CN102858529A - 复合泡沫产品 - Google Patents

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Abstract

一种复合泡沫产品，包括被不透气膜包围的泡沫芯。不透气膜保留由发泡剂形成的气体，使得泡沫芯内的压力高于环境压力。

Description

复合泡沫产品
相关申请的交叉引用
本申请基于2010年2月22日提交的序列号为12/710,098的美国非临时申请并且要求了其优先权，该非临时申请在此引入作为参考。
发明领域
本发明总地涉及复合泡沫产品和制备所述复合泡沫产品的方法。
相关领域的描述
在坚固性方面，泡沫从适合于建筑应用的刚性材料到用于软垫和包装材料的柔性物质。在泡孔形成方面，这些泡沫的范围涵盖开孔或互通的泡孔泡沫到闭孔或单孔泡沫。泡孔结构可以从大到细。电、热、力学和化学性能可以在宽的范围内变化，这取决于选择产生泡沫的热塑性树脂组合物和方法。
泡沫产品可以通过广泛种类的方法制备。在一些方法中，在加工期间将气态“发泡剂”加入可发泡材料。其他方法涉及在加工期间在可发泡材料中制备气态发泡剂。发泡剂通常通过使热塑性树脂膨胀制得具有远远小于由其制备泡沫的树脂的密度的泡孔结构而工作。气泡在“成核点”周围形成并且通过热或减压或者通过其中涉及气体的化学反应过程而膨胀。可以将添加剂引入树脂以促进特定的发泡剂成核，并且因此得到更均匀的泡孔分布。
来自用于形成泡沫泡孔结构的发泡剂的气体可以最初在增压下留在大多数闭孔泡沫的泡孔中。然而当泡沫暴露于环境中时，气态发泡剂从泡沫泡孔结构中渗出同时环境空气的组分气体渗入泡沫泡孔结构。即，氮气和氧气从周围的空气流入泡沫，并且还有发泡剂从泡沫中流出。流入/流出速率取决于参数而变化，所述参数例如气态发泡剂的分子尺寸和极性、构成泡沫的聚合物类型、泡孔尺寸、泡孔结构、压力和温度，和环境条件。但是，最终结果是泡沫泡孔内气体内部的压力最终与环境压力达到平衡。这对于均匀闭孔泡沫正是如此，因为气体分子能够渗透并且移动通过构成泡沫的聚合物分子。
发明简述
本发明涉及包括具有多个泡孔的泡沫芯的改进的复合泡沫产品。不透气膜完全包围泡沫芯的外表面并且粘附于外表面。在发泡过程期间或者之后即刻，不透气膜施加于泡沫芯的外表面，使得发泡剂气体保留在不透气膜和多个泡孔中。复合泡沫产品内的压力因此超过环境压力。不需要泵、阀或其他设备在复合泡沫产品内提供希望的升高的压力。
在另一方面，本发明涉及“基本由被不透气膜包围的泡沫芯组成”的复合泡沫产品。因此，本发明基本由以下组成：具有多个呈闭孔结构的泡孔的泡沫芯，和紧密粘附于泡沫芯的整个外表面以使得发泡剂气体保留在不透气膜中的不透气膜。多个泡孔中的压力保持在超过环境压力的压力下。其他组分可以存在于泡沫芯中，例如弹性体组分、交联剂、热稳定剂、光稳定剂、填料、成核剂、抗氧剂、着色剂和颜料。然而，这些组分不必须将泡沫芯中的压力保持在环境压力之上，因为不透气膜提供了该功能。此外，术语“基本由…组成”排除加压泡沫芯的其他方法，例如泵、阀或其他机械设备。
在仍然另一方面，本发明涉及形成本文所述的复合泡沫产品的方法。一般而言，所述方法包括由可发泡材料和发泡剂形成泡沫芯的步骤。泡沫芯中具有多个泡孔，使得多个泡孔在高于环境压力的压力下将来自发泡剂的气体保留在其中。所述方法还包括将不透气膜粘附于泡沫芯外表面的步骤。粘附步骤与形成步骤同时进行或者在形成步骤之后即刻进行，以在高于环境压力的压力下将来自发泡剂的气体保留在泡孔中。可以任选使用粘合剂以更好地粘附泡沫芯和不透气膜。
在一个方面，泡沫芯通过将可发泡材料和所述发泡剂***模具，并且然后跨越模具施加交变射频电介质场以加热所述可发泡材料而制备。例如，泡沫芯可以通过使用在第一顶部电极与第二底部电极之间产生的交变射频电介质场制备。在一个方面，不透气膜在形成泡沫芯后施加。在另一个方面，形成泡沫芯和将不透气膜粘附于泡沫芯外表面的步骤几乎同时进行。因此在一个方面，所述方法包括以下步骤：将可发泡材料和发泡剂***模具，用不透气膜包围可发泡混合物和发泡剂，并且跨越模具施加交变射频电介质场以加热可发泡材料并且形成泡沫芯。交变射频电介质场的频率优选约为1MHz至100MHz，并且交变射频电介质场的电压优选约为1000－10,000V。
在一个方面，所述方法包括以下步骤：将不透气膜设置在具有上模具和底模具的流动模塑设备的模腔的底模具上；将发泡混合物放在模腔中的不透气膜上；将另外的不透气膜放在模腔中的发泡混合物上，使得不透气膜包围发泡混合物；和加热所述发泡混合物形成所述泡沫芯。所述流动模塑设备可以具有可移动的隔膜，所述隔膜将发泡混合物和所述不透气膜与可通过一个或多个出入口(port)移动的可置换液体分开。加热使发泡混合物膨胀并且因此使得可移动隔膜移动并且通过所述一个或多个出入口置换液体。
