排气模具及其应用的制作方法

专利名称：排气模具及其应用的制作方法
技术领域：
本发明是关于生产泡沫制品的新型模具。尤其是，本发明的一个方面涉及到改进的模具该模具，包括一个能使模具进行必要的排气的出气孔，同时又减少了原材料进入该出气孔，从而减少了废料。在其最佳实施方案中，本发明还免除了在使用装饰套(finish cover)之前将进入出气孔的原材料从模制品中除去的要求。
本发明还涉及到一种模制制品的新方法，该方法减少了在模具出气过程中进入出气孔的原材料造成的废料。在其最佳实施方案中，该方法降低或免除了对于在应用装饰套之前除去多余材料的要求。
许多制品是用将原材料放入模具的空穴中，在其中该原料经历物理变化(如膨胀或发泡)而制得，这样生产的制品具有该模具空穴的形状。该技术特别适用于生产由聚合泡沫诸如聚脲泡沫、乳胶(如天然橡胶或苯乙烯－丁二烯橡胶)泡沫等所制成的泡沫制品。
例如汽车座垫通常是由聚脲垫块制作的，将聚脲垫块模制成一定形状的制品然后用聚乙烯、布或皮带装饰套套住。在发泡过程方面聚脲泡沫有其一定的独特性，而且同时发生至少是部分的聚合过程。在用譬如常规冷发泡技术生产聚脲泡沫中，一个典型的配方包括1、多元醇
2、水3、四甲基乙二胺4、二甲基乙醇胺5、聚异氰酸酯用一个合适的混合头将混合物分置到模具中，然后将模具关闭使其中的膨胀物质模制成型。因而，通常将模具中的原始分散混合物称之为“液体发泡聚合组合物”或在此情况下称之为“液体发泡聚脲组合物”。组合物在模具中膨胀的同时也发生聚合反应，如此生成的聚合物于是固化。
当模制一种液体发泡聚合组合物以制备模制品例如聚脲泡沫制品时，传统上使用夹壳模具(clamshell)，它包括一个底模和一个顶模，当二者关闭时就确定了模具空穴。打开模具，将液体发泡聚合组合物分置到模具空穴中，再将模具关闭，其化学反应使该组合物膨胀。模具关闭后，组合物膨胀，以充满该模具的内空间。另一种方式是，可将组合物分置到关闭的模具中。在二者中之任一情况下，当聚合反应完成时，泡沫固化并永久具有该模具空穴的形状。
正如本领域熟练技术人员所共知的，模具应具有适当的排气以使在发泡组合物膨胀过程中存在于模具中的空气逸出该模具，这一点是非常重要的。而且，使聚合过程中生成的气体(在聚脲制品生产中典型的是CO2气)部分地排出模具也是很重要的。
若不将气体适当地排出模具会造成不正常发泡现象，诸如表面硬化(或泡沫密实)和／或由于捕集了气体或空气泡而在终制品中形成了空隙等不良模制品。其另一种极端是，模具的过度排气也将导致不良模制品，这是由于泡沫在固化前就塌陷；此现象常称之为"起酥(souffle)"效应。因而模具的适当排气对生产合格的模制品是一个重要的因素。
典型的夹壳模具的设计是在模具顶部设有钻孔或切槽通路作为出气孔。这些出气孔的位置、尺寸和其数目的确定是模具设计者及生产工程师的技巧问题，并常常是一种反复的步骤，即将更多的出气孔设在各种不同的位置，或将其他一些出气孔在完成试验性操作后堵死。
在模制操作过程中，某些进入出气孔的液体发泡聚合组合物就浪费掉了。一般都希望减少废弃材料(也叫作“溢料”、“蘑菇”、“芽”、“薄渣饼”等)的量，这由于两个原因，一是废料增加了生产制品的总成本，二是必须在使用装饰套之前将废料从模制品上除去，因而一定要花费相关的附加劳动和费用。
因此，模具设计者和生产工程师在不断地努力以求优化在适当位置提供足够的排气而又不过度排气与排气过程中减少材料废弃之间的平衡关系。
本发明的一个目的是提供一种生产模制品的新方法，使该方法排除或减少排气过程中材料的浪费。
本发明的另一目的是提供一种新模具，它至少能排除或减少某些现有技术中存在的上述问题。
