基于包含硅氧烷的(共)聚合物和共混物的微米、亚微米和/或纳米孔泡沫的制作方法

基于包含硅氧烷的(共)聚合物和共混物的微米、亚微米和/或纳米孔泡沫
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2018年12月20日提交的欧洲专利申请第18214797.5号的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本公开一般地涉及聚合物泡沫以及不限于用于制备聚合物泡沫、例如由珠形成的聚合物泡沫的方法和系统。


背景技术：

4.微孔泡沫定义为具有1微米至50微米的平均泡孔尺寸。微孔泡沫通常比普通泡沫具有性能优势。例如，与普通泡沫相比，微孔发泡能够使重量减轻(10％至30％)，机械强度降低最小。由于泡孔尺寸减小，微孔泡沫具有较低的裂纹扩展性能，同时与大孔泡沫(例如，具有大于50微米泡孔尺寸的泡沫)相比，冲击性能和韧性增加。相对于微孔泡沫，100nm或小于100nm的泡孔尺寸的纳米孔泡沫具有独特的导热性、光学性能或机械性能。然而，微米和纳米孔泡沫的泡孔壁和泡孔支柱极其薄，并且特别是在它们在发泡过程(例如，挤出或注射发泡)的形成过程中，其具有坍塌的趋势并且限制达到低泡沫泡孔(孔)密度和增加泡沫的密度/重量。另外，微米和纳米孔泡沫趋于具有相对高的密度，例如大于300kg/m3的密度。
5.当使用固态发泡时，固态发泡涉及使用超临界流体，超临界流体利用需要更加谨慎和昂贵的压力容器的高压，由聚合物材料制成的纳米孔泡沫可实现极其小的泡孔(例如，小于20nm)。然而，具有这样小泡孔尺寸的纳米孔聚合物泡沫具有相对高的密度(例如，大于300kg/m3的密度)并且仅限于薄和小部件几何形状。另外，固态发泡不太适合工业规模生产。例如，单块超过几毫米厚的聚合物的饱和会需要数小时或数天。此外，固态和挤出发泡的应用可受到限制，并且通常用于制备较小部件，例如尺寸为50毫米、厚度仅为几毫米的部件。


技术实现要素：

6.本公开描述了微米和/或纳米孔聚合物珠泡沫，以及形成微米和/或纳米孔聚合物珠泡沫的方法、装置和系统。本文所述的聚合物珠泡沫在本文中通常称为微米和纳米孔聚合物泡沫并且包括/涵盖微米孔泡沫、亚微米孔泡沫、纳米孔泡沫，和具有微米、亚微米和/或纳米尺寸泡孔的混合泡沫。如本文所用，微米孔泡沫包括具有1微米至100微米的平均孔(泡孔)尺寸的泡沫，亚微米孔泡沫包括具有0.5微米至1微米的平均孔(泡孔)尺寸的泡沫，和纳米孔泡沫包括具有10纳米至500纳米的平均孔(泡孔)尺寸的泡沫。本文所述的微米和纳米孔聚合物珠泡沫包含基于硅氧烷的共聚物并且具有小于或等于300kg/m3的密度。在一些实施方案中，本文所述的微米和纳米孔聚合物珠泡沫包含基于硅氧烷的共聚物并且具有小于或等于200kg/m3的密度。在特定实施方案中，基于硅氧烷的共聚物是聚碳酸酯
‑
硅氧烷
嵌段共聚物。在一些实施方案中，微孔聚合物泡沫可具有基本上10e9个至10e12个泡孔每立方厘米的泡孔密度，并且纳米孔聚合物泡沫可具有大于基本上10e15个泡孔每立方厘米的泡孔密度。另外或替代地，微米和纳米孔聚合物泡沫可实现约0.15的相对密度。因此，本文所述的每个微米和纳米孔聚合物泡沫具有减小的密度并且因此在合并入或成形到其他部件或组件中时提供重量减轻。
7.另外，本文所述的用于制备微米和纳米孔聚合物泡沫的方法、系统和装置比传统的发泡和形成方法具有额外的益处。本文所述的微米和纳米孔聚合物泡沫可使用通过珠发泡工艺例如压力容器珠发泡工艺生成的发泡珠来形成。这种压力容器珠发泡工艺的一个实例是高压釜珠发泡工艺。珠发泡可制备具有复杂三维几何形状的低密度泡沫产品，其是替代固态、挤出、和泡沫注塑成型的发泡工艺。在珠发泡制造中，低密度泡沫珠(又名发泡珠)成型为最终的泡沫产品形状。压力容器珠发泡可以放大或用于工业规模的工艺，从而提供改善的商业化和更广泛的产品采用。此外，与其他发泡技术相比，微米和纳米孔聚合物珠泡沫可以制备出更广泛的部件形状和尺寸。举例说明，珠泡沫(与固态泡沫、挤出泡沫和注塑泡沫相比)可以实现更复杂的部件几何形状并且具有更高程度的尺寸精度。使用本文所述的基于硅氧烷的共聚物和方法，可以通过压力容器珠发泡例如高压釜珠发泡来制备纳米孔聚合物泡沫。在一些实施方案中，本文所述的压力容器珠发泡工艺可产生不含固体皮层和/或具有2微米至25微米的泡孔尺寸的均质珠。另外，与通过其他方法(例如，挤出、泡沫注塑和固态发泡)、系统或装置制成的微米和纳米孔聚合物泡沫相比，通过本文所述的方法、系统和/或装置制成的微米和纳米孔聚合物泡沫具有减小的密度。
8.因此，本公开描述了具有减小密度(改善的孔密度)和减轻重量的微米和纳米孔聚合物泡沫。本公开还描述了用于在工业规模上更迅速制备具有高尺寸精度的复杂部件几何形状的微米和纳米孔聚合物泡沫的方法、系统和装置。因此，与传统的微米和纳米孔泡沫和方法相比，本文所述的聚合物泡沫、方法、系统和装置能够使制备的产品更轻、更小、更便宜，并且更迅速制备。
9.本文所述的方法和泡沫可有利地具有增加的孔密度和减小的泡沫密度，同时保留微米和/或纳米孔尺寸。一种可从这种微米和纳米孔聚合物泡沫受益的特定产品是隔热材料。其他可从这种微米和纳米孔聚合物泡沫受益的特定产品是膜和过滤器。因此，本公开克服了减小微米和纳米孔泡沫密度并且改进制造微米和纳米泡沫的方法的现有挑战。
10.本文公开的聚合物泡沫可以是开孔或闭孔。如本文所公开，术语“泡孔”定义为构成泡沫的空腔。泡孔可包括“开孔结构”、“闭孔结构”或其组合。“开孔结构”定义为在一侧或多侧开放的空腔。开孔结构可以连接至其他开孔或闭孔结构。“闭孔结构”定义为不具有开口的空腔。闭孔结构可以存在或可以不存在于聚合物泡沫的表面上。如果存在，闭孔的表层可以形成泡沫表面的一部分。
11.本文所述的聚合物泡沫的平均孔(泡孔)尺寸可以通过冷冻断裂泡沫部分以产生样品来确定。举例说明，将泡沫部分用液氮或其他冷冻剂快速冷冻，并且用猛烈打击将其断裂以生成样品。样品横截面的代表性部分(例如，尺寸介于2微米
×
2微米至10微米
×
10微米的面积)通过电子显微镜(例如，扫描电子显微镜(sem))分析以确定样品的许多随机孔(例如，50个至200个)的最大横向尺寸和最小横向尺寸。举例说明，确定100个孔的最大和最小孔宽度，这些孔是从样品的5微米
×
5微米的切片中随机选择或伪随机选择的，以生成样品
和泡沫部分的平均孔尺寸值。
12.本发明聚合物泡沫的一些实施方案包含：基于硅氧烷的共聚物，其中聚合物泡沫具有小于或等于300kg/m3的密度，其根据astm d1622测量。聚合物泡沫具有小于4微米的平均泡孔尺寸，平均泡孔尺寸基于如下计算：冷冻断裂聚合物泡沫以生成聚合物泡沫的横截面，将聚合物泡沫的横截面通过电子显微镜进行分析以确定100个随机或伪随机选择的泡孔的最大横向尺寸和最小横向尺寸的平均值。在一些实施方案中，聚合物泡沫包含珠泡沫，并且聚合物泡沫具有10nm至20微米的平均孔尺寸，0.15至0.3的相对密度，或两者。在特定实施方案中，聚合物泡沫包含珠泡沫，平均泡孔尺寸为10nm至3.9微米，聚合物泡沫具有0.15至0.3的相对密度，相对密度基于聚合物泡沫的密度除以聚合物泡沫的聚合物材料的密度，聚合物材料包括基于硅氧烷的共聚物。
13.在一些前述实施方案中，聚合物泡沫包含纳米孔聚合物泡沫，并且具有大于或等于10e15个泡孔每立方厘米的泡孔密度，并且平均泡孔尺寸为10nm至500nm，泡孔密度为基于聚合物泡沫的横截面至少一部分的图像分析。在其他实施方案中，聚合物泡沫包含亚微米孔聚合物泡沫，并且具有10e12个至10e15个泡孔每立方厘米的泡孔密度，并且平均泡孔尺寸为0.5微米至1微米。或者，聚合物泡沫包含微米孔聚合物泡沫，并且具有10e9个至10e15个泡孔每立方厘米的泡孔密度，并且平均泡孔尺寸为1微米至3.9微米。
