本發(fā)明涉及tpu材料成型，尤其涉及一種tpu殼體制品冷卻方法及相關裝置。
背景技術：
1、tpu殼體制品是以熱塑性聚氨酯彈性體(thermoplastic?polyurethane)為基材的外殼類產品，廣泛應用于電子設備保護殼及高端消費電子產品的結構組件等。tpu作為一種線性嵌段共聚物，由軟段(聚醚或聚酯二醇)和硬段(二異氰酸酯與鏈增長劑反應形成)交替排列構成，這種獨特的分子結構賦予了tpu優(yōu)異的彈性、耐磨性、耐油性以及良好的低溫柔韌性，使其成為高性能殼體材料的理想選擇。
2、現(xiàn)有tpu殼體制品的制備過程主要采用注塑成型工藝，包括tpu原料干燥、熔融注射、保壓成型和冷卻脫模等關鍵步驟。其中冷卻環(huán)節(jié)是保證產品尺寸穩(wěn)定性和內部結構形成的決定性階段，同時也是影響生產效率的關鍵因素。工業(yè)化生產中，為了滿足30秒甚至15秒內的模內循環(huán)時間要求，通常采用溫度較低的模具水路循環(huán)系統(tǒng)快速冷卻tpu熔體，使其從成型溫度(約190-220℃)迅速降至能夠穩(wěn)定脫模的溫度。然而，tpu的分子結構特性使其軟段含有大量極性酯/醚鍵，在玻璃化轉變溫度區(qū)域附近表現(xiàn)出強烈的吸濕性和較高的粘彈特性。在快速冷卻過程中，當tpu熔體經(jīng)歷快速溫度下降時，尚未完成重排與結晶的tpu芯層會迅速吸附并封存周圍環(huán)境中的殘余水分，形成直徑約10-100納米的“凍結水囊”。這些納米級水囊在常規(guī)質檢中幾乎不可被察覺，但在產品的后續(xù)高溫高濕環(huán)境存儲或使用過程中，卻會成為局部水解反應的活化中心，促使tpu分子鏈中的軟-硬段界面鍵能下降，并逐漸向材料界面或層壓層擴散，最終導致產品出現(xiàn)分層剝離或界面粘結強度急劇下降的嚴重質量問題。
3、值得說明的是，簡單地提高模壁溫度(如保持在25℃以上)并不能從根本上解決“凍結水囊”問題。一方面，這種做法會顯著降低tpu的外層玻璃化速度，導致保壓時間大幅延長，嚴重影響生產效率和經(jīng)濟性；另一方面，即使模壁溫度保持較高，tpu殼體中的厚壁區(qū)域或加強筋部位的芯層仍會維持在50-80℃的高溫數(shù)秒，在溫度梯度驅動下，模腔殘濕依然可能向芯層遷移并被隨后的相對降溫鎖定。此外，過高的模壁溫度還會導致熔體黏度降低，引發(fā)溢邊、熔接線弱化和取向層松弛等新的外觀與機械性能問題。因此，tpu殼體制品的冷卻過程面臨“保證快速定形”與“抑制水汽封存”之間的根本矛盾，亟需一種既不犧牲生產節(jié)拍，又能有效控制水分遷移與封存行為的創(chuàng)新冷卻方法。
技術實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的主要目的在于解決現(xiàn)有的tpu殼體制品冷卻工藝存在凍結水囊導致產品長期性能下降的技術問題。
2、本發(fā)明第一方面提供了一種tpu殼體制品冷卻方法，所述tpu殼體制品冷卻方法包括：
3、對閉合模腔空間施以露點不高于-60℃的惰性氣體雙向流動置換，同時維持腔壁溫度85℃±2℃，使壁面吸附水分迅速氣化并隨氣流排出，得到殘余含濕量不高于20ppm的預置模腔環(huán)境；
4、根據(jù)預置模腔環(huán)境對200℃±5℃的tpu熔體實施高剪切速率注射填充處理，利用惰性氣體動壓層降低熔體前沿剪切阻力并維持腔壁溫度，得到表層鏈段取向且芯-表層溫差不高于12℃的初成形殼體；
