一种制造具有高密度表层的膨胀模制品的方法

摘要

本发明涉及一种制造膨胀模制品的方法,即使结构复杂,也能形成具有均匀高密度硬表层的表面部分,几乎没有皱缩而且具有良好的外形。

说明书

本发明涉及一种制造具有高密度表层的膨胀模制品的方法，尤其涉及一种制造表面具有均匀的高密度表层并且在加工过程中不会产生皱缩的膨胀模制品的方法。

由熔化的膨胀树脂颗粒(以下称为膨胀颗粒)制造膨胀模制品的模具包括一个阴模和一个阳模，每种模具都有一个或多个汽室，这些模制品有一个封闭的微孔结构，其具有良好的绝热和减震特性，而且重量轻，所以它们被广泛地用作减震材料、绝热体、绝热容器和其它类似的功能元件。

但是，这样的模制品易出现如下问题：存在于模制品中的狭小的内颗粒空间易积聚灰尘和其它杂质，损坏模制品的表面，并且在作为容器或类似元件的重复使用中引起模制品的开裂；此外，由于其结构松软，模制品表面对于刮擦显得十分脆弱。因此，按照通常方法的模制品生产中，象容器这样的模制品，在其内表面上贴层或者给整个模制品表面贴树脂层或类似的东西是必不可少的。结果，制造模制品的成本提高。

为解决这些问题，日本专利申请公开号48-28060和52-47866提出了在模具中熔化膨胀颗粒在模制品表面形成一个表层的方法。在这些方法中所用的一个专门模具包括一个阴模和一个阳模，每个模具都有一个汽室，对着阳模的每个汽室壁都有多个蒸汽通孔。当膨胀颗粒充满模具后，低于所说的颗粒熔点温度的蒸汽进入每个汽室，从而引起颗粒的热粘合，接着高于所说的颗粒熔点温度的蒸汽进入汽室使模制品的表面熔化，随后再硬化，于是在模制品表面形成表层。

根据上述方法，位于蒸汽孔附近的颗粒过度熔化，导致靠近蒸汽孔部分和其它部分之间的表层厚度不同，从而形成不均匀的表层。而且，由于首先熔化的膨胀颗粒产生了单个颗粒的凝固，阻止了它们的自由膨胀，从而不能填满空隙。此外，这些模制品还有一个问题：随着表层厚度的增加，就会在局部产生空隙。因此，通过上述现有技术得不到具有均匀表层、几乎没有空隙的模制品。

日本专利申请公开号5-124126披露了通过使树脂颗粒与加热到高于树脂颗粒熔点的模具表面接触形成熔化的树脂层，并且硬化这个熔化树脂层以形成一个连续的硬化表面层，从而制造膨胀树脂模制品。

然而，上述日本公开的方法利用过度的爆裂充填形成表层，这对于形状复杂的模制品来说是不适用的。而且，颗粒充填的百分率低于箱形的直立部分，从而引起模制品的皱缩。

为解决上述问题，经过本发明者的认真研究发现：具有均匀高密度硬表层几乎没有或没有皱缩具有良好外形的模制品可用下列方法得到。该方法包括：在包括一个阴模和一个阳模的模具中压缩充填膨胀树脂颗粒，每一种模具都有一个或多个汽室，引导蒸汽进入阴模或阳模的所说的汽室，在阴模和阳模上设置有蒸汽孔，用以加热模具，使之达到高于所说的树脂颗粒熔点的温度，而与所说的模具接触的熔化膨胀树脂颗粒在其表面部分形成一表层，当充满模具的所说的颗粒的压力在0.01至1.5千克/厘米²G范围时，排出存在于模具中颗粒(内颗粒空间)之间的空气，并引导低于树脂颗粒熔点温度的蒸汽通过另一汽室的蒸汽孔进入所说的颗粒之间，以引起颗粒的热粘合。本发明就是基于这个发现的基础上得到的。

本发明的主题是提供一种即使结构复杂也能制造出具有均匀的高密度硬表层而且无皱缩具有良好外形的模制品。

为达到这个目的，本发明的一个方面是提供一种在模具中充填并熔化膨胀树脂颗粒来制造具有高密度表层的膨胀模制品的方法，此模具包括各有一个或多个汽室的阴模和阳模，这种方法包括：

