中已知一种用于丝网印刷的银纳米线导电油墨及其制备方法，从us 9789456b2中已知一种包括分散在亲水连续相中的内相的组合物，从us7799967b2中已知一种差异膨胀吸收结构，从us 979034b2中已知一种阻燃木塑复合材料，从us4104207a中已知一种用于在热塑性材料中产生蜂窝状空腔的方法，其中形成泡的介质结合到载体，从us20190022623a1中已知一种成形的纳米多孔主体，并且从ep2114645b1中已知一种基础材料、其生产方法及其用途。

技术实现思路

1、方法、设备、产品和用途的特征在于权利要求中给出的内容。

2、在用于连续生产固体泡沫的方法和设备中，由原料形成悬浮液，由悬浮液形成泡沫混合物，并且注入并固化泡沫混合物以生产固体泡沫。

3、用于连续生产固体泡沫的方法可以包括以下步骤：由原料形成均匀悬浮液，其中悬浮液包括固化剂；通过将气泡混合到悬浮液中形成包括泡的泡沫混合物；以及经由至少一个喷嘴，诸如通过至少一个喷嘴，注入泡沫混合物，以形成泡沫模样，将泡沫模样铺设在移动表面上，并固化泡沫模样的泡沫混合物，以便形成固体泡沫，使得泡沫混合物的泡在非长度方向(off-length direction)上收缩并变形，以形成成形的泡。泡沫混合物和泡的收缩和变形过程可以在注入泡沫混合物期间、在喷嘴与移动表面之间、和/或在固化期间结合喷嘴发生。在一实施例中，形成各向异性固体泡沫。

4、各向异性可以用于固体泡沫材料的优异隔热和机械性能。各向异性固体泡沫很难制备，因为基本的泡沫物理学会导致泡形状在外部应力去除后立即松弛为各向同性形状。在湿态生物基泡沫制造中，这发生在干燥过程期间。因此，在生物基各向异性泡沫的制备中，需要复杂且不可扩展的方法，诸如冷冻干燥。本技术包括一种以连续卷对卷工艺产生各向异性泡沫的方法，该方法允许可扩展到大规模生产。

5、用于连续生产固体泡沫的设备可以包括：至少一个混合器，用于由原料形成均匀悬浮液，其中悬浮液包括固化剂；至少一个泡沫发生器，用于通过将气泡混合到悬浮液中来形成包括泡的泡沫混合物；以及至少一个喷嘴，用于注入泡沫混合物以形成泡沫模样，在其上铺设泡沫模样的移动表面，以及至少一个固化装置，所述至少一个固化装置用于固化泡沫模样的泡沫混合物以形成固体泡沫，使得泡沫混合物的泡在非长度方向上收缩并变形以形成成形的泡。在注入泡沫混合物期间、在喷嘴与移动表面之间、和/或在固化期间，泡沫混合物和泡的收缩和变形过程可以发生在喷嘴中。

6、在一实施例中，泡沫混合物的泡可以在非长度方向上收缩，以形成细长的泡，诸如细长的棒状泡。在一实施例中，泡沫混合物的泡可以在非长度方向上收缩，以形成盘状泡，例如盘状泡或硬币状泡。泡的成形可以在注入泡沫混合物期间、在喷嘴与移动表面之间、在固化期间或在干燥期间、或它们的组合期间结合喷嘴进行。在一实施例中，经由喷嘴注入泡沫混合物和在移动表面上铺设泡沫混合物对泡的成形有影响。

7、在方法和设备中，可以使用任何合适的原料。在一实施例中，原料是生物基材料。在一实施例中，原料是生物基材料，该生物基材料选自由以下组成的组：生物质、生物基残余材料、木材、木基材料、林基材料、纤维素、经处理的生物基材料、未经处理的生物基材料、或它们的组合。在一实施例中，原料包括固化剂。在一实施例中，固化剂添加到原料和/或悬浮液中。在一实施例中，固化剂包括塑料、金属、和/或具有熔点的其他成分。在一实施例中，原料包括纤维。在一实施例中，固体纤维材料添加到原料和/或悬浮液中。在一实施例中，将化学品作为固化剂添加到悬浮液中。在一实施例中，将降低表面张力、增加粘度和便于固化的化学品添加到悬浮液中。在一实施例中，添加溶剂，例如水或二甲苯，以形成悬浮液。