5、根據(jù)初成形殼體對叔胺-硼烷類活性氣體實施注入絡合處理，使活性氣體與水分子形成配位絡合物并放熱，同時在tpu分子鏈界面形成疏水層，得到水分被絡合且芯層冷卻速率受控的絡合殼體；
6、根據(jù)絡合殼體對模腔實施快速抽取與慢速抽取相結合的脈沖真空分離處理，并施加微振動引導深層配位絡合物遷移，得到配位絡合物被分離且殼體含水量大幅降低的半固化殼體；
7、根據(jù)半固化殼體對外層與內層實施分區(qū)逆梯度冷卻處理，形成由外向內的溫度梯度場，繼而引入干燥惰性氣體并通入異氰酸酯三聚體蒸氣進行分子鏈封端處理，得到內應力可控且界面穩(wěn)定的固化tpu殼體制品。
8、優(yōu)選的，所述對閉合模腔空間施以露點不高于-60℃的惰性氣體雙向流動置換，同時維持腔壁溫度85℃±2℃，使壁面吸附水分迅速氣化并隨氣流排出，得到殘余含濕量不高于20ppm的預置模腔環(huán)境，包括：
9、對模腔壁面實施溫度控制處理，得到溫度維持在85℃±2℃的模腔壁面；
10、根據(jù)溫度維持在85℃±2℃的模腔壁面對露點不高于-60℃的惰性氣體實施正向流動處理，使氣體沿澆口至排氣口方向形成層流，得到吸附水分氣化的正向置換氣流；
11、根據(jù)正向置換氣流對惰性氣體實施反向流動處理，使氣體沿排氣口至澆口方向流動，得到殘余水汽被帶出的反向置換氣流；
12、根據(jù)反向置換氣流對惰性氣體實施0.1s周期的脈沖處理，使氣體流速在50m·s-1至0m·s-1間交替變化，得到模腔壁面水分完全脫除的置換氣流；
13、根據(jù)置換氣流對排出氣體實施露點檢測處理，當檢測得到的露點連續(xù)三次低于-60℃時停止置換，得到殘余含濕量不高于20ppm的預置模腔環(huán)境。
14、優(yōu)選的，所述根據(jù)預置模腔環(huán)境對200℃±5℃的tpu熔體實施高剪切速率注射填充處理，利用惰性氣體動壓層降低熔體前沿剪切阻力并維持腔壁溫度，得到表層鏈段取向且芯-表層溫差不高于12℃的初成形殼體，包括：
15、對預置模腔環(huán)境中惰性氣體實施25m·s-1-35m·s-1速率的定向流動處理，使惰性氣體沿澆口方向形成協(xié)流氣層，得到厚度為30μm且包覆腔壁的初始動壓層；
16、根據(jù)初始動壓層對tpu熔體實施0.10s的剪切加速注射處理，使熔體局部剪切速率由5×104s-1遞增至1×105s-1，得到表層鏈段取向且前沿剪切阻力較無動壓層工況降低20%-40%的加速熔體流；
17、根據(jù)加速熔體流對初始動壓層實施20ms的壓縮處理，使動壓層厚度由30μm壓縮至15μm并產生瞬時背壓，得到前沿壓差波動不高于8%且氣層溫度升至80℃的壓縮動壓層；
18、根據(jù)壓縮動壓層對模腔壁面實施熱傳導處理，使動壓層攜帶的顯熱在0.02s內傳遞至壁面，得到溫度維持在85℃±2℃的模腔壁面；
19、根據(jù)溫度維持在85℃±2℃的模腔壁面對保壓階段tpu熔體實施0.06s-0.10s的熱平衡處理，使熔體芯層熱量通過動壓層徑向擴散并逸散，得到芯-表層溫差不高于12℃的初成形殼體。
20、優(yōu)選的，所述根據(jù)初成形殼體對叔胺-硼烷類活性氣體實施注入絡合處理，使活性氣體與水分子形成配位絡合物并放熱，同時在tpu分子鏈界面形成疏水層，得到水分被絡合且芯層冷卻速率受控的絡合殼體，包括：