14.在聚合物泡沫的一些前述实施方案中，基于硅氧烷的共聚物包括0.1重量％至25重量％的硅氧烷，基于硅氧烷的共聚物包括聚碳酸酯
‑
硅氧烷共聚物、聚苯醚
–
硅氧烷共聚物、聚醚酰亚胺
–
硅氧烷共聚物或其组合。在一些实施方案中，聚碳酸酯
‑
硅氧烷共聚物包括包含第一嵌段和第二嵌段的聚硅氧烷嵌段共聚物，第一嵌段包含聚硅氧烷嵌段，第二嵌段包含聚碳酸酯或聚碳酸酯共混物，第二嵌段不包含聚硅氧烷，聚硅氧烷嵌段具有5个至90个重复单元。
15.在一些前述实施方案中，聚合物泡沫具有小于200kg/m3的密度，其中聚合物泡沫的泡孔包括开孔结构、闭孔结构或其组合，并且其中聚合物泡沫使用固态工艺或珠发泡工艺制备。
16.形成聚合物珠泡沫的本发明方法的一些实施方案包括：用发泡剂使球团饱和以形成饱和球团，球团包含基于硅氧烷的共聚物；和基于饱和球团形成发泡珠，发泡珠具有小于300kg/m3的密度，其根据astm d1622测量。聚合物珠泡沫具有小于4微米的平均泡孔尺寸，并且平均泡孔尺寸基于如下计算：冷冻断裂聚合物珠泡沫以生成聚合物泡沫的横截面，将聚合物泡沫的横截面通过电子显微镜进行分析以确定100个随机或伪随机选择的泡孔的最大横向尺寸和最小横向尺寸的平均值。在一些实施方案中，使球团饱和包括：在压力容器中组合球团、一种或多于一种添加剂和发泡剂以形成混合物；和通过压力容器对混合物施加热、压力或两者以形成饱和球团，和形成发泡珠包括减压饱和球团和在热液体浴中热处理饱和球团，其中在形成发泡珠过程中，发泡剂诱导在饱和球团中的成核和膨胀以形成发泡珠。
17.在本发明方法的一些前述实施方案中，对于微米孔聚合物泡沫形成，使球团饱和在高于基于硅氧烷的共聚物的玻璃化转变温度(tg)或基于硅氧烷的共聚物的熔融温度(tm)的温度下进行。或者，对于纳米孔聚合物泡沫形成，当基于硅氧烷的共聚物为无定形时，使球团饱和在低于基于硅氧烷的共聚物的玻璃化转变温度(tg)的温度下进行，或当基
于硅氧烷的共聚物为半结晶时，使球团饱和在低于熔融温度(tm)的温度下进行。
18.在本发明方法的一些前述实施方案中，发泡剂包含二氧化碳，油在压力容器中用作分散介质，并且发泡珠为均质的，具有10纳米至20微米的泡孔尺寸，并且不具有固体皮层。在特定实施方案中，平均泡孔尺寸为10纳米至3.9微米。在一些前述实施方案中，本发明方法还包括：在挤出装置中组合基于硅氧烷的树脂和一种或多于一种添加剂以形成基于硅氧烷的共聚物组合物；和通过造粒机将基于硅氧烷的共聚物组合物成形为球团，其中球团具有0.8mm至1.2mm的平均长度和1mm至1.6mm的平均直径。在本发明方法的一些前述实施方案中，聚合物泡沫。本发明聚合物泡沫的一些实施方案通过本发明方法的前述实施方案来形成。
19.如本文所用，各种术语仅出于描述特定实施方案的目的，并不旨在限制实施方案。例如，如本文所用，用于修饰诸如结构、部件、操作等要素的序数术语(例如，“第一”、“第二”、“第三”等)本身并不表示该要素相对于另一个要素的任何优先级或顺序，而仅仅是将该要素与具有相同名称的另一个要素区分开(但用于序数术语)。术语“耦合”定义为连接，尽管未必是直接连接，并且未必是机械连接。“耦合”的两个物品可以彼此一体化。除非本公开明确地另外要求，否则术语“一个”和“一种”定义为一个(种)或多个(种)。
20.如本文所用，术语“约”可以允许值或范围的一定程度的可变性，例如，在规定值或在规定范围限制的10％、5％或1％以内，和包括确切的规定值或范围。如本领域普通技术人员所理解的，术语“基本上”定义为在很大程度上但未必全部是所指定的(并且包括所指定的；例如，基本上90度包括90度并且基本上平行包括平行)。在任何公开的实施方案中，术语“基本上”可以替换为“在指定的[百分比]内”，其中百分比包括0.1％、1％或5％；并且术语“大约”可以替换为指定值的“10％以内”。除非另有说明，否则陈述“基本上x至y”具有与“基本上x至基本上y”相同的含义。同样地，除非另有说明，否则陈述“基本上x、y或基本上z”具有与“基本上x、基本上y或基本上z”相同的含义。短语“和/或”是指和或。为了说明，a、b和/或c包括：单独的a、单独的b、单独的c、a和b的组合、a和c的组合、b和c的组合、或a、b和c的组合。换句话说，“和/或”作为包含性的“或”。
[0021]
在整个文件中，以范围格式表示的值应该以灵活的方式解释，不仅包括明确列举为范围限制的数值，而且包括包含在该范围内的所有单个数值或子范围，就如每个数值和子范围均明确地叙述那样。例如，“约0.1％至约5％”或“约0.1％至5％”的范围应该解释为不仅仅包括约0.1％至约5％，而且还包括指定范围内的单个值(例如，1％、2％、3％和4％)和子范围(例如，0.1％至0.5％、1.1％至2.2％、3.3％至4.4％)。
[0022]
术语“包含”、“具有”和“包括”。因此，“包含”、“具有”或“包括”一个或多个要素的装置具有这些的一个或多于一个要素，但不限于仅具有这些的一个或多于一个要是。同样，“包含”、“具有”或“包括”一个或多于一个步骤的方法具有这些的一个或多于一个步骤，但不限于仅具有这些的一个或多于一个步骤。
[0023]
任何系统、方法和制造制品的任何实施方案可以由任何所述的步骤、要素和/或特征组成，或基本上由任何所述的步骤、要素和/或特征组成，而不是包含/具有/包括任何所述的步骤、元素和/或特征。因此，在任何权利要求中，术语“由
……
组成”或“基本上由
……
组成”可以替代上面列举的任何开放式连接动词，以改变另外会使用开放式连接动词的给定权利要求的范围。另外，术语“其中(wherein)”可以与“其中(where)”互换使用。
[0024]
此外，以某种方式配置的装置或系统至少以这种方式配置，但也可以不同于具体描述的方式的其他方式配置。即使未描述或说明，但一个实施方案的一个或多于一个特征可以应用于其他实施方案，除非本公开或实施方案的性质明确禁止。
[0025]
上面描述与实施方案相关的一些细节，下面描述其他细节。在阅读整个申请(包括以下部分：附图说明、具体实施方案和权利要求)后，本公开的其他实施方案、优点和特征将变得明显。
附图说明
[0026]
以下附图通过实例而非限制性的方式进行说明。为了简洁和清晰起见，给定结构的每个特征并不总是在出现该结构的每个图中标记。相同的附图标记未必表示相同的结构。相反，可以使用相同的附图标记来指示相似的特征或具有相似功能的特征，不相同的附图标记也可以指示不相同的特征或具有不相同功能的特征。这些图是按比例绘制的(除非另有说明)，这意味着对于至少图中描绘的实施方案，所描绘的元件的尺寸相对于彼此是准确的。标识为示意图的视图未按比例绘制。
[0027]
图1是说明使用基于硅氧烷的共聚物发泡珠用于制造聚合物泡沫的系统的实例的图。
[0028]
图2是说明图1的系统的实例的示意图的图。
[0029]
图3a、图3b和图3c各自说明用于制备微米和纳米孔聚合物泡沫的温度和压力曲线的实例的图。
[0030]
图4a、图4b和图4c各自说明用于制备微米和/或纳米孔聚合物泡沫的泡沫成核和生长的实例的示意图。
[0031]
图5是说明用于制备发泡珠的制造阶段的示意图的图。
[0032]
图6是用于制备球团的系统的实例的透视图。
[0033]
图7是说明制造发泡珠的方法的实例的流程图。
[0034]
图8是说明制造聚合物珠泡沫的方法的实例的流程图。
具体实施方式
[0035]