本发明的另一些方面以及本发明附属的优点和新特征将部分地在后面的说明书中阐述，并且当检验下面内容时部分地将对于本领域技术人员变得明显，或者可从本发明的实践中学习。本发明的目的和优点可以通过在所附权利要求书中特别指出的手段和组合实现和获得。
附图简述
图1A是本发明的复合泡沫产品的横截面，其说明了被不透气膜包围的泡沫芯。示出了在模切过多的不透气膜后的复合泡沫产品。
图1B是本发明的复合泡沫产品的横截面，其说明了被不透气膜包围的泡沫芯。示出了在模切过多的不透气膜前的复合泡沫产品。
图2是在形成泡沫芯后即刻将不透气膜粘附于泡沫芯的例举的设备的横截面图。
图3A和图3B是在泡沫芯形成期间用于现场将不透气膜粘附于泡沫芯的例举的流动模塑设备的横截面图。图3A说明了在施加任何热形成泡沫芯前包围发泡混合物的不透气膜。图3B说明了在加热后其上热粘结不透气膜的泡沫芯的形成。
图4A和4B说明了包含本发明的复合泡沫产品的体操垫。图4B是通过图4A中所示的线4b取下的横截面。
优选实施方式的详述
现在转向图1A，本发明涉及改进的复合泡沫产品20，其包括具有多个泡孔的泡沫芯24。泡沫芯24的外表面被不透气膜22包围。在发泡过程期间或者之后即刻，施加不透气膜，使得发泡剂气体保留在不透气膜和多个泡孔中。由于发泡剂气体不能通过不透气膜逸出，因此复合产品的泡沫芯内的压力超过环境压力。一般而言，复合泡沫产品内的压力约为环境压力的1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或2.0倍(或之间的一些范围)。因此，在一个方面，泡沫芯中的压力约为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或2.0atm。一般而言，压力约为1.2－1.5atm，但内压将取决于泡沫芯的密度而变化。另外，长时间保持升高的压力，通常几个月和甚至几年。不需要泵、阀或其他设备在复合泡沫产品中提供希望的升高压力。
复合泡沫产品20与没有不透气膜的泡沫芯相比表现出改进的回弹性能。在一个方面，通过ASTM D7121-05测量，复合泡沫产品的回弹性比没有不透气膜的相应泡沫产品高至少约10%。在另一方面，复合泡沫产品的回弹性比没有不透气膜的相应传统泡沫产品高约10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%或50%(或之间的一些范围)。
复合产品20与没有不透气膜的泡沫芯相比表现出改进的压缩变定性能。在一个方面，复合泡沫产品的压缩变定比没有不透气膜的相应泡沫产品低至少约50%。在另一方面，复合泡沫产品的压缩变定比相应传统泡沫产品低约50%、45%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%或5%(或之间的一些范围)。
将理解不透气膜的物理性能可以改变复合泡沫产品的物理性能。例如，由于在泡沫芯周围具有不透气膜，因此拉伸强度、磨损和撕裂强度将全部被影响。
本发明还涉及制备复合泡沫产品的方法。总的来说，在发泡过程期间或者之后即刻现场施加不透气膜，使得发泡剂气体保留在不透气膜和多个泡孔中。一般而言，一旦使用常规技术制备泡沫芯，则在约120分钟，优选在60分钟，并且更优选在30分钟内施加不透气膜。优选从泡沫形成到不透气膜的形成的延迟尽可能短。因此在另一方面，在形成泡沫芯后1、2、3、4或5分钟内施加不透气膜。将理解的是在泡沫芯形成与施加不透气膜以在泡沫芯内实现希望的内部目标压力之间的时间延迟(如果有的话)可以取决于许多因素，例如气态发泡剂的分子尺寸和/或极性、构成泡沫的聚合物类型、泡沫泡孔尺寸、泡沫泡孔结构、泡沫芯形成期间泡孔的压力、泡沫泡孔的温度，和环境条件。
泡沫芯24可以由本领域技术人员已知的任何合适的发泡混合物制成。发泡混合物优选包含一种或多种可发泡材料和一种或多种发泡剂。