8、在一实施例中，该设备包括至少一个添加装置，以将化学固体纤维材料和/或溶剂添加到悬浮液中。

9、在一实施例中，化学品是甲基纤维素、羧甲基纤维素(cmc)、光聚合物、或它们的组合中的一者。在一实施例中，化学品是甲基纤维素、甲基纤维素的衍生物、羧甲基纤维素(cmc)、羟丙基纤维素、乙基纤维素等，或者它们的组合中的一者。在一实施例中，化学品是甲基纤维素、甲基纤维素的衍生物、纳米纤维素、微纤维素、以及它们的组合。在一实施例中，化学品是羧甲基纤维素(cmc)。在一实施例中，化学品是光聚合物。所选择的化学品用作固化剂，并且该化学品还可以用作流变改性剂、表面活性剂和/或纤维材料。在一实施例中，将表面活性剂添加到悬浮液。

10、在一实施例中，原料或悬浮液中的纤维包括碳纤维、碳纳米管、石墨烯、碳网、锂皂石、大麻、膨胀性聚苯乙烯、聚苯乙烯、聚合物、聚合物棒、纱线、以及它们的组合。在一实施例中，添加到原料和/或悬浮液中的固体纤维材料选自由以下组成的组：碳纤维、碳纳米管、石墨烯、碳网、锂皂石、大麻、膨胀性聚苯乙烯、聚苯乙烯、聚合物、聚合物棒、纱线、以及它们的组合。当悬浮液包括纤维时，原料和/或固体纤维材料的纤维可以根据成形的泡，诸如细长的泡，来定向。

11、在一实施例中，该设备包括一个以上的喷嘴，例如至少两个喷嘴。在一实施例中，泡沫混合物经由喷嘴注入以形成泡沫模样。

12、在一实施例中，泡沫混合物由挤出机处理，并且泡沫混合物从挤出机注入到移动表面。在一实施例中，泡沫混合物在挤出机中形成。在一实施例中，该设备包括至少一个挤出机，该挤出机包括至少一个喷嘴。

13、泡沫模样可以通过铺设形成。在本文中，铺设意味着任何铺设、注入成型、挤压等、或它们的组合。在一实施例中，模样通过挤压形成。例如，在挤出过程中，可以产生用于成形的泡的剪切力。

14、移动表面可以是任何移动装置，例如移动板、传送带、皮带等、或它们的组合。在一实施例中，移动表面线性移动。在一实施例中，移动表面以0.1毫米/秒至50米/秒的速度移动。

15、在一实施例中，泡沫混合物通过加热、光催化、交联、冷冻、或它们的组合来固化。在一实施例中，泡沫混合物通过加热固化，从而在固化中使用辐射热、传导热和/或对流热。泡沫混合物可以在固化期间或固化之前或之后干燥。

16、在一实施例中，固化装置包括至少一个加热器，该至少一个加热器用于通过加热来固化泡沫混合物，从而使用辐射热、传导热和/或对流热。在一实施例中，该设备包括至少一个辐射加热器作为加热器。在一实施例中，该设备包括至少一个烘箱作为加热器。在一实施例中，该设备包括至少一个加热的移动板作为加热器。在一实施例中，移动板是加热板，并且通过加热板和辐射加热器进行固化。

17、在一实施例中，泡沫混合物在1℃至90℃的温度下固化。在一实施例中，泡沫混合物在30℃至90℃的温度下固化。

18、在一实施例中，该设备包括至少一种流变改性剂，该至少一种流变改性剂用于改变泡沫混合物和/或固体泡沫的流变性质。

19、在一实施例中，该设备包括至少一个运输装置，该至少一个运输装置用于将泡沫混合物或固体泡沫运输到储存区域。

20、在一实施例中，模样是条、板、预定结构、复杂结构、或它们的组合。在一实施例中，泡沫模样是泡沫条，该泡沫条包括细长的棒状泡。在一实施例中，泡沫模样由平行的泡沫条形成。在一实施例中，泡沫模样是泡沫板，该泡沫板包括盘形泡，例如盘形泡或硬币形泡。在一实施例中，泡沫模样是泡沫形状，诸如预定结构或复杂结构，其包括具有预定的形状或预定的一些形状的泡。这样的形状包括例如具有i形、h形、u形、z形、空心o形、或它们的组合的二维投影的泡。在一实施例中，泡沫模样是各向异性固体泡沫。