参考图1，图1显示了用于制造聚合物泡沫152的系统100的框图。聚合物泡沫152包括(由其形成)包含基于硅氧烷的共聚物的发泡珠142。与具有大于300kg/m3的泡沫密度的常规微米和纳米孔泡沫相比，聚合物泡沫152具有增加的孔密度和减小的重量和密度。本文所述的密度值可以通过标准化密度(例如，表观密度测试)、例如astm d1622确定。
[0036]
系统100包括组合器112、发泡系统114、形成系统116和电子装置118。任选地，系统100包括测试系统120，例如孔尺寸测试系统或孔计数测试系统。组合器112配置为由一种或多于一种聚合物122(例如，基础树脂)和任选的一种或多于一种添加剂124产生球团132(例如，固体微球团)。组合器112可包括或对应于熔融复合系统或熔融共混组合器。例如，组合器112可包括或对应于挤出系统，如参考图2和图6所述。
[0037]
聚合物122包括基于硅氧烷的共聚物。示例性的基于硅氧烷的共聚物包括聚碳酸酯
‑
硅氧烷(pc
‑
硅氧烷)共聚物、聚苯醚
–
硅氧烷(ppe
‑
硅氧烷)共聚物、聚醚酰亚胺
–
硅氧烷(pei
‑
硅氧烷)共聚物及其共混物。在特定的实施方案中，聚合物122包括0.1重量％至25重
量％的硅氧烷。在其他实施方案中，聚合物122包括亲co2的共聚物(例如，亲co2的共聚物而不是硅氧烷)和/或基于聚碳酸酯(pc)的共聚物(pc copo)。如本文所述，术语“聚碳酸酯”包括共聚碳酸酯、均聚碳酸酯和(共)聚酯碳酸酯。在一些实施方案中，聚合物122是聚碳酸酯
‑
硅氧烷共聚物。
[0038]
在特定的实施方案中，聚合物122是聚碳酸酯
‑
聚硅氧烷嵌段共聚物。另外或替代地，聚合物122包括或对应于具有亲co2的构成嵌段、例如co2混合或可溶性聚合物嵌段的聚碳酸酯嵌段共聚物。
[0039]
在一些实施方案中，使用具有约5个至约90个重复单元的聚硅氧烷嵌段长度的聚硅氧烷嵌段共聚物增加了二氧化碳在用于制造泡沫的共聚物中的溶解度。增加的溶解度允许制造具有高密度孔的微米和纳米孔泡沫。
[0040]
聚碳酸酯
‑
聚硅氧烷嵌段共聚物可以是交替嵌段共聚物、接枝共聚物或星形嵌段共聚物。聚硅氧烷嵌段共聚物可以是二嵌段、三嵌段或星形嵌段共聚物。
[0041]
聚碳酸酯
‑
聚硅氧烷嵌段共聚物通常包括包含聚硅氧烷的第一嵌段和包含与第一嵌段共聚的聚碳酸酯的第二嵌段。在一些实施方案中，第二嵌段不包含聚硅氧烷。
[0042]
示例性聚碳酸酯
‑
聚硅氧烷嵌段共聚物是具有下式(i)中所述结构的那种：
[0043][0044]
其中聚硅氧烷嵌段以丁香酚封端，其中x为约1至约90，y为约1至约90，和z为约1至约90。
[0045]
有用的聚硅氧烷嵌段包含重复的二有机基硅氧烷单元，也称为“硅氧烷单元”，如式(ii)中所示：
[0046][0047]
其中每次出现的r3可以是相同或不同的并且独立地是c1‑
12
烃基。硅氧烷单元通常以包含约5个至约90个硅氧烷重复单元的嵌段的形式存在。在一些实施方案中，硅氧烷单元通常以包含约45个硅氧烷重复单元的嵌段的形式存在。在特定实施方案中，硅氧烷单元通常以包含约25个至约65个硅氧烷重复单元的嵌段的形式存在。硅氧烷重复单元的个数可表示平均值。
[0048]
硅氧烷单元通常以约1纳米至约100纳米(nm)、特别地约2纳米至约50纳米、更特别地约5纳米至约20纳米的平均直径大小的域形式存在。
[0049]
第一嵌段(包含聚硅氧烷)通常存在的量为基于聚硅氧烷嵌段共聚物的总重量约1重量％至约25重量％、特别地约3重量％至约20重量％和更特别地约4重量％至约15重量％。在示例性实施方案中，第一嵌段通常存在的量为基于聚硅氧烷嵌段共聚物的总重量约5重量％至约10重量％。在一些实施方案中，当第一嵌段以基于聚硅氧烷嵌段共聚物的总重量为约5重量％的量使用时，与不包含第一嵌段的聚合物相比时，二氧化碳在聚硅氧烷嵌
段共聚物中的溶解度的增加量超过50重量％。
[0050]
第二嵌段(包含聚碳酸酯)可具有的平均分子量为约500克每摩尔(g/mol)至约50000克/每摩尔、特别地约1000克/每摩尔至约40000克/每摩尔和更特别地约5000克/每摩尔至约30000克/每摩尔。第二嵌段共聚物的示例性平均分子量为约23400克/每摩尔。
[0051]
第二嵌段(包含聚碳酸酯)通常存在的量为基于聚碳酸酯
‑
聚硅氧烷嵌段共聚物的总重量约75重量％至约99重量％、特别地约80重量％至约97重量％，和更特别地基于聚碳酸酯
‑
聚硅氧烷嵌段共聚物的总重量约85重量％至约96重量％。
[0052]
另外或替代地，一种或多于一种单体或其他聚合物，包括热塑性聚合物、共聚物及其混合物，可与聚合物122组合以形成球团132。在特定的实施方案中，聚合物122是或包含多相纳米非均质聚合物体系，例如相容(本质上是不混溶的)共混物或共聚物，其设计为操纵吹气在几个相之间的分配，以增强或绕过均质成核，例如具有纳米尺寸域的共聚物体系。
[0053]
作为说明性的非限制性实例，添加剂124可包括如下的一种或多于一种：结晶抑制剂(例如，共聚单体)、黏度降低剂、抗冲改性剂、流动改性剂、抗氧化剂、热稳定剂、光稳定剂、紫外(uv)光稳定剂、uv吸收添加剂、微波吸收添加剂(例如，炭黑和/或碳纳米管)、增塑剂、润滑剂、抗静电剂、抗微生物剂、着色剂(例如，染料或颜料)、表面效应添加剂、辐射稳定剂、成核剂或其组合。添加剂124可包括抗冲改性剂例如苯乙烯
‑
丁二烯热塑性弹性体、阻燃剂添加剂、着色剂、热稳定剂、抗氧化剂、抗静电剂和流动促进剂。这种添加剂124可以在形成球团132的成分混合过程中的合适时间混合。示例性添加剂包括表面活性剂例如季戊四醇四硬脂酸酯(pets)，和增塑剂例如间苯二酚二磷酸酯(rdp)或双酚a
‑
二磷酸酯。
[0054]
发泡系统114配置为使用球团132和发泡剂134产生发泡珠142。任选地，发泡系统114可使用分散介质136和/或一种或多于一种添加剂124来生成发泡珠142。发泡系统114可包括或对应于固态发泡系统、珠发泡系统或其他发泡系统。说明性发泡系统参考图2来描述，并且其操作参考图3a至图3c和图5来描述。
[0055]
发泡剂134配置或选择为可溶于聚合物122。如本文所用，术语“发泡剂”定义为用于发泡聚合物的化学试剂或物理试剂，经常称之为发泡剂。发泡剂134可以是气体、固体、液体或超临界发泡剂。发泡剂134用于形成聚合物泡沫。可使用的发泡剂134包括无机试剂、有机试剂和/或其他化学试剂。合适的无机发泡剂134包括二氧化碳、氮气、氩气、水、空气、氮气和/或惰性气体例如氦气和氩气。有机试剂包括具有1个至9个碳原子的脂肪烃、具有1个至3个碳原子的脂肪醇和/或具有1个至4个碳原子的完全和部分卤化的脂肪烃。
[0056]
在实施方案中，发泡剂134可选自二氧化碳、空气、氮气、氩气、气态烃及其组合。发泡剂134可选自固态二氧化碳、液态二氧化碳、气态二氧化碳或超临界二氧化碳。在另一个实施方案中，发泡剂134可包括惰性气体，例如氦气、氙气、氩气或其组合。气态烃的非限制性实例包括甲烷、乙烷、丙烷和/或丁烷。在另一个实施方案中，可以使用预期在环境温度和压力下为气态形式的卤代烃。这种卤代烃的实例包括氟代烃(fluorohydrocarbons)、氟代烃(fluorocarbons)、氯代烃和/或氯代氟代烃。
[0057]
分散介质136(或分散剂)配置为支持球团132、发泡剂134和任选的一种或多于一种添加剂124(例如，表面活性剂)。举例说明，分散介质136改善球团132的分离，并且减少或防止球团132的沉降或结块。另外或替代地，分散介质136能够混合球团132、发泡剂134和任选的一种或多于一种添加剂124并且能够在混合过程中悬浮球团132。在一些实施方案中，
分散介质136包括油或水。