可发泡材料总地包括已知的热塑性或热固性材料，和它们的混合物。例子包括聚乙烯树脂、聚丙烯树脂和其他热塑性树脂。合适的聚乙烯树脂的例子是高密度聚乙烯、低密度聚乙烯(“LDPE”)、线形低密度聚乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯(“EVA”)共聚物、乙烯-甲基丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸酯-马来酸酐三元共聚物、乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯-甲基丙烯酸酯三元共聚物、乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯-乙酸乙烯酯三元共聚物、乙烯-α烯烃共聚物、改性的聚烯烃、氯化聚乙烯，和其他主要由乙烯组成的热塑性合成树脂。合适的聚丙烯树脂的例子是丙烯均聚物、丙烯-乙烯无规共聚物、丙烯-乙烯嵌段共聚物、丙烯-丁烯无规共聚物、丙烯-乙烯-丁烯三元共聚物等。合适的热塑性合成树脂的例子是聚氯乙烯(“PVC”)、聚氯乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、氯化聚氯乙烯、聚氯乙烯-乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚氯乙烯-氨基甲酸酯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物，和其他乙烯基类树脂粉末。优选的可发泡材料包括PE-EVA泡沫、PVC泡沫、乙烯基腈泡沫、PVC-腈橡胶泡沫和氯丁橡胶泡沫。当然，根据本发明也可以使用本领域技术人员已知的其他可发泡材料。另外，预期本发明将可用于新近开发的发泡技术和发泡材料。
发泡剂包括当压力释放时膨胀的压缩气体、当浸出时离开泡孔的可溶固体、当它们变成气体时显现出泡孔的液体，和在热影响下分解或反应形成气体的固体化学试剂。任何合适的发泡剂可用于可发泡混合物中。例举的发泡剂包括卤化碳例如碳氟化合物和氯氟烃；氢卤化碳例如氢氟碳和氢氯氟碳；烷基卤化物，例如氯代甲烷和氯乙烷；和烃。例举的碳氟化合物发泡剂包括1,1-二氟乙烷(HFC-152a)；1,2-二氟乙烷(HFC-152)；1,1,1,2-四氟乙烷(HFC-134a)；1,1,2,2-四氟乙烷(HFC-134)；1,1,1-三氟乙烷(HFC-143a)和1,1,2-三氟乙烷(HFC-143)；五氟乙烷(HFC-125)。例举的烃包括具有1－9个碳原子的链烷烃或链烯烃。例举的链烷烃包括丙烷、正丁烷、异丁烷、戊烷、异戊烷、己烷、异己烷、庚烷等。其他合适的发泡剂还包括化学发泡剂例如N-亚硝基化合物、磺酰肼、磺酰基氨基脲、铵和偶氮类化合物。这些化合物包括二亚硝基五亚甲基四胺、N,N'-二亚硝基-N-N'-二甲基对苯二甲酰亚胺、4,4'-氧联双(苯磺酰肼)、对-甲苯磺酰基氨基脲、p,p'-氧联双(苯磺酰基氨基脲)、偶氮二羧酸的钡盐、偶氮二羧酸二异丙酯、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸氢钾、二偶氮氨基苯、二偶氮氨基甲苯、偶氮二碳酰胺、二偶氮异丁腈等。在优选方面，发泡剂包括一种或多种纯的或惰性的发泡剂，例如空气、二氧化碳、氮气、氩气、氙气、氪气、氦气、水，和形成这些化合物的试剂。氮气和二氧化碳特别具有廉价、容易获得并且不易燃的优点，并且不被看作是对地球的臭氧层有害。优选的化学发泡剂通常是在特定温度下分解并且释放惰性气体例如氮气、二氧化碳或一氧化碳的低分子量有机化合物。一种优选的惰性发泡剂是偶氮二碳酰胺AZ130。在一个方面，由发泡剂制备的气态组合物是42%N2、21%CO2、21%NH3和16%CO。
还将理解发泡剂可以包括任何上述发泡剂的两种或更多种的混合物。参见例如Lee等,美国专利No.6,583,190；Lee等,美国专利No.5,348,984；Lee等,美国专利No.5,462,974；和Ealding,美国专利No.3,939,238。当使用多种发泡剂时，发泡剂可以在相同或不同温度下分解并且释放发泡剂气体。
引入发泡混合物的发泡剂的量约为0.2－约30，优选约0.5－约10，并且最优选约1.5－8份/百份树脂(“phr”)。因此在一个方面，发泡剂可以占发泡混合物的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或30phr，或者其间的一些范围。使用的发泡剂的量将取决于发泡材料的组成和泡沫芯的密度。例如，对于具有约2lbs/ft3密度的EVA/LDPE泡沫芯，通常使用18phr偶氮二碳酰胺。具有1.5lbs/ft3密度的EVA/LDPE泡沫芯通常使用约25phr偶氮二碳酰胺。