在阴模与阳模之间形成的模槽内压缩充填膨胀树脂颗粒，

将蒸汽引入阴模或阳模的汽室，阴模和阳模不设置蒸汽孔；以加热模具，使其达到高于所说的膨胀树脂颗粒的熔点温度，从而使与模具接触的树脂颗粒熔化，以便在模制品的表面形成薄膜，

测定模具中所充填膨胀树脂颗粒的表面压力，

当所说颗粒的表面压力在0.01至1.3千克/厘米²G范围内时，排出存在于模具内部颗粒的空气，并且

将低于所说树脂颗粒熔点的蒸汽通过蒸汽孔引入内部颗粒空间加热颗粒并使它们熔化在一起。

图1是根据本发明用于制造模制品的模具-实施例的示意性剖面图；

图2是表明实施例1和2加热时间与表面压力关系的曲线。

参照附图，本发明详细说明如下。图1是在本发明方法中所用模具一实施例的示意性的剖面图。本发明中所用模具包括一个阴模和一个阳模。每一模具都有一个或多个蒸汽室。

图1中所示的模具包括一个截面形状呈凹形的阴模1，一个相应截面形状呈凸形的阳模2和一个截面呈箱形的模槽3。从膨胀颗粒储存箱4延伸出一个充填喷管5，喷管5穿过阴模1进入模槽3。

一个汽室1a设置在阴模1内，面对模槽3的所说的汽室壁上设置若干个汽孔16。汽室1a与蒸汽管6，真空管7，冷却管8和排汽管9相连，它们各设置一个开关阀。

阳模2有一个第一汽室2a和第二汽室2b。第一汽室2a位于阳模的模槽侧，而第二汽室2b位于第一汽室2a的外侧。这些汽室彼此不是连通的，而有一个完全独立的结构。与第一汽室2a内相连的是蒸气管10，冷却管11和排汽管12，每个管道都设每一个形状阀。

图1所示的模具是一个最佳实施例，由于在所说的汽室1a的壁上设置了蒸汽孔1b，此壁正对模槽3，而且蒸汽孔是用于引入低于膨胀颗粒熔点温度的蒸汽，并且在形成模制品表面部分后，熔化膨胀颗粒，以使颗粒间彼此热粘合，所以用于形成表层的所说的蒸汽被引入设有蒸汽孔的阳模2的第一蒸汽室2a和第二蒸汽室2b。相反，如果用于使膨胀颗粒彼此热粘合的引入蒸汽的孔设置在相对的一侧，也就是说，正对模槽3的蒸汽室2a的壁上，那么用于形成表层的蒸汽被引入不设蒸汽孔的阴模1的蒸汽室1a中。本发明中，上述两种情况下的模具都是容许的。

本发明中可使用的膨胀树脂颗粒包括聚苯乙烯树脂颗粒、聚乙烯树脂颗粒、聚丙烯树脂颗粒等。这些树脂颗粒由压缩空气压缩充满在箱体4内，然后均匀地充填在模槽3内。

首先，通过压缩充填将膨胀颗粒充入模槽3内，在上述汽室中的一个汽室内引入蒸汽，使汽室加热到高于所说的颗粒的熔点，与热模具接触的所说的颗粒部分熔化，以在模制品的表面部分形成表层。

在更加详细的实施例中，首先打开蒸汽管10，13和排汽管12，15的阀门，引导高温蒸汽进入第一和第二蒸汽室2a、2b，使阳模预热，然后将阳模和阴模连接在一起，并封闭模具。接着存储在箱体4内的膨胀颗粒通过压缩充填从充填喷管5被充填到模槽3。颗粒的充填速度取决于颗粒的压缩率。

当包括第一和第二蒸汽室2a、2b的阳模的温度达到一个指定的水平时，排汽管12和15的阀门将被关闭。与模槽3内的树脂颗粒接触的第一蒸汽室侧的阳模被停留在阳模内的高温蒸汽加热到高于所说颗粒的熔点温度。

在本发明中，为确保制造出的模制品的指定强度和质量，表层厚度，表层密度和除表层外其它部分模制品的密度在充填颗粒前就被设定，而且颗粒的压缩率取决于如下公式(I)：

C＝(1-ρ₁/((ρ₂×t₂+ρ₃×t₃)t₁))×100

                              (I)

