专利名称：用管坯料模制成泡沫制品的两阶段工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及聚烯烃泡沫和类似材料的制造。
更具体地说，本发明涉及制造聚烯烃泡沫、聚烯烃泡沫中间产品的工艺和设备，以及聚烯烃泡沫的模制工艺，但并限于这些领域。
背景技术：
通常通过把分散气相引进聚合物结构来改变一聚合物原材料而制造出聚烯烃泡沫。这种工艺传统上是这样完成的把一种发泡剂和交联剂扩散入一种聚合物熔融体中，并把所形成的复合物暴露于分解发泡剂的环境中，从而释放气体使聚合物膨胀。
交联改变了膨胀的泡沫制品的物理性能，主要性能是微孔(cell)的大小和微孔闭合的程度。
目前，制造聚烯烃泡沫的方法是先用砑光或用其他方法形成预成形的片材，然后用一个或两个阶段的工艺进行膨胀。片材在一模具中被加热，以活化一种可分解的释放气体的发泡剂。这种工艺将使砑光的或用其他方法形成的片材膨胀到它原来体积的二十倍左右。
加热和接下来的发泡剂活化步骤可以在两个步骤中用不同尺寸的模具进行。片材可以在一个模具中发泡到一中间尺寸，然后在第二个模具中发泡至其最终的尺寸。采用中间模制步骤有助于在膨胀过程中限制在泡沫中产生的应力。片材必需在约束模具中发泡，因为，在发泡过程中中心和长边侧的膨胀较大，使片材变形。这是由于泡沫表面的表面张力的变化所引起的。在这些区域的表面张力的作用比角部的要小。
其它技术还有对厚板、圆板和特种用途的轮廓的板进行单一步骤的挤压。在种工艺中，聚合物-发泡剂混合物的挤压是采用传统技术的，但混合物在膨胀之前要通过例如一圆环形通道。混合物离开通道之后膨胀。制品可以被膨胀到有用的体积，但挤压的制品具有一体的未膨胀的表皮，这种表皮能使总的密度降低约一半。
通过下面作为例子所给出的描述，本发明的其它目的和优点将会变得更加清晰和明了。
本发明的目的是提供制造模制的聚烯烃泡沫的另外的方法和设备，所述方法和设备与传统的工艺相比能减少所需的能量，并采用一简单而紧凑的模具结构，这种模具结构使所需的夹紧压力可以减少，或当至少可以为社会提供一种有益的选择。
发明的公开本发明的第一方面是提供一种生产泡沫的工艺，该工艺包括通过模制或挤压复合材料来制备由未膨胀材料形成的预制圆筒形管。
未膨胀材料最好包括聚合物、发泡剂、交联剂和发泡剂的活化剂。
生产泡沫的工艺最好还包括将预制的圆筒形管限制在一具有基本上为圆筒形的空腔的模具中加热预制的圆筒形管材料。
在另一个实施例中，当材料在模具中被加热时，发泡剂至少经历部分分解。
当预制的圆筒形管材料在模具中加热时它最好至少部分交联。
最好这种部分交联可以通过迅速冷却模具来加以控制。
生产泡沫的工艺还包括把材料膨胀成一泡沫制品的步骤材料最好在一热空气炉子或类似的环境中不受约束地膨胀或发泡。
预制的圆筒膨胀或发泡时，预制的圆筒可自由地竖立地一炉子中且其纵向轴线垂直对齐。
预制和/或交联的圆筒可以悬挂在一基本水平的旋转芯棒或旋转体上被加热。
生产泡沫的工艺还包括以下步骤沿膨胀的圆筒的纵向轴线把该圆筒切开，并冷却它，以成为一平的片材。
最好用热空气、热油或类似的物质加热模具。
最好是材料是一种复合的聚烯烃泡沫材料或类似材料。
本发明还提供一种用于使复合材料至少部分膨胀和/或交联的模具，其中所述模具具有一封闭的管状空腔。
模具最好包括一内部件和一外部件，内外部件之间构成一管状的空腔，其中管状空腔的每一端被封闭装置所密封。
最好至少一个封闭装置是可拆下的。
管状空腔的横截面的形状可以是圆形的、椭圆形的、多边形的或类似的形状，其尺寸可以是固定不变的，或者是沿着管状空腔的长度而有所变化的。
