專(zhuān)利名稱(chēng)：超臨界流體發(fā)泡劑輸送裝置和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種預(yù)制超臨界流體發(fā)泡劑和控制輸送的流量的裝置和控制方法，更具 體地涉及采用超臨界狀態(tài)的氮?dú)饣蚨趸甲鳛榘l(fā)泡劑加工熱塑性泡沫塑料時(shí)準(zhǔn)備超臨 界發(fā)泡劑流體和精確控制輸送流量的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
或由于結(jié)構(gòu)的需要，或由于功能的需要如隔熱、隔音等，或出于節(jié)約原材料成本的 目的，越來(lái)越多地使用熱塑性塑料發(fā)泡成型制品。在發(fā)泡成型時(shí)，如擠出、注射或其他 成型方式， 一種已知的方法是采用化學(xué)發(fā)泡劑與熱塑性樹(shù)脂混煉，并嚴(yán)格控制工藝參數(shù)。 然而在使用化學(xué)發(fā)泡劑時(shí)一方面要求工藝控制非常嚴(yán)格，另一方面存在制品中有發(fā)泡劑 殘留物、模具腐蝕以及制品后續(xù)使用時(shí)受環(huán)境要求的限制，因此越來(lái)越多地發(fā)泡制品模 塑成型商傾向于直接使用氮?dú)饣蚨趸甲鳛榘l(fā)泡劑，特別是在線(xiàn)將氮?dú)饣蚨趸嫉?直接引入到擠出機(jī)的熔融熱塑性樹(shù)脂中，經(jīng)過(guò)混合形成均勻的可發(fā)泡熱塑性樹(shù)脂混合物， 然后成型。然而在采用氮?dú)饣蚨趸歼M(jìn)行發(fā)泡加工時(shí)，發(fā)泡劑的注入劑量及其注入流 量的穩(wěn)定性直接影響到發(fā)泡制品的發(fā)泡倍率和發(fā)泡制品質(zhì)量的穩(wěn)定性。
根據(jù)已經(jīng)公丌的文獻(xiàn)和常識(shí)，氮?dú)饣蚨趸荚诘蛪籂顟B(tài)下，很難溶入并混合到熔 融的熱塑性聚合物中，很難獲得所需要的發(fā)泡制品。但是處于超臨界狀態(tài)的氮?dú)?臨界 點(diǎn)壓力3. 35MPa,溫度-147°C )或二氧化碳(臨界點(diǎn)壓力7. 4MPa，溫度31. 24°C)與熔融聚 合物有較大的相容性。并且隨著壓力的提高，溶解度會(huì)進(jìn)一歩增大。當(dāng)熔融聚合物中混 合和溶解足夠的超臨界流體發(fā)泡劑后，通過(guò)擠出時(shí)快速降壓或快速升溫，就可獲得需要 的發(fā)泡制品。但在連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，為了獲得穩(wěn)定的制品，除了控制擠出機(jī)的工藝參數(shù)穩(wěn)定 外，另外一個(gè)重要的因素是注入到擠出機(jī)熔膠中的超臨界流體發(fā)泡劑的流量的穩(wěn)定性。 流量波動(dòng)大，將會(huì)造成發(fā)泡品質(zhì)不穩(wěn)定。
在已知的采用氣體物理發(fā)泡劑加工泡沫制品時(shí)，常用的方法是將發(fā)泡劑氣體直接從 氣體鋼瓶或升壓到一定的壓力后用減壓閥穩(wěn)定輸出壓力后加入到擠出機(jī)的料筒中。采用 此種方法時(shí)，擠出機(jī)料筒內(nèi)的熔融樹(shù)脂的壓力波動(dòng)會(huì)造成注入到加工裝置中的流量變化， 甚至在熔融聚合物的壓力高于氣體壓力時(shí)不能注入發(fā)泡劑，這樣會(huì)導(dǎo)致發(fā)泡劑量輸送量不均勻，從而導(dǎo)致發(fā)泡制品的質(zhì)量不穩(wěn)定。如中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)公丌號(hào)為CN1102490C中， 揭示了一種超臨界二氧化碳作為發(fā)泡劑的注入方法，這種方法解決了注入液態(tài)二氧化碳 發(fā)泡劑的一些問(wèn)題，然而該文獻(xiàn)沒(méi)有揭示氣態(tài)二氧化碳發(fā)泡劑的計(jì)量和注入問(wèn)題，并且 也沒(méi)有揭示解決聚合物熔體壓力波動(dòng)時(shí)引起的注入到聚合物中發(fā)泡劑流量的波動(dòng)問(wèn)題以 及由泵送間隙波動(dòng)引起的發(fā)泡劑輸送的不穩(wěn)定的方法；所采用的預(yù)定量泵需要冷媒來(lái)保 持泵送的是液態(tài)的二氧化碳，整個(gè)過(guò)程需要消耗大量的能源來(lái)完成注入過(guò)程(包括壓縮 二氧化碳至液態(tài)，液態(tài)泵送，加熱到超臨界狀態(tài))；在這些過(guò)程中，不可避免使二氧化碳 收到潤(rùn)滑介質(zhì)的污染；對(duì)氮?dú)鈦?lái)說(shuō)，由于液化溫度很低(-147oC)，這種方法更不可行。 