本发明的又一目的是提供一种无需将进入出气孔中的材料除去的生产模制品的新方法。
按照本发明的第一目的，提供了一种在模具中生产模制品的方法，该模具包括一个由上模和下模限定的模具空穴，该过程包括以下步骤将一种液体发泡聚合组合物分置到模具空穴中；令该液体发泡聚合组合物膨胀以基本上充满该模具空穴；及通过模具上的至少一个出气孔排和模具空穴中的气体以使气体从模具中逸出，所选择的每个出气孔的大小使得限制液体发泡聚合组合物在出气孔中的移动，并实际上阻止了它们从出气孔流出去。
优选是，至少一个出气孔位于模具的部件接缝处，其厚度在0.002～0.030英寸范围内，更优选是在0.005～0.020英寸范围内。优选的是，至少一个孔的横截面是矩形的，进入出气孔的聚合物在所述的制品上形成一条带，且无需除去就可将装饰套用于制品上。
按照本发明的第二个目的，提供了一种生产泡沫制品的模具，该模具包括一个上模和一个下模，它们限定了模具空穴；至少有一个与模具空穴相通的出气孔，所选择的每一个出气孔的大小可使气体相当自由地流出该孔但限制液体发泡聚合组合物流出该孔。
出气孔优选是包含第一和第二出气孔，第一出气孔位于上模与底模的接缝处。在本实施方案中，第一出气孔的厚度优选在0.002～0.030英寸之间，更优选在0.005～0.020英寸之间。第二出气孔优选位于上模中，其厚度在0.002～0.015英寸之间，优选在0.003～0.010英寸之间。
本发明的实施方案将参照附图加以说明，其中

图1系现有技术的夹壳模具剖面图；图2系由图1之现有技术中的模具制造的模制品剖面图；图3系出气孔组装件剖面图；图4系取自图3中4－4线的剖面图；图5系图3的出气孔组装件的处于清理位置的图示；图6系使用了图3的出气孔组装件的夹壳模具剖面图；图7系另一种夹壳模具的透视图；图8系当图7的模具关闭时取自8－8线的断面图；图9表示由图7的模具制成的模制品；图10系应用了图3的出气孔组装件及图7的出气孔的模具的剖面图。
最优选的液体发泡聚合组合物是以聚脲为基的。然而对于本领域熟练技术人员来说，显然本发明也可用于其他类型材料的模制操作，其中包括但又不限于乳胶泡沫、氯丁橡胶泡沫、聚氯乙烯泡沫等。
首先参照图1和图2讨论一种现有的模具。一个类似于用于从聚脲泡沫制造汽车座垫的典型模具在图1中用20标出。该模具包括一个下模24和一个上模28，二者用普通折页(未画出)相连。当将下模24与上模28关闭时，就确定了一个空穴32，它相当于该汽车座垫的形状。
使用时，将上模28与下模24脱开，将一定量的液体发泡聚脲组合物分置于下模24中。然后将上模28与下模24封闭啮合，液体发泡聚脲组合物膨胀，并取代了空穴32中的空气。该置换出的空气通过接缝处36及上模28中的一个或多个出气通路38而逸出。另外，随着聚脲组合物的膨胀，也发生了聚合反应，伴随着将CO2气释放到空穴32中。此气态CO2也可通过接缝36和出气通路38逸出空穴32。正如本领域熟练技术人员所共知的，(而且超出了本发明的讨论范围)，该液体发泡聚合组合物最终会完全聚合并固化，并具有空穴32的形状。
正如本领域熟练技术人员也共知的，分散于空穴32中的液体发泡聚脲组合物的量必须选好，以保证空穴32实际上全部被充满，从而避免在模制品中产生空隙及其他缺陷。对于一个特定的模具，在计算出合适量的液体发泡聚脲组合物(这在下边要作解释)的同时，还要求将过量的聚合组合物分置到模具中以补偿从接缝处36及出气通路38所溢出的材料。该过量的材料用来保证空穴32是充满的而不致于在模制品中出现空隙和别的泡沫缺陷。这实际上是有价值的原材料的浪费。
