專利名稱:一種泡沫金屬的基材及其制備方法和拉伸定型設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種泡沫金屬的基體材料(簡稱基材)及其制備方法和拉伸定型設備。具體說是一種具有“三維橢圓泡形孔網絡骨架”的泡沫金屬的基材，即將現有的圓形泡孔的泡棉制備成具有“三維橢圓泡形孔網絡骨架”的泡沫金屬基材及其方法和設備。
背景技術：
當今，泡沫金屬的基材通常采用塑料發泡材料(聚氨酯、聚醚酯、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等)。由于泡沫金屬的孔隙度高、流體透過性好、能量吸收和吸音性能強、比面積大、毛細管滯留能力強等優點，泡沫金屬產品已進入多項領域。如電池行業(鎳氫、鎳鎘、氫氧燃料電池等)、電化學工程(多孔電極、電解制氫電極、電解海水電極、污水處理電極等)、電化學催化工程(催化劑載體)、環保工程(吸音性能、阻尼材料、電磁波屏蔽材料、氣、液凈化，過濾分離材料等)等等。因此泡沫金屬的年產量大幅度遞增，市場廣闊，應用前景非常好。所以，泡沫金屬制品，特別是泡沫鎳產品的質量更是日新月異，相關技術和專利文獻頻頻浮出。
電池性能與泡沫鎳產品質量密切相關。特別是泡沫鎳網絡泡形孔結構，對電池性能的提升至關重要。而塑料泡棉基體材料結構又決定著泡沫鎳的結構和性能，也是電池性能改善的重要要素之一。
目前，生產泡沫鎳的基體材料塑料泡棉的結構，均是三維圓泡形孔網絡狀。已往泡沫鎳制造行業，對泡沫鎳的基體材料孔形結構是“神圣不可侵犯”的。特別是在導電化工藝環節，普遍強調不可對泡棉在導電化連續卷曲過程中施力變形。僅此目的，曾采取多項技術給予保護。使泡棉在導電化全過程中，最大限度不受力。經查有兩項專利(專利號01128040.9)、(專利號98219558.3)專門就其不能使泡棉變形，闡述卷曲機構的優越性等等。應當說引入這些觀念，對制造泡沫鎳質量保證，具有歷史性貢獻。
但是，隨著技術的發展，現在發現正是由于上述泡棉的圓狀孔網絡結構制約著泡沫鎳產品許多關鍵參數(如面密度均勻性、拉伸強度、柔韌性等力學物理性能)，均直接影響著該產品的質量。因此，泡沫鎳的基體材料質量缺陷，已成泡沫鎳制造業不可越逾的閾限。嚴重阻礙質量、產能提高。更扼制電池產品的高性能提升。

發明內容本發明的目的是提供一種泡沫金屬的基材，及其制備方法和拉伸定型設備。它可以克服現有泡沫塑料先天性質量缺點，突破已有泡沫金屬基材不能變形的技術觀念，改變生產泡沫鎳基體材料的網絡泡形孔結構，進一步提高泡沫鎳的質量和力學物理性能，乃至最終提高電池產品的性能。
本發明的目的是這樣實現的泡沫金屬的基材，其特征在于它是一種厚度(1.0-10)mm、孔數(10-150)PPI(每英寸長度內的孔數)的塑料泡沫材料。它的內部呈現一種三維橢圓泡形孔網絡骨架結構。其橢圓泡形的長、短軸之比為(1.3∶1)-(10∶1)。
上述泡沫金屬的基材的拉伸定型設備它包括安裝在機殼內的卷繞系統和加熱系統，在加熱系統的前、后部位設置有張力調整系統，其特征在于卷繞系統的各輥筒均以同一線速度旋轉，張力調整系統包括安裝在加熱器前的上擺桿機構和安裝在加熱器后的下擺桿機構。上、下擺桿機構分別包括有懸掛在機殼內的擺桿，在擺桿的下端鉸接有重錘，并在兩側擺桿之間安裝有與泡沫緊密接觸的旋轉輥筒提供拉伸定形的張力。
上述拉伸定型設備的加熱系統中的加熱器，可以采用定向紅外線加熱器、定向微波加熱器、電阻加熱器、或采用加熱式輥筒對泡沫塑料基體熱傳導加熱。也可以采用真空磁控濺射陰極，利用濺射過程伴隨產生的輻射熱等等，均能對泡沫塑料進行加熱，創造拉伸永久變形條件。