模具的内部可以有图案、可以是凹凸的或类似的凹槽，从而使膨胀的制品具有带图案的表面或具有特有的横截面形状。
本发明还提供具有纵横比在1∶3与3∶1之间的椭圆或圆环空腔的模具。
空腔的形状还可以包括纵横比在1∶3与3∶1之间的直角和圆角。
下面将通过仅作为举例说明的例子并结合附图来描述本发明，其中附图简要说明
图1是一圆筒形模压机的立体图。
图2是一圆筒形模压机的立体图，图中示出了两个半部件和模芯。
图3是一圆筒形模压机的俯视图。
图4是一圆筒形模压机的端视图。
图5是一圆筒形模压机的侧视图。
图6是一圆筒形模具和加热/冷却装置的示意图。
图7是一未夹紧的圆筒形模具的示意图。
图8是图9所示的圆筒形模具的分解图。
图9是步骤2加工设备的布局示意图。
图10是图11所示设备的俯视图。
图11是取出模具的工作台的侧视图。
图12是步骤4的加工设备的示意图。
图13是步骤4的系列加工设备的示意图。
已有技术的泡沫模压机一般包括两个或两个以上的平压板。预制材料被放在两压板之间的平的空腔中，然后加热使聚合物交联并膨胀。这样的模具需要较大的夹紧力，而且由于模具的几何形状会出现大量的热量损失，由此增加了模制过程所需的总能量。
此外，在膨胀过程中，表面张力一般会导致预制材料不均匀地膨胀。这会使泡沫片材变形，而这种变形的泡沫片材必需被切割掉或对它进行机加工，以成为可使用的产品。这种变形的程度可用冷却手段减轻到一定的程度。
本发明提供一种可减轻上述某些缺陷的方法，该方法如下(1)用本领域的人所熟知的注射成型机、挤压机或类似的装置形成复合材料的管状预制件。复合材料一般包括聚合物材料、发泡剂、交联剂和发泡剂的活化剂。这种技术的一个特有的优点是，可先制造复合材料预制件，然后再运送到不同的地方以进行进一步的加工。这在泡沫用户不希望投资生产复合原材料的预制件所必需的设备的情况下是有益的。为此，供应商可提供坚固的、化学状态稳定的定制的复合预制件，以备进一步加工。
(2)把管状预制件放入一管状模具中。在本文所描述的实施例中，模具的形状是圆筒形的，图1至8示出了这种结构的例子。虽然本文描述的是一圆筒形模具，但基本要素是模具有一个管状空腔。所述管状包括任何的圆形和椭圆形横截面、圆角正方形及类似形状的几何形状，这是可以理解的。
一旦预制件被放入模具中，用适于该模具结构的装置加热模具。加热时，圆筒形预制件至少经历部分交联，该部分交联至少引起部分膨胀。
在某些条件下，预制件可被加热得使发泡剂在该阶段部分分解。
在加热和交联期间，预制件被约束在模具中。此时，模具内的压力高达约3000psi。但是，与形成膨胀的泡沫的传统方法相比，使用圆筒形模具可比较有效地制约这样大的压力。由膨胀引起的力的矢量分别从圆筒形模具中心轴线径向朝向外面以及对着该中心轴线径向朝向里面。这样，诸力就以类似于装有高压的液体或气体的球形或圆筒形容器的形式分布。
(3)通常用水喷射的方式使模具冷却。这样可以比较容易地从模具中取下至少部分交联的预制件(以下称作交联的坯料)。在使用图7和8所述的模具的情况下，这是通过先取下闭合端部然后抽出坯料来完成。或者，如图6所示可采用液压机以脱出交联的坯料。
交联的坯料是牢固的，其化学性是稳定的，因此可运送到其它的地方以膨胀成泡沫制品。这个优点在于泡沫用户可以仅仅投资足够进行最后的膨胀步骤(步骤4)的机器。交联的坯料可方便地运送到使用者所在的地方。
(4)然后，交联的坯料在一个温度大于或等于发泡剂分解的温度的炉子或类似的加热室中自由膨胀。这样形成的泡沫制品是圆筒形的泡沫塑料块(foambun)。