[0058]
形成系统116配置为使用发泡珠142生成聚合物泡沫152，例如模制部件或聚合物泡沫部件。形成系统116可包括或对应于蒸箱成型系统例如图2的蒸箱成型系统206、珠泡沫成型系统、注塑系统或其组合。尽管描述为单独的系统，但发泡系统114和形成系统116可合并为单个系统中。
[0059]
电子装置118包括一个或多于一个接口160，一个或多于一个处理器(例如，一个或多于一个控制器)，如代表性处理器164、存储器168和一个或多于一个输入/输出(i/o)装置170。接口160可以包括网络接口和/或配置为通信耦合至一个或多于一个其他装置例如组合器112、发泡系统114、形成系统116或测试系统120的装置接口。例如，接口160可以包括发送器、接收器或其组合(例如，收发器)，并且可以实现有线通信、无线通信或其组合。尽管电子装置118描述为单个电子装置，但在其他实施方案中，系统100包括多个电子装置。在这样的实施方案中，例如分布式控制系统，多个电子装置各自控制系统100的子系统，例如组合器112、发泡系统114、形成系统116或测试系统120。
[0060]
处理器164包括共混控制器172、发泡控制器174和成形控制器176。例如，共混控制器172(例如，处理器164)可以配置为生成一个或多于一个共混控制信号和/或将一个或多于一个共混控制信号传送至组合器112。共混控制器172配置为控制(或调节)组合器112(例如腔室或其挤出机)内的环境，例如空气质量、温度和/或压力和/或将材料输送/注射至组合器112。例如，共混控制器172可以配置为生成一个或多于一个环境控制信号182、一个或多于一个原料输送控制信号184和/或将一个或多于一个环境控制信号182传送至组合器112、将一个或多于一个原料输送控制信号184传送至组合器112，或其组合。
[0061]
发泡控制器174配置为控制(或调节)发泡系统114(例如，其高压釜或压力容器)内的环境，例如温度(例如，热)和/或压力，和/或将材料输送/注射至发泡系统114(例如，其高压釜或压力容器)中。例如，发泡控制器174可以配置为产生和/或传送一个或多于一个环境控制信号182至发泡系统114，一个或多于一个原料输送控制信号184至发泡系统114，或其组合。
[0062]
形成控制器176配置为控制(或调节)形成系统116(例如，其模具144)内的环境，例如温度(例如，热)和/或压力，和/或将材料输送/注射至形成系统116(例如，其模具144)中。例如，形成控制器176可配置为产生和/或传送一个或多于一个环境控制信号182至形成系统116、一个或多于一个原料输送控制信号184至形成系统116或其组合。各个组合器112、发泡系统114和形成系统116可包括一个或多于一个相应的传感器(未示出)，其配置为产生传感器数据，例如传感器数据188。传感器数据188可以指示条件，例如温度、压力、时间、黏度等。
[0063]
尽管处理器164的一个或多于一个部件描述为单独部件，但在一些实施方案中，处理器164的一个或多于一个部件可以组合为单个部件。例如，尽管发泡控制器174和形成控制器176描述为独立的，但在其他实施方案中，发泡控制器174和形成控制器176可以合并至单个控制器中。另外或替代地，处理器164的一个或多于一个部件可以与处理器164分开(例如，不包括在其中)。举例说明，共混控制器172可以与处理器164分开并且与处理器164不同。
[0064]
存储器168，如非暂时性计算机可读存储介质，可包括易失性存储器装置(例如，随
机存取存储器(ram)装置)、非易失性存储器装置(例如，只读存储器(rom)装置、可编程只读存储器和闪存)，或两者。存储器168可以配置为存储指令192、一个或多于一个阈值194以及一个或多于一个数据集196。指令192(例如，控制逻辑)可以配置为当由一个或多于一个处理器164执行时，使一个或多于一个处理器164执行本文进一步描述的操作。例如，一个或多于一个处理器164可以执行参考图7和图8所描述的操作。一个或多于一个阈值194和一个或多于一个数据集196可以配置为使处理器164生成控制信号。例如，处理器164可以响应于从发泡系统114接收到传感器数据例如传感器数据188，生成控制信号并且发送控制信号。可以基于将传感器数据188与一个或多于一个阈值194、一个或多于一个数据集196或其组合进行比较来调整温度或原料流速。
[0065]
在一些实施方案中，处理器164可以包括或对应于微控制器/微处理器、中央处理单元(cpu)、现场可编程门阵列(fpga)装置、专用集成电路(asic)、其他硬件装置、固件装置或其任何组合。处理器164可以配置为执行指令192以启动或执行参考图2、图5和图6描述的一个或多于一个操作和/或图7和图8的方法中的一个或多于一个操作。
[0066]
一个或多于一个i/o装置170可以包括鼠标、键盘、显示装置、相机、其他i/o装置或其组合。在一些实施方案中，处理器164响应于经由一个或多于一个i/o装置170接收到一个或多于一个用户输入而生成控制信号并且发送控制信号。
[0067]
电子装置118可以包括或对应于通信装置、移动电话、手机、卫星电话、计算机、平板电脑、便携式计算机、显示装置、媒体播放器、台式计算机或服务器。另外或替代地，电子装置118可以包括机顶盒、娱乐单元、个人数字助理(pda)、监视器、计算机监视器、电视、调谐器、视频播放器、包括处理器或者存储或检索数据或计算机指令的任何其他装置或组合。
[0068]
在一些实施方案中，系统100还包括测试系统120,例如孔尺寸测试系统。测试系统120配置为在发泡珠142或聚合物泡沫152(例如，聚合物泡沫152的模制部件)的样品154上进行孔尺寸测试以获得发泡珠142或聚合物泡沫152的平均孔尺寸值。在特定实施方案中，测试系统120包括或对应于冷冻断裂测试系统。例如，在特定实施方案中，测试系统120可包括冷冻断裂装置和扫描电子显微镜(sem)。测试系统120可手动或通过信号(例如，控制信号182、184)、例如来自电子装置118的控制信号来控制。在其他实施方案中，系统100还包括(孔计数)测试系统120。在这种实施方案中，测试系统120配置为在样品154上进行孔计数测试以获得聚合物泡沫152的孔计数值(或孔密度值)。
[0069]
在系统100的操作过程中，球团132由一种或多于一种聚合物122(例如，基础树脂)和任选的一种或多于一种添加剂124形成。例如，响应于来自共混物控制器172的控制信号182、184，组合器112组合(例如，混合或共混)一种或多于一种聚合物122和任选的添加剂124的挤出球团。举例说明，共混控制器172可发送一个或多于一个环境控制信号182至组合器112以调整所用组合器112的条件(例如，热、压力、空气质量)或聚合物复合材料的条件(黏度、温度等)以形成球团132。另外或替代地，共混控制器172可发送一个或多于一个原料输送控制信号184至组合器112以调整一种或多于一种聚合物122的特定聚合物、一种或多于一种添加剂124或其组合的速率和/或量。
[0070]
一种或多于一种添加剂124可选择赋予某些特性至发泡珠142或聚合物泡沫152。添加剂124可并入球团132，条件是选择添加剂124从而不显著地不利影响球团132的所需性能(例如，添加剂124具有良好的与聚合物122和发泡剂134的相容性)。例如，选择的添加剂
124不显著影响发泡剂134在聚合物122中的溶解性、聚合物122的结晶、发泡或成核。
[0071]