上述泡沫金屬的基材的制備方法其特征在于它是將厚度(1.0-10)mm、孔數(10-150)PPI的塑料泡沫材料進行加熱、拉伸和冷卻定型，在該過程中，塑料泡沫材料所處的溫度場的溫度(130-250)℃、加熱前塑料泡沫材料所受拉力，借助上、下擺桿兩側重錘的重量對泡沫材料施加張力，重錘的重量在(2-22)kg，塑料泡沫材料所受拉力(0.018-0.2)N/mm2，拉伸時對泡沫塑料的牽引線速度(0.3-25)m/min。
本發明的制備方法可以在大氣壓力下進行，也可以在真空狀態下進行。
本發明能對已有泡沫材料依據設定參數，通過PLC可完全自動化進行冷態預拉伸變形、加熱變形、冷卻定形。獲得三維橢圓泡形孔網絡骨架結構的泡棉，三維方向等值均勻可控。即其縱向拉長、橫向縮短及厚度變薄。并同步去除含在原泡沫材料內含有的有害工藝油污分子和水分子，更有利于下道電鍍工藝。由于原有三維幾何尺寸發生改變，從而也發生“尺寸效應”的奇妙特性。其最明顯效果是它的一系列力學物理性能均得到前所未有的改善。如本發明的的泡棉新結構，比原泡沫金屬產品縱向拉強提高、導電性增強。尤其是原泡棉由于旋切工藝缺陷，即縱向始終存在所謂“明、暗區”波動性周期，造成泡沫鎳產品縱向面密度嚴重不均。但經本發明拉伸定形后，確得到空前改善。另一收獲是它的橫向柔軟性大大提高。這對下游產業-電池制造業意義是重大的。因這一參數可以直接提高它們的生產效率和產能。又由于新的三維橢圓泡形孔網絡骨架結構空間容量變大。它極有利于，獲得大體積比容量、質量比容量指標的電池。實現電池的高比能量輸出、高倍率放電、高充放電效率及長循環壽命目標高效電池。本發明可提高現有生產泡沫鎳產品的質量，降低廢品率，提高經濟效益。
經查新檢索，尚未發現有與本發明相雷同、相近專利技術和文獻。特別是在電池同行業中，也未發現能制造三維橢圓泡形孔網絡骨架結構的泡棉和新型泡沫鎳產品文獻報道。
圖1是本發明的拉伸定型設備的機芯結構示意圖。
圖2是圖1中所示的擺桿機構的結構示意圖。
圖3是圖2的側視圖。
圖4是本發明的另一種實施例的示意圖。
圖5-圖7是本發明的三維橢圓泡形孔網絡骨架結構的泡沫塑料材料的顯微鏡下的放大圖。
具體實施例下面結合具體實施例及其附圖對本發明做進一步詳細的說明。
圖1、圖2和圖3所示的是本發明針對原塑料泡沫材料的拉伸定型設備及其卷繞系統、加熱系統和安裝在加熱系統前、后部的張力調整系統。上述結構安裝在機殼內(圖中未給出)。本發明可以在真空狀態下實施，也可以在非真空狀態下實施。所以上述機殼包括設有真空系統和充氬氣系統的真空機殼和非真空機殼。
如圖1所示，本發明的設備中卷繞系統包括放卷輥1和收卷輥20，放卷輥1和收卷輥20由兩臺電機分別驅動。還包括有兩個牽引輥，即上牽引輥9和下牽引輥13。上牽引輥9和下牽引輥13可以由同一臺電機驅動，也可以由兩臺電機分別驅動。驅動放卷輥和收卷輥的電機及驅動牽引輥的電機，通過工業電腦(PLC)電氣控制系統，使之達到同步控制，實現塑料泡沫材料在整個制備過程中的線速度始終一致。
加熱系統如圖1所示，采用面對泡沫材料布置的加熱器10、11、12。上述加熱器10、11、12也可以是定向紅外線加熱器、或定向微波加熱器、也可以采用真空磁控濺射陰極對泡棉進行輻射加熱。另外，本發明還可以將過渡輥設置成加熱輥，或者設置加熱板等。采用加熱輥(或板)對泡沫材料基體直接進行加熱。上述加熱方式和加熱器結構均為已有技術。總之，本發明的加熱方式不局限于附圖中所給出的結構形式。