坯料膨胀时，坯料可以以其端部置在炉子中或绕心轴旋转，以提高坯料的均匀膨胀。膨胀时其它的方式和取向也被认为是在本发明的范围之内。
传统的压板压机必需借助液压缸来制约，以免压板被迫分开。与之相反，本发明的模具结构紧凑，只需要很少的或不需要外界制约装置来对抗泡沫的膨胀。下面将要描述的较佳的模具结构在加热期间可以自由放置，不需要任何液压缸或液压机(上面的步骤2)。由于模具可以通过一热空气室和冷却室直接输送，因此就不需要任何套式的加热或冷却。
图1至5示出了本发明的模具的一个例子。模具9包括上部件10和下部件11。上下部件的内部机加工出一个圆环形的空间，待模制的材料置于该空间中。模具的中央是一个能取出以使材料进入空间的模芯。在模具部件的周边的周围是一收集来自模具空腔的过量复合物的溢流槽。
模具的两部件和模芯内形成有传热媒质通过的通道。在一诸如图1所示的圆筒形半外壳模具中模制泡沫需要仅相当于传统平压机的三分之一的夹紧压力。
图2至5示出一种使用图1所示的但具有圆周为78.5cm、深为40cm、间隙宽为20mm的放大尺寸的模具进行批量生产的情况。
图6示出模具结构的另一实施例。该模具分成两个部件2和3，它们分别被一液压缸或气压缸4、5支承着。液压缸4、5用来把两部件2和3拉开，一个或两个部件可按需要移动。两部件2和3或模具之间形成环形空腔6，其长度和直径选择得能符合最终所需要的面积和厚度。
两部件2和3通过一组管道7、8分别加热。诸管道连接于一来自诸如油的热流体的共同热源。
在这个特定的实施例中，模具由一循环热油加热。油可以通过一与一冷却系统相连的热交换器而被加热。冷却系统用来进行迅速的冷却，它具有通过缩短模具重新使用之前的时间来增加产量的优点。
此实施例的样机可生产由一圆筒形预制件模制而成的、需要夹紧力仅为30吨的、2m×1m×50mm尺寸的泡沫塑料块。预制圆筒交联期间的膨胀只需要比相应平面面积的预制件小得多的模压面积和夹紧力。
本发明可提供一种只用1/20的传统平板压机的夹紧压力就可以制造通常用传统平面模压生产的2m×1m的标准片材的装置。本发明还提供了一种比现有模压机生产量大以及尺寸也大的片材的装置。
图6所示的模具是用一油热量传递媒质直接加热和冷却的，交联的坯料可在一热空气室中自由膨胀。
图7和8示出了一模具26的模具结构的较佳实施例。此模具不分上模和下模，是一种单一的模具。模具26有一低碳钢的内管件或套筒27，其基部的圆周28被加宽。在该例子中，加宽的基部是一个铜质的耐磨环。套筒27与一外管29配合以形成一10mm的间隙30。管29有一在基部的凸缘31和一在使用时通过一螺纹盖33封闭管29的铝或类似材料的压力盖32。
在实验中，一圆周为300mm、深为8.5cm、厚度为10mm复合材料的预成形聚烯烃圆筒放入模具26中。然后用螺纹盖33封闭模具26，再把模具置于一循环空气的腔室中，它在加热室中被加热约50分钟。这个加热时间可以根据泡沫的配合比而改变。
然后取下加热的模具26，并被浸没在冷的容器中迅速冷却5分钟。或者也可用蒸发水喷射。
取下旋紧的盖子33，就可拿出交联的坯料，并把它不受制约地放在一热膨胀室中。二十分钟之后坯料膨胀至圆周为85cm、深度为21.5cm厚度为24mm的尺寸。
虽然本实施例描述的是对于一个预制件和一个模具的处理过程，但应予以理解的是，在一个步骤中可使用多个模具。此时，热空气吹送机的尺寸应能适用于多个模具。可通过改变模具和预制坯料的预热来控制模具的加热时间。模具通过腔室的移动可由在本领域中为人所熟知的机械设备来实现。模具采用一有助于预制件均匀加热的中空模芯。
用一旋紧的盖子33来密封模具26。由于模具内部的压力，使用一小吨位液压设备可对各模具分别进行加载、关闭、打开和卸荷。图11所示的工作台的例子示出了这种情况。