如果希望，发泡混合物可以任选地包含弹性体组分例如聚异丁烯、聚丁二烯、乙烯/丙烯共聚物，和乙烯/丙烯二烯烃互聚物。其他可能的另外的组分包括一种或多种交联剂、热稳定剂、光稳定剂、填料、成核剂、抗氧剂、着色剂和颜料，以及润滑剂。例如，交联剂包括过氧化物，例如过氧化二异丙苯、过氧化二苯甲酰、过苯甲酸叔丁酯、2,5-双(叔丁基过氧)-2,5-二甲基己烷和2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧)。可以使用的惰性成核剂包括氧化镁、氧化钙、氧化锌、氧化铅、氧化钡和滑石。
合适的润滑剂包括例如，但不限于各种烃，如石蜡；石蜡油；低分子量聚乙烯；氧化聚乙烯；酰胺蜡；脂肪酸金属盐；脂肪酸酯例如硬脂酸丁酯；脂肪醇，例如鲸蜡醇、硬脂醇或十八烷醇；金属皂例如油酸的钙或锌盐；有机酸脂肪酰胺；多醇酯例如单硬脂酸甘油酯、二硬脂酸六甘油酯和它们的混合物。将使用的可能的脂肪酸的例子包括但不限于硬脂酸和硬脂酸钙。
另外，将理解通过将丝线或纤维或织物包括在其中，可以增强泡沫芯。典型的增强物可以是无机材料例如纤维玻璃或碳纤维；天然有机纤维例如蚕丝、棉花、羊毛等，或者合成有机纤维例如氨基甲酸酯纤维、尼龙丝线、尼龙织物、芳族聚酰胺丝线和织物等。该增强物可以层压在泡沫芯中(在不透气膜上面或下面)，或者引入发泡混合物。
泡沫芯优选具有闭孔结构。一般而言，闭孔泡沫不具有相通的孔/口。泡沫芯的典型密度为约0.5－约25磅/立方英尺。优选的泡沫密度为约2－12磅/立方英尺。一般而言，泡沫芯的密度约为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12磅/立方英尺，或其间的一些范围。
在本发明中，不透过膜包围泡沫芯的外表面。在一个方面，不透气膜包含选自聚烯烃、聚氨酯、聚乙烯基化合物、聚醚和聚酯的材料。例举的不透气膜包括由以下制成的那些：聚甲基戊烯均聚物或共聚物、聚乙烯均聚物或共聚物、聚丙烯均聚物或共聚物、聚醚-嵌段-酰胺共聚物、聚醚-聚酯共聚物、共聚酯和聚氯乙烯。在另一方面，不透气膜包括聚乙烯/乙烯醇共聚物("EVOH")、SARAN、聚(偏二氯乙烯)共聚物("PVDC")、聚对苯二甲酸乙二醇酯("PET")、聚酰胺(″PA")、尼龙或热塑性聚氨酯("TPU")。不透气膜可以包括一个或多个材料层。另外，这些层可以不同的方向施加。
不透气膜可以具有任何合适的厚度。一般而言，所述膜约为1－200密耳厚，优选约2－100密耳的厚度，并且用约10－约50密耳的厚度实现优良的结果。一般而言，使用具有约10、20、30、40、50、60、70、80、90或100密耳或其间的一些范围的厚度的膜。厚度可以是均匀或非-均匀的。
在本发明中，将泡沫芯在基本全部其外表面上紧密附着(胶粘、粘结、熔接等)于不透气膜的内表面。即，泡沫芯相对于壁压紧并且壁相对于芯挤入。在不透气膜与泡沫芯之间没有气体，这将造成这些区域不希望的充气。泡沫芯与外壁之间的紧密粘附接触产生不可预期程度的产品完整性和不可预期地优良的冲击吸收能力。
可以任选地使用一种或多种粘合剂将不透气膜粘附于泡沫芯的外表面。该粘合剂最便利地是活化粘合剂，例如光活化粘合剂、UV活化粘合剂或热活化粘合剂，以允许泡沫芯一起粘附于不透气膜上并且然后在泡沫芯形成后即刻粘结。典型的热活化粘合剂是由Uniroyal出售的Royal粘合剂DC511324材料。该粘合剂是两部分聚(氨基甲酸酯)/异氰酸酯粘合剂，其具有额外优点，是水基的。该材料在300-325F下热活化形成坚韧的粘附粘结。其他有用的粘合剂可以包括环氧粘合剂、接触接合剂(cement)型聚(氨基甲酸酯)粘合剂例如Uniroyal"Silaprenes"、3M"Scothgrip"粘合剂，和异戊二烯接触接合剂。其他合适的粘合剂包括EVA粘结膜和PU粘结膜的组合。例如，可以将两个粘结膜一起共挤出并且粘附于不透气膜。作为选择，可以将不透气膜和两个粘结膜一起共挤出。然后可以使用三层膜并且将不透气膜粘附于泡沫芯。
在本发明中，在发泡过程期间或者之后即刻，施加不透气膜，使得发泡剂气体保留在不透气膜和多个泡孔中。由于发泡剂气体不能通过不透气膜逸出，因此复合泡沫产品内的压力超过环境压力。与没有不透气膜的泡沫芯相比，复合产品表现出改进的回弹和压缩性能。现在将在下面的例举实施方式中描述复合产品的制备。
第一例举实施方式
在第一例举实施方式中，使用常规技术例如使用注塑、对流炉模塑、微波模塑、射频模塑或本领域技术人员已知的任何其他泡沫模塑技术制备泡沫芯。在泡沫芯形成后即刻，将不透气膜粘附于外表面以将来自发泡剂的气体保留在泡沫芯中。