21、對初成形殼體實施8kpa-12kpa壓力微擾處理，使tpu自由體積發(fā)生瞬時弛豫并生成尺寸5-20nm的擴散微孔，得到具備短程擴散隧道的高彈殼體；
22、根據(jù)高彈殼體對叔胺-硼烷類活性氣體實施第一脈沖注入處理，使活性氣體以0.2%體積分數(shù)霧化進入擴散微孔并與水分子初步絡合，得到放熱速率閾值被標定的引種殼體；
23、根據(jù)引種殼體對活性氣體實施第二脈沖注入處理，使活性氣體體積分數(shù)根據(jù)放熱速率閾值自適應調整至2%，并在50ms內充分擴散至芯層，得到水分被完整絡合且配位放熱40kj·mol-1±2kj·mol-1的放熱殼體；
24、根據(jù)放熱殼體對芯層溫度實施自適應緩冷處理，使放熱-緩冷平臺與tpu晶化半衰期重合0.40s-0.45s，得到芯-表層冷卻速率差不高于5℃·s-1的緩冷殼體；
25、根據(jù)緩冷殼體對配位絡合物殘余硼-氟骨架實施極化取向處理，使b-f片段沿tpu酯基偶極向列排列并形成1nm-2nm疏水層，得到界面親水能降低60mn·m-1以上的疏水殼體；
26、根據(jù)疏水殼體對未絡合活性片段實施自縮合-解配位平衡處理，使殘留活性片段在70℃-80℃內縮合為寡聚體并嵌入基體，得到揮發(fā)性降低且芯層冷卻速率受控的絡合殼體。
27、優(yōu)選的，所述根據(jù)絡合殼體對模腔實施快速抽取與慢速抽取相結合的脈沖真空分離處理，并施加微振動引導深層配位絡合物遷移，得到配位絡合物被分離且殼體含水量大幅降低的半固化殼體，包括：
28、對絡合殼體實施線性降壓至–0.02mpa～–0.03mpa的預減壓處理，得到壓差均勻分布的預減壓殼體；
29、根據(jù)預減壓殼體對模腔執(zhí)行30ms脈沖快速抽取處理，使腔壓瞬降至–0.06mpa，得到配位絡合物沿徑向遷移并富集表層的快速抽取殼體；
30、對快速抽取殼體施加80hz、4μm振幅的微振動處理，得到配位絡合物在儲能模量諧振作用下持續(xù)向表層遷移的振動遷移殼體；
31、對振動遷移殼體執(zhí)行60ms脈沖慢速抽取處理，使腔壓緩升至–0.04mpa并維持負壓，得到殼體含水量不高于8ppm的慢抽殼體；
32、根據(jù)慢抽殼體對模腔施加+5kpa正壓脈沖并同步進行–50℃冷凝槽阱吸附處理，得到配位絡合物被冷凝鎖定且壓差恢復平衡的半固化殼體。
33、優(yōu)選的，所述根據(jù)半固化殼體對外層與內層實施分區(qū)逆梯度冷卻處理，形成由外向內的溫度梯度場，繼而引入干燥惰性氣體并通入異氰酸酯三聚體蒸氣進行分子鏈封端處理，得到內應力可控且界面穩(wěn)定的固化tpu殼體制品，包括：
34、對模腔外層隨形水路循環(huán)6℃冷卻介質進行換熱處理，使與半固化殼體外層接觸的模壁溫度在0.25s內降至25℃，得到外層溫度鎖定且表層玻璃化的外層速冷殼體；
35、根據(jù)外層速冷殼體對模腔內層隨形水路循環(huán)18℃冷卻介質進行緩降處理，使芯層溫度以25℃·s-1–30℃·s-1速率遞減至45℃，得到外層與內層之間溫差維持20℃–25℃的逆梯度殼體；
36、根據(jù)逆梯度殼體向模腔引入露點不高于–30℃的干燥惰性氣體并保持0.15mpa正壓流動，使芯層余熱與殘留水汽被攜帶出模腔，得到殘余羥基均勻暴露的干燥殼體；