在现有的模具中，在模制操作过程中空气及组合物膨胀所产生的反应气通过接缝处36及出气孔38逸出直至泡沫达到其各自的入口处。
在此处，泡沫的任何进一步膨胀都会造成泡沫进入接缝处36及出气孔38。在空穴无任何不规则处的最简单情况下，泡沫到达接缝处和/或出气通路的时间大致与泡沫达到最大膨胀点的时间是相同的，于是，若将适当量的液体发泡聚脲组合物分置于空穴中，仅仅少量的泡沫在空穴32被充满时进入接缝处和/或是出气通路。
但实际上正如图1所示，多数模具在其空穴中含有不规则处以适应各种模制品的要求。在此情况下，模具空穴32的厚度和形状在模具的各部分也在改变，而且模具中接缝处36与出气通路38的进口也可位于不同的高度(这取决于它们在何处与空穴32相连)。况且，由于泡沫和生成气集中并在不规则处移动，在空穴32中也会产生高、低压的分布区，因而泡沫在空穴32中不同部份在不同时间的水平也可改变。
由于上述因素，空穴中的泡沫通常在不同的时间到达接缝处和/或不同的出气通路，而此时泡沫仍在膨胀。例如，在空穴32顶部低于周围的区域，如图1中标出的40，泡沫可很快地到达出气通路38。当泡沫仍在空穴32的其他部份增多但还未固化的情况下，相当量的泡沫可能进入此处的出气通路38。
再有，当一定量的泡沫进入接缝处36和出气通路38从而减少了相同量的残留在空穴32中的泡沫量时，就必须使置入空穴32的液体发泡聚脲组合物的量稍稍超过充满空穴32所需的量以补偿进入接缝处及出气孔的泡沫。这一过量(对于现有技术中模具的正常操作是必需的)实质上是浪费材料并增加制造制品的成本。
进一步地正如图2所示，进入出气孔38的泡沫在模制品50上形成了浪费材料的"蘑菇"54(用虚线画出)。况且进入接缝处36的材料在模制品50上形成了浪费材料的"薄渣饼"55。通常蘑菇54及薄渣饼55必须从制品50上除去，并从模具20中清除才能应用装饰套以保证最终复盖的制品有可接受的表观和结构并将模具20准备好以备再用。必须将蘑菇54及薄渣饼55除去会造成与生产模制品相关的人力费用的增加。
除加入过量液体发泡聚脲组合物以补偿进入出气孔的材料外，还应加入过量的液体发泡聚脲组合物以抵销由于温度、温度、环境压力及液体发泡组合物组成成份的轻微变化引起的工艺变化。因而在现有的模具中存在于出气孔中的材料浪费是不可避免的。
现在参见图3至图10来说明本发明的实施方案。
本发明人发现可利用膨胀液体发泡聚合组合物在其固化前的物理特性与排出气的差异来设计出气孔，这种出气孔可减少进入出气通路的浪费掉的材料的数量。特别是本发明人确认出气孔的大小可设计来为流过它的不同粘度的流体提供非常不同的流速。于是，具有相对低粘度的气体可相当容易和快速的流过出气孔。与此相反，具有相对高粘度的液体发泡聚合组合物，尤其当其达到出气孔时其膨胀及固化已近完成的情况下，由于出气孔的厚度对泡沫的节流，其流速大大地减慢。
正如此处及以下所描述的，出气孔的大小应选择为模具中的气体可以相对无阻碍的方式流过出气孔，而液体发泡聚合物的粘度是如此之大，以致当其到达出气孔时，以非常缓慢的方式流入并通过出气孔。若出气孔大小选择得当，液体发泡聚合组合物在其流入出入孔很短一段距离后就固化了。
对本领域熟练技术人员来说显而易见的是，按照本发明的出气孔会减少必须分置到模具中以补偿因进入出气孔而造成损失的液体发泡聚合组合物的量。
图3、4、5及6说明了本发明的第一改进的出气孔组装件的实施方案，它优选是施用于上模。该出气孔组装件包括一个模具袖(sleeve)100，其中有导衬(guide bushing)125及圆筒状轴镗(cylindrical bore)104穿过其中；一个释放轴销(relief pin)108位于其中并与镗104的内表面啮合。释放轴销108的截面是八角形，在图4中可清楚地看到，当将其放入导衬125中时，就确定了八个呈扇形的出气通道112。
