一种超临界流体计量注入装置及注入方法

摘要

本发明公开了一种超临界流体计量注入装置及注入方法，由减压阀、两个低压气体压力控制器、三个电磁阀、两个高压气体压力控制器、三个截止阀、压力传感器、发泡剂计量罐、温度传感器、数据处理与控制系统以及连接上述部件的压力管道和通信电线或电缆组成。本发明提出采用一种定温定容计量、恒压稳流注入的方法，通过固定超临界流体发泡剂计量罐的容积、温度，控制发泡剂计量罐的压力变化，控制发泡剂注入的压力和流率，来保证每个周期内注入发泡剂剂量的恒定和注入过程的稳定，可用于聚合物超临界流体微孔发泡注塑等对流体注入剂量、注入压力、注入流量等有严格要求的系统中。

说明书

技术领域

本发明涉及气体流体计量注入装置及注入方法，特别涉及一种超临界流体的精确计量与稳定注入装置及注入方法，用于聚合物超临界流体微孔发泡注塑等对超临界流体注入剂量、注入压力、注入流量等有严格要求的系统中。

背景技术

为适应塑料行业市场发展需求和满足工业上既能够降低塑料产品成本而又不降低其机械性能的要求，20世纪80年代初期，美国麻省理工大学（MIT）的学者首先提出和研制了微孔发泡塑料材料。以热塑性塑料为基体、以超临界流体为物理发泡剂制备的聚合物微孔发泡材料泡孔尺寸小、泡孔密度高, 与未发泡的聚合物材料相比，其密度可降低5%～95%，冲击强度可增加高达5倍，韧性提高5倍，刚度增加3～5倍，疲劳寿命延长5倍，介电常数和热导率大幅下降，同时聚合物微孔发泡材料的制备使用安全环保气体（一般为N₂或CO₂），对环境无污染。由于这些独特的性能，使微孔发泡聚合物材料的应用领域非常宽广，被称为“21世纪的新型材料”。

超临界流体是一种状态介于气体和液体之间的特殊流体，兼有气体液体的双重性质和特点，如黏度和扩散系数接近于气体，密度和溶剂化能力接近于液体。超临界流体同时具有许多独特的性质，如粘度小，密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力变化十分敏感。

在聚合物微孔发泡过程中，超临界流体物理发泡剂注入剂量的精确计量和注入过程的稳定控制以及其与聚合物熔体的可靠溶合是微孔发泡的关键技术，超临界流体发泡剂注入剂量的多少、注入稳定性和溶合程度直接影响到聚合物发泡制品的泡孔大小和泡孔密度，进而决定塑料产品的最终质量。美国特瑞塞尔公司于2006年2月8日在中国专利文献公开了一种名为“发泡剂引进系统及方法”（公开号：1732073）的专利技术，该技术主要有“可与发泡剂源相连接的入口和可与挤塑机的发泡剂口连接的出口的储料缸，位于发泡剂源和储料缸入口之间的压力调节装置，测量挤塑机中的高分子材料的压力而构造和安排的压力测量装置”以及能够接收和输出压力信号的控制系统，可以在模塑循环的塑化周期期间把一种或多种剂量的发泡剂引进挤塑机中的高分子材料。由于在引进之前，发泡剂被限制在固定体积的储料缸中，因此可通过控制储料缸容积和缸中气体的压力来实现引进挤塑机中高分子材料的发泡剂剂量准确稳定。但是该项专利技术并没有对其所属的压力调节系统的结构以及压力调节的方法给出明确定义，在应用方面具有显而易见的不确定性。北京中拓机械有限责任公司于2010年9月15日在中国专利文献公开了一种名为“超临界流体发泡剂计量系统”（公开号：101830049A）的专利技术，该技术“采用定容计量的方式，通过固定发泡剂储罐容积、温度，控制向料筒中注入超临界流体的初始压力，保证每个塑化周期向料筒注入发泡剂剂量是一稳定值”，但是该项技术对发泡剂注入过程没有进行控制，不能实现发泡剂注入过程的稳定均匀，仅适合于小体积微发泡注塑件的超临界流体发泡剂一次性计量输送，在应用上具有相当大的局限性。

发明内容

本发明根据上述现有技术的不足之处，提出一种定温定容计量、恒压稳流注入的方式，通过固定超临界流体发泡剂计量罐的容积、固定发泡剂计量罐的温度，控制发泡剂计量罐的压力变化，同时控制向注塑机料筒注入发泡剂流体的压力和流率，来保证每个塑化周期内向料筒注入发泡剂剂量的恒定和注入过程的稳定，从而保证发泡工艺的稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明所述的超临界流体计量注入装置，包括减压阀、第一低压气体压力控制器、第一电磁阀、第二电磁阀、第二低压气体压力控制器、第三电磁阀、第一高压气体压力控制器（高压气体压力控制器可以是气控调压阀）、第一截止阀（第一截止阀可以是气动截止阀）、压力传感器、发泡剂计量罐、温度传感器、第二截止阀（第二截止阀可以是气动截止阀）、第二高压气体压力控制器（高压气体压力控制器可以是气控调压阀）、第三截止阀（第三截止阀可以是气动高压针阀）、数据处理与控制系统。