另，中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)公丌號(hào)為CN1446145A文件中提出了一種發(fā)泡劑計(jì)量系統(tǒng)和方法，在 該文獻(xiàn)中體現(xiàn)的控制方法是采用測(cè)量固定節(jié)流孔兩端的壓力差以及為維持預(yù)設(shè)的壓差而 調(diào)節(jié)節(jié)流孔前端的壓力來(lái)保持流速的穩(wěn)定。然而采用這種方法時(shí)， 一方面，流量與壓差 關(guān)系不是線(xiàn)性關(guān)系，而且與絕對(duì)壓力和流體溫度也有關(guān)系，因而僅考慮改變壓差是很難 精確地控制流量；另一方面，固定的節(jié)流孔僅能在一個(gè)狹窄的范圍內(nèi)控制流量，在超出 這個(gè)范圍后，流量計(jì)量不穩(wěn)定；而且該公丌文件中對(duì)發(fā)泡劑來(lái)源狀況和計(jì)量過(guò)程狀況未 能明確界定，這些因素對(duì)發(fā)泡劑流量控制是由實(shí)際性的作用，特別針對(duì)二氧化碳作為發(fā) 泡劑的情況下；因而該專(zhuān)利申請(qǐng)所公開(kāi)的技術(shù)在應(yīng)用方面明顯有局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足以及存在的問(wèn)題，采用低能耗的方法，將氣 體發(fā)泡劑(如氮?dú)?、二氧化碳?升壓和保持在需要的超臨界狀態(tài)，并通過(guò)同時(shí)對(duì)輸出 流量和輸出溫度進(jìn)行閉環(huán)控制，能保證在熔體壓力大幅變化時(shí)保持流量充分穩(wěn)定，通過(guò) 調(diào)節(jié)和鎖定節(jié)流閥，實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)精確控制輸出的流量，來(lái)獲得期望的發(fā)泡效果和穩(wěn)定 的發(fā)泡制品質(zhì)量。
本發(fā)明的目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成
本發(fā)明所述的一種超臨界流體發(fā)泡劑輸送裝置和控制方法，主要包括
a) 低壓氣體源l、高壓隔膜壓縮機(jī)2、高壓容器4、高壓截止閥7、高壓伺服閥 10、可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12、安裝在擠出機(jī)機(jī)筒上發(fā)泡劑引入接口 16依次由壓力管 道連接組成的發(fā)泡劑輸送管路；
b) 由在高壓容器4之i:的包覆有加熱器3、安裝在高壓容器4之中的壓力傳感器 300和溫度傳感器301、溫控模塊5、電源丌關(guān)6組成的發(fā)泡劑超臨界狀態(tài)保 持裝置；c)由安裝在可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12輸入口和輸出口的壓力傳感器302和304、安裝在 可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12輸入口之前的溫度傳感器303、包覆在高壓伺服閥10和可調(diào) 節(jié)節(jié)流閥12之間壓力管道之上的加熱器11、電源丌關(guān)13、與高壓伺服閥10 先導(dǎo)控制氣體入口連接的減壓閥8和電磁比例閥9、數(shù)據(jù)處理和控制模塊14、 操作界面15、以及壓力管道和電線(xiàn)電纜組成的控制部分。 其中壓力傳感器300與高壓隔膜壓縮機(jī)2連接，并觸發(fā)控制高壓隔膜壓縮機(jī)2的運(yùn) 轉(zhuǎn)向高壓容器4中輸送發(fā)泡劑，使高壓容器4中的壓力保持在超臨界狀態(tài)壓力之上的一 個(gè)壓力范圍之內(nèi)；其中溫度傳感器301與溫控模塊5連接，溫控模塊5通過(guò)電纜與電源 開(kāi)關(guān)6連接并控制電源開(kāi)關(guān)6的打開(kāi)和閉合以及加熱器3工作，使高壓容器4中發(fā)泡劑 溫度保持在超臨界溫度之上的一個(gè)溫度范圍之內(nèi)；其中減壓閥8與電磁比例閥9連接， 電磁比例閥9的輸出口與高壓伺服閥10的先導(dǎo)控制氣體入口連接，電磁比例閥9通過(guò)通 信電纜與數(shù)據(jù)處理和控制模塊14的一個(gè)輸出口連接并受數(shù)據(jù)處理和控制模塊14的控制 信號(hào)調(diào)節(jié)輸出的先導(dǎo)控制氣體的壓力；其中可以通過(guò)在高壓伺服閥10和高壓截止閥7 之間的壓力管道上引出一個(gè)氣體支路與減壓閥8的入口連接獲得先導(dǎo)控制氣體，或?qū)p 壓閥8的入口與工作現(xiàn)場(chǎng)的壓縮空氣管路連接來(lái)獲得先導(dǎo)控制氣體;其中壓力傳感器302 和溫度傳感器303設(shè)置在加熱器11和可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12入口之間的壓力管道之中，壓力 傳感器304設(shè)置在可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12出口和安裝在擠出機(jī)機(jī)筒上的引入接口 16之間；其 中壓力傳感器302和304、溫度傳感器303與數(shù)據(jù)處理和控制模塊14的輸入口連接，并 將實(shí)際檢測(cè)到的超臨界流體發(fā)泡劑的溫度值和壓力值反饋到數(shù)據(jù)處理和控制模塊14，其 中數(shù)據(jù)處理和控制模塊14與操作界面15由通信電纜進(jìn)行連接，并與電源丌關(guān)13和電磁 比例閥9的控制信號(hào)口連接。