37、根據(jù)干燥殼體通入異氰酸酯三聚體蒸氣并保持45℃–55℃溫度區(qū)間進行0.2s滲透處理，使三聚體分子與殘余羥基發(fā)生端基封端反應并在軟段-硬段界面原位形成1nm–2nm漸變交聯(lián)帶，得到界面黏附能增強的封端殼體；
38、在三聚體滲封處理完成后0.2s內，對模腔施以+10kpa至0kpa線性釋壓處理，使外層與內層收縮同步并將殘余內應力降低至3mpa以下，得到內應力可控且界面穩(wěn)定的固化tpu殼體制品。
39、本發(fā)明第二方面提供了一種tpu殼體制品冷卻裝置，所述tpu殼體制品冷卻裝置包括：
40、預置模腔環(huán)境模塊，用于對閉合模腔空間施以露點不高于-60℃的惰性氣體雙向流動置換，同時維持腔壁溫度85℃±2℃，使壁面吸附水分迅速氣化并隨氣流排出，得到殘余含濕量不高于20ppm的預置模腔環(huán)境；
41、高剪切注射模塊，用于根據(jù)預置模腔環(huán)境對200℃±5℃的tpu熔體實施高剪切速率注射填充處理，利用惰性氣體動壓層降低熔體前沿剪切阻力并維持腔壁溫度，得到表層鏈段取向且芯-表層溫差不高于12℃的初成形殼體；
42、活性氣體絡合模塊，用于根據(jù)初成形殼體對叔胺-硼烷類活性氣體實施注入絡合處理，使活性氣體與水分子形成配位絡合物并放熱，同時在tpu分子鏈界面形成疏水層，得到水分被絡合且芯層冷卻速率受控的絡合殼體；
43、脈沖真空分離模塊，用于根據(jù)絡合殼體對模腔實施快速抽取與慢速抽取相結合的脈沖真空分離處理，并施加微振動引導深層配位絡合物遷移，得到配位絡合物被分離且殼體含水量不高于8ppm的半固化殼體；
44、逆梯度冷卻封端模塊，用于根據(jù)半固化殼體對外層與內層實施分區(qū)逆梯度冷卻處理，形成由外向內的溫度梯度場，繼而引入干燥惰性氣體并通入異氰酸酯三聚體蒸氣進行分子鏈封端處理，得到內應力可控且界面穩(wěn)定的固化tpu殼體制品。
45、本發(fā)明第三方面提供了一種tpu殼體制品冷卻設備，包括：存儲器和至少一個處理器，所述存儲器中存儲有指令，所述存儲器和所述至少一個處理器通過線路互連；所述至少一個處理器調用所述存儲器中的所述指令，以使得所述tpu殼體制品冷卻設備執(zhí)行上述的tpu殼體制品冷卻方法的步驟。
46、本發(fā)明的第四方面提供了一種計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質中存儲有指令，當其在計算機上運行時，使得計算機執(zhí)行上述的tpu殼體制品冷卻方法的步驟。
47、本技術實施例提供的技術方案，在制備過程開始時，對閉合模腔施以露點不高于-60℃的惰性氣體雙向流動置換，同時將腔壁溫度維持在85℃±2℃。這一設計利用熱力學原理實現(xiàn)模腔干燥：高溫腔壁提供足夠的熱能使吸附水分快速氣化，而惰性氣體（主要為氬氣）因其低極化率特性，能夠將氣化水分子有效帶離模腔表面。雙向流動置換確保模腔各處水分均被有效脫除，連續(xù)三次低于-60℃的露點檢測則確保了殘余含濕量不超過20ppm。這一步從源頭上消除了模腔中的初始水分，為后續(xù)工藝奠定了“零水汽競爭”的基礎環(huán)境。
48、隨后，對200℃±5℃的tpu熔體實施高剪切速率注射填充處理，同時利用惰性氣體形成動壓層。此步驟不僅保持了高效的填充速度，還通過30μm厚的氣體動壓層實現(xiàn)了對熔體前沿剪切阻力的降低，避免了傳統(tǒng)工藝中高速注射導致的熔體鏈斷裂問題。更關鍵的是，動壓層通過熱傳導機制將填充過程中產生的摩擦熱均勻分布，使芯-表層溫差控制在12℃以內。溫差控制是防止水囊形成的關鍵因素，因為較大的溫差會導致tpu芯層在冷卻過程中提前進入玻璃化狀態(tài)，鎖住遷移中的水分子。小溫差確保了tpu軟段自由體積保持開放狀態(tài)，讓后續(xù)化學處理能夠深入材料內部。