在优选方面，泡沫芯由使用交变射频电介质场将模腔加热的模塑设备制备。例如在一个方面，流动模塑设备可以包括顶部电极和底部电极与设置在其间的模具。将可发泡材料和发泡剂放在模具的模腔中并且然后在加热循环期间压缩。热终止后，当其冷却时允许压缩的可发泡材料膨胀以符合模具的形状并且由此形成发泡的芯。这类模塑设备的例子公开于Marc的美国专利No.4,441,876，Marc的美国专利Nos.4,524,037和Marc的美国专利公开No.2006/0012082中，这些引入作为参考。根据Marc的美国专利公开No.2006/0012082，可以在泡沫芯的外表面上形成硬化的表皮。该硬化的表皮降低了发泡剂气体从闭孔泡沫芯中的泡孔中逸出的速率，因为泡沫芯的该部分通常比泡沫芯的内部更少透过气体。
在形成泡沫芯后，然后将不透气膜粘附于泡沫芯的外面。一般而言，允许泡沫芯冷却以使泡沫芯的尺寸和形状稳定，获得大约环境温度至约100℃的温度。还优选泡沫芯的外表面保持在基本恒定的温度下，使得不透气膜对于泡沫芯的粘结在通常相同的速率下进行。重要的是，在泡沫芯形成后即刻将不透气膜施加于泡沫芯，使得泡沫芯中的压力高于环境压力。一般而言，这在泡沫芯形成后的1－20分钟内进行，但不透气膜可以延迟粘附的程度取决于因素例如泡沫芯厚度和密度。
最优选地，使用用于施加交变射频电介质场的设备将不透气膜粘结于泡沫芯。例举的设备示于图2中。更具体地，设备10包括顶部电极12和底部电极14，它们均与可工作以在电极之间产生介电场的电磁能来源或产生器(未示出)相连。产生器可以包含功率管和LC电路，或者可以选择性包含固态技术。优选地，将产生器调至在希望的频率下共振，这当包括负荷(即泡沫芯、不透气膜和模具)的总电容等于总电感时进行。例如，顶部电极12可以是高电压电极，而底部电极14是接地电极(或反之亦然)。介电场可以在约1MHz至100MHz的频率产生，并且优选在约25MHz至40MHz产生。最优选地，介电场在27.12MHz或40.68MHz产生(它们均允许中心频率用于工业、科学和医学(ISM)应用)。设备10内还包括上模具16和下模具18，它们一起将模腔界定在其间。模腔成型以符合泡沫芯的形状。模具通常由硅橡胶V-1008(由Rhodia Inc.生产)制备。
一般而言，将不透气膜22(和任选的粘结膜)预加热并且然后放在下模具18上。关闭模腔并且施加真空以使不透气膜22(和任选的粘结膜)预成型为模具的形状。打开模腔，并且然后将已经形成的泡沫芯24放在上模具和底模具与两个电极之间。将另一不透气膜22(和任选的粘结膜)放在泡沫芯与上模具16之间的泡沫芯24顶上。一般而言，过多的不透气膜(和/或任选的粘结膜)延伸超出模腔，有助于确保泡沫芯24的外表面完全覆盖，如总地在图2中所示。关键方面是不透气膜包围泡沫芯24的整个外表面。电极之间产生的交变射频电介质场加热不透气膜22，由此将膜热粘结于泡沫芯24。
贯穿泡沫芯和/或不透气膜(如果需要)的受控加热可以总地如Marc,美国专利Nos.4,441,876中所述的那样获得，该专利在此引入作为参考。一般而言，为了获得均匀的加热，在整个不透气膜的所有不同厚度区域中保持恒定的电容。这可以通过使不透气膜与模具之间的相对介电常数相等，优选地通过使用添加剂通过改变模具的相对介电常数来完成。作为选择，通过在不透气膜的不同厚度区域改变顶部电极与底部电极之间的间距，可以使电容相等。
将理解在大多数情形中，不透气膜(和任选的粘结膜)的熔融/软化温度将小于已经形成的泡沫芯开始分解的温度。因此一般而言，可以不使用任何添加剂将不透气膜粘附于泡沫芯。然而如果不透气膜和泡沫芯由类似材料制成，则它们将可能具有类似的介电常数和功率因子，并且因此在类似的速率下加热。可以将添加剂放在发泡混合物(和所得的泡沫芯)中，以根据需要改变加热速率，如总地在Marc的美国公开No.2006/0012083中所述，该公开物在此引入作为参考。所需的加热也可以取决于所述的粘合剂是否将不透气膜粘附于泡沫芯。一般而言，当使用粘合剂将不透气膜粘附于泡沫芯时，在加热步骤期间达到约80－120℃的温度。然而，当不使用粘合剂将不透气膜粘附于泡沫芯时，加热期间的温度通常达到约150－190℃。
在从设备10中取出后，得到的复合泡沫产品20示于图1B中。过量的不透气膜22可以从复合产品中除去，如总地在图1A中所示。一般而言，将复合泡沫产品模切以除去过量的膜22。可以使用其他除去方法，例如人工切割、撕裂等。
在复合泡沫产品20中，不透气膜22包围泡沫芯24的整个外表面并且粘附于外表面，由此将来自发泡剂的气体保留在泡沫芯的多个泡孔中。由于发泡剂气体不能通过不透气膜逸出，因此复合泡沫产品20内的压力超过环境压力。重要的是在不透气膜与泡沫芯的外表面之间没有捕集空气，使得膜与外表面紧密接触。泡沫芯与不透气膜之间的紧密粘附接触产生不可预期程度的产品完整性和不可预期地优良的冲击吸收能力。