21、在一实施例中，当例如通过细长泡产生定向的棒状结构时，压缩强度在一个方向上增加，而在横向上减小。

22、在一实施例中，期望的产品可以由一个或多个泡沫模样形成。在一实施例中，产品是散装产品、薄膜、棒、板、块、或它们的组合。在一实施例中，产品通过将泡沫条铺设在一起而由泡沫条形成。产品可以通过上述方法获得，并且方法可以包括根据其实施例中任一者的方法。在一实施例中，固体泡沫通过该方法获得，并且固体泡沫包括泡沫混合物，该泡沫混合物由包括固化剂和泡的悬浮液形成，并且固体泡沫中的泡已经在非长度方向上收缩以形成成形的泡，并且泡沫混合物已经被注入以形成泡沫模样，并且泡沫模样的泡沫混合物已经固化成固体泡沫。在一实施例中，产品是各向异性固体产品。

23、在一实施例中，产品，例如上层建筑产品，可以由更多泡沫模样形成，由至少两个泡沫模样形成。在一实施例中，产品是层压的、层状的或类似的更大规模的结构，该结构包括一个以上的泡沫模样，并且在该结构中泡沫模样被组合以形成产品。在一实施例中，产品包括至少两个泡沫模样，一个泡沫模样布置在另一个泡沫模样的顶部上以形成层状结构，并且每个泡沫模样在结构中以期望的方向布置在另一个泡沫模样的顶部上。在一实施例中，产品由泡沫条形成。在一实施例中，通过将泡沫模样一个布置在另一个的顶部上来形成产品，使得每个泡沫模样彼此以期望的角度布置。在一实施例中，扁平泡沫模样一个布置在另一个的顶部上。在一实施例中，泡沫模样布置成一个在另一个之上，使得在结构中具有第一方向的泡沫模样与具有第二方向的泡沫模样交替。在一实施例中，干燥一层泡沫模样，并且将另一层泡沫模样布置在现有层的顶部上。在一实施例中，产品是立方体或其他层状结构。

24、在一实施例中，该方法用于连续工艺、卷对卷工艺、封装行业、建筑行业、或它们的组合。

25、应当理解，上述实施例可以彼此任意组合使用。实施例中的几个实施例可以组合在一起形成本发明的另外的实施例。

26、与先前已知的方法、设备和产品相比，上述方法、设备和产品具有许多优点。

27、在先前已知的工艺中，cellufoam工艺旨在通过操纵泡膜结构来产生a)疏水性泡沫和b)刚性泡沫结构。在本发明中，可以改变泡的几何形状。

28、在一实施例中，本方法基于1)通过降低泡薄膜的表面张力并通过添加化学品(例如甲基纤维素、或羧甲基纤维素(cmc))增加其粘度来改变泡薄膜的流变性质，以及2)将泡沫铺设成条状。第1)点允许在高温下增加干燥时间，而不会失去泡形状。第2)点由于细长的形状使泡经受张力，这导致泡在非长度方向上收缩。该方法可以生产各向异性的泡沫条，这些泡沫条可以以连续工艺铺设在一起以形成更复杂的结构。

29、与先前的解决方案不同，这种方法允许建立用于生产大量各向异性泡沫的卷对卷工艺，并允许它们用于具有高泡沫需求的应用中，诸如封装行业和建筑行业。该工艺需要对胶体和泡沫流变学的深入理解和结合，因此非常重要。

30、本发明能够制造不同的泡沫，例如各向异性泡沫，而没有连续的、可扩展的卷到卷工艺中的这样的复杂情况。例如，连续工艺不可能通过冷冻铸造实现。

31、在本发明中，可以制造特别定制的生物基固体泡沫。