所述的超臨界流體發(fā)泡劑輸送的控制方法，其特征是，所 述的低壓氣體源1是出口壓力為1巴至9巴；所述的低壓氣體源1是用氮?dú)獍l(fā)生器制成 的壓力在4巴至9巴；高壓容器4之中超臨界流體發(fā)泡劑的壓力范圍在100巴到600巴； 高壓容器4之中超臨界流體發(fā)泡劑的壓力范圍在150巴到450巴；高壓容器4之中超臨 界流體發(fā)泡劑的壓力范圍在250巴到350巴。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，本發(fā)明可以用于將可用作發(fā)泡劑的低壓氣體進(jìn)行加壓和加熱并保 持在一個(gè)超臨界狀態(tài)，然后根據(jù)設(shè)定的向加工裝置注入的發(fā)泡劑流量和溫度值，采用閉 環(huán)控制發(fā)泡劑氣體的流量和溫度，精確而均勻地將發(fā)泡工藝所需的發(fā)泡劑流量引入聚合 物中。


附圖l為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為本發(fā)明的一種擠出發(fā)泡的使用狀態(tài)示意圖； 附圖3為本發(fā)明的一種注塑發(fā)泡的使用狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明特征及其相關(guān)特征作進(jìn)一歩說(shuō)明
如附圖l、 2、 3所示，其中標(biāo)號(hào)1一31分別表示，l一低壓氣體源、2 —高壓隔膜壓縮
機(jī)、3—加熱器、4一高壓容器、5 —溫控模塊、6—電源丌關(guān)、7—高壓截止閥、8 —減壓 閥、9一電磁比例閥、IO—高壓伺服閥、ll一加熱器、12 —可調(diào)節(jié)節(jié)流閥、13—電源開(kāi)關(guān)、 14一數(shù)據(jù)處理和控制模塊、15 —操作界面、16 —擠出機(jī)發(fā)泡劑引入接口、 17 —螺桿、18 一料筒、300—壓力傳感器、302 —壓力傳感器、304 —壓力傳感器、301 —溫度傳感器、 303 —溫度傳感器；101、 102、 201、 202—加熱器電源接線(xiàn)端口； 19一加料口、 20—擠出 機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、21 —轉(zhuǎn)接口、 22 —熔體泵、23 —擠出口模、24 —儲(chǔ)料裝置、25—增壓注射 裝置、26 —單向閥、27 —針閥式注射噴嘴、28 —注塑成型模具。
如附圖l、 2、 3示，本發(fā)明系統(tǒng)包括由低壓氣體源l、高壓隔膜壓縮機(jī)2、加熱器3、 高壓容器4、溫控模塊5、電源開(kāi)關(guān)6和13、高壓截止閥7、高壓減壓閥8、電磁比例閥 9、高壓伺服閥IO、加熱器ll、可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12、壓力傳感器300、 302和304、溫度傳 感器301和303、數(shù)據(jù)處理和控制模塊14、操作界面15，以及連接上述部件的壓力管道 和通信電線(xiàn)或電纜組成；
下面將進(jìn)行詳細(xì)描述。
上述裝置按可能的安裝空間位置可分為下面將詳細(xì)描述的兩個(gè)部分，其中一個(gè)部分 預(yù)制超臨界流體發(fā)泡劑，可安裝在遠(yuǎn)離發(fā)泡成型設(shè)備(例如擠出機(jī)、注塑機(jī)等)的位置， 也可安裝在靠近發(fā)泡成型設(shè)備(例如擠出機(jī)、注塑機(jī)等)的位覽；另一部分控制輸送的 超臨界流體發(fā)泡劑流量，需要安裝在緊靠發(fā)泡成型設(shè)備(例如擠出機(jī)、注塑機(jī)等)的位 置。本發(fā)明裝置的兩個(gè)部分通過(guò)壓力管道進(jìn)行連接，在裝置工作時(shí)，其中的高壓截止閥 7處于打開(kāi)位置。更進(jìn)一步的是， 一個(gè)預(yù)制超臨界流體發(fā)泡劑部分可以?xún)H與一個(gè)控制輸 送的超臨界流體發(fā)泡劑流量部分連接，也可以同時(shí)與多個(gè)控制輸送的超臨界流體發(fā)泡劑 流量部分連接。