作为例子，制备包含以下发泡混合物作为树脂混合物的泡沫芯，所述发泡混合物具有35%乙烯乙酸乙酯、39%乙烯-辛烯共聚物和26%乙烯-丙烯-二烯橡胶("EPDM")，亚乙基降冰片烯作为二烯。发泡混合物还包含2.6phr氧化锌、0.7phr硬脂酸、0.9phr聚乙二醇、8.8phr偶氮二碳酰胺、3.5phr纯的钛、1.0phr过氧化二异丙苯和13phr煅制二氧化硅。使用已知方法使用RF制备泡沫芯。在泡沫芯形成后约0.5小时，将热塑性聚氨酯膜粘附于泡沫芯的外表面，由此将泡沫芯内的发泡剂气体保留在超过环境压力的压力下。更具体地，使用具有图2中所示的一般结构的模塑设备。使用两种粘结膜:Polyurethane 3281(Bemis Associates,Inc.,Shirley,MA)和EVA 449(WorthenIndustries,Nashua,NH)将不透气膜粘附于泡沫芯。不透气膜和粘结膜约为0.5mm厚，并且首先在底模具中产生真空几秒以使得不透气膜符合模具的形状。将泡沫芯放入模具，并且将另一层的不透气膜和粘结膜放在泡沫芯的顶上。然后在27.12MHz施加RF约40秒。为了比较，制备其中不施加不透气膜的泡沫芯。
结果
使用ASTM D7121-05测量泡沫产品的回弹性。使球下落23.5英寸，并且测量回弹性。没有不透气膜的泡沫的回弹性在形成后1天为55%，并且在1年后约47%。有不透气膜的本发明复合泡沫产品的回弹性在形成后1天为68%，并且在1年后约62%。泡沫芯的密度约为8.5磅/立方英尺。
还在50℃下将泡沫压缩至其一半厚度6小时后，通过测量压缩程度来测量泡沫的压缩性。没有不透气膜的EVA泡沫的压缩性为30%。不透气膜包围泡沫芯的复合泡沫产品的压缩性在5%以下。
第二例举实施方式
在第二例举实施方式中，如总地在图3A和3B中所示，泡沫芯124的形成和不透气膜122(和任选的粘结膜)的粘附均在现场进行，并且最优选在单个连续步骤中进行。一般而言，使用单一模塑设备形成泡沫芯和将不透气膜粘附于泡沫芯。在模塑设备的模腔中提供包围发泡混合物的不透气膜。当发泡混合物达到其发泡温度时，来自发泡剂的气体使得可发泡材料膨胀成具有模塑设备的形状、用不透气膜加衬的泡沫芯。同时，泡沫芯与不透气膜热粘结。
用于制备复合泡沫制品的优选的流动模塑设备包括顶部电极和底部电极与设置在其间的两件模具。模具支承隔膜，使得不透气膜和发泡混合物(包含可发泡材料和发泡剂)可以放在隔膜与下模具之间。将液体注入隔膜上方的模具以最初使隔膜偏转，并且因此将基本所有的空气从模具中排出。然后在加热循环期间当发泡混合物膨胀以将液体挤出时，将液体从模具中抽出。这类设备的例子公开于Marc的美国专利Nos.4,851,167和4,268,238中，这些专利在此引入作为参考。例举的液体包括导电液体(例如汞等)或介电液体。
例举的设备示于图3A-3B中。更具体地，设备110包括顶部电极112和底部电极114，它们均与可工作以在电极之间产生介电场的电磁能来源或产生器(未示出)相连。例如，顶部电极112可以是高电压电极，而底部电极114是接地电极(或反之亦然)。介电场可以在约1MHz至100MHz的频率产生，并且优选在约25MHz至40MHz产生。最优选地，介电场在27.12MHz或40.68MHz产生(它们均允许中心频率用于工业、科学和医学(ISM)应用)。设备110内还包括上模具116和下模具118，它们一起将模腔界定在其间。模具通常由硅橡胶制成，其优选用刚性非-金属框架增强。设备还包括设置在模腔中的可移动隔膜130，其用于将发泡混合物121和不透气膜122与可通过一个或多个出入口142移动的可置换液体140分开。
一般而言，如图3A中所示，将不透气膜122(和任选的粘结膜)预加热并且然后放在下模具118上。关闭模腔并且施加真空以使不透气膜122(和任选的粘结膜)预成型为模具的形状。打开模腔，并且将包含可发泡材料和发泡剂的发泡混合物121放在上模具和底模具与两个电极之间，使得发泡混合物有效地变成电容器的电介质。将另一不透气膜22(和任选的粘结膜)放在发泡混合物121与上模具116之间的发泡混合物121上。一般而言，过多的不透气膜122(和/或任选的粘结膜)延伸超出模腔，有助于确保复合产品的外表面完全覆盖，如总地在图3A中所示。关键方面是一旦复合产品形成，不透气膜包围泡沫芯24的整个外表面。将另一不透气膜122放在发泡混合物上。发泡混合物、膜和模具有效地成为电容器的电介质。在电极之间产生的交变射频电介质场加热发泡混合物121，使得由发泡剂形成的气体膨胀并且制得泡沫芯。可移动的隔膜130向上偏转，使得其通过泡孔142从模腔中置换可置换的液体140。当发泡混合物121加热并且膨胀形成泡沫芯124(图3B)以符合不透气膜122时，使用交变射频电介质场将膜122热粘结于泡沫芯124。在修剪泡沫芯外面周围的过量不透气膜后，由此形成复合泡沫产品20。