生成球团132后，将球团132提供至发泡系统114用于饱和和膨胀。发泡珠142(例如，全部或部分发泡的珠)通过发泡系统114由球团132产生。例如，响应于来自发泡控制器174的控制信号182、184，发泡系统114组合(例如，混合或共混)球团132和发泡剂134(和任选的分散介质136和/或添加剂124)以用发泡剂134使球团132饱和。举例说明，发泡控制器174可发送一个或多于一个环境控制信号182至发泡系统114以调整发泡系统114的条件(例如，热、压力、空气质量)或球团132的条件(黏度、温度、饱和度、发泡/膨胀率等)。另外或替代地，发泡控制器174可发送一个或多于一个原料输送控制信号184至发泡系统114以调节球团132、发泡剂134、分散介质136、一种或多于一种添加剂124或其组合的速率和/或量。
[0072]
发泡控制器174还可发送一个或多于一个控制信号来控制减压、热处理和/或控制饱和球团132的冷却(即球团132在其聚合物122颗粒之间具有溶解发泡/发泡剂134)。控制饱和球团132的减压、热处理和/或控制冷却，以控制饱和球团132中的发泡剂134的成核和膨胀，从而形成发泡珠142。发泡控制器174还可发送一个或多于一个控制信号以控制收集来自发泡系统114(例如，其压力容器或高压釜)的饱和球团132/发泡珠142。发泡珠142具有0.01微米至100微米的泡孔尺寸。任选地，发泡珠142是均质的和/或不具有固体皮层。在一些实施方案中，发泡珠142是均质的，具有2微米至20微米的泡孔尺寸，不具有固体皮层，或其组合。
[0073]
在发泡系统114形成发泡珠142后，将发泡珠142提供至形成系统116，和形成系统116形成或产生聚合物泡沫152。例如，形成系统116可通过蒸箱成型形成聚合物泡沫152的模制部件。举例说明，形成控制器176可发送一个或多于一个控制信号以控制发泡珠142至形成系统116的模具144(例如，蒸箱)的输送(例如，注射)。模具144可包括或对应于工具或模头。在一些实施方案中，模具144是阴模，并且包括或限定一个或多于一个对应于聚合物泡沫152的形状的腔体。
[0074]
在一些实施方案中，发泡控制器174或形成控制器176可发送一个或多于一个控制信号以控制发泡珠142的发泡(第二发泡)，例如控制施加温度和/或压力至热水浴、模具或蒸箱上，以控制发泡速率和/或大小。另外或替代地，形成控制器176可发送一个或多于一个控制信号以控制发泡珠142的烧结从而形成模制部件，例如控制施加温度和压力至模具144。举例说明，形成控制器176发送环境控制信号182以控制蒸气至模具144的施加，例如蒸气的温度、压力和量。形成控制器176还可发送一个或多于一个控制信号以控制发泡珠142的冷却和聚合物泡沫152从模具144中的释放。例如，模具144可具有多个部件并且多个部件可响应于控制信号彼此解耦以显示和能够释放聚合物泡沫152。
[0075]
在一些实施方案中，样品154取自聚合物泡沫152(或发泡珠142)并且孔测试系统120分析样品154以确定聚合物泡沫152的平均孔尺寸值。作为说明性实例，聚合物泡沫152进行冷冻断裂以生成样品154。举例说明，聚合物泡沫152用液氮或其他冷冻剂快速冷冻，并且猛烈撞击断裂以生成样品154。将样品154通过sem分析以确定样品154的许多随机孔的最大横向尺寸和最小横向尺寸，样品154的孔对应于聚合物泡沫152横截面的孔。举例说明，确定100个孔的最大孔宽度和最小孔宽度，这些孔是从样品154的5微米
×
5微米切片中随机选择或伪随机选择的，以产生聚合物泡沫152的平均孔尺寸值。另外或替代地，孔测试系统120分析样品154(或其他样品)以生成聚合物泡沫152的平均孔计数值。样品154通过sem分析以
计数样品154的截面中的许多孔。举例说明，孔计数由样品的随机选取或伪随机选取的10个切片来确定，以生成聚合物泡沫152的孔计数值。在其他实施方案中，孔计数是在数学上根据密度和平均孔尺寸来确定的。
[0076]
聚合物泡沫152(或并入聚合物泡沫152的部分)包括能够减轻重量的发泡珠142(并且由其形成)。发泡珠142和/或聚合物泡沫152可具有减小的密度。因此，本公开克服了通过使用基于硅氧烷基的共聚物的发泡珠形成具有减小密度和减轻重量的微米和纳米孔聚合物泡沫的现有挑战。另外，本公开克服了工业规模生产微米和纳米孔聚合物泡沫并且形成具有复杂几何形状的发泡部件的现有挑战。
[0077]
在一些实施方案中，发泡珠142和/或聚合物泡沫152具有2微米至20微米(也称为千分尺(μm))的平均孔尺寸。在特定实施方案中，纳米孔发泡珠142和/或聚合物泡沫152具有100nm至500nm的平均孔尺寸，亚微米孔发泡珠142和/或聚合物泡沫152具有0.5微米至1微米的平均孔尺寸，微米孔发泡珠142和/或聚合物泡沫152具有1微米至20微米的平均孔尺寸。或者，纳米孔发泡珠142和/或聚合物泡沫152具有大于100纳米的平均孔尺寸。在其他实施方案中，发泡珠142和/或聚合物泡沫152具有基本上在如下值的任何两个值之间的平均孔尺寸：0.01微米、0.1微米、0.2微米、0.5微米、1微米、2微米、3微米、4微米、5微米、6微米、7微米、8微米、9微米、10微米、12微米、14微米、16微米、17微米、18微米、19微米、20微米、21微米或22微米。
[0078]
在一些实施方案中，纳米孔发泡珠142和/或聚合物泡沫152具有大于基本上10e12个泡孔每立方厘米的泡孔密度。在特定的实施方案中，纳米孔发泡珠142和/或聚合物泡沫152具有大于基本上10e15个泡孔每立方厘米的泡孔密度。在其他实施方案中，纳米孔发泡珠142和/或聚合物泡沫152具有大于或等于基本上以下中的一个的平均孔尺寸：10e13个泡孔每立方厘米、10e14个泡孔每立方厘米、10e16个泡孔每立方厘米、10e17个泡孔每立方厘米、10e18个泡孔每立方厘米或10e19个泡孔每立方厘米。
[0079]
在一些实施方案中，亚微米孔发泡珠142和/或聚合物泡沫152具有基本上10e12个至10e15个泡孔每立方厘米的泡孔密度。在其他实施方案中，亚微米孔发泡珠142和/或聚合物泡沫152具有在基本上如下值的任何两个值之间的平均孔尺寸：10e11个泡孔每立方厘米、10e12个泡孔每立方厘米、10e13个泡孔每立方厘米、10e14个泡孔每立方厘米、10e15个泡孔每立方厘米或10e16个泡孔每立方厘米。在一些实施方案中，微米孔发泡珠142和/或聚合物泡沫152具有基本上10e9个至10e12个泡孔每立方厘米的泡孔密度。在其他实施方案中，微米孔发泡珠142和/或聚合物泡沫152具有在基本上如下值的任何两个值之间的平均孔尺寸：10e8个泡孔每立方厘米、10e9个泡孔每立方厘米、10e10个泡孔每立方厘米、10e11个泡孔每立方厘米、10e12个泡孔每立方厘米或10e13个泡孔每立方厘米。
[0080]
在一些实施方案中，发泡珠142和/或聚合物泡沫152具有0.15的相对密度，相对于发泡珠142或聚合物泡沫152的聚合物材料、例如聚合物122。
[0081]
在一些实施方案中，发泡珠142和/或聚合物泡沫152具有的泡沫密度是包括发泡珠142和/或聚合物泡沫152的材料(即，聚合物122)的堆积密度的基本上1％至基本上50％。在特定实施方案中，发泡珠142和/或聚合物泡沫152具有的泡沫密度是包含发泡珠142和/或聚合物泡沫152的材料的堆积密度的基本上5％至基本上25％。在其他实施方案中，聚合物发泡珠142和/或泡沫152具有的泡沫密度是包含聚合物泡沫152的材料的堆积密度的基
本上如下值的任何两个值之间：0.5％、1％、2％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％。
[0082]