与模具空穴相通的释放轴销108的上游端120优选是呈锥形，其下游端包括一个变窄的节门(throat)124。如图3所示，当释放轴销108处于出气位置时，出气通路112的下游端与排气室127相通，排气室127反过来与出气口128相通。出气口128将气体排出到模具以外的环境中。在图3中的操作位置上，行将从模具空穴排出的气体沿出气通路112到达排气室127，然后经过出气口128排出。
所选择的出气通路112的尺寸应使气体相对自由地从出气空穴202中排出而又节制了泡沫在通路112中的移动。特别是由于泡沫的相对高的粘度，出气通路112的厚度116成为对泡沫的节流而又不节制气体。若厚度116选择得当，出气通路112的宽度119及其形状都不是特别限定的。
对于本领域的熟练技术人员来说显而易见的是，圆镗104的直径和释放轴销108的截面形状可以改变，以提供不同的总排气面积而同时又保持所希望的出气孔厚度。例如，具有四面至八面的释放轴销确定了同样数目的出气通路，已成功地通过了试验。
对于聚脲泡沫来说，已发现小于0.010英寸的出气通路厚度提供了合适的节流。本领域熟练技术人员会理解到，出气通路的厚度可根据所用特殊的液体发泡聚合组合物而改变。因而若用非聚脲聚合物，其适宜厚度可通过经济计算和／或试验来确定，这对本领域熟练技术人员来说显而易见的。
已发现出气孔组装件98在节制泡沫从模具进入出气孔方面非常成功，此时少量泡沫也确实进入出气通路112。因此在模具重新使用前必须清理出气通路112。于是，将释放轴销108的下游端连到一个气动气缸140中的活塞136上。通过经由孔148或152来改变活塞136两侧的压力，释放轴销108的端部可在镗104中伸出或缩回。当释放轴销108从出气孔镗104中伸出时，节门124的下游端扫过出气孔镗104，将残留的溢入泡沫除去。正如本领域熟练技术人员所理解的，导衬125可用Delrin或任何其他合适的材料来制作。图5表明释放轴销108处于其伸出位量，而图3表明其处于操作位置。
图6展示了一个模具200，它包括几个出气孔组装件98。出气孔组装件98优选安装在模具200的上模件204中特定的位置上，以提供所期望的排气程度。在使用中，如上所述，气体从出气孔组装件98中排出，直到在空穴202中的泡沫抵达出气孔的入口处。此时当泡沫开始进入出气通路112时，出气通路112施于泡沫的节流使泡沫在其中如此流动，以致于在其抵达出气通路的一定深度之前就固化了，因而泡沫不会从出气孔中溢出。
上述实施方案优越于现有技术之处在于它减少了用于泡沫溢入出气孔所要求的液体发泡聚合组合物的过量。于是与常规模具出气孔相比，进入出气孔组装件98的材料量就减少了。这就节省了材料也可节省人力，因无需将多余的材料从制品或模具中除去。
现在参照图7、8、9来描述另一实施方案。本方案特别适用于上、下模体的接缝处。在图7中以400来表明一套夹壳模具。它包括一个下模体404和一个上模体408，二者构成了模具空穴412。按本发明该模具有一系列条形出气孔416。如图8所示，当模具400关闭时，条形出气孔416沟通了模具空穴412和模具400的外部。已发现，具有以418标出之厚度的条形出气孔(厚度在0.005～0.015英寸之间)特别适用于聚脲泡沫的模制。与上述实施方案中的出气通路112一样，当用于其他种聚合发泡组合物时，厚度418可按要求改变。
