专利名称：热塑性弹性体表皮制品及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种热塑性弹性体发泡制品和注射成型方法，特别涉及一种具有较薄
致密外壁和良好表面质量，而且内部发泡量大的柔软表皮制品及其成型方法。
背景技术：
由于汽车消费者越来越追求乘座舱内的舒适性，以及汽车设计者希望通过减轻汽 车的重量来降低能耗，两者的需求促使热塑性弹性体在汽车装饰上的广泛应用，例如TPU 仪表盘罩、TPE安全气囊罩、PVC门护板表皮等。但由于原材料成本高，一般仅用于制作3 毫米以下壁厚的表皮。采用常规注塑工艺时，由于制品面积较大，注射时型腔压力很高，而 且需要较多的进胶口。这种成型方式存在两个巨大的不足l)注射压力高和型腔压力高造 成制品密度大，回弹性和软质感大幅下降；2)多浇口造成表面熔接痕，表观质量不被接受。 为降低这种表皮的密度，提高软触感和回弹性，采用发泡工艺，特别是在采用超临界氮气或 二氧化碳作为发泡剂的微孔发泡注射成型是一种可行的选择，例如2001年12月5日公开 的专利申请99812883. X《包括注塑成型的微孔低密度聚合物材料的模塑复合物材料》所揭 示的材料和工艺。但是采用这种工艺时，存在下列问题l)为了縮短成型周期，模具温度较 低，形成的实体表皮层较厚，微孔发泡仅发生在芯部，软质感和回弹性提高有限；2)由于成 核开始于所描述的成核路径，泡孔长大在整个填充和冷却过程中，因此表面发泡痕、熔接痕 不可避免，表观质量不可接受；3)随着流动填充距离的变化，制品中发泡状况存在较大不 均匀性。于2005年2月2日公开的专利申请200410001854. 8《制造泡沫树脂产品的方法 及用于模塑泡沫树脂的设备》中揭示一种方法，采用高温蒸汽和冷却水交替通入模具的冷 却流道的方式来解决发泡痕、熔接痕等表观质量问题；但还是未解决由于填充距离而引起 的制品整体芯部发泡不均匀的问题，以及发泡量不足的问题。
发明内容
本发明目的是根据上述现有技术的不足，提出一种生产有良好的表观质量，芯部
发泡均匀，且密度低，触感和回弹的性好热塑性弹性体表皮制品及其生产方法。 本发明目的实现由以下技术方案完成 本发明所述的热塑性弹性体表皮制品，由热塑性弹性体树脂和氮气或二氧化
碳组成，其中氮气或二氧化碳的加入量为按质量百分比占热塑性弹性体树脂质量的
0. 1% —3%之间；所述热塑性弹性体树脂是热塑性聚烯烃弹性体或热塑性聚氨酯弹性体
或热塑性聚苯乙烯弹性体或热塑性聚氯乙烯弹性体中的一种；所述的制品为发泡制品；所
述热塑性弹性体可以进一步包括成核剂。 本发明制品的生产方法包括下列步骤 1)塑化热塑性弹性体树脂，同时按预定的质量百分比将超临界状态氮气或二氧化 碳注入到熔融的热塑性弹性体树脂中并混合后获得预定体积VI的均相溶液，其中注入的 超临界状态氮气或二氧化碳的质量在热塑性弹性体树脂质量的0. 1% 3% ;
2)加热并闭合模具，使模具型腔表面温度升高至树脂热变形温度以上0-3(TC之间的一个温度值，闭合后模具型腔具有第一容积V2 ; 3)将1)中准备的预定体积VI的均相溶液快速注入模具型腔中，并同时停止加热模具； 4)在所述预定量热塑性弹性体树脂填充完成后，立即冷却模具；
5)与4)冷却模具同步或延时预定时间，将组成模具型腔的一个或多个部分从步骤2)中所处位置迅速移开预定距离并锁定，使所述模具型腔容积扩大到第二容积V3，其中第二容积V3等于所述制品的体积； 6)继续冷却直至模具型腔表面温度降低到树脂热变形温度以下20-5(TC之间的一个温度值，并开模取出制品。 其中所述的模具型腔第二容积V3是模具型腔的第一容积V2的1. 1之2倍之间；其中预定均相溶液的体积VI是所述模具型腔第一容积V2与模具中浇道的容积之和的95% -100%之间。 本发明的优点是，所生产的制品具有良好的表观质量，芯部发泡均匀，且密度低，触感和回弹性好。