在一些实施方案中，聚合物泡沫152包含基本上0.001瓦特每米
‑
开尔文至基本上0.01瓦特每米
‑
开尔文的热导率。在特定实施方案中，聚合物泡沫152包含在环境温度(例如，23摄氏度)至基本上350摄氏度的温度下的热导率为基本上0.001瓦特每米
‑
开尔文至基本上0.01瓦特每米
‑
开尔文。在其他实施方案中，聚合物泡沫152包含基本上0.001瓦特每米
‑
开尔文至基本上0.05瓦特每米
‑
开尔文的热导率。在一些这种实施方案中，聚合物泡沫152包含在基本上环境温度至基本上350摄氏度的温度下的热导率。
[0083]
在一些实施方案中，发泡珠142和/或聚合物泡沫152的泡孔包含开孔结构、闭孔结构或其组合。在特定的实施方案中，发泡珠142和/或聚合物泡沫152基本上由开孔结构组成。在另一个特定实施方案中，发泡珠142和/或聚合物泡沫152基本上由闭孔结构组成。
[0084]
参考图2，系统100的一个实例显示了包括挤出系统202、高压釜发泡系统204和蒸箱成型系统206。挤出系统202可包括或对应于组合器112，高压釜发泡系统204可包括或对应于发泡系统114，和蒸箱成型系统206可包括或对应于形成系统116。
[0085]
图2说明了形成和使用发泡珠242(通常称为膨胀珠)的三个制造阶段的示意图。三个制造阶段包括：第一阶段与微颗粒232制备(或迷你颗粒制备)相关的第一阶段，与膨胀珠发泡相关的第二阶段，以及与蒸箱成型相关的第三阶段。在第一制造阶段中，微球团232由基础树脂222和一种或多于一种添加剂(例如，124)通过挤出系统202形成。挤出系统202采用挤出工艺(例如，熔融共混)以制备微球团232，和参考图6描述了示例性挤出工艺。基础树脂222可包括或对应于聚合物122，添加剂可包括或对应于添加剂124，微球团232可包括或对应于球团132。
[0086]
在第二制造阶段中，微球团232和发泡剂234在高压釜发泡系统204的压力容器(例如，高压釜)中组合。微球团232和发泡剂234经受热和压力以用发泡剂234使微球团232饱和以形成饱和的微球团232。然后减小热和/或压力，然后使饱和微球团232经历成核和发泡以形成发泡珠242(例如，膨胀珠)。发泡珠242可包括或对应于发泡珠142。饱和过程、减压过程和任选的饱和后加热与冷却的细节参考图3至图5和图7来进一步描述。
[0087]
在第三制造阶段中，将发泡珠242提供至蒸箱成型系统206的蒸箱模具，和发泡珠242在来自蒸气的热和/或压力下一起成型/烧结以在蒸箱模具中形成成型泡沫部件252(例如，152)。成型泡沫部件252可包括或对应于聚合物泡沫142，和蒸箱模具可包括或对应于模具144。
[0088]
图3a至图3c和图4a至图4c说明了用于制备聚合物泡沫的饱和和发泡操作的实例。图3a至图3c各自说明了发泡系统例如发泡系统116或高压釜发泡系统204的操作，其在聚合物材料中产生成核生长和膨胀，和图4a至图4c各自说明了由图3a至图3c中所示操作引起的聚合物材料中的成核生长和膨胀。聚合物材料可包括或对应于球团132的聚合物122或微球团232的基础树脂222。
[0089]
参考图3a至图3c，显示了描绘用于制备微米和纳米孔泡沫的三个温度和压力曲线实例的图。在图3a至图3c中，横轴代表时间，纵轴代表发泡系统例如其压力容器的温度和压力。尽管图3a至图3c各自的横轴表示时间，但图的时间值之间没有关系，即一个图的特定时间或时间长度与其他图的其他时间或时间长度无关。图3a至图3c的实例对应于图4a至图4c
的实例。例如，图3a中的第一温度和压力曲线描绘了产生图4a的第一成核实例中所示的成核的一步(1s)工艺的操作；图3b中的第二温度和压力曲线描绘了两步(2s)工艺的操作，该工艺产生图4b的第二成核实例中所示的成核；和图3c中的第三温度和压力曲线描绘了改进的两步法的操作，其中在减压之前进行温度淬火，这产生图4c的第三成核实例中所示的成核。
[0090]
参考图4a至图4c，显示了用于制备微米和纳米孔泡沫的三个成核实例。在图4a中，第一成核实例涉及在图3c的条件(即高温和低压速率变化)下发泡的均质系统的操作。这种条件可具有不充分的成核密度，有利于核成熟(例如，核粗化)，并且产生微米孔泡沫或亚微米孔泡沫。较高温度和低压力速率变化诱导中等成核和核粗化。核粗化后，核较大，并且当进行进一步膨胀和稳定时，核形成较大泡孔，即微米尺寸的泡孔。
[0091]
在图4b中，第二成核实例涉及模板系统在图3b的条件(即，适度温度和适度压力速率变化)下的操作并且产生具有低膨胀比(例如，膨胀比小于2)的纳米孔泡沫或亚微米孔泡沫。模板系统通常具有受控的成核和生长而无需进一步成核，从而导致有限的泡孔堆积和泡孔密度。
[0092]
在图4c中，第三成核实例涉及在图3c的条件(即，低温度和高压力速度变化)下发泡的均质系统的操作，其可以同时有利于高的成核和生长。高的成核和生长可获取低密度的纳米孔聚合物泡沫。这种系统具有不受控制的成核，随后进一步同时成核和生长，其膨胀和稳定以形成低密度的纳米孔聚合物泡沫或亚微米孔泡沫。
[0093]
关于图4a的第一成核实例(即，一步法)，如果聚合物球团在用发泡剂(例如，co2)饱和时变成橡胶状，则在压力释放过程中形成的核中的内部压力使聚合物基质变形并且允许泡沫发生膨胀。co2从聚合物基质中的扩散使基质回复至玻璃状固体，此时泡沫膨胀停止。
[0094]
如例如图4b和图4c中在不同条件下的发泡结果所示，影响发泡可否发生的一个参数是饱和压力。关于描绘两步法的图4b的第二温度和压力曲线实例，发泡剂的临界压力以下(例如，对于co2为7.4mpa)的饱和通常很少产生或不产生发泡直至施用第二加热步骤。对于co2，10mpa以上的压力，特别是在其临界温度(31℃)附近的温度时，co2是稠密的超临界流体或液体，其膨胀为核的生长提供较大驱动力。在超临界状态下，发泡剂的膨胀特别有效，在此状态下界面张力效应降低。
[0095]
存在两步法的一些变体。例如，如图3b中所示，如果在co2饱和的聚合物处于橡胶状状态时(即，在聚合物的玻璃化转变温度和熔融温度之间的温度下)进行浸泡，则两步法可涉及减压和热调节两个步骤中的膨胀。相反，如图3c中所示，在改进的两步法中，可以在橡胶状状态下进行浸泡，但在减压之前降低温度使混合物变成玻璃状，其中任选地进行第二热调节步骤以增强膨胀。
[0096]
参考图5，显示了包括高压釜形成系统204(或发泡系统114)的阶段504至520的珠发泡工艺500的示意图。图5中，第一阶段504包括形成微球团在液体(例如，分散介质134)中的均质分散体。在第一阶段中，高压釜形成系统204的压力容器524的混合器528可激活以混合微球团(例如，232)、分散介质和任选的一种或多于一种表面活性剂以形成均质分散体。微球团可包括或对应于球团132或微球团232。
[0097]
第二阶段508包括对于两步法在低于微球团的聚合物(例如，122)的玻璃化转变温
度(tg)或对于一步法在接近(例如，稍微高出例如高出1至10％)聚合物(例如，122)的玻璃化转变温度(tg)的温度下，将发泡剂(例如，发泡剂134例如co2)气体溶解在微球团中。在第二阶段中，发泡剂被微球团吸附并且形成饱和微球团。第三阶段512包括经由高压釜形成系统204的压力容器524的出口阀530释放压力并且在第一容器532(例如珠储罐或收集罐)中收集饱和微球团。饱和微球团的减压使部分成核和脱气，即发泡剂在饱和微球团中膨胀并且一部分发泡剂从饱和微球团中脱附。
[0098]