張力調整系統如圖2和圖3所示，包括安裝在加熱器前的上擺桿機構和安裝在加熱器后的下擺桿機構，上、下擺桿機構的結構相同。在機殼內設置有支架26，在支架26上安裝有擺桿主軸3，在擺桿主軸3上懸掛有兩個擺桿4，在兩個擺桿4的后面設置兩個限位元件5，保持擺桿在平時狀態時與水平夾角為60度。擺桿下端部安裝有擺桿軸21及旋轉輥筒6，旋轉輥筒6與擺桿軸21可相對運功。在擺桿軸端兩側懸掛重錘7。圖中24是卷繞過程中的泡棉，圖號2、8、14、15、16是泡棉在牽引、卷繞過程中支撐、傳遞、轉移拉張力的過渡輥。
由圖3可見，在擺桿主軸3的一端，安裝有角位移傳感器25。借助它來測定塑料泡沫材料在拉伸過程中擺桿輸出的角位移量，通過PLC來控制放卷輥電機、收卷輥電機與牽引輥電機線速度相同，以達到塑料泡沫材料所受張力恒定目的。本發明還可以在泡沫塑料橫向表面上安裝有張力傳感器，測量泡沫塑料在拉伸過程中所受到的張力大小與設定值相比較，修正放卷、收卷電機對牽引電機的線速度不同步。
上述目的也可以通過安裝張力傳感器來實現。
圖4所示是本發明的另一種實施例。按本發明的拉伸、加熱和定型機構，安裝在制造卷式片狀塑料發泡材料后端，與它的旋切設備對接，就可直接將發泡后的圓泡形孔網絡骨架結構的泡沫塑料加工成三維橢圓泡形孔網絡骨架結構的材料。圖中30是泡沫塑料的旋切機構，31是旋切后的片式泡沫塑料材料，它由收卷輥筒39卷繞成卷。在收卷輥筒和旋切機構之間安裝有加熱系統35，加熱系統的前、后部安裝有張力調整機構32，圖中33是牽引輥，34是過渡輥。
以下是制備三維橢圓泡形孔網絡骨架結構的泡沫塑料材料的方法。本發明的制備方法不僅僅局限于使用本發明附圖中所給出的拉伸定型設備，它可以在其它任何具有溫度控制、拉伸速度控制及張力控制的設備中實施。
實施例一非真空電阻加熱方式1、選擇現有圓形泡孔網絡骨架結構的聚氨酯泡沫塑料作為基材原料規格厚度2.1mm，孔數94PPI，幅寬1050mm，卷長度200m。
2、將上述基材原料裝夾在圖1所示的卷繞系統的放卷輥1上，牽拉最外層泡棉依次纏繞，路經過渡輥2、擺桿旋轉輥筒6、過渡輥8，上牽引輥9，通過兩面設置的加熱器10、11、12，繼續經過下牽引輥13、過渡輥14、15、下行繞至下擺桿的旋轉輥筒16、過渡輥19、達到收卷輥20，纏繞鎖定。
3、設定各相關參數張力調整系統中的上擺桿的重錘重量4kg/側，采用電阻加熱方式。對泡沫材料加熱，恒溫空間內200℃，進行拉伸變形。下擺桿的重錘重量1kg/側，對泡沫基材的牽引速度20m/min。
4、啟動加熱器電源，啟動牽引輥電機、放卷輥電機、收卷輥電機，按設定參數輸入牽引輥電機(含對變頻器控制)，并依程序控制放卷輥電機(含對變頻器控制)、控制收卷輥電機(含對變頻器控制)的線速度，保持與牽引輥同步。同時還借助上、下兩擺桿角位移傳感器或張力傳感器對放卷、收卷電機轉速輸出給予超前、滯后的修正，保證塑料泡沫材料在恒溫、牽引線速度一致的條件下被拉伸變形。
5、按照本實施例所設定的參數，獲得如圖7所示的三維橢圓泡形孔網絡骨架結構的泡沫金屬的基材，其橢圓長短軸之比為1.63∶1。實施例二非真空定向紅外線加熱方式1、經旋切機構30旋切后的泡沫塑料材料31厚度1.9mm、幅寬1050mm、卷長100m，孔數110PPI。
2、采用定向紅外線加熱器35，兩組功率10kw，兩組紅外線加熱器與泡沫塑料距離150mm，對泡沫塑料提供變形恒溫度230℃。
3、對泡沫塑料牽引速度10m/min。
4、張力調整系統加熱器前的擺桿機構中的擺桿兩側配重2kg/側x2＝4kg、泡沫塑料被拉伸時，擺桿達到水平位置。加熱器后的張力調整機構中的擺桿兩側配重1kg/側x2＝2kg，5、完成拉伸定形后的三維橢圓泡形孔網絡骨架結構的泡沫塑料材料，其長短軸平均比b/a＝1.5(參看圖6)。
實施例三真空狀態下磁控濺射陰極輻射加熱1、原料泡沫塑料材料規格厚度2.1mm、幅幅1050mm、卷長200m、孔數110PPI。