以417表示的条状出气孔416的宽度不是特别限定的。已发现宽至6.0英寸也工作得很令人满意。实际上，出气孔417的宽度主要与被模制品形状及为空穴412提供的总通气面积有关。
使用时，将液体发泡聚脲组合物分置于模具空穴412中，将上模408与下模404紧密地啮合。空穴412中的空气及膨胀组合物的化学反应所产生的气体通过条状出气孔416排出。气体的粘度使其相对容易地穿过条形出气孔416。一旦模具400中的泡沫前沿抵达条形出气孔的入口处，泡沫就进入条形出气孔416。由于上面斜述的出气孔416对膨胀组合物的节流，该膨胀组合物只能慢慢流过条形出气孔416。若条形出气孔416的厚度选择适当，液体发泡聚合组合物将在其流入出气孔内一定距离时就停止流动，肯定地说，在其达到条形出气孔416的出口前就一定会停止。
图9表示按照本发明用条形出气孔416在图7的模具中制造的制品420。如已说明的，制品420带有许多溢入条形出气孔416的材料造成的条状物424。
条形出气孔416的好处是多方面的。首先，由于厚度418对泡沫的节流，进入条形出气孔416材料量是限定的，因而减少了废料量，也就减少了费用。其次，与现有技术中的出气孔相比，条形出气孔416制造费用低。第三，沿模具空穴412周围很容易在一定的间隔加上条形出气孔416，它只受限于空穴412的形状，因而省除了模具设计者和生产工程师过去所必须耗费的大量的费力的设计。第四，条形出气孔很易清理，在许多情况下，当生产的制品420拆模，则条形材料424从气孔416中除去时就会发生"自清除"。第五，进入条形出气孔416的材料所造成的条424具有较好的"友好"形状。尤其当用厚度418较小的条形出气孔416时，进入出气孔的材料造成的条424可简单地被折返回制品420，但仍可保持可接受的外观及结构，并用装饰套盖上。这样折返的实例以424a代表。这就省去了除去溢出材料条424的必要性，并导致于人力的节省。
在某些情况下，可能还希望用砂吹(sandblast)或别的使条形出气孔416内表面变粗糙的方法来进一步减低液体发泡聚合组合物流过出气孔的速度。有些情况下也考虑用厚度小于0.002英寸的条形出气孔，这种出气孔可实际上阻止所有的泡沫进入。以此方式，该出气孔起到差示出气孔(differential vent)的作用，即让气体通过而阻止泡沫通过。然而使用差示出气孔时必须小心，以保证能提供适当的总通气面积，避免模制品中的缺陷。
在许多情况下希望在单一的模具中使用上述两种实施方案。尤其如图10所示，模具600可包括一个或多个在其他情形下是孤立的区域620，在此区域中最好用出气孔组装件98，而同时在模具的接缝处使用条形出气孔416。由于与接缝处的条形出气孔416相隔离，使用出气孔组装件98以保证气体也得以适当地排出，否则会捕集于620区。这种模具的设计从上述观点出发可为本领域熟练技术人员所清楚地理解。
本领域熟练技术人员还可以所理解的是，进一步的改进而又不脱离此处所记述的本发明的精神实质也是可能的。
权利要求
1.一种在包括上模和下模并由此限定的模具空穴的模具中生产模制品的方法，包括以下步骤将一种液体发泡聚合组合物分置于模具空穴中；令该液体发泡聚合组合物膨胀以基本上充满该模具空穴；以及通过至少一个模具上的出气孔将模具空穴中的气体从模具中排出，所选择的每一出气孔的尺寸可以使液体发泡聚合组合物在其中的流动被节制到实际上不能从其中流出。
2.按权利要求1的方法，其中所述的出气孔至少有一个位于所述上模与所述下模之间的接缝处。
3.按权利要求2的方法，其中每个出气孔的尺寸为厚度在0.002～0.030英寸之间。
4.按权利要求2的方法，其中每个出气孔的尺寸为厚度在0.005～0.020英寸之间。