第四阶段516包括在特定温度下在第一容器532中热处理饱和微球团一定时间段以诱导在饱和微球团中后发泡以形成发泡珠。如图5中所示，第四阶段包括使饱和微球团经受加热的流体(例如，水、油或混合物)浴以诱导减压后的泡沫。示例性油包括硅油、葵花籽油或橄榄油。在其他实施方案中，饱和微球团不加热处理和在部件形成过程中饱和微球团进一步发泡或膨胀并且通过形成系统(例如，116)进行珠烧结。在一些这种实施方案中，饱和微球团可经受冷流体浴以使饱和微球团淬火，从而减少或停止发泡。用于冷流体浴的流体可以是与加热流体浴的流体相同的流体或不同的流体。用于分散流体和第四阶段516的流体的示例性流体具有相对低的蒸发能。这种低蒸发能包括小于或等于500kj/kg的蒸发能，并且可以减少或限制在膨胀珠的表面上形成致密的非发泡层。第五阶段520包括通过冷却稳定发泡珠。如图5中所示，第五阶段包括在冷冻或室温流体浴(例如，在第一容器532或第二容器536)中冷却发泡珠以停止进一步成核和泡孔生长。上述图5的操作可以间歇、半间歇或连续方式实施。连续方法通常更受欢迎，因为它们可以允许更好过程控制并且能够制备纳米孔聚合物泡沫。
[0099]
参考图6，显示了用于制备挤出物的系统600的实例。系统600配置为使用挤出工艺以形成聚合物组合物并且由聚合物组合物形成挤出物(例如，球团132)，如本文所述。系统600可包括或对应于组合器112。系统600包括挤出机610、注射器614和模头618。挤出机610经由一个或多于一个管道622、例如一个或多于一个管耦合至注射器614。注射器614经由一个或多于一个管道626、例如一个或多于一个管耦合至模头618。系统600可通过控制器(未示出)、例如图1的处理器164和/或共混控制器172来控制。
[0100]
挤出机610包括一个或多于一个料斗，例如第一料斗630和第二料斗632，耦合至一个或多于一个料斗的筒体634。例如，筒体634可经由进料喉638耦合至料斗。每个料斗630、632配置为用于接收从料斗经由相应进料喉638向筒体634提供的材料(例如，球团、颗粒、薄片、粉末和/或液体)。如所示的，第一料斗630接收第一材料640和第二料斗632接收第二材料642。第一材料640包括聚合物例如聚合物122和第二材料642包括其他聚合物或一种或多于一种添加剂124。尽管描述为提供给单独料斗，但在其他实施方案中，第一材料640和第二材料642可由相同料斗提供。
[0101]
在一些实施方案中，其他材料可与第一材料640和第二材料642在挤出机610中组合。例如，其他材料可以通过挤出机610经由一个或多于一个料斗来接收。其他材料可包括一种或多于一种添加剂124，例如抗冲改性剂、流动改性剂、抗氧化剂、热稳定剂、光稳定剂、紫外(uv)光稳定剂、uv吸收添加剂、增塑剂、润滑剂、抗静电剂、抗微生物剂、着色剂(例如染料或颜料)、表面效应添加剂、辐射稳定剂或其组合，作为说明性的非限制性实例。
[0102]
每个料斗630、632将其相应材料640、642提供到筒体634中，在筒体634中材料组合以形成聚合物复合材料650(例如，聚合物组合物或共混组合物)。例如，材料在筒体634中通
过旋转螺杆、沿着筒体634布置的加热器或两者生成的机械能(例如，压力)逐渐熔化。熔融的材料混合在一起(例如共混)以形成聚合物复合材料650。聚合物复合材料650可包括或对应于由组合器112形成并且用于形成球团132的聚合物复合材料。聚合物复合材料650从筒体634经由管道622提供至注射器614。注射器614将聚合物复合材料650经由管道626注射进入模头618中。聚合物复合材料650流动经过模头618以形成挤出物股线(例如，聚合物复合材料650股线)。当挤出物从挤出机610经由管道622移动至造粒机时，挤出聚合物复合材料650可在水浴中，或通过在管道622(例如，传送带)中喷雾挤出物来冷却。造粒机将挤出物(例如，其股线)破碎成片，例如球团。聚合物复合材料650的球团(例如，球团132)然后可用于发泡工艺或成型工艺，例如参考图1至图3和图5描述的发泡工艺，和/或参考图1和图2描述的成形工艺。
[0103]
参考图7，显示制造聚合物发泡珠的方法实例。方法700可通过如下执行：制造装置或系统，例如系统100(例如，发泡系统114和/或电子装置118)和/或高压釜发泡系统204(例如，其压力容器524)。发泡珠可包括或对应于用发泡剂(例如，发泡剂134)饱和的发泡珠142、发泡珠242或球团132，如本文所述。
[0104]
方法700包括在710处用发泡剂使球团饱和以形成饱和球团,其中球团包括基于硅氧烷的共聚物。例如，将发泡剂134引入压力容器并且在压力下溶解在球团132或微球团232中以形成流体饱和球团,例如co2饱和球团。在一个特定实施方案中，使球团饱和包括在压力容器(例如，高压釜)处组合球团、一种或多于一种添加剂和发泡剂以形成混合物，并且通过压力容器(例如，高压釜)施加热和压力至混合物以形成饱和球团。在一些实施方案中，添加剂包括表面活性剂，例如硬脂酸钙、滑石、钠、c
12
‑
14
、烷基硫酸盐或其组合。
[0105]
方法700还包括在712处基于饱和球团形成发泡珠，其中发泡珠具有小于300kg/m3的密度。例如，饱和球团132在压力容器中进行减压，并且任选地置于流体浴中进行热处理，以诱发后发泡。在特定实施方案中，形成发泡珠包括减压饱和球团和在加热的流体浴中热处理饱和球团。在减压和热处理过程中，发泡剂在饱和球团中进行成核和膨胀以形成发泡珠。另外或替代地，方法700还包括维持在低于基于硅氧烷的共聚物的第二嵌段(例如，聚碳酸酯嵌段)的玻璃化转变温度的温度下在流体(例如，水、油或混合物)浴中淬火泡沫珠。淬火泡沫珠可用于调整/控制发泡珠和由其制成的聚合物泡沫的孔尺寸。
[0106]
在一些实施方案中，例如对于微孔聚合物泡沫形成，使球团饱和在高于基于硅氧烷和/或基于聚碳酸酯的共聚物的玻璃化转变温度(tg)或高于(例如，恰好/稍微高于)基于硅氧烷和/或基于聚碳酸酯的共聚物的熔融温度(tm)的温度下进行。在其他实施方案中，例如对于纳米孔聚合物泡沫形成，使球团饱和当基于硅氧烷和/或基于聚碳酸酯的共聚物是无定形时在低于基于硅氧烷和/或基于聚碳酸酯的共聚物的玻璃化转变温度(tg)的温度下，或当基于硅氧烷和/或基于聚碳酸酯的共聚物是半结晶时在低于(例如，稍微低于)熔融温度(tm)的温度下进行。
[0107]
可由方法700形成的一种产品或制造制品包括聚合物泡沫152或模制部件252，例如纳米孔泡沫或微米孔泡沫。因此，方法700描述制造发泡珠，例如发泡珠142。方法700有利地能够产生具有减小的密度，例如小于或等于300kg/m3的密度的发泡珠。
[0108]
参考图8，显示了制造聚合物泡沫的方法实例。方法800可通过如下执行：制造装置或系统，例如系统100(例如，形成系统116和/或电子装置118)和/或蒸箱成型系统206。聚合
物泡沫可包括或对应于聚合物泡沫152或成型泡沫部件252，如本文所述。例如，聚合物泡沫152可包括微孔泡沫或纳米孔泡沫。
[0109]
方法800包括在810处接收包括基于硅氧烷的共聚物的发泡珠。例如，发泡珠可包括或对应于发泡珠142或发泡珠242。方法800还包括在812处基于发泡珠形成聚合物泡沫。例如，发泡珠142当施用于模具144或蒸箱成型系统206和其发泡剂134时处于部分膨胀状态下，在发泡珠142的聚合物122中进行进一步成核和生长以形成聚合物泡沫152。基于硅氧烷的共聚物和基于聚碳酸酯共聚物能够使发泡剂134较高程度地饱和并且因此在形成泡孔过程中具有增加的成核以形成孔隙率增加和密度降低的聚合物泡沫152。聚合物泡沫可以是微米孔、亚微米孔、纳米孔，或者微米孔、亚微米孔或纳米孔的一种或多于一种的混合泡沫。在一些实施方案中，方法800还包括形成第二聚合物泡沫并且一起烧结聚合物泡沫和第二聚合物泡沫以形成单个部件。例如，多件聚合物泡沫152和/或模制部件252可通过模具施加热和/或压力一起烧结。在一些实施方案中，多件聚合物泡沫152和/或模制部件252具有不同泡孔尺寸。例如，在一定实施方案中，微米孔聚合物泡沫可与纳米孔聚合物泡沫一起烧结以产生混合泡沫。在其他实施方案中，亚微米孔或纳米孔泡沫可与具有不同泡孔尺寸的其他类型泡沫一起烧结以产生混合泡沫。另外或替代地，后加工操作可在聚合物泡沫上进行以在其中产生其他泡孔或孔。