在泡沫芯形成期间，发泡混合物的温度通常增至约150－200℃，但制备泡沫芯所需的确切温度取决于特定发泡混合物的组分。如总地在Marc,美国专利No.4,441,876中所述，可以贯穿发泡混合物和不透气膜获得均匀加热，该专利在此引入作为参考。不透气膜的温度通常达到约150－190℃。一般而言，不透气膜软化的温度小于发泡混合物的发泡温度。
将理解本发明不限于具有被不透气膜包围的单种泡沫芯材料的复合泡沫产品。即，泡沫芯可以包含两种或更多种具有不同发泡/模塑温度和单一加热或模塑循环的不同可发泡材料(分层或混合在一起)。可以使用Marc,美国公开No.2006/0012083中公开的设备形成泡沫芯，该公开物在此引入作为参考。
本发明的复合泡沫产品可以具有任何合适的尺寸和形状，取决于希望的应用和用途。总的来说，本发明的复合泡沫产品可以成型以在要求高效冲击吸收中找到应用，例如运动穿戴品(尤其是鞋中的脚后跟或脚底鞋垫、肩垫、腿垫、臀垫、头盔)、体操垫、座位***、汽车内部填充材料等。
如总地在图4A和4B中所示，可以总地相对于它们作为体操垫的应用来描述复合泡沫产品的优点。体操垫包括大的12mx12m复合泡沫产品20，该产品具有包围泡沫芯24的不透气膜22。构成泡沫芯的泡孔内的压力高于环境压力。因此，与传统的垫相比，所述垫具有改进的回弹和压缩变定性能。
复合泡沫产品的优点还可以总地相对于它们作为鞋中的脚后跟垫的应用来描述。当使用传统脚后跟垫时，脚后跟向下的压力造成垫的中心严重下压，使得脚后跟垫的边缘增胀向上。当使用气囊(bladder)时，在受到压缩力时气体在囊中快速前后移动。这可能对于穿鞋者而言不舒适。当使用包含被不透气膜包围的泡沫芯的脚后跟垫时，垫的中心最小地下压并且在垫的边缘周围也存在最小的增胀。脚后跟垫能够显著回弹并且经受较少的压缩。一般而言，当受到压缩力时，本发明的复合泡沫产品内的气体在泡沫芯中的泡孔到泡孔相对缓慢地行进。
从前述内容将看出本发明非常适于实现上文所述的所有目标和目的，连同本发明显而易见和固有的其他优点。由于在不偏离本发明范围的条件下，可以作出本发明的许多可能的实施方式，因此将理解本文所述或者在附图中示出的所有事物将被解释为说明性的，并且没有限制的含义。尽管已经示出和论述了具体的实施方式，但当然可以进行各种改进，并且本发明不限于本文所述的具体形式或者部分和步骤的布置，除了这些限制包括在以下权利要求的范围之外。另外，将理解一些特征和亚组合是有用的并且可以不参照其他特征和亚组合而使用。这通过权利要求的范围构思并且处于权利要求的范围内。

Claims (26)

1.一种形成复合泡沫产品的方法，包括：
由可发泡材料和发泡剂形成泡沫芯，所述泡沫芯中有多个泡孔，所述多个泡孔将来自所述发泡剂的气体在高于环境压力的压力下保留在其中，并且所述泡沫芯具有外表面；和
将不透气膜粘附于所述泡沫芯的所述外表面；
其中所述粘附步骤与所述形成步骤同时进行或者在形成步骤之后即刻进行，以将来自所述发泡剂的所述气体在高于所述环境压力的所述压力下保留在所述泡孔中。
2.权利要求1的方法，其中所述可发泡材料选自聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、热塑性树脂，或它们的混合物。
3.权利要求1的方法，其中所述可发泡材料选自高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、乙烯-甲基丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸酯-马来酸酐三元共聚物、乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯-甲基丙烯酸酯三元共聚物、乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯-乙酸乙烯酯三元共聚物、乙烯-α烯烃共聚物、改性的聚烯烃，和氯化聚乙烯。
4.权利要求1的方法，其中所述可发泡材料选自丙烯均聚物、丙烯-乙烯无规共聚物、丙烯-乙烯嵌段共聚物、丙烯-丁烯无规共聚物，和丙烯-乙烯-丁烯三元共聚物。