所述發(fā)明裝置中的預(yù)制超臨界流體發(fā)泡劑部分包括低壓氣體源1、高壓隔膜壓縮機(jī) 2、高壓容器4、高壓截止閥7、加熱器3、溫控模塊5、溫度傳感器301、電源開(kāi)關(guān)6以 及連接上述部件的壓力管道和通信電線(xiàn)或電纜組成；其中，低壓氣體源1、高壓隔膜壓 縮機(jī)2、高壓容器4、高壓截止閥7通過(guò)壓力管道依次連接，加熱器3包覆在高壓容器4
7之上；溫控模塊5根據(jù)安裝在高壓容器4之中的溫度傳感器301檢測(cè)到的發(fā)泡劑的實(shí)際 溫度和設(shè)定的超臨界流體溫度控制電源丌關(guān)6的打開(kāi)和閉合和加熱器的運(yùn)行，其中低壓 氣體源1可以是工業(yè)瓶裝氣體(氮?dú)饣蚨趸?，其出口壓力在常壓(1巴)到9巴之 間的一個(gè)壓力，例如5巴；也可以是用低壓氮?dú)獍l(fā)生器直接從空氣中提純的高純度氮?dú)?(例如純度為99. 9%的氮?dú)?，出口壓力在4巴到9巴之間的 一個(gè)壓力，例如6巴。高壓 隔膜壓縮機(jī)2將來(lái)自低壓氣體源1的發(fā)泡劑氣體，升壓到150巴到600巴之間的一個(gè)壓 力并儲(chǔ)存在高壓容器4中。由于隔膜壓縮機(jī)壓縮時(shí)液壓油和氣體之間由金屬膜片完全隔 離，因而在升壓過(guò)程中，氣體發(fā)泡劑完全避免了油的污染，因而發(fā)泡劑氣體可用于食品 包裝制品的發(fā)泡包裝材料和制品的制造。雖然已知的氣動(dòng)增壓泵或電動(dòng)增壓泵也可用于 這一目的，但由于高能耗，以及不可避免的零部件磨損也會(huì)降低連續(xù)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，因 此在本方案中未有采用。由于在氣體壓縮升壓過(guò)程中發(fā)熱，氣體出口溫度可遠(yuǎn)高于3rc。 這樣無(wú)論二氧化碳，還是氮?dú)鈦?lái)說(shuō)，輸送到高壓容器4中發(fā)泡劑氣體已經(jīng)處于超臨界狀 態(tài)了。在使用和生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，為了保持高壓容器4中的發(fā)泡劑氣體處于超臨界狀 態(tài)，在高壓容器4上包覆一個(gè)加熱器3，高壓容器4內(nèi)設(shè)置溫度傳感器301和壓力傳感 器300，溫控模塊5接收溫度傳感器301傳來(lái)的實(shí)際溫度信號(hào)，并發(fā)送信號(hào)控制電源丌 關(guān)6的通斷，而壓力傳感器300將實(shí)測(cè)的壓力傳送給高壓隔膜壓縮機(jī)2并觸發(fā)高壓隔膜 壓縮機(jī)2的啟動(dòng)和停止，在溫控模塊5中設(shè)定一個(gè)高于超臨界點(diǎn)溫度的溫度區(qū)間(例如 35。C到45°C)。加熱器3通過(guò)接線(xiàn)端口 101和102與220V的交流電源連接，當(dāng)檢測(cè)到高 壓容器4中氣體溫度降低到低限(例如35"C)時(shí)，溫控模塊5發(fā)出信號(hào)給電源丌關(guān)6， 使之聯(lián)通開(kāi)始加熱；當(dāng)檢測(cè)到高壓容器4中氣體溫度升高到高限(例如45"C)時(shí)，溫控 模塊5發(fā)出信號(hào)給電源丌關(guān)6，使之?dāng)嘭⑼Ｖ辜訜?，高壓容?中的超臨界流體發(fā)泡劑 的壓力也將保持在超臨界點(diǎn)壓力之上并滿(mǎn)足后續(xù)流量控制部分壓力充分需要的一個(gè)壓力 范圍之內(nèi)，例如200巴到350巴之間。隨著后續(xù)流量控制部分和成型生產(chǎn)線(xiàn)消耗發(fā)泡機(jī) 流體，高壓容器4中發(fā)泡劑壓力會(huì)下降；當(dāng)壓力傳感器350檢測(cè)高壓容器內(nèi)的發(fā)泡劑壓 力降低到低限壓力(例如200巴)，壓縮機(jī)2將啟動(dòng)繼續(xù)輸送發(fā)泡劑氣體到高壓容器4 中，直到高壓容器中的發(fā)泡劑壓力達(dá)到高限壓力(例如350巴)，壓縮機(jī)2則停止。通過(guò) 上述裝置，高壓容器4中的發(fā)泡劑將一直保持在需要的超臨界狀態(tài)，保證發(fā)泡成型設(shè)備 的消耗需要。