工作台35安装有两个从每一侧工作的30吨的液压缸36，并被设计成可把可取下的端盖37压到模具26上，允许盖子37可旋紧或旋松取下。模具26通过在平板39上的夹具38而固定在位置上。
在平板39下面的液压缸可用来把交联的预制件从模具中取出。
工作台35如图9和10所示放在炉子41的一侧。炉子41的大小能使它的内部放下多个模具26。在所示的例子中，炉子中有十个模具26。炉子41通过可垂直滑动的气动门42而封闭。通过手动或自动操作的气缸43的运行来控制门42。炉子41的加热可通过任何适用的媒质来进行。炉子41的周壁、顶和底面是隔热的。
在本例子中，图中所示的LPG燃烧器44在一热交换器45的旁边，一热量循环风扇46把被热后的空气在它通过返回管道47返回再循环之前以箭头所示方向吹过炉子。空气流过热空气流动管道48，在经过模具之后流过热空气返回管道49。
在炉子41的一侧有一冷却喷淋或冷却室50。在本例子中冷却室50有一用来在诸模具26从炉子41中取出之后冷却这些模具的外周和内周的喷射机构。水从收集槽52经过一冷却塔53重复循环。
参阅图9、10和12，工作台35、炉子41和冷却室50与自由膨胀炉子54配合使用。在实际中，经过部分交联的半成品可被送到另一个场合以进行充分的膨胀。
图12和13示出一膨胀不受制约的炉子54的例子。在这个例子中，炉子有一个前开门55。炉子54的内部有一由驱动电动机57驱动的心轴或转动体56。由任何合适的装置提供所需的热空气，该热空气通过热空气循环风扇循环。在自由膨胀(上面的步骤4)过程中，已部分形成的半成品(partially formed unit)59放置在炉子54中，以便转动体56在旋转时使预制件膨胀到它的最终尺寸。
本技术的优点主要在于制造者可以选择在第一阶段中交联的外径分别为260mm和215mm、长度为400mm的两种坯料尺寸彼此被包装在一起进行运输。以这种方式包装可以包括大体积制品并可以放在一容器中进行运输。我们进行过计算，每一标准的20英尺(ft)集装箱可运输1852个这种类型的圆筒。然后已交联的坯料可以在使用者处的一自由膨胀的炉子中膨胀(步骤4)。如果需要，预制的圆筒坯料可悬挂在一从动辊轮或心轴上进行加热。这样就可生产出一可在许多应用场合使用的大直径泡沫管。例如，管状片材可剥离或分割成薄的泡沫片材。
运输膨胀的0.16mm3膨胀泡沫塑料块时，由于每一集装箱只可运输313个泡沫塑料块，运费较高，而用本发明的方法，运费可减少达三分之二。
如图7和8所示的模具被构造成一具有一旋紧盖子的可自由竖立的模具，并被设计成能达到与液压等同物同样的夹紧力。
用于交联(上面的步骤2)的加热是通过热空气在位于炉子中的模具周围循环来完成的，冷却是通过水的浸没来完成的(上面的步骤3)。本发明的另一个优点是，与传统的平压板压机相比，圆筒形模具相当紧凑，并且加热也更有效。同样，圆筒形模具比较容易隔热。因此，用本发明的设备和方法可以节省大量的能量。
这种模具的主要优点是省去了昂贵的液压装置，简化了模具的结构，不需要用于热量传递媒介的外套。
在本发明的工艺中可以使用各种复合物配方，各种已知配方和在此基础上有所改变的配方对相关技术领域中的熟练人员来说，都是在它们的范围之内的事，这是完全可以想象得到的。
几是提到的部件或整体件具有已知等同物的，这些等同物都包括在本发明之内。
虽然上面以举例方式结合具体的实施例描述了本发明，但应予理解的是，在所附的权利要求中的范围内还可以有种种变化，这种变化均拟落在权利要求的保护范围之内。
权利要求