其中，减压阀的进口与压缩空气源连接，减压阀的出口通过管道与第一低压气体压力控制器的进口、第一电磁阀的进口、第二电磁阀的进口、第二低压气体压力控制器的进口、第三电磁阀的进口连接；第一高压气体压力控制器的进口与高压发泡剂源连接，第三截止阀的出口与注塑机的料筒连接；第一低压气体压力控制器、第二低压气体压力控制器的出口分别与第一高压气体压力控制器、第二高压气体压力控制器的先导气体接口连接；第一电磁阀与第一截止阀连接，第二电磁阀与第二截止阀连接，第三电磁阀与第三截止阀连接；第一高压气体压力控制器、第一截止阀、发泡剂计量罐、第二截止阀、第二高压气体压力控制器、第三截止阀按顺序用压力管道连接，压力传感器、温度传感器设置于第一截止阀和第二截止阀之间；数据处理与控制系统通过通信电线或电缆与压力传感器、温度传感器、注塑机控制系统连接并接收信号，通过通信电线或电缆与第一低压气体压力控制器、第一电磁阀、第二电磁阀、第二低压气体压力控制器、第三电磁阀连接并输出控制信号。

所述的数据处理与控制系统包括PLC控制器，控制器接收压力、温度、注塑机的反馈信号，根据预先设计的数据关系控制第一低压气体压力控制器、第二低压气体压力控制器的输出压力，控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀的通闭进而控制第一截止阀、第二截止阀与第三截止阀的开闭，实现每个塑化循环周期发泡剂注入剂量的恒定和注入压力、流率的稳定。

所述高压气体压力控制器（气控调压阀）是该系统维持压力稳定的主要设备，气控调压阀利用低压气体控制高压气体，实现对超临界流体的减压稳压，可优选采用Tescom 44系列空压负载减压阀；第一低压气体压力控制器的压力控制范围优选为0.1～0.8MPa，可优选采用美国Emerson公司的Tescom ER3000电子压力控制器。所述的气控调压阀和第一低压气体压力控制器配合使用，实现输出压力的恒定。

注塑质量在1000g以内的制品时，所述的连接第一截止阀、第二截止阀之间的压力管道容积与发泡剂计量罐的容积之和优选为10～250cm³。

所述的第一高压气体压力控制器的压力控制范围优选为4～35MPa，第二高压气体压力控制器的压力控制范围优选为4～25MPa。

本发明还可以包括定量阀，定量阀设置在第二高压气体压力控制器和第三截止阀之间，定量阀按预先标定好的压力差与流率关系旋转到合适的开口位置。

所述的超临界流体发泡剂包括但不限于N₂等气体。

本发明还提供了一种超临界流体计量注入方法，包括如下步骤：

步骤（1），所述装置开始工作前，数据处理与控制系统根据聚合物微发泡制品的原料、体积以及发泡剂注射时间，计算生成微发泡产品所需要的发泡剂的质量或体积以及发泡剂注入时的流量。调节注塑机的参数将往复式螺杆塑化装置料筒塑化熔体压力控制在8～25MPa之间的某一值，根据这一压力值与事先标定好的定量阀的压力差与流量曲线比较，计算生成定量阀的入口压力。设定第二高压气体压力控制器的入口压力比出口压力高1～2MPa，该压力值即为发泡剂计量罐完成注入后应到达的压力，作为发泡剂计量罐的后计量压力值。根据计算生成的微发泡产品所需要的发泡剂的质量或体积，连接第一气控截止阀、第二气控截止阀之间的压力管道容积与发泡剂计量罐的容积，接收到的温度信号，以及后计量压力值，数据处理与控制系统计算生成注入所需剂量的发泡剂时发泡剂计量罐所产生的压力差，得到发泡剂计量罐的前计量压力值。

步骤（2），所述装置开始工作，第一高压气体压力控制器接高压发泡济源，第一截止阀打开，第二截止阀关闭，数据处理与控制系统通过第一低压气体压力控制器来控制第一高压气体压力控制器的先导气体压力，使第一高压气体压力控制器的输出压力为发泡剂计量罐的前计量压力值，给发泡剂计量罐进行充气，发泡剂计量罐达到前计量压力值时关闭第一截止阀。

步骤（3），数据处理与控制系统接收到注塑机的塑化开始信号后，延迟0.5秒到2秒的时间，同时打开第二截止阀和第三截止阀，并通过第二低压气体压力控制器来控制第二高压气体压力控制器的先导气体压力使第二高压气体压力控制器的输出压力为计算得到的定量阀的入口压力，开始进行注气。

步骤（4），数据处理与控制系统接收来自压力传感器的压力变化，当发泡剂计量罐的压力降低到后计量压力时，同时关闭第二截止阀和第三截止阀完成注气，并打开第一截止阀，再次对发泡剂计量罐进行充气，等待下一个塑化周期。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明提供的超临界流体计量注入装置包括定容定温计量和恒压稳流注入两个功能部分，实现了超临界流体发泡剂注入剂量的恒定和注入过程的稳定。