上述發(fā)明裝置中的控制輸送的超臨界流體發(fā)泡劑流量部分，包括減壓閥8、電磁比 例閥9、高壓伺服閥10、加熱器ll、可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12、壓力傳感器302和304、溫度傳感器303、數(shù)據(jù)處理和控制模塊14、操作界面15，電源丌關(guān)13、以及連接上述部件的壓 力管道和通信電線(xiàn)或電纜組成；其中高壓伺服閥10、可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12、按順序用壓力管 道串聯(lián)連接，高壓伺服閥10的高壓氣體入口與上述的高壓截止閥7的出口連接。關(guān)于控 制高壓伺服閥10的先導(dǎo)控制氣體來(lái)源有兩種來(lái)源，其中一種是從高壓截止閥7和高壓伺 服閥10之間的高壓管道上引出-一個(gè)氣體支路到減壓閥8，將減壓后的氣體連接到電磁比 例閥9，電磁比例闊9根據(jù)來(lái)自數(shù)據(jù)處理和控制模塊14的控制信號(hào)進(jìn)一歩調(diào)節(jié)輸送到高 壓伺服閥10的先導(dǎo)控制氣體壓力，另外一種是直接將減壓閥8的氣體入口與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的 壓縮空氣管路連接來(lái)獲得氣源；其中在高壓伺服閥IO和可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12之間的管道上 包覆加熱器11，并在加熱器和可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12之間的壓力管道上設(shè)置一個(gè)壓力傳感器 302和一個(gè)溫度傳感器303，在可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12的輸出口與使用超臨界流體發(fā)泡劑的擠 出機(jī)機(jī)筒上的引入接口 16之間的管路上設(shè)置一個(gè)壓力傳感器304;其中壓力傳感器302 和304、溫度傳感器303與數(shù)據(jù)處理和控制模塊14連接，將實(shí)際檢測(cè)到的超臨界流體發(fā) 泡劑的溫度值和壓力值氣體反饋到數(shù)據(jù)處理和控制模塊14;其中操作界面15與數(shù)據(jù)處 理和控制模塊M由通訊電纜進(jìn)行連接；其中加熱器11通過(guò)接線(xiàn)端口 201和202與220V 交流電源連接，數(shù)據(jù)處理和控制模塊14根據(jù)溫度傳感器303實(shí)測(cè)的溫度值和通過(guò)操作界 面15設(shè)定的溫度值和溫度波動(dòng)范圍控制電源丌關(guān)13的斷7T和接通來(lái)控制加熱器11的運(yùn) 行，以使發(fā)泡劑的溫度充分穩(wěn)定在希望的溫度范圍之內(nèi)。
在使用超臨界流體發(fā)泡的流量控制部分之前，需要根據(jù)擠出機(jī)在進(jìn)行發(fā)泡成型生產(chǎn) 時(shí)的工藝參數(shù)，例如塑化能力、膠壓等參數(shù)推算所需的超臨界流體發(fā)泡劑的注入流量范 圍、注入發(fā)泡劑的壓力范圍以及注入發(fā)泡劑的溫度范圍，根據(jù)這些參數(shù)，首先對(duì)可調(diào)節(jié) 節(jié)流閥12進(jìn)行流量范圍調(diào)節(jié)和用流量計(jì)標(biāo)定，在希望的流量范圍內(nèi)使可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12 前后兩端的壓差足夠大以使壓力傳感器302和303的測(cè)量誤差不會(huì)影響流量的精度范圍 (例如+/-1%)后，鎖定可調(diào)節(jié)節(jié)流閥的位置，并確定合理的流量計(jì)算系數(shù)。然后通過(guò)操 作界面15輸入流量計(jì)算系數(shù)、超臨界流體發(fā)泡劑的流量值、以及超臨界流體發(fā)泡劑的溫 度值和溫度波動(dòng)范圍。
根據(jù)上述對(duì)本發(fā)明的系統(tǒng)描述，按上述的方法連接成一個(gè)完整的超臨界流體發(fā)泡劑 輸送裝置，然后將可調(diào)節(jié)流閥12的輸出端口通過(guò)管道與安裝在擠出機(jī)料筒18上的引入 接口 16連接后，就可按照下面描述的方法將超臨界流體發(fā)泡劑精確地注入到擠出機(jī)的螺 桿17和料筒18之間的熔融聚合物中
1)將來(lái)自低壓氣體源1的低壓發(fā)泡劑氣體，經(jīng)過(guò)高壓隔膜壓縮機(jī)2升壓并輸送到高 壓容器4中，使高壓容器4中發(fā)泡劑的壓力維持超臨界壓力之上的一個(gè)壓力范圍，例如在100巴至600巴之間；優(yōu)選在150巴至450巴之間；更優(yōu)選在200巴到350巴之間；
2) 通過(guò)安裝在高壓容器4之中的壓力傳感器300檢測(cè)到發(fā)泡劑實(shí)際壓力并反饋給高 壓隔膜壓縮機(jī)2，高壓隔膜壓縮機(jī)2根據(jù)1)中確定的壓力范圍和實(shí)際檢測(cè)的發(fā)泡劑壓力 確定啟動(dòng)和停止來(lái)保持發(fā)泡劑壓力在1)中確定范圍之內(nèi)；
3) 通過(guò)溫控模塊5、控制加熱器3的電源丌關(guān)6的接通/斷丌來(lái)控制加熱器3的工作， 從而使高壓容器4中的發(fā)泡劑流體處于一個(gè)超臨界狀態(tài)溫度之上的一個(gè)溫度范圍之內(nèi)， 例如35。C至45。C之間；