5.按权利要求1的方法，其中所选择的出气孔的尺寸为厚度小于0.002英寸，以基本上阻止所述液体发泡聚合组合物进入所述出气孔。
6.按权利要求2的方法，其中每个出气孔的截面积基本上是矩形的，进入所述出气孔的所述液体发泡聚合材料形成为附着于所述制品上的条形聚合材料。
7.按权利要求6的方法，其中还进一步包括将所述条形聚合物折回到所述制品中再将该制品进行装饰包装的步骤。
8.按权利要求3的方法，其中每个出气孔的截面都是矩形的，而且进入所述出气孔的液体发泡聚合材料形成了一条附着于所述制品上的聚合材料。
9.按权利要求8的方法，其中还包括将所述条形聚合材料折回到所述制品上并将装饰套用于该制品上。
10.按权利要求1的方法，其中所述至少一个出气孔位于所述上模中。
11.按权利要求10的方法，其中每个出气孔的截面都是扇形的。
12.按权利要求10的方法，其中每个出气孔的尺寸为厚度在0.002～0.015英寸之间。
13.按权利要求10的方法，其中每个出气孔的尺寸为厚度在0.003～0.010英寸之间。
14.一种生产泡沫制品的模具，包括一个上模和一个下模，二者限定一个模具空穴；以及至少一个与模具空穴相通的出气孔，所选择的每个出气孔的大小使气体相对自由地穿过而液体发泡聚合组合物的流动却受到节制。
15.按权利要求14的模具，进一步包括至少第一和第二与模具空穴相通的出气孔，所述第一出气孔位于所述上模与所述下模之间的接缝处。
16.按权利要求15的模具，其中所述第一出气孔的尺寸为厚度在0.002～0.030英寸之间。
17.按权利要求15的模具，其中所述第一出气孔的尺寸为厚度在0.005～0.020英寸之间。
18.按权利要求16的模具，其中所述第一出气孔的截面为矩形。
19.按权利要求17的模具，其中所述第一出气孔的截面为矩形。
20.按权利要求20的模具，其中所述第二出气孔位于所述上模中。
21.按权利要求20的模具，其中所述第二出气孔的尺寸为厚度在0.002～0.015英寸之间。
22.按权利要求20的模具，其中所述第二出气孔的尺寸为厚度在0.003～0.010英寸之间。
23.按权利要求21的模具，其中所述第二出气孔的截面为扇形。
24.按权利要求21的模具，其中所述第一出气孔的尺寸为厚度在0.002～0.030英寸之间。
25.按权利要求21的模具，其中所述第一出气孔的尺寸为厚度在0.005～0.020英寸之间。
26.按权利要求14的模具，其中所述出气孔的厚度小于0.002英寸，以基本上阻止液体发泡聚合组合物进入所述出气孔。
27.按权利要求14的模具，其中所述出气孔具有一个基本上固定的截面。
28.按权利要求18的模具，其中所述第一出气孔的宽度在0.5～6英寸的范围内。
29.按权利要求19的模具，其中所述第一出气孔的宽度在0.5～6英寸的范围内。
30.按权利要求14的模具，其中所述出气孔的壁已被粗糙化以增加其对液体发泡聚合组合物的表面摩擦。
全文摘要
一种模制制品的新方法，包括提供一种具有预定尺寸的出气孔的模具。使得由于粘度的差异，欲从模体排出的气体可容易地穿过该出气孔而欲模制的材料却不能迅速通过。事实上，将出气孔设计成进入出气孔的欲模制材料不可能从出气孔末端出来。在最佳实施方案中，出气孔呈薄条状，进入出气孔的模制材料形成一溢出材料的薄条，在将装饰套用于模制品前无需将此薄条除去。
文档编号B29C33/10GK1105314SQ93109740
公开日1995年7月19日 申请日期1993年9月2日 优先权日1992年9月2日
发明者莱斯利·爱德华·克拉克, 克雷格·艾伦·亨特 申请人:伍德布里奇泡沫制品公司