图1为本发明流程图。 图2a为本发明注射充模示意图。 图2b为本发明冷却模具示意图。 图3为本发明模具表面温度与工序过程关系图。
具体实施例方式 下面通过实施例进一步详细说明本发明 附图中标号分别表示1-动模，2-温度传感器，3-定模，4-冷却/加热介质通道，5-中央控制器，6-超临界流体计量装置，7-进料斗，8-塑机控制系统，9-螺杆，10-料筒。
根据本发明所述的制品生产方法，氮气或二氧化碳是在超临界状态下按预定的质量百分比加入到熔融的热塑性弹性体树脂中，混合均匀后获得预定体积VI的均相溶液；为抑制在型腔容积扩大到第二容积V3之前发泡，由熔融热塑性树脂和超临界状态氮气或二氧化碳组成的均相溶液的预定体积V1设定为模具闭合后所形成的第一型腔容积V2与模具中浇道体积之和的95%至100%之间，这样可以通过快速注射的方式在不发泡的状态下实现完全填充模具型腔V2 ;根据本发明的注塑成型方法，为消除表面的发泡痕和熔接痕，在注塑之前将模具型腔表面的温度加热到热塑性弹性体树脂热变形温度之上0-3(TC之间的一个温度。采用的加热方式可以是将高温蒸汽或热水输送到模具的流体通道然后对模具进行加热，也可在模具中预埋电阻丝通过电阻发热加热模具，还可通过涡流感应加热型腔表面。在模具靠近型腔表面的部位，可装设一个或多个探测温度的传感器，用于检测型腔表面的温度状况，并反馈给一个控制装置，用于控制加热热量的供应与否。当检测到型腔表面的温度到达预定的温度，高于热塑性弹性体树脂热变形温度0-3(TC之间的一个预定值时，控制系统发出允许注射的信号；这时注塑机将预定体积V1的均相溶液快速注入到模具型腔之中，并同时停止供应加热模具的热量；由于均相溶液的温度高于预设的模具型腔表面的温度，填充过程中，型腔表面的温度会被均相溶液所含的热量影响进一步升高。这样与型腔表面接触的热塑性弹性体材料一方面会容易复制型腔表面的特征，另一方面，在压力的作用下，温度高于树脂热变形温度的树脂流在熔接部位将充分结合，不会产生熔接痕；还有一方面，高的型腔表面温度会降低树脂流的填充型腔的阻力，料流前端可被后续的料流推动发生平行移动，减少了料流前端泡孔被型腔壁拖曳破裂后留下的发泡痕，而少量的发泡痕在高于软化温度的型腔表面的作用下也很容易消除。当预定量的均相溶液体积VI被注射完毕后，模具温度控制系统接收到来自注塑成型机的注射完毕信号后立即向模具的流体通道供应低温冷却水，对模具进行快速冷却。冷却水温度可以选择4-25°C ，最好是4-7°C的冷却水，这样模具型腔表面的温度可以以更快的速度降到预先设定的温度，热塑性树脂热变形温度以下20-5(TC之间的一个温度值。当开始向模具的冷却流道中供应低温冷却水时，或延时一个预定时间，将组成模具型腔的一个或多个部分从上述的具有第一容积V2迅速移开预定距离并锁定，使所述模具型腔容积扩大到第二容积V3，其中第二容积V3等于所述制品的体积，更进一步地，第二模具型腔容积V3是第一容积V2的1. 1至2倍之间；这样与型腔表面接触的很薄一层被强制冷却，在发泡压力的作用下形成表观质量很好的实体层，而芯部由于突然的压降诱发大量泡核，并在冷却过程中形成细密的泡孔结构。通过低温冷却水的强制冷却和发泡过程中气体析出吸热，制品可很快冷却到所设定的温度。