预制超临界流体发泡剂的装置和方法.pdf

本发明涉及预制超临界流体发泡剂的装置，更具体地涉及将低压氮气或二氧化碳气体制成超临界状态并储存起来作为发泡剂，用来加工热塑性泡沫塑料的装置。主要包括由低压气体源1、高压隔膜压缩机2、加热器3、高压容器4、温控模块5、电源开关6、高压截止阀7、压力传感器300、温度传感器301，以及连接上述部件的压力管道和通信电线或电缆组成。本发明的优点是，本发明该系统可以用于将可用作发泡剂的低压气体进行加压和加热并保持在一个超临界状态，并为后续的注入时的流量控制和注入提供稳定的供应条件。

1.  预制超临界流体发泡剂的装置，其特征是，主要包括由低压气体源(1)、高压隔膜压缩机(2)、高压容器(4)、高压截止阀(7)、加热器(3)、温控模块(5)、压力传感器(300)、温度传感器(301)、电源开关(6)以及连接上述部件的压力管道和通信电线或电缆组成，其中，低压气体源(1)、高压隔膜压缩机(2)、高压容器(4)、高压截止阀(7)通过管道和管道部件依次序连接，加热器(3)包覆在高压容器(4)之上。

2.  根据权力要求1的预制超临界流体发泡剂的方法，其特征是，所述的低压气体源(1)是出口压力为1巴至9巴。

3.  根据权力要求1的预制超临界流体发泡剂的方法，其特征是，所述的低压气体源(1)是用氮气发生器制成的压力在4巴至9巴。

4.  根据权力要求1的预制超临界流体发泡剂的方法，其特征是，高压容器(4)之中超临界流体发泡剂的压力范围在100巴到600巴。

5.  根据权力要求1的预制超临界流体发泡剂的方法，其特征是，高压容器(4)之中超临界流体发泡剂的压力范围在150巴到450巴。

6.  根据权力要求1的预制超临界流体发泡剂的方法，其特征是，高压容器(4)之中超临界流体发泡剂的压力范围在250巴到350巴。

预制超临界流体发泡剂的装置和方法
技术领域
本发明涉及预制超临界流体发泡剂的装置，更具体地涉及将低压氮气或二氧化碳气体制成超临界状态并储存起来作为发泡剂，用来加工热塑性泡沫塑料的装置。
背景技术
或由于结构的需要，或由于功能的需要如隔热、隔音等，或出于节约原材料成本的目的，越来越多地使用热塑性塑料发泡成型制品。在发泡成型时，如挤出、注射或其他成型方式，一种已知的方法是采用化学发泡剂与热塑性树脂混炼，并严格控制工艺参数。然而在使用化学发泡剂时一方面要求工艺控制非常严格，另一方面存在制品中有发泡剂残留物、模具腐蚀以及制品后续使用时受环境要求的限制，因此越来越多地发泡制品模塑成型商倾向于直接使用氮气或二氧化碳作为发泡剂，特别是在线将氮气或二氧化碳等直接引入到挤出机的熔融热塑性树脂中，经过混合形成均匀的可发泡热塑性树脂混合物，然后成型。然而在采用氮气或二氧化碳进行发泡加工时，发泡剂的注入剂量及其注入流量的稳定性直接影响到发泡制品的发泡倍率和发泡制品质量的稳定性。
根据已经公开的文献和常识，氮气或二氧化碳在低压状态下，很难溶入并混合到熔融的热塑性聚合物中，很难获得所需要的发泡制品。但是处于超临界状态的氮气(临界点压力3.35MPa，温度-147℃)或二氧化碳(临界点压力7.4MPa，温度31.24℃)与熔融聚合物有较大的相容性。并且随着压力的提高，溶解度会进一步增大。当熔融聚合物中混合和溶解足够的超临界流体发泡剂后，通过挤出时快速降压或快速升温，就可获得需要的发泡制品。
如中国专利文献公开号为CN1102490C中，揭示了一种超临界二氧化碳作为发泡剂的注入方法，采用预定量泵将液态二氧化碳泵出，然后加热减压注入的方法；然而预定量泵需要冷媒来保持泵送的是液态的二氧化碳，整个过程需要消耗大量的能源来完成注入过程(包括压缩二氧化碳至液态，液态泵送，加热到超临界状态)；在这些过程中，不可避免使二氧化碳收到润滑介质的污染；对氮气来说，由于液化温度很低(-147oC)，这种方法更不可行。
在已知的采用气体物理发泡剂加工泡沫制品时，常用的方法是将发泡剂气体直接从气体钢瓶或升压到一定的压力后用减压阀稳定输出压力后加入到挤出机的料筒中。但是采用此种方法时，一方面的问题气体温度不稳，在减压后，气体温度会降低并波动加剧，造成气体的状态较大的变化，特别对二氧化碳来说，二氧化碳气体可能变成液态或固态，造成注入到挤出机料筒内的发泡剂流量变化很大，进而造成发泡质量波动加大；另一方面是减压计量前的压力不稳定或压力不够高，也会造成注入到挤出机料筒中压力不稳定，加剧注入量的波动。