49、第三步引入了叔胺-硼烷類活性氣體進行注入絡合處理，通過8kpa-12kpa的壓力微擾處理，使tpu分子鏈間形成5-20nm的擴散微孔網(wǎng)絡，創(chuàng)造出活性氣體滲透通道。兩階段的脈沖注入策略（先以0.2%體積分數(shù)標定放熱速率，再以2%體積分數(shù)進行主體絡合）確保了水分子被高效捕獲。絡合過程釋放40kj·mol-1±2kj·mol-1的熱量，這一熱量與tpu結晶潛熱相當，形成了0.40s-0.45s的“等溫平臺”，恰好與tpu晶化半衰期匹配。這一精確的熱力匹配使芯層溫度不會驟降至70℃以下的水囊成核溫區(qū)，避開了傳統(tǒng)工藝中因快速冷卻而形成的水囊成核窗口。同時，絡合反應在tpu分子鏈界面留下了1nm-2nm厚的疏水層，顯著降低了界面親水能（減少60mn·m-1以上），為長期抵抗水解反應提供了分子屏障。
50、第四步通過脈沖真空分離進一步清除已絡合的水分。該步驟采用了“快抽+微振+慢抽”的精密組合：先線性降壓至–0.02mpa～–0.03mpa建立均勻壓差分布，再通過30ms的–0.06mpa脈沖快速抽取表層絡合物；同時施加80hz、4μm振幅的微振動，精確匹配tpu黏彈松弛時間常數(shù)，促使深層絡合物向表面“泵動”遷移；最后60ms的慢速抽取使腔壓緩升至–0.04mpa，在不破壞殼體結構的前提下持續(xù)抽離水分。這一精心設計的抽取序列使殼體含水量降至8ppm以下，同時–50℃冷凝槽阱回收絡合物實現(xiàn)了工藝的閉環(huán)環(huán)保。
51、最后一步的逆梯度冷卻封端處理確保了產品的快速定形與長期穩(wěn)定。通過外層水路循環(huán)6℃冷卻介質快速將模壁溫度在0.25s內降至約25℃，實現(xiàn)表層玻璃化；內層水路則采用18℃冷卻介質使芯層以25℃·s-1–30℃·s-1的速率緩降至45℃。這種“外冷內緩”的逆梯度冷卻設計形成了20℃–25℃的溫差驅動力，促使任何殘余水分向外遷移而非向內封存。隨后引入的露點不高于–30℃的干燥惰性氣體帶走了最后的殘余水汽，而異氰酸酯三聚體蒸氣則在45℃–55℃溫度區(qū)間與殘余羥基反應，形成1nm–2nm的漸變交聯(lián)帶，既化學消耗了最后的水分，又增強了界面結合強度。最終通過+10kpa至0kpa的線性釋壓處理，使外層與內層收縮同步，將殘余內應力控制在3mpa以下。
52、這套工藝方法能夠在不犧牲生產效率的前提下解決水囊問題，關鍵在于對水分子行為與tpu冷卻動力學的全程控制。傳統(tǒng)方法簡單采用低溫快冷或高溫慢冷均難以兼顧效率與品質，而本方法通過“高溫預脫附→動壓層溫控→化學絡合緩冷→脈沖真空分離→逆梯度定向冷卻”的串聯(lián)機制，使得每個工藝窗口中都不存在水分子被封存的條件，而全程溫度與壓力控制又確保了模內總循環(huán)時間不超過18秒，完全滿足工業(yè)化生產需求。特別是方法中的化學絡合與機械振動相結合的水分子遷移控制，創(chuàng)造性地解決了“快速定形”與“抑制水汽封存”這一傳統(tǒng)認為不可調和的技術矛盾。