当设置在模具中的温度传感器检测到型腔表面的温度下降到设定温度值，例如热塑性弹性体树脂的热变形温度之下20-5(TC之间的一个设定值时，停止向模具中供应冷却介质，同时开模取出制品。根据本发明所述制品的生产方法，在向型腔中注射热塑性弹性体熔胶与超临界氮气或二氧化碳的均相溶液被注入到模具型腔之前，将型腔表面温度升高到树脂热变形温度之上的一个温度，然后将预定体积的均相溶液快速注入到模具型腔中，消除表面的熔接痕和发泡痕，并可调节型腔表面的温度和冷却/胀模/抽芯开始时间来调节表面实体层的厚度，然后通过增大型腔容积，实现芯部均匀发泡；当型腔表面温度降低到设定温度开模取出制品，并通过停止供应冷却介质，降低能耗。通过所述工艺所制成的表皮制品，具有良好的表观质量，芯部发泡均匀，且密度低，触感和回弹性好。
实施例1 制品为290mmxl60mm的平板，厚度为3. 3mm，材料为热塑性聚氨酯弹性体(TPU)，热变形温度为90°C。由动模1和定模3组成型腔，其中在靠近型腔表面的部位开设冷却/加热介质通道4，以及安装温度传感器2 ;浇口在制品中心，浇道系统的容积为1.3毫升。通过注塑机的锁模机构完成动模1两次锁模动作，实现所述的组成型腔的一个或多个模具部分快速移动来增大型腔容积；即第一次合模并锁模后，获得型腔厚度为3mm，得到的型腔容积V2为139. 2毫升得到的型腔容积V2为139. 2毫升；当注胶完成后，动模1后退0. 3mm后进行第二次锁模，获得型腔厚度为3. 3mm，获得的型腔容积V3为153. 12毫升；即V3是V2的1. 1倍；采用250吨锁模力的注塑机，其中塑化系统采用2009年2月4日公开授权的ZL200820057051. 8《一种往复式螺杆塑化装置》中的塑化注射系统；发泡剂采用超临界状态的氮气，超临界流体计量装置6按照2007年11月28日公开授权的ZL200620049021. 3《气体发泡剂流量控制系统》中的注入系统经过改进，可实现每次塑化过程中精确控制发泡剂注入的流量和剂量；而模具型腔表面温度的控制装置由2008年12月24日授权公开的ZL200720075904. 6《快速控制注塑模具温度变化的装置》中所述装置经局部改进和程序调整后实现的，将该控制装置的加热介质(蒸汽)和冷却介质的输出口和回流口分别与模具的动模1和定模3的冷却/加热介质通道4的进口和出口对应连接，将温度传感器2与下面所述的中央控制器5中有关接口连接；将超临界流体计量装置6与模具型腔表面温度控制装置的控制系统集中形成一个中央控制器5，该中央控制器5进一步与塑机控制系统8连接进行通讯。这样构成了实现本发明制品生产和成型方法的一个系统。按本发明所述的方法，通过进料斗7将热塑性聚氨酯弹性体粒料加入到塑化装置中，随着螺杆9转动后退，树脂被熔融塑化，与此同时按O. 1%的重量比将超临界氮气计量注入到熔胶中，混合后形成体积VI为140. 5毫升的均相溶液，该体积等于V2与浇道系统容积之和，均相溶液的温度被控制在20(TC;将高温(180°C)饱和蒸汽通入到动模1和定模3的介质通道中，使型腔表面的温度快速升高到12(TC，通过温度传感器2检测；同时，动模1向定模3移动，闭合后形成容积为V2(139. 2毫升)的型腔；当型腔表面温度上升到12(TC时，中央控制器5向塑机控制系统8发出允许射胶信号；塑机将准备的体积为V1(140.5毫升)的均相溶液快速注入到型腔中，在注射开始的同时，停止向模具的介质通道4中供应蒸汽；随着均相溶液进入型腔，
型腔表面温度将进一步冲高到大约140°C ;然后可选择用压縮空气将通道4中的蒸汽吹出；