发明内容
本发明目的是根据上述现有技术的不足以及存在的问题，采用低能耗的方法，无污染地将气体发泡剂(如氮气、二氧化碳等)升压和保持在需要的超临界状态，供进一步减压计量并注入到挤出机料筒中使用，消除发泡剂源状态不稳定对发泡质量的影响。
本发明的目的实现由以下技术方案完成：
本发明所述的装置，主要包括由低压气体源1、高压隔膜压缩机2、加热器3、高压容器4、温控模块5、电源开关6、高压截止阀7、压力传感器300、温度传感器301，以及连接上述部件的压力管道和通信电线或电缆组成；其中，低压气体源1、高压隔膜压缩机2、高压容器4、高压截止阀7通过管道和管道部件按顺序连接，加热器3包覆在高压容器4之上；温控模块5根据安装在高压容器4之中的温度传感器301检测到的发泡剂的实际温度和设定的超临界流体温度控制电源开关6的打开和闭合。其中低压气体源1其出口压力在1巴到9巴之间的一个压力；或是用低压氮气发生器直接从空气中提纯的高纯度氮气，出口压力在4巴到9巴之间的一个压力；高压隔膜压缩机2将来自低压气体源1的发泡剂气体，升压并储存在高压容器4中，并使高压容器4中的压力保持在100巴至600巴范围内。
本发明的优点是，本发明该系统可以用于将可用作发泡剂的低压气体进行加压和加热并保持在一个超临界状态，并为后续的注入时的流量控制和注入提供稳定的供应条件。
附图说明
附图1为本发明系统结构示意图；
附图2为本发明的一种挤出发泡的使用状态示意图；
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其相关特征作进一步说明：
实施例1
如附图1、2所示，其中标号1—23分别表示，1—低压气体源、2—高压隔膜压缩机、3—加热器、4—高压容器、5—温控模块、6—电源开关、7—高压截止阀、8—高压减压阀、9—电磁比例阀、10—高压伺服阀、11—加热器、12—可调节节流阀、13—电源开关、14—数据处理和控制模块、15—操作界面、16—挤出机发泡剂引入接口、17—螺杆、18—料筒、300—压力传感器、302—压力传感器、304—压力传感器、301—温度传感器、303—温度传感器；101、102、201、202—加热器电源接线端口；19—加料口、20—挤出机驱动装置、21—转接口、22—熔体泵、23—挤出口模。
本发明所述的装置，主要包括由低压气体源1、高压隔膜压缩机2、加热器3、高压容器4、温控模块5、电源开关6、高压截止阀7、压力传感器300、温度传感器301，以及连接上述部件的压力管道和通信电线或电缆组成；其中，低压气体源1、高压隔膜压缩机2、高压容器4、高压截止阀7通过管道和管道部件按顺序连接，加热器3包覆在高压容器4之上；温控模块5根据安装在高压容器4之中的温度传感器301检测到的发泡剂的实际温度和设定的超临界流体温度控制电源开关6的打开和闭合。其中低压气体源1可以是工业瓶装气体(氮气或二氧化碳)，其出口压力在1巴到9巴之间的一个压力，例如5巴；也可以是用低压氮气发生器直接从空气中提纯的高纯度氮气(例如纯度为99.9％的氮气)，出口压力在4巴到9巴之间的一个压力，例如6巴。高压隔膜压缩机2将来自低压气体源1的发泡剂气体，升压并储存在高压容器4中，并使高压容器4中的压力保持在100巴至600巴范围内的一个压力范围区间；优选的压力区间是150巴至450巴之间，更优选的压力区间是250巴至350巴之间。压力范围的维持是通过下列办法实现的：当安装在高压容器4中的压力传感器300检测到容器中的压力达到压力区间的下限时，例如250巴，压力传感器300反馈给高压隔膜压缩机2的压力信号会触发隔膜压缩机启动，将低压气体发泡剂加压后输送到高压容器4中；当高压容器4中的压力达到压力区间高限时，例如350巴，压力传感器300反馈的信号使高压隔膜压缩机的停止运转。由于隔膜压缩机压缩时液压油和气体之间由金属膜片完全隔离，因而在升压过程中，气体发泡剂完全避免了油的污染，因而发泡剂气体可用于食品包装制品的发泡包装材料和制品的制造。