[0110]
发泡珠142、聚合物泡沫152和/或模制部件252可以连续工艺或间歇工艺制造。在示例性连续工艺中，将通过压力容器珠发泡工艺(例如，高压釜珠发泡工艺)产生的发泡珠142进给至模具中从而施加蒸气至发泡珠142。在施加热和压力至发泡珠142的过程中，至少部分发泡珠142达到高于其流点的温度并且熔融以一起烧结发泡珠142并且产生微米或纳米孔聚合物珠泡沫。
[0111]
在示例性间歇工艺实施方案中，将固体形式的聚合物122在压力下浸入发泡剂134中一定时间段以形成流体饱和聚合物122。卸除压力后，发泡剂134进行成核和生长以形成微米或纳米孔泡沫。
[0112]
方法800还可包括在挤出装置中组合聚合物和添加剂以形成聚合物组合物。例如，挤出装置可包括或对应于挤出机610。在一些这种实施方案中，方法800还包括通过造粒机使聚合物组合物成形为球团。例如，造粒机可包括或对应于图6的模头618和/或造粒机。
[0113]
因此，方法800描述了制造具有增加的孔隙密度(孔隙率)和减轻的重量的聚合物泡沫，例如微米孔和纳米孔聚合物泡沫152或模制部件252。方法800有利地能够形成孔隙密度增加和重量减轻的微米孔和纳米孔聚合物泡沫。
[0114]
聚合物泡沫例如聚合物泡沫152的一种示例性用途是作为绝热材料(例如，并入绝热材料中)。聚合物泡沫具有良好的绝缘性能(例如，低于气体的绝缘性能)和低密度。由于克努森效应，纳米孔聚合物泡沫可以提供增加的热绝缘。
[0115]
聚合物泡沫的另一个示例性用途是作为膜和/过滤器。开孔微米孔和纳米孔聚合物泡沫可用作电池隔膜，因为它们可以阻碍开放泡孔狭窄通道中的离子传输。由于聚合物泡沫的高表面积，聚合物泡沫的表面可用于支持催化剂和反应。聚合物泡沫(例如，纳米孔聚合物泡沫)可设计用于过滤特定颗粒，基于调整泡孔大小以匹配过滤的颗粒的大小。
[0116]
本文所述的纳米孔聚合物泡沫可具有与微孔泡沫相比较高的抗冲击性。较高的抗冲击性可由限制效应产生。在特定的实施方案中，纳米孔聚合物泡沫可对特定部分的电磁
辐射表现出透明性和/或对特定部分的电磁辐射具有高反射率。
[0117]
注意，参考图7和图8的方法中的一种描述的一个或多于一个操作可以与图7和图8的其他方法的一个或多于一个操作组合。例如，方法700的一个或多于一个操作可以与方法800的一个或多于一个操作组合。另外，参考图1、图2、图5和图6的系统描述的一个或多于一个操作可以与参考图7和图8的方法中的一种描述的一个或多于一个操作组合。
[0118]
实验结果
[0119]
pc 175和pc 669的微球团用于形成微米和纳米孔聚合物泡沫。使用的微球团通过如下使用对于表1中给出的材料的挤出条件来制备：使用dr.collin teach
‑
line zk 25t挤出机，其中l/d比为24，螺杆直径为25mm。
[0120][0121]
表1中描绘的温度曲线包括五个按摄氏度计的温度，并且对应于挤出机“区”的温度。挤出机的五个区(又名区域或部分)对应于挤出机的进料区、后区、中心区、前区和喷嘴区。采用表1的挤出条件的dr.collin teach
‑
line zk 25t挤出机产生的固体珠(也称为微球团(例如，132、232)具有基本上1mm的平均直径和基本上1.3mm的平均长度。
[0122]
压力容器(例如，204、524)用于由上述pc175和pc 669的固体珠/微球团形成发泡珠，例如发泡珠142或发泡珠242。压力容器配置为加热0.6升体积至300巴。压力容器具有最大rpm为1000的内部混合系统。压力容器包括具有
±
0.1摄氏度精度的温度控制器。压力容器具有释放压力的出口阀和出口模头，所述出口模头具有允许饱和微球团逃逸和膨胀的内径。出口模头连接至储罐(例如，发泡珠收集器)，其配置为储存和/或接收热流体以在发泡珠中诱发热发泡。
[0123]
结合使用pc175和pc 669的珠/微球团的一步发泡工艺的上述装置，使用以下参数。在阶段1(例如，504)过程中，微球团和处于液态下的水的分散介质混合以形成微球团在液体分散介质中的均质分散体。均质分散体具有22/1(440cc/20g)的分散介质(例如，水)与球团的比并且包括硬脂酸钙、滑石、钠、c
12
‑
14
和烷基硫酸盐的表面活性剂。在阶段2(例如，508)过程中，将微球团用co2发泡剂饱和并且使用400rpm的rpm设置以在饱和过程中混合压力容器内容物。在阶段3(例如，512)过程中，压力从压力中释放。在阶段4(例如，516)过程中，将收集的饱和微球团在基本上100摄氏度下在水浴中在储罐中加热1分钟以诱导后发泡并且形成发泡珠。在阶段5(例如，520)过程中，在室温、基本上23摄氏度下通过水冷却发泡珠。
[0124]
上述一步发泡工艺产生具有小于200kg/m3密度的发泡珠并且发泡珠能够产生具有小于200kg/m3密度的珠泡沫。
[0125]
在其他实验中，油(例如葵花籽油、硅油或低蒸发率或能量油)代替水作为压力容器中的分散介质，并且与用水为分散介质制成的发泡珠相比，其他实验产生均质性增加的发泡珠。举例说明，在一些发泡条件下，水会挥发得太迅速并且在发泡珠中产生固体皮层和/或裂纹。具体地，与用水作为分散介质形成的发泡珠相比，更具均质性的发泡珠不含固
体皮层或具有较少固体皮层。“固体皮层”比发泡珠内部具有较高密度并且不可具有泡孔(例如，微米或纳米，闭孔或开孔)。固体皮层可损害一起烧结的发泡珠，发泡珠的第二发泡工艺，和由泡沫珠制成的泡沫的性能(例如，机械性能、热性能、光学性能等)。用水和油两者产生的发泡珠具有2微米至25微米的泡孔/孔尺寸。由其制成的发泡珠和泡沫具有0.15的相对密度。
[0126]
在上述实验中，发现co2的饱和诱导结晶效应，其阻碍发泡珠的发泡工艺和增加密度。因此，过饱和产生密度较高的发泡珠和泡沫，并且每个(共)聚合物都有特定的压力
‑
时间范围以能够实现低密度。增加饱和压力或饱和时间超过该特定范围会增加而不是降低密度。
[0127]
上述说明和实施例提供了说明性实施方案的结构和使用的完整描述。尽管以上已以某种程度的特定性或参考一个或多个单独实施方案描述了某些实施方案，但本领域技术人员可以在不脱离本公开的范围的情况下对公开的实施方案进行许多改变。因此，方法和系统的各种说明性实施方式并不旨在限于公开的特定形式。相反，它们包括落入权利要求范围内的所有修改和替代，并且除所示实施方案以外的实施方案可包括所述实施方案的一些特征或全部特征。例如，要素可以省略或组合为单一结构，连接可以进行替换，或两者兼而有之。此外，在适当的情况下，上述任何实施例的方面可以与描述的任何其他实施例的方面组合以形成具有类似或不同性能和/或功能并且解决相同或不同问题的其他实施例。类似地，应当理解，上述益处和优点可与一种实施方案有关或可与多种实施方案有关。因此，本文描述的单个实施方案不应解释为限制性的，并且在不脱离本公开的教导的情况下可以适当地组合本公开的实施方案。
[0128]
权利要求并不旨在包括并且不应解释为包括装置加功能或步骤加功能的限制，除非在给定的权利要求中分别使用短语“用于
……
的装置”或“用于
……
的步骤”明确记载了这样的限制。