附图说明

图1为本发明超临界流体计量注入装置的结构示意图。

图中，1、减压阀；2、低压压力表；3、第一电子压力控制器；4、第一电磁阀；5、第二电磁阀；6、第二电子压力控制器；7、第三电磁阀；8、第一气控调压阀；9、第一气动截止阀；10、压力传感器；11、发泡剂计量罐；12、温度传感器；13、第二气动截止阀；14、第二气控调压阀；15、定量阀；16、气动高压针阀；17、数据处理与控制系统；Ⅰ、压缩空气源；Ⅱ、高压发泡剂源；Ⅲ、料筒；Ⅳ、注塑机控制系统。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本实施例的超临界流体计量注入装置，包括减压阀1、低压压力表2、第一电子压力控制器3、第一电磁阀4、第二电磁阀5、第二电子压力控制器6、第三电磁阀7、第一气控调压阀8、第一气动截止阀9、压力传感器10、发泡剂计量罐11、温度传感器12、第二气动截止阀13、第二气控调压阀14、定量阀15、气动高压针阀16、数据处理与控制系统17。

其中，减压阀1的进口与压缩空气源Ⅰ连接，减压阀1的出口通过管道及低压压力表2与第一电子压力控制器3的进口、第一电磁阀4的进口、第二电磁阀5的进口、第二电子压力控制器6的进口、第三电磁阀7的进口连接；第一气控调压阀8的进口与高压发泡剂源Ⅱ连接，气动高压针阀16的出口与注塑机的料筒Ⅲ连接；第一电子压力控制器3、第二电子压力控制器6的出口分别与第一气控调压阀8、第二气控调压阀14的先导气体接口连接；第一电磁阀4与第一气动截止阀9连接，第二电磁阀5与第二气动截止阀13连接，第三电磁阀7与气动高压针阀16连接；第一气控调压阀8、第一气动截止阀9、发泡剂计量罐11、第二气动截止阀13、第二气控调压阀14、定量阀15、气动高压针阀16按顺序用压力管道连接，压力传感器10设置于第一气动截止阀9和发泡剂计量罐11之间，温度传感器12设置于发泡剂计量罐11和第二气动截止阀13之间；定量阀15按预先标定好的压力差与流率关系旋转到合适的开口位置；数据处理与控制系统17通过通信电线或电缆与压力传感器10、温度传感器12、注塑机控制系统Ⅳ连接并接收信号，通过通信电线或电缆与第一电子压力控制器3、第一电磁阀4、第二电磁阀5、第二电子压力控制器6、第三电磁阀7连接并输出控制信号。

本实施例的工作过程为：

所述装置开始工作时，数据处理与控制系统17根据聚合物微发泡制品的原料、体积以及发泡剂注射时间，计算生成微发泡产品所需要的发泡剂的质量（或体积）和发泡剂注入时的流量。调节注塑机的参数将往复式螺杆塑化装置料筒Ⅲ塑化熔体压力控制在8～25MPa之间的某一合适值，根据这一压力值与事先标定好的定量阀15的压力差与流量曲线比较，计算生成定量阀15的入口压力（即第二气控调压阀14的出口压力）。设定第二气控调压阀14的入口压力比出口压力高1～2MPa，该压力值即为发泡剂计量罐11完成注入后应到达的压力，作为发泡剂计量罐11的后计量压力值。根据计算生成的微发泡产品所需要的发泡剂的质量或体积，连接第一气动截止阀9、第二气动截止阀13之间的压力管道容积与发泡剂计量罐11的容积，接收到的温度信号，以及后计量压力值，数据处理与控制系统17计算生成注入所需剂量的发泡剂时发泡剂计量罐11所产生的压力差，得到发泡剂计量罐11的前计量压力值，即为第一气控调压阀8的出口压力设定。

所述装置开始工作，第一气控调压阀8接高压发泡剂源Ⅱ，第一气动截止阀9打开，第二气动截止阀13关闭，数据处理与控制系统17通过第一电子压力控制器3来控制第一气控调压阀8的先导气体压力，使第一气控调压阀8的输出压力为发泡剂计量罐11的前计量压力值，给发泡剂计量罐11进行充气，发泡剂计量罐11达到前计量压力值时关闭第一气动截止阀9。

数据处理与控制系统17接收到注塑机的塑化开始信号后，延迟0.5秒到2秒的时间，同时打开第二气动截止阀13和气动高压针阀16，并通过第二电子压力控制器6来控制第二气控调压阀14的先导气体压力使第二气控调压阀14的输出压力为计算得到的定量阀15的入口压力，开始进行注气。

数据处理与控制系统17接收来自压力传感器10的压力变化，当发泡剂计量罐11的压力降低到后计量压力时，同时关闭第二气动截止阀13和气动高压针阀16完成注气，并打开第一气动截止阀9，再次对发泡剂计量罐11进行充气，等待下一个塑化周期。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。