4) 通過(guò)操作界面15設(shè)定一個(gè)超臨界流體發(fā)泡劑的流量值、溫度值和溫度波動(dòng)范圍， 和輸入系統(tǒng)的流量計(jì)算系數(shù)-,
5) 數(shù)據(jù)處理和控制模塊14根據(jù)溫度傳感器303檢測(cè)到的實(shí)際流體溫度值及溫度波 動(dòng)范圍來(lái)控制電源開(kāi)關(guān)13來(lái)控制加熱器11的工作，進(jìn)而控制流體溫度充分穩(wěn)定在設(shè)定 的溫度范圍之內(nèi)；并根據(jù)溫度傳感器303檢測(cè)到的實(shí)際流體溫度值，和可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12 兩端的壓力傳感器302和304檢測(cè)到的實(shí)際壓力值來(lái)計(jì)算實(shí)際的流量值，與設(shè)定流量值 比較后，根據(jù)流量偏差來(lái)控制比例電磁閥9輸出的先導(dǎo)控制氣體壓力來(lái)調(diào)節(jié)高壓伺服閥 8的輸出壓力，使實(shí)際流量值與設(shè)定流量值充分?jǐn)M合。
下面舉例的三種具體實(shí)施方式
中進(jìn)行進(jìn)一歩說(shuō)明。 實(shí)施方式l、
如圖2所示，本發(fā)明系統(tǒng)用于連續(xù)擠出發(fā)泡成型片材。所用成型機(jī)為一臺(tái)螺桿17直 徑為IOO毫米的單螺桿擠出機(jī)，長(zhǎng)徑比大致為26D。在擠出機(jī)的料流末端增加了一個(gè)熔 體泵22，其目的是為了提高和穩(wěn)定發(fā)泡口模23入口處熔膠/發(fā)泡劑混合物的壓力。加工 的材料為PP (聚丙烯)，在不進(jìn)行發(fā)泡成型時(shí)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為200公斤/小時(shí)，在本實(shí) 施例中，在離加料口 19的下游約15D的位置，在料筒(18)的徑向均布三個(gè)發(fā)泡劑引入 接口 (16)，該處樹(shù)脂已經(jīng)熔化，這三個(gè)引入接口 (16)用高壓管并聯(lián)后連接到本發(fā)明裝 置的可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12的輸出口，形成了一個(gè)擠出發(fā)泡系統(tǒng)。
首先將擠出機(jī)擠出產(chǎn)量設(shè)定在150公斤Z小時(shí)，成型產(chǎn)品為厚度為3mm的片材，最終 產(chǎn)品密度要求在0.2-0.3g/cm'1。為實(shí)現(xiàn)這樣的發(fā)泡效果，采用二氧化碳作為發(fā)泡劑。系 統(tǒng)設(shè)定和標(biāo)定時(shí)，按熔膠壓力約為100巴來(lái)考慮。據(jù)此，推算二氧化碳發(fā)泡劑的流量大 約在30標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘。根據(jù)這個(gè)大致流量值和熔膠壓力，調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12，使實(shí)際 流量在30標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘時(shí)，節(jié)流閥兩端的壓差超過(guò)50巴，在50巴和60巴之間。然后鎖 定節(jié)流閥，將系統(tǒng)計(jì)算系數(shù)、流量值(30L/分鐘)、超臨界發(fā)泡劑流體的溫度(如60。C)和溫度范圍(+/-3T)通過(guò)操作界面15輸入到系統(tǒng)中；根據(jù)這樣的使用壓力，將高壓容 器4的壓力范圍設(shè)定在250巴到300巴的范圍，溫度范圍設(shè)定在35"C至45T的范圍；高 壓隔膜壓縮機(jī)2將根據(jù)設(shè)定的壓力范圍啟動(dòng)和停止；低壓氣體源i則采用工業(yè)瓶裝二氧 化碳?xì)怏w。在實(shí)施過(guò)程中，如前面參數(shù)設(shè)定，僅獲得穩(wěn)定比重為0.5g/cm3的發(fā)泡片材。 進(jìn)一步通過(guò)提高擠出機(jī)中的熔膠壓力到150巴，和通過(guò)操作界面15將注入流量設(shè)定到 50標(biāo)升/分鐘，系統(tǒng)將根據(jù)料筒中的熔膠壓力的變化、設(shè)定的注入的發(fā)泡劑流量(50標(biāo) 升/分鐘)、和溫度范圍(601+/-3"C)自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而獲得穩(wěn)定比重在穩(wěn)定比重為0. 3g/cm' 的發(fā)泡片材。 實(shí)施方式2