当体积为VI的均相溶液注射完毕后，中央控制器5根据塑机控制系统8的注射完毕信号，立即向动模1和定模3的介质通道4中通入4-7t:低温冷却水，这样对模具型腔表面进行快速冷却；与此同时，塑机对锁模机构发出指令，迅速将动模l后退O. 3mm，并再次锁模，获得型腔第二容积V3(153. 12毫升)；由于型腔中均相溶液突然释压，芯部形成大量的气泡核，并开始长大，熔体膨胀填满整个型腔；随着继续想通道中通入低温冷却水，制品中热量被带出，型腔表面温度也会随之下降；当温度传感器2检测到的型腔表面温度降低到60°C时，停止向通道中供应冷却水，并通过中央控制器5向塑机控制系统8发出允许开模的指令；模具打开，取出制品；与此同时，可选择用压縮空气将通道4中的冷却水吹出。检查取出的制品，表面无发泡痕，充分复制型腔表面的形状；剖开后，表皮未发泡层厚度为0. 1毫米厚，而芯部发泡，泡孔直径在5微米之50微米之间。用手触压，感觉柔软，回弹性好。
实施例2 采用实施例1相同的成型系统和热塑性聚氨酯弹性体材料(TPU)。与实施例1不同的参数包括 1)最终制品的尺寸为290mmxl60mmx3mm ; 2)动模1和定模3初次闭合后型腔的厚度为1. 5mm，所获得的第一型腔体积V2为69. 6毫升；二次锁模后型腔的厚度为3mm，所获得的第二型腔体积为139. 2毫升；
3)采用超临界二氧化碳作为发泡剂，注入的二氧化碳重量是树脂重量的3% ;
4)塑化混合所得的均相溶液的体积VI为67. 36毫升，即VI = (V2+浇道系统容积)x95% ; 5)冷却模具型腔表面温度到7(TC时，开模取出制品。 检查按照上述方法所制得的制品，表面无发泡痕，充分复制型腔表面的形状；剖开 表皮未发泡层厚度为0. 1毫米厚，而芯部发泡，泡孔直径在20微米之100微米之间。用手触压，感觉柔软，弹性较实施例1所制得制品要更好。
实施例3
与实施例2 —样，采用实施例1相同的成型系统和热塑性聚氨酯弹性体材料(TPU)。与实施例2不同的参数包括 1)采用超临界氮气作为发泡剂，注入的氮气重量为树脂重量的1. 2% ; 2)在向模具中通入低温冷却水以后，延时2秒后才允许动模l后退1. 5mm并锁定。 检查按照上述方法所制得的制品，表面无发泡痕，充分复制型腔表面的形状；剖开
后，表皮未发泡层厚度为0. 2毫米厚，而芯部发泡，泡孔直径在20微米之100微米之间。用
手触压，感觉柔软，弹性较实施例1所制得制品要更好。 实施例4 对比实施例l，采用相同的成型系统。与实施例1不同的参数包括
1)材料为PP/EPDM， 一种热塑性聚烯烃弹性体材料，热变形温度为IO(TC ;
2)制品为500mmxl00mmx5mm的板； 3)模具设置两个进胶点，分别在制品的两端，浇道系统的总容积为18毫升； 4)初次模具闭合后型腔厚度为4毫米，所获得第一型腔容积V2为200毫升；胀模
后型腔厚度为5毫米，所获得第二型腔容积V3为250毫升； 5)加热型腔表面温度设置在IO(TC ;加热介质为蒸汽； 6)所准备的均相溶液体积VI为214毫升，温度为210°C ; 7)采用超临界二氧化碳作为发泡剂，注入的二氧化碳重量为树脂的2. 2% ; 8)模具冷却开始后，延时2秒移动动模1到第二锁模位置； 9)冷却后可开模取件温度设定为80°C 。 检查按照上述方法所得制品，表面无发泡痕，熔接部位无可见对接痕迹，充分复制型腔表面的形状；剖开后，表皮未发泡层厚度为0. 3毫米，而芯部发泡，泡孔直径在20微米之50微米之间。用手触压，感觉柔软，弹性较实施例1所制得制品相当。