虽然已知的气动增压泵或电动增压泵也可用于这一目的，但由于高能耗，以及不可避免的零部件磨损也会降低连续生产的稳定性，因此在本方案中未有采用。由于气体在压缩升压过程中发热，气体出口温度可远高于31℃。这样无论对二氧化碳，还是氮气来说，输送到高压容器4中发泡剂气体已经处于超临界状态了。在使用和生产线运转过程中，为了保持高压容器4中的发泡剂气体处于超临界状态，在高压容器4上包覆一个加热器3，高压容器4内设置温度传感器301，温控模块5接收温度传感器301传来的实际温度信号，并发送信号控制电源开关6的通断，而压力传感器300将实测的压力传送给高压隔膜压缩机2并触发高压隔膜压缩机2的启动和停止。在温控模块5中设定一个高于超临界点的温度区间(例如40℃到45℃)。加热器3通过接线端口101和102与220V的交流电源连接。当检测到高压容器4中气体温度降低到温度区间低限(例如40℃)时，温控模块5发出信号给电源开关6，使之联通开始加热；当检测到高压容器4中气体温度升高到温度区间高限(例如45℃)时，温控模块5发出信号给电源开关6，使之断开停止加热。这样通过对高压容器4中的超临界流体发泡剂的压力和温度的控制，使高压容器4中的发泡剂气体一直处于超临界状态。当该装置与后续的计量装置或注入装置连接后，将高压截止阀7设在打开位置，就可为加工装置的挤出机料筒中供应超临界流体发泡剂，例如二氧化碳，例如氮气。
如附图1、2示，本发明装置包括由低压气体源1、高压隔膜压缩机2、加热器3、高压容器4、温控模块5、电源开关6、高压截止阀7、压力传感器300、温度传感器301、以及连接上述部件的压力管道和通信电线或电缆组成；并在下面举例的具体实施方式中进行进一步说明。
如图2所示，本发明装置用于连续挤出发泡成型片材。所用成型机为一台螺杆17直径为100毫米的单螺杆挤出机，长径比大致为26D。在挤出机的料流末端增加了一个熔体泵22，其目的是为了提高和稳定发泡口模23入口处熔胶和发泡剂混合物的压力。加工的材料为PP(聚丙烯)，在不进行发泡成型时，设计生产能力为200公斤/小时。在本实施例中，在离加料口19的下游约15D的位置，在料筒18的径向均布三个发泡剂引入接口16，该处树脂已经熔化。这三个引入接口16用高压管并联后连接到本发明系统的可调节节流阀12的输出口，形成了一个挤出发泡系统。由高压减压阀8、电磁比例阀9、高压伺服阀10、加热器11、可调节节流阀12、电源开关13、数据处理和控制模块14、操作界面15、压力传感器302和304、温度传感器303、加热器电源接线端口201和202，以及连接上述部件的压力管道和通讯电线或电缆组成控制注入到挤出机料筒中的流量控制模块。该流量控制模块将来自本发明装置的高压容器4的超临界流体发泡剂经精确计量后输入到挤出机的料筒18中。
首先将挤出机挤出产量设定在150公斤/小时，成型产品为厚度为3mm的片材，最终产品密度要求在0.2-0.3g/cm³。为实现这样的发泡效果，需要采用二氧化碳作为发泡剂。在发泡剂输入接口16附近，挤出机料筒内的熔胶压力在150巴左右波动。发泡剂输入到接口16的压力应该在150巴以上才能将所需的发泡剂量注入到溶胶中。而超临界流体发泡剂经过上面所述的流量控制模块会有30到90巴的压力降。这样为保证将稳定的超临界发泡剂流输送到挤出机的料筒中，本发明装置需要提供压力至少为240巴。因此将高压容器4的压力区间设定在250巴-350巴，也是本发明装置中高压隔膜压缩机2的启动和停止的压力区间。而为保证整个输送过程中二氧化碳保持在超临界状态，将高压容器的温度区间范围设定在50℃至55℃的范围；高压隔膜压缩机2将根据设定的压力范围启动和停止；低压气体源1则采用工业瓶装二氧化碳气体(40巴)减压输出，压力在6巴。在实施过程中，将流量控制模块的操作界面15输送流量设置在50标准升/分钟，温度范围设置在60℃±3℃。整个系统连续运转8小时，本发明的装置连续稳定为后面的流量控制模块提供超临界二氧化碳发泡剂，而挤出成型设备连续挤出成型3mm厚的发泡片材，发泡片材的比重稳定在0.3g/cm³。
虽然以上已经参照附图对按照本发明目的的构思和实施例作了详尽说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，而这种改进和变换仍然应当属于本发明的保护范围。