如圖3所示，本發(fā)明系統(tǒng)用于注塑成型。擠出螺桿的直徑為30mm，螺桿長(zhǎng)度為23D， 加工材料為PP(聚丙烯)。在離加料口 19約16D的位置丌設(shè)一個(gè)引入接口 16，與可調(diào)節(jié) 節(jié)流閥12的輸出端連接。在本實(shí)施方式中，采用氮?dú)庾鳛榘l(fā)泡劑，與實(shí)施方式l相同， 將高壓容器4的壓力范圍設(shè)定在250巴到300巴之間，溫度設(shè)定在15nC到30°C的范圍， 而將可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12之前氣體溫度設(shè)定并穩(wěn)定在20"C+/-2nC這樣的范圍。在擠出機(jī)中 氮?dú)夂腿勰z混合后通過(guò)轉(zhuǎn)接口21進(jìn)入到儲(chǔ)料裝置24，然后經(jīng)過(guò)單向閥26裝置，進(jìn)入到 增壓注射裝置25;當(dāng)增壓注射裝置25向注塑成型模具注射可發(fā)泡體時(shí)，針閥式注射噴 嘴27打開(kāi)，單向閥26關(guān)閉；而此時(shí)擠出機(jī)螺桿連續(xù)旋轉(zhuǎn)，熔膠和氮?dú)獾幕旌臀锉粌?chǔ)存 在儲(chǔ)料裝置24中。當(dāng)注射完畢后，針閥式注射噴嘴27關(guān)閉，這時(shí)單向閥26打丌，混合 物將被擠入到注射裝置中，等待下一次注射。
在這一實(shí)施方式中，向料筒中注入氮?dú)獾牧髁渴巧倭康?，大約在3標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘到10 標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘之間，取決于對(duì)制品的發(fā)泡要求。在實(shí)施過(guò)程中，當(dāng)溫度保持充分穩(wěn)定后， 僅通過(guò)操作界面15改變注入到擠出機(jī)料筒中發(fā)泡劑流量值就可達(dá)到所需的結(jié)果。
雖然以上已經(jīng)參照附圖對(duì)按照本發(fā)明目的的構(gòu)思和實(shí)施例作了詳盡說(shuō)明，但本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，在沒(méi)有脫離權(quán)利要求限定范圍的前提條件下，仍然可以對(duì)本 發(fā)明作出各種改進(jìn)和變換，而這種改進(jìn)和變換仍然應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
1權(quán)利要求
1. 超臨界流體發(fā)泡劑輸送裝置，其特征是，主要包括a)低壓氣體源(1)、高壓隔膜壓縮機(jī)(2)、高壓容器(4)、高壓截止閥(7)、高壓伺服閥(10)、可調(diào)節(jié)節(jié)流閥(12)、安裝在擠出機(jī)機(jī)筒上發(fā)泡劑引入接口(16)依次由壓力管道連接組成的發(fā)泡劑輸送管路；b)由在高壓容器(4)之上的包覆有加熱器(3)、安裝在高壓容器(4)之中的壓力傳感器(300)和溫度傳感器(301)、溫控模塊(5)、電源開(kāi)關(guān)(6)組成的發(fā)泡劑超臨界狀態(tài)保持裝置；c)由安裝在可調(diào)節(jié)節(jié)流閥(12)輸入口和輸出口的壓力傳感器(302)和(304)、安裝在可調(diào)節(jié)節(jié)流閥(12)輸入口之前的溫度傳感器(303)、包覆在高壓伺服閥(10)和可調(diào)節(jié)節(jié)流閥(12)之間壓力管道之上的加熱器(11)、電源開(kāi)關(guān)(13)、與高壓伺服閥(10)先導(dǎo)控制氣體入口連接的減壓閥(8)和電磁比例閥(9)、數(shù)據(jù)處理和控制模塊(14)、操作界面(15)、以及壓力管道和電線(xiàn)電纜組成的控制部分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的超臨界流體發(fā)泡劑輸送裝置，其特征是，其中壓力傳感器(300) 與高壓隔膜壓縮機(jī)(2)連接，并觸發(fā)控制高壓隔膜壓縮機(jī)(2)的運(yùn)轉(zhuǎn)向高壓容器(4)中輸送發(fā)泡劑，使高壓容器(4)中的壓力保持在超臨界狀態(tài)壓力之上的一個(gè)壓力范圍之內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的超臨界流體發(fā)泡劑輸送裝置，其特征是，其中溫度傳感器(301) 與溫控模塊(5)連接，溫控模塊(5)通過(guò)電纜與電源丌關(guān)(6)連接并控制電源開(kāi)關(guān)(6)的打開(kāi)和閉合以及加熱器(3)工作，使高壓容器(4)中發(fā)泡劑溫度保持在超臨界溫度之上的一個(gè)溫度范圍之內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超臨界流體發(fā)泡劑輸送裝置，其特征是，其中減壓閥(8)與電磁比例閥(9)連接，電磁比例闊(9)的輸出口與高壓伺服閥(10)的先導(dǎo)控制氣體入口連接，電磁比例閥(9)通過(guò)通信電纜與數(shù)據(jù)處理和控制模塊(14)的一個(gè)輸出口連接并受數(shù)據(jù)處理和控制模塊(14)的控制信號(hào)調(diào)節(jié)輸出的先導(dǎo)控制氣體的壓力；其中可以通過(guò)在高壓伺服閥(10)和高壓截止閥(7)之間的壓力管道上引出一個(gè)氣體支路與減壓閥(8)的入口連接獲得先導(dǎo)控制氣體，或?qū)p壓閥(8)的入口與工作現(xiàn)場(chǎng)的壓縮空氣管路連接來(lái)獲得先導(dǎo)控制氣體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的超臨界流體發(fā)泡劑輸送裝置，其特征是，其中壓力傳感器(302)和溫度傳感器(303)設(shè)置在加熱器(11)和可調(diào)節(jié)節(jié)流閥(12)入口之 間的壓力管道之中，壓力傳感器(304)設(shè)置在可調(diào)節(jié)節(jié)流閥(12)出口和安裝 在擠出機(jī)機(jī)筒上的引入接口 (16)之間；其中壓力傳感器(302)和(304)、溫 度傳感器(303)與數(shù)據(jù)處理和控制模塊(14)的輸入口連接，并將實(shí)際檢測(cè)到的 超臨界流體發(fā)泡劑的溫度值和壓力值反饋到數(shù)據(jù)處理和控制模塊(14)，其中數(shù)據(jù) 處理和控制模塊(14)與操作界面(15)由通信電纜進(jìn)行連接，并與電源開(kāi)關(guān)(13) 和電磁比例閥(9)的控制信號(hào)口連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超臨界流體發(fā)泡劑輸送的控制方法，其特征是，所述的低 壓氣體源(1)是出口壓力為1巴至9巴。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超臨界流體發(fā)泡劑輸送的控制方法，其特征是，所述 的低壓氣體源(1)是用氮?dú)獍l(fā)生器制成的壓力在4巴至9巴。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的超臨界流體發(fā)泡劑輸送的控制方法，其特征是，高壓容器(4)之中超臨界流體發(fā)泡劑的壓力范圍在100巴到600巴。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的超臨界流體發(fā)泡劑輸送的控制方法，其特征是，高壓容器(4)之中超臨界流體發(fā)泡劑的壓力范圍在150巴到450巴。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超臨界流體發(fā)泡劑輸送的控制方法，其特征是，高壓 容器(4)之中超臨界流體發(fā)泡劑的壓力范圍在250巴到350巴。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種預(yù)制超臨界流體發(fā)泡劑和控制輸送的流量的裝置和控制方法，更具體地涉及采用超臨界狀態(tài)的氮?dú)饣蚨趸甲鳛榘l(fā)泡劑加工熱塑性泡沫塑料時(shí)準(zhǔn)備超臨界發(fā)泡劑流體和精確控制輸送流量的系統(tǒng)。主要包括低壓氣體源1、高壓隔膜壓縮機(jī)2、高壓容器4等和安裝在擠出機(jī)機(jī)筒上發(fā)泡劑引入接口16依次由壓力管道連接組成的發(fā)泡劑輸送管路，由在高壓容器4之上的包覆有加熱器3等元件組成的發(fā)泡劑超臨界狀態(tài)保持裝置及控制部分組成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，本發(fā)明可以用于將可用作發(fā)泡劑的低壓氣體進(jìn)行加壓和加熱并保持在一個(gè)超臨界狀態(tài)，然后根據(jù)設(shè)定的向加工裝置注入的發(fā)泡劑流量和溫度值，采用閉環(huán)控制發(fā)泡劑氣體的流量和溫度，精確而均勻地將發(fā)泡工藝所需的發(fā)泡劑流量引入聚合物中。
文檔編號(hào)B29C44/34GK101480831SQ20091004553
公開(kāi)日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2009年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月19日
發(fā)明者玨 侯, 唐慶華, 桓鎖成, 范汝富 申請(qǐng)人:北京中拓機(jī)械有限責(zé)任公司