实施例5 参照实施例2，与实施例2采用相同的成型系统和工艺参数，但在向注塑机塑化装置中上料时，向树脂中加入重量比为1%的有机纳米蒙脱土作为成核剂。这种成核剂以成核剂母粒形式加入，即有机纳米蒙脱土已经在母粒的TPU树脂中充分层状剥离。这种母粒在塑化混合过程中，纳米层状蒙脱土进一步在热塑性聚氨酯弹性体树脂基体中被稀释和分散。 按照这种方法制成的制品，表面无发泡痕，充分复制型腔表面的形状；芯部的泡孔直径范围在15微米-50微米之间，泡孔密度更大。 虽然以上已经参照附图对按照本发明目的的构思和实施例作了详尽说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明做出各种改进和变换，而这种改进和变换仍然应当属于本发明的保护范围。
权利要求
一种热塑性弹性体表皮制品，其特征是，由热塑性弹性体树脂和氮气或二氧化碳组成，其中氮气或二氧化碳的加入量为按质量百分比占热塑性弹性体树脂质量的0.1％--3％之间。
2. 根据权利要求1所述的热塑性弹性体表皮制品，其特征是，所述的热塑性弹性体树 脂是热塑性聚烯烃弹性体或热塑性聚氨酯弹性体或热塑性聚苯乙烯弹性体或热塑性聚氯 乙烯弹性体中的一种。
3. 根据权利要求1所述的热塑性弹性体表皮制品，其特征是，所述热塑性弹性体可以 进一步包括成核剂。
4. 根据权利要求1所述的热塑性弹性体表皮制品，其特征是，所述的制品是发泡制品。
5. 根据权利要求1所述的热塑性弹性体表皮制品制品的生产方法，其特征是，由包括 下列步骤1) 塑化热塑性弹性体树脂，同时按预定的质量百分比将超临界状态氮气或二氧化碳注 入到熔融的热塑性弹性体树脂中并混合后获得预定体积VI的均相溶液，其中注入的超临 界状态氮气或二氧化碳的质量在热塑性弹性体树脂质量的0. 1% 3% ;2) 加热并闭合模具，使模具型腔表面温度升高至树脂热变形温度以上0-3(TC之间的 一个温度值，闭合后模具型腔具有第一容积V2 ;3) 将1)中准备的预定体积V1的均相溶液快速注入模具型腔中，并同时停止加热模具；4) 在所述预定量热塑性弹性体树脂填充完成后，立即冷却模具；5) 与4)冷却模具同步或延时预定时间，将组成模具型腔的一个或多个部分从步骤2) 中所处位置迅速移开预定距离并锁定，使所述模具型腔容积扩大到第二容积V3，其中第二 容积V3等于所述制品的体积；6) 继续冷却直至模具型腔表面温度降低到树脂热变形温度以下20-5(TC之间的一个 温度值，并开模取出制品。
6. 根据权利要求5所述的热塑性弹性体表皮制品的生产方法，其特征是，其中所述的 模具型腔第二容积V3是模具型腔的第一容积V2的1. 1之2倍之间；其中预定均相溶液的 体积VI是所述模具型腔第一容积V2与模具中浇道的容积之和的95% -100%之间。
全文摘要
本发明涉及一种热塑性弹性体发泡制品和注射成型方法，特别涉及一种具有较薄致密外壁和良好表面质量，而且内部发泡量大的柔软表皮制品及其成型方法。本发明所述的热塑性弹性体表皮制品，由热塑性弹性体树脂和氮气或二氧化碳组成，其中氮气或二氧化碳的加入量为按质量百分比占热塑性弹性体树脂质量的0.1％-3％之间；本发明的优点是，所生产的制品具有良好的表观质量，芯部发泡均匀，且密度低，触感和回弹性好。
文档编号C08J9/34GK101781406SQ20091030769
公开日2010年7月21日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者唐庆华, 桓锁成 申请人:北京中拓机械有限责任公司