2、擺桿系統上擺桿兩側配重2.7kg/側x2＝5.4kg、泡棉拉伸時，擺桿達到水平位置。下擺桿兩側配重1kg/側x2＝2kg3、抽真空、充入氬氣，使機殼內的真空度和充氬氣，符合磁控濺射陰極的放電要求。
4、兩組磁控濺射陰極功率22kw/組。
5、磁控濺射陰極與泡沫塑料距離120mm。
6、對泡棉牽引速度0.8m/min。
7、完成拉伸定形后的三維橢圓泡形孔網絡骨架結構的泡沫塑料材料長短軸之比b/a＝3，(參看圖5)。
8、由于本實施例采用真空磁控濺射陰極對泡沫塑料輻射加熱，所以在加熱的同時已經完成了導電化處理，可直接轉入生產泡沫鎳的下道生產工序電鍍、燒結等。
通過本發明的上述制備方法生產出的三維橢圓泡形孔網絡骨架結構的泡沫金屬的基體材料，再實施導電化處理(或導電膠法、或化學鍍法、或真空鍍膜法)就可以進行泡沫鎳產品的生產了。
權利要求
1.泡沫金屬的基材，其特征在于它是一種厚度(1.0-10)mm、孔數(10-150)PPI(每英寸長度內的孔數)的塑料泡沫材料，它的內部呈現一種三維橢圓泡形孔網絡骨架結構。
2.根據權利要求
1所說泡沫金屬的基材，其特征在于三維橢圓泡形孔網絡骨架結構的長、短軸之比為(1.3∶1)-(10∶1)。
3.泡沫金屬的基材的拉伸定型設備，它包括安裝在機殼內的卷繞系統和加熱系統，在加熱系統前段和加熱系統后段設置有張力調整系統，其特征在于卷繞系統的各輥筒均以同一線速度旋轉。張力調整系統包括安裝在加熱器前段的上擺桿機構和安裝在加熱器后段的下擺桿機構，上、下擺桿機構分別包括有擺桿和在擺桿的下端鉸接有重錘，并在兩側擺桿之間安裝有旋轉輥筒，上、下擺桿機構安裝有傳感器。
4.根據權利要求
3所說的泡沫金屬的基材的拉伸定型設備，其特征在于所說的傳感器為角位移傳感器或張力傳感器。
5.根據權利要求
3所說的泡沫金屬的基材的拉伸定型設備，其特征在于所說的加熱系統中的加熱器可以是電阻加熱器、或定向紅外線加熱器、或定向微波加熱器、或磁控濺射陰極輻射加熱器、或與泡沫塑料直接接觸的圓筒狀或平板狀的的熱傳導加熱器。
6.泡沫金屬的基材的制備方法，其特征在于它是將厚度(1.0-10)mm、孔數(10-150)PPI的塑料泡沫材料進行加熱、拉伸和冷卻定型的過程，在該過程中，塑料泡沫材料所處的溫度場的溫度(130-250)℃，塑料泡沫材料所受拉力(0.018-0.2)N/mm2，拉伸時對泡沫塑料的牽引線速度(0.3-25)m/min。
7.根據權利要求
6所說的制備方法，其特征在于冷卻采用自然冷卻或風冷方法或接觸式傳導冷卻。
專利摘要
泡沫金屬的基材及其制備方法和拉伸定型設備，是一種將厚度(1.0－10)mm、孔數(10－150)PPI的塑料泡沫材料竟加熱、拉伸后，內部呈現一種三維橢圓泡形孔網絡骨架結構。三維橢圓泡形孔網絡骨架結構的長、短軸之比為(1.3∶1)－(10∶1)。本發明可以使泡沫金屬材料縱向拉強提高、導電性增強，使泡沫鎳產品縱向面密度嚴重不均得到空前改善，橫向柔軟性也大大提高。這對下游產業－電池制造業意義是重大的。這一參數可以直接提高生產效率和產能。極有利于獲得電池的大體積比容量、質量比容量指標，獲得高效電池。本發明可提高現有生產泡沫鎳產品的質量，降低廢品率，提高經濟效益。
文檔編號B29C55/00GK1995421SQ200510136785
公開日2007年7月11日 申請日期2005年12月31日
發明者王毓民, 劉運連, 李偉, 李爽, 邵斌, 于清 申請人:英可高新技術材料(沈陽)有限公司, 英可高新技術材料(大連)有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan