專利名稱：預(yù)制超臨界流體發(fā)泡劑的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及預(yù)制超臨界流體發(fā)泡劑的裝置，更具體地涉及將低壓氮?dú)饣蚨趸細(xì)?體制成超臨界狀態(tài)并儲(chǔ)存起來(lái)作為發(fā)泡劑，用來(lái)加工熱塑性泡沫塑料的裝置。
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， 一種己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-147T )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。
如中國(guó)專利文獻(xiàn)公開(kāi)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，采用預(yù)定量泵將液態(tài)二氧化碳泵出，然后加熱減壓注入的方法；然而預(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。
在己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
3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。但是
采用此種方法時(shí)， 一方面的問(wèn)題氣體溫度不穩(wěn)，在減壓后，氣體溫度會(huì)降低并波動(dòng)加劇，
造成氣體的狀態(tài)較大的變化，特別對(duì)二氧化碳來(lái)說(shuō)，二氧化碳?xì)怏w可能變成液態(tài)或固態(tài)，
造成注入到擠出機(jī)料筒內(nèi)的發(fā)泡劑流量變化很大，進(jìn)而造成發(fā)泡質(zhì)量波動(dòng)加大；另一方
面是減壓計(jì)量前的壓力不穩(wěn)定或壓力不夠高，也會(huì)造成注入到擠出機(jī)料筒中壓力不穩(wěn)定，
加劇注入量的波動(dòng)。

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，無(wú)污 染地將氣體發(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)，供進(jìn)一歩 減壓計(jì)量并注入到擠出機(jī)料筒中使用，消除發(fā)泡劑源狀態(tài)不穩(wěn)定對(duì)發(fā)泡質(zhì)量的影響。
本發(fā)明的目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成
本發(fā)明所述的裝置，主要包括til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、電源丌關(guān)6、高壓截止閥7、壓力傳感器300、溫度傳感器301，以 及連接上述部件的壓力管道和通信電線或電纜組成；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)管道和管道部件按順序連接，加熱器3包覆在高 壓容器4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的打丌和閉合。其中低壓氣體源 1其出口壓力在1巴到9巴之間的一個(gè)壓力；或是用低壓氮?dú)獍l(fā)生器直接從空氣中提純 的高純度氮?dú)?，出口壓力?巴到9巴之間的一個(gè)壓力；高壓隔膜壓縮機(jī)2將來(lái)自低壓 氣體源l的發(fā)泡劑氣體，升壓并儲(chǔ)存在高壓容器4中，并使高壓容器4中的壓力保持在 100巴至600巴范圍內(nèi)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，本發(fā)明該系統(tǒng)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)，并為后續(xù)的注入時(shí)的流量控制和注入提供穩(wěn)定的供應(yīng)條件。


附圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意附圖2為本發(fā)明的一種擠出發(fā)泡的使用狀態(tài)示意圖；
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)一步說(shuō)明-實(shí)施例1
如附圖1、 2所示，其中標(biāo)號(hào)l一23分別表示，l一低壓氣體源、2 —高壓隔膜壓縮機(jī)、
43 —加熱器、4一高壓容器、5 —溫控模塊、6—電源開(kāi)關(guān)、7 —高壓截止閥、8 —高壓減壓 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—電源丌關(guān)、 M—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 —加熱器電源接線端口； 19 —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。
本發(fā)明所述的裝置，主要包括由低壓氣體源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、高壓截止閥7、壓力傳感器300、溫度傳感器301，以 及連接上述部件的壓力管道和通信電線或電纜組成；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)管道和管道部件按順序連接，加熱器3包覆在高 壓容器4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開(kāi)關(guān)6的打丌和閉合。其中低壓氣體源 l可以是工業(yè)瓶裝氣體(氮?dú)饣蚨趸?，其出口壓力在l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，升壓并儲(chǔ)存在高壓容器4中，并使高壓容器4中的 壓力保持在100巴至600巴范圍內(nèi)的一個(gè)壓力范圍區(qū)間；優(yōu)選的壓力區(qū)間是150巴至450 巴之間，更優(yōu)選的壓力區(qū)間是250巴至350巴之間。壓力范圍的維持是通過(guò)下列辦法實(shí) 現(xiàn)的當(dāng)安裝在高壓容器4中的壓力傳感器300檢測(cè)到容器中的壓力達(dá)到壓力區(qū)間的下 限時(shí)，例如250巴，壓力傳感器300反饋給高壓隔膜g縮機(jī)2的壓力信號(hào)會(huì)觸發(fā)隔膜壓 縮機(jī)啟動(dòng)，將低壓氣體發(fā)泡劑加壓后輸送到高壓容器4中；當(dāng)高壓容器4中的壓力達(dá)到 壓力區(qū)間高限時(shí)，例如350巴，壓力傳感器300反饋的信號(hào)使高ffi隔膜壓縮機(jī)的停止運(yùn) 轉(zhuǎn)。由于隔膜壓縮機(jī)壓縮時(shí)液壓油和氣體之間由余屬膜片完全隔離，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 于氣體在壓縮升壓過(guò)程中發(fā)熱，氣體出口溫度可遠(yuǎn)高于31T。這樣無(wú)論對(duì)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 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，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)控制電源開(kāi)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)的溫度區(qū)間(例如4(TC到45"C)。加熱器3通過(guò)接線端口 101和 102與220V的交流電源連接。當(dāng)檢測(cè)到高壓容器4中氣體溫度降低到溫度區(qū)間低限(例 如40"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)通丌始加熱；當(dāng)檢測(cè)到高壓容 器4中氣體溫度升高到溫度區(qū)間高限(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)嚅_(kāi)停止加熱。這樣通過(guò)對(duì)高壓容器4中的超臨界流體發(fā)泡劑的壓力和溫度的控 制，使高壓容器4中的發(fā)泡劑氣體一直處于超臨界狀態(tài)。當(dāng)該裝置與后續(xù)的計(jì)量裝置或 注入裝置連接后，將高壓截止閥7設(shè)在打開(kāi)位置，就可為加工裝置的擠出機(jī)料筒中供應(yīng) 超臨界流體發(fā)泡劑，例如二氧化碳，例如氮?dú)狻?br> 如附圖l、 2示，本發(fā)明裝置包括由低壓氣體源1、高壓隔膜壓縮機(jī)2、加熱器3、 高壓容器4、溫控模塊5、電源丌關(guān)6、高壓截止閥7、壓力傳感器300、溫度傳感器301、 以及連接上述部件的壓力管道和通信電線或電纜組成；并在下面舉例的具體實(shí)施方式
中 進(jìn)行進(jìn)一歩說(shuō)明。
如圖2所示，本發(fā)明裝置用f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100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入口處熔膠和發(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)明系統(tǒng) 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)。由高壓減壓閥8、電磁比例閥 9、高壓伺服閥10、加熱器li、可調(diào)節(jié)節(jié)流閥12、電源丌關(guān)13、數(shù)據(jù)處理和控制模塊 14、操作界面15、壓力傳感器302和304、溫度傳感器303、加熱器電源接線端口 201 和202，以及連接上述部件的壓力管道和通訊電線或電纜組成控制注入到擠出機(jī)料筒中 的流量控制模塊。該流量控制模塊將來(lái)自本發(fā)明裝置的高壓容器4的超臨界流體發(fā)泡劑 經(jīng)精確計(jì)量后輸入到擠出機(jī)的料筒18中。
首先將擠出機(jī)擠出產(chǎn)量設(shè)定在150公斤/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/cm3。為實(shí)現(xiàn)這樣的發(fā)泡效果，需要釆用二氧化碳作為發(fā)泡劑。 在發(fā)泡劑輸入接口 16附近，擠出機(jī)料筒內(nèi)的熔膠壓力在150巴左右波動(dòng)。發(fā)泡劑輸入到 接口 16的壓力應(yīng)該在150巴以上才能將所需的發(fā)泡劑量注入到溶膠中。而超臨界流體發(fā) 泡劑經(jīng)過(guò)上面所述的流量控制模塊會(huì)有30到90巴的壓力降。這樣為保證將穩(wěn)定的超臨
6界發(fā)泡劑流輸送到擠出機(jī)的料筒中，本發(fā)明裝置需要提供壓力至少為240巴。因此將高 壓容器4的壓力區(qū)間設(shè)定在250巴-350巴，也是本發(fā)明裝置中高壓隔膜壓縮機(jī)2的 啟動(dòng)和停止的壓力區(qū)間。而為保證整個(gè)輸送過(guò)程中二氧化碳保持在超臨界狀態(tài)，將高壓 容器的溫度區(qū)間范圍設(shè)定在50"C至55"C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1則采用工業(yè)瓶裝二氧化碳?xì)怏w(40巴)減壓輸出，壓力在 6巴。在實(shí)施過(guò)程中，將流量控制模塊的操作界面15輸送流量設(shè)置在50標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘， 溫度范圍設(shè)置在6(TC土 3T。整個(gè)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)8小時(shí)，本發(fā)明的裝置連續(xù)穩(wěn)定為后面 的流量控制模塊提供超臨界二氧化碳發(fā)泡劑，而擠出成型設(shè)備連續(xù)擠出成型3,厚的發(fā) 泡片材，發(fā)泡片材的比重穩(wěn)定在0.3g/cm3 。
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。
權(quán)利要求
1. 預(yù)制超臨界流體發(fā)泡劑的裝置，其特征是，主要包括由低壓氣體源(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)、壓力傳感器(300)、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)管道和管道部件依次序連接，加熱器(3)包覆在高壓容器(4)之上。
2. 根據(jù)權(quán)力要求1的預(yù)制超臨界流體發(fā)泡劑的方法，其特征是，所述的低壓氣體源(1)是出口壓力為1巴至9巴。
3. 根據(jù)權(quán)力要求1的預(yù)制超臨界流體發(fā)泡劑的方法，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。
4. 根據(jù)權(quán)力要求1的預(yù)制超臨界流體發(fā)泡劑的方法，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。
5. 根據(jù)權(quán)力要求1的預(yù)制超臨界流體發(fā)泡劑的方法，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。
6. 根據(jù)權(quán)力要求1的預(yù)制超臨界流體發(fā)泡劑的方法，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)明涉及預(yù)制超臨界流體發(fā)泡劑的裝置，更具體地涉及將低壓氮?dú)饣蚨趸細(xì)怏w制成超臨界狀態(tài)并儲(chǔ)存起來(lái)作為發(fā)泡劑，用來(lái)加工熱塑性泡沫塑料的裝置。主要包括由低壓氣體源1、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、高壓截止閥7、壓力傳感器300、溫度傳感器301，以及連接上述部件的壓力管道和通信電線或電纜組成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，本發(fā)明該系統(tǒng)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)，并為后續(xù)的注入時(shí)的流量控制和注入提供穩(wěn)定的供應(yīng)條件。
文檔編號(hào)B29C44/34GK101497241SQ20091004553
公開(kāi)日2009年8月5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