这里C为压缩率(％)

ρ₁为充填前膨胀树脂的密度，(千克/米³)；

ρ₂为表层部分密度(千克/米³)；

ρ₃为除表层外其它部分的密度(千克/米³)；

t₁为模制品厚度(毫米)；

t₂为表层部分的厚度(毫米)；

t₃为除表层部分为其它部分的厚度(毫米)。

膨胀颗粒的固态时密度作为表层密度。顺便说一下，膨胀聚苯乙烯颗粒的固态密度为950-1000千克/米³，而膨胀聚丙烯颗粒的固态密度为850-900千克/米³。

在本发明中，膨胀颗粒的压缩率设定为3-70％，最好为10-65％。当压缩率低于3％时，充填的颗粒不足以形成表层，模制品可能皱缩。当压缩率超过70％时，虽然有可能使表层厚度增加，但所需的熔化时间将被延长，而且所需充填用压缩空气量也会增加，从而使制造成本提高。

充填于模具中的膨胀颗粒的表面压力高于大气压，由于表层的形成使颗粒量减小，使高于大气压力的颗粒表面压力随表层的形成而降低。

在本发明中，模槽3内颗粒的表面压力是可测得的。当表面压力在0.01-1.5千克/厘米²G(表压)的范围内时，最好为0.1-1.0千克/厘米²G，为得到形成表层后显示内部颗粒的良好熔化的模制品，存在于模具中内部颗粒空间内的空气将被排出，而通常低于熔点温度，最好介于熔点与膨胀温度之间的蒸汽直接送入内部颗粒空间以熔化颗粒。

在更为详细的实施例中，当随着表层的形成充入模槽3内的颗粒表面压力从给定值下降并达到以上指定值时，真空管7的阀门开启，而当抽出模槽3和汽室1a内的蒸汽后，排汽管9的阀门关闭，真空管7的阀门关闭，模具内用于熔化颗粒所需温度的蒸汽从蒸汽管6引入，用以加热颗粒。蒸汽通过蒸汽管6、蒸汽室1a和蒸汽孔1b进入模槽3，并加热模槽3内的颗粒。蒸汽也可作为模具的加热介质。这样，通过利用蒸汽的巨大的热容量，蒸汽加热使得模具在短时间内在均匀的温度下有效地传导热能成为可能。

在表面压力低于0.01千克/厘米²G的情况下，当膨胀颗粒被蒸汽加热并熔化时，颗粒的过度膨胀降低充填密度，导致膨胀力减小引起不当的熔化，模制品的皱缩和模制品的表层与模制品本体分离，从而不能得到良好的模制品。在表面压力高于1.5千克/厘米²G的情况下，由于用于熔化膨胀颗粒的蒸汽不能进入颗粒的内部，使颗粒由于加热不够而不能合适地被熔化，那么在这种情况下也不能得到良好的模制品。

然后，在模制品从模具中取出后，蒸汽管6、10、和13的阀门关闭，而排汽管9、12和15的阀门打开。冷却管8、11和14的阀门也开启将冷水引入蒸汽室1a、第一蒸汽室2a和第二蒸汽室2b，以冷却模具。

如上所述，根据本发明的方法，可得到表面具有均匀的高密度硬表层，非常有限的或几乎没有皱缩的模制品，并且这样的模制品制造成本低，不需要带有树脂层的整体模具。

本发明通过如下实施例进一步说明，但是应理解为这些实施例仅仅是用来举例说明而不能被认为限制本发明范围。在如下实施例中，如图1所示的一个模制设备被使用，其所用的模具，可形成200毫米×400毫米×250毫米厚度为20mm的高箱体模制品。本实施例的压缩率，熔化程度和模制品的皱缩由下面的方式决定。

<压缩率>：压缩率由如下公式决定：

(1-膨胀颗粒密度/模制品密度)×100％

<熔化程度>：通过破坏模制品并求出除颗粒界面外其余部分的破裂面积与整个破裂面积的比率(％)来估算出熔化程度。在本发明中，熔化程度不得小于30％。

<皱缩>：当模制品的尺寸缩小5/100或更多时，则说明该模制品“皱缩”，而当模制品的尺寸的缩小低于5/100，则称之为“没有皱缩”，依据本发明制造的模制品应该属于“没有皱缩”这种类型。