1.一种加工泡沫的工艺，它包括通过模制或挤压一复合物材料，以制备由未膨胀材料制成的预成形圆筒形管。
2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，未膨胀的材料包括一种聚合物、发泡剂、交联剂和发泡剂的活化剂。
3.如前述任一项权利要求所述的工艺，其特征在于，还包括步骤当预制的圆筒形管限制在一具有基本上为圆筒形的空腔的模具中时，加热预制的圆筒形管材料。
4.如权利要求3所述的工艺，其特征在于，当材料在模具中被加热时，发泡剂至少经历部分分解。
5.如权利要求3或4中的任一项所述的工艺，其特征在于，当预制的圆筒形管材料在模具中加热时至少部分交联。
6.如权利要求5所述的工艺，其特征在于，该至少部分交联是可通过迅速冷却模具来控制的。
7.如权利要求3至6中的任一项所述的工艺，它还包括把材料膨胀成泡沫制品的步骤。
8.如权利要求7所述的工艺，其特征在于，材料在一热空气炉子或类似的环境中不受约束地膨胀或发泡。
9.如权利要求7或8所述的工艺，其特征在于，当诸预制的圆筒其纵向轴线垂直对齐并自由竖立在一炉子中时，这些预制的圆筒膨胀或发泡。
10.如权利要求7至9中任一项所述的工艺，其特征在于，预制的和/或交联的圆筒悬挂在一基本水平的旋转芯棒或旋转体上被加热。
11.如权利要求7至10中任一项所述的工艺，它还包括沿膨胀的圆筒的纵向轴线把它切口，并冷却它，以成为一平的片材。
12.如权利要求3至6中任一项所述的工艺，其特征在于，用热空气、热油或类似的物质加热模具。
13.如前述的权利要求中任一项所述的工艺，其特征在于，所述的材料是一种复合的聚烯烃泡沫材料或类似材料。
14.一种用于复合材料至少部分膨胀和/或交联的模具，其特征在于，所述模具具有一封闭式的管状空腔。
15.如权利要求14所述的模具，它包括一内部件和一外部件，内外部件之间构成一管状的空腔，其中管状空腔的每一端被封闭装置所密封。
16.如权利要求15所述的模具，其特征在于，至少一个封闭装置是可拆下的。
17.如权利要求14至16中的任一项所述的模具，其特征在于，管状空腔的横截面的形状可以是圆形的、椭圆形的、多边形的或类似的形状，其尺寸可以是不变的，也可以是沿管状空腔的长度有变化的。
18.如权利要求14至17中的任一项所述的模具，其特征在于，模具的内部可以有图案、可以是凹凸的或类似的凹槽，从而使膨胀的制品具有带图案的表面或具有特有的横截面形状。
19.如权利要求14至18中的任一项所述的模具，该模具具有纵横比在1∶3与3∶1之间的椭圆或圆环空腔。
20.如权利要求14至19中的任一项所述的模具，其特征在于，空腔的形状包括纵横比在1∶3与3∶1之间的直角和圆角。
21.一种工艺，基本上如结合附图在本文中所述。
22.一种模具，基本上如结合附图在本文中所述。
全文摘要
一生产聚烯烃泡沫的两阶段工艺。第一阶段在一封闭的圆筒形模具中膨胀含有聚合物、发泡剂、交联剂和发泡剂活化剂的预制圆筒形管。模具制约泡沫膨胀，不需用象在传统平板压机中用的液压缸或类似机构。在第二阶段中加热不受约束的圆筒管材料，使之对称膨胀。然后切割膨胀的圆筒泡沫，并加以冷压形成泡沫板。可使用种种不同形状的模具，或在模具内部形成图案和其它特征，使制品具有压印，生产的泡沫可用于建筑、包装、服装和类似用途。
文档编号B29K105/26GK1162944SQ95196181
公开日1997年10月22日 申请日期1995年10月10日 优先权日1994年10月10日
发明者安东尼·约瑟夫·斯科特, 凯文·杰克逊 申请人:塔罗克尔·柯克第七有限公司