5.权利要求1的方法，其中所述可发泡材料选自聚氯乙烯、聚氯乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、氯化聚氯乙烯、聚氯乙烯-乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚氯乙烯-氨基甲酸酯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物、PVC-腈橡胶，和其他乙烯基类树脂粉末。
6.权利要求1的方法，其中所述发泡剂选自N-亚硝基化合物、磺酰肼、磺酰基氨基脲、铵和偶氮类化合物。
7.权利要求1的方法，其中来自所述发泡剂的所述气体基本为惰性气体。
8.权利要求1的方法，其中所述不透气膜选自聚烯烃、聚氨酯、聚乙烯基化合物、聚醚和聚酯中的一种或多种。
9.权利要求1的方法，其中所述不透气膜选自聚乙烯/乙烯醇共聚物、聚(偏二氯乙烯)共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、尼龙和热塑性聚氨酯。
10.权利要求1的方法，其中所述粘附步骤通过将粘附膜施加于所述泡沫芯与所述不透气膜之间进行。
11.权利要求1的方法，其中所述形成所述泡沫芯的步骤包括以下步骤：
将所述可发泡材料和所述发泡剂***模具；
跨越所述模具施加交变射频电介质场以加热所述可发泡材料。
12.权利要求10的方法，其中所述交变射频电介质场在第一顶部电极与第二底部电极之间产生。
13.权利要求12的方法，其中所述第一顶部电极是具有1000－10,000V电压的高电压电极。
14.权利要求1的方法：
其中所述形成所述泡沫芯的步骤包括以下步骤：将所述可发泡材料和所述发泡剂***模具，和跨越所述模具施加交变射频电介质场以加热所述可发泡材料并且形成所述泡沫芯；和
其中所述粘附步骤包括以下步骤：用不透气膜包围所述泡沫芯的所述外表面，将所述包围的泡沫芯***模具，和跨越所述模具施加交变射频电介质场以加热不透气膜并且将所述膜粘附于所述泡沫芯的所述外表面。
15.一种形成复合泡沫产品的方法，包括：
形成包含可发泡材料和发泡剂的发泡混合物；
用不透气膜包围所述发泡混合物；
加热所述发泡混合物和所述不透气膜，其中所述发泡混合物形成具有外表面的泡沫芯，所述泡沫芯中有多个泡孔，所述多个泡孔中具有在高于环境压力的压力下的来自所述发泡剂的气体；并且其中将所述不透气膜粘附于所述泡沫芯的所述外表面。
16.权利要求15的方法，其中所述加热通过将具有频率的交变射频电介质场施加于所述发泡混合物进行。
17.权利要求16的方法，其中所述交变射频电介质场的所述频率为约1MHz至100MHz，并且其中所述交变射频电介质场的所述电压为约1000－10,000V。
18.权利要求15的方法，包括以下步骤：
将所述不透气膜设置在流动模塑设备的模腔的底模具上，所述流动模塑设备具有上模具和所述底模具；
将所述发泡混合物放在所述模腔中的所述不透气膜上；
将另外的不透气膜放在所述模腔中的所述发泡混合物上，使得所述不透气膜包围所述发泡混合物；和
加热所述发泡混合物形成所述泡沫芯。
19.权利要求18的方法，其中所述流动模塑设备进一步包括可移动的隔膜，所述隔膜将所述发泡混合物和所述不透气膜与可通过一个或多个出入口移动的可置换液体分开；和
其中所述加热使所述可移动隔膜移动并且通过所述一个或多个出入口置换所述液体。
20.一种复合泡沫产品，包括：
具有多个呈闭孔结构的泡孔的泡沫芯，所述泡沫芯具有外表面，和
紧密粘附于泡沫芯的整个外表面的不透气膜；
其中发泡剂气体被所述不透气膜在超过环境压力的压力下保留在所述多个泡孔中。
21.权利要求20的复合泡沫产品，其中所述多个泡孔中的所述压力为环境压力的约1.1－2.0倍。
22.权利要求20的复合泡沫产品，其基本由以下组成：具有多个呈闭孔结构的泡孔的泡沫芯；和紧密粘附于泡沫芯的整个外表面以使得在超过环境压力的压力下发泡剂气体保留在多个泡孔中的不透气膜。
23.权利要求20的复合泡沫产品，其由以下组成：具有多个呈闭孔结构的泡孔的泡沫芯；和紧密粘附于泡沫芯的整个外表面以使得在超过环境压力的压力下发泡剂气体保留在所述多个泡孔中的不透气膜。
24.权利要求20的复合泡沫产品，其中所述泡沫芯由聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、热塑性树脂，或它们的混合物构成。
25.权利要求20的复合泡沫产品，其中所述不透气膜选自聚烯烃、聚氨酯、聚乙烯基化合物、聚醚和聚酯中的一种或多种。
26.权利要求20的复合泡沫产品，其中所述发泡剂气体包括一种或多种选自氮气、二氧化碳和一氧化碳的气体。
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