<外形>：在本发明的模制品中，歪斜、变形、表层与模制品本体分离可通过肉眼观察。当歪斜、变形分离现象出现任何一种，则该外形被评价为“坏的”。当没有歪斜、变形、或没有分离现象出现则该外形被评价为“好的”。

实施例1

为得到表层厚度为0.5毫米，表层密度为850千克/米³，除表层外其余部分密度为50千克/米³，而且整体厚度为20毫米的模制品，从上述公式(I)所决定的压缩率为54％。

充满箱体4的膨胀聚丙烯颗粒的密度为32千克/米³，开启蒸汽管10、13和排气管12、15的阀门，以使175℃的蒸汽进入第一蒸汽室2a，而150℃的蒸汽进入第二蒸汽室2b预热模具，此时模具是封闭的。

箱体4内的膨胀颗粒从喷管5充入模槽3内。当第一蒸汽室2a和第二蒸汽室2b的模具温度达到100℃或100℃以上，排汽管12、15的阀门关闭。包括第一蒸汽室2a和第二蒸汽室2b的阳模2由存在于阳模中的蒸汽进一步加热。第一蒸汽室(2a)侧与模槽3内膨胀颗粒相接触的模具部分的温度迅速升高直至达到170℃并稳定下来。

此时，充入模槽3内颗粒的表面压力为1.6千克/厘米²G。接着表面压力如图2所示下降，当表面压力达到0.5千克/厘米²G时，真空管7的阀门打开，而排汽管9的阀门关闭，使汽室1a和模槽3内的蒸汽被抽空，当真空管7的阀门关闭后，低于颗粒熔点温度的蒸汽从蒸汽管6被导入。通过蒸汽管6、蒸汽室1a和蒸汽孔1b后进入模槽3的蒸汽加热颗粒。蒸汽温度为150℃，停留时间20秒。

接着蒸汽管6、10、13的阀门关闭，而排汽管9、12、15和冷却水管8、11、14的阀门开启，以使冷却水进入蒸汽室1a、第一蒸汽室2a和第二蒸汽室2b，将模具冷却至40℃。然后，模制品从模具中撤出。结果如表格1所示。

实施例2

如表1中所示的条件，除充满模槽3内的膨胀聚丙烯颗粒的密度为48千克/米³，当颗粒表面压力达到如图2所示的0.4千克/厘米²G时，模槽被抽空外，其余的程序与实施例1的模制程序相同。结果见表1。

对比实施例1

除当颗粒表面压力降至0千克/厘米²G时，模槽被抽空外，模制工序的实施与实例1的条件相同。结果见表1。

对比实施例2

除当颗粒表面压力达到1.6千克/厘米²G时进行抽空外，实施模制工序与实施例1的条件相同。结果见表1。

对比实施例3

除使用20毫米裂化充填替代模具和相应的箱形模制品底部的压缩率为50％以及侧直立部分的平均压缩率为7.4％的模制条件外，实施与实施例1相同的模制工序。结果见表1。

在实施例1和2中得到的模制品具有均匀的表层，良好的外形。没有皱缩。从对比实施例1至3中得到的模制品熔化不好，外形也很差。

                           表1

  实施例1  实施例2 对比实 施例1  对比实  施例2      对比实施例          3颗粒密度(kg/m3)    32    48   32    32    32    32压缩率(％)    54    30   54    54    50    7.4模制品密度(kg/m3)    70    69   70    70    64    35表面压力(kg/cm2G)    0.5    0.4   0    1.6    -     -表层密度(kg/m3)    850    850   850    850    850    850表层厚度(mm)    0.5    0.3    -    -    0.5     -除表层外其余部分密度(kg/m3)    50    57    -    -    44     -除表层外其余部分厚度(kg/m3)    19.5    19.7    -    -    19.5     -熔化程度(kg/m3)    95    95    -    5＞    5＞     -皱缩  无皱缩  无皱缩  皱缩 无皱缩  无皱缩   皱缩外形  良好  良好  不良  不良  不良   不良

对比实施例3的左栏：箱形模制品底部

对比实施例3右栏：除箱形模制品底部外侧直立部分

-：不可测的。