CN101653978B - 一种超临界流体发泡剂计量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超临界流体发泡剂的计量系统，更具体地涉及采用超临界氮气/二氧化碳作为发泡剂加工热塑性泡沫塑料时对发泡剂剂量的控制系统。本发明所述的一种超临界流体发泡剂计量系统，由截止阀1、高压容器2、减压阀3、压力传感器4、电磁比例阀5、高压伺服阀6、压力传感器7、受控截止阀8、温度传感器9、可调节节流阀10、压力传感器11、受控截止阀12、数据处理和控制模块13、操作界面14，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，本发明该系统既可以实现在发泡剂注入过程中实现向往复式螺杆塑化系统或类似于往复式螺杆塑化过程的串联式塑化注射系统中熔融树脂中按设定流量均匀地注入的发泡剂，还可以实现每次输入剂量的稳定。

Description

一种超临界流体发泡剂计量系统

技术领域

本发明涉及一种超临界流体发泡剂的计量系统，更具体地涉及在注塑成型时控制向往复式螺杆塑化装置或间歇式塑化装置中注入超临界氮气/二氧化碳发泡剂剂量的 系统。 

 背景技术

 或由于结构的需要，或由于制品尺寸精度或稳定性的需要，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注射成型制品。在发泡成型时，如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使用物理发泡剂。由于氮气、二氧化碳为惰性气体，不会与熔融态的树脂反应；而且氮气或二氧化碳在超临界状态时能溶解到熔融树脂中，并能以较快的速度在熔融树脂中扩散，与熔融树脂形成均相混合物，当这种均相混合物以较大的压差或较快的压降速度被注入到模具型腔中时，可获得很好的注塑发泡制品，因此超临界状态氮气或二氧化碳是一种理想的物理发泡剂。公知的，氮气的临界点是压力为34巴和温度为-147℃，而二氧化碳的临界点为压力71巴和 温度为31.4℃。在采用这些超临界流体发泡剂进行发泡加工时，发泡剂的注入剂量及其稳定性直接影响到发泡制品的质量稳定性。 在之前申请并于2007年11月28日授权公开的中国专利L200620049021.3《气体发泡剂流量控制系统》中揭示一种控制气态物理发泡剂流量的系统，发泡剂是氮气或二氧化碳，特别是超临界状态的氮气或二氧化碳。在实际使用过程中，发现这种系统在连续挤出生产时注入的发泡剂流量具有非常好的稳定性和精度。但是在采用往复式螺杆塑化装置或间歇式塑化装置的注塑机注塑成型时遇到很大的问题。对于往复式螺杆塑化装置或间歇式塑化装置，由于螺杆塑化运动是间歇式的，虽然塑化停止后可通过截止阀将通向熔胶中的发泡剂流中断，但需要增加旁通装置来稳定流量，否则不能在非常短的时间内实现下一次注入熔胶中发泡剂的 压力和/或剂量稳定。 

  本发明的系统是在解决上述专利揭示的计量系统在采用往复式螺杆塑化装置或间歇式塑化装置的注塑机上应用存在的问题时发明的，实现了注入流量和剂量稳定。 

  发明内容 

    本发明的目的是根据上述现有技术的不足以及存在的问题， 在注入时保证输出流量稳定，而通过在停止注入发泡剂时保持可调节节流阀两端的压力状态从而实现下一次按相同的流量和剂量将发泡剂注入到熔胶中，并避免对熔胶的冲击，为采用往复式螺杆塑化装置或间歇式塑化装置的注塑机成型制品时提供一种稳定注入发泡剂的方法。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

  本发明 系统由截止阀1、高压容器2、减压阀3、 第一压力传感器4、电磁比例阀5、高压伺服阀6、第二压力传感器7、第一受控截止阀8、温度传感器9、可调节节流阀10、第三压力传感器11、第二受控截止阀12、数据处理和控制模块13、操作界面14，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，截止阀1、高压容器2、高压伺服阀6、第一受控截止阀8、可调节节流阀10、第二受控截止阀12按顺序用压力管道串联连接，在高压伺服阀6和第一受控截止阀8之间的管道上设置第二压力传感器7，在第一受控截止阀8和可调节节流阀10之间设置温度传感器9，和在可调节节流阀10和第二受控截止阀12之间设置第三压力传感器11，截止阀1与超临界流体发泡剂源100连接，第二受控截止阀12与往复式螺杆塑化装置300直接连接；其中，减压阀3与电磁比例阀5组合连接，第一压力传感器4设置在连接减压阀3和电磁比例阀5的管路上，电磁比例阀5的出口与高压伺服阀6的先导气体接口连接，减压阀3的进口与压缩气体源200连接，整个系统的控制和操作由数据处理和控制装置13以及操作界面14进行，其中数据处理和控制模块13包括输入口和输出口，其输入口通过电缆或电线与操作界面14、第一压力传感器4、第二压力传感器7和第三压力传感器11、温度传感器9、注塑机控制系统400连接来接收工艺参数、压力值和温度值信号；其输出口与电磁比例阀5、第一受控截止阀8、第二受控截止阀12、和/或注塑成型机控制系统400连接来输出操作指令，使得第一受控截止阀8和第二受控截止阀12同时开启和关闭；在第一受控截止阀8和可调节节流阀10之间的管道容积是在可调节节流阀10和第二受控截止阀12之间的管道容积的1/10 到1/50之间；所述的在第一受控截止阀8和可调节节流阀10之间的管道容积是在可调节节流阀10和第二受控截止阀12之间的管道容积的1/20到1/40之间；所述的第二受控截止阀12安装在往复式螺杆塑化装置的机筒的安装孔306中；所述节流阀10前端的压力为110巴至350巴，进一步优化压力为120巴至300巴；所述节流阀10后端的压力为100巴至300巴，进一步优化为的压力为100巴至200巴。

 本发明的优点是，本发明该系统既可以实现在发泡剂注入过程中实现向往复式螺杆塑化  装置或间隙式塑化装置中的熔融树脂中按设定流量均匀地注入的发泡剂，还可以实现每次输入剂量的稳定。 

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：

  如附图1、2示，其中标号分别表示，1－截止阀、2－高压容器、3－减压阀、4－第一压力传感器、5－电磁比例阀阀、6－高压伺服阀、7－第二压力传感器、8－ 第一受控截止阀、9－ 温度传感器、10－ 可调节节流阀、11－ 第三压力传感器、12－第二受控截止阀、13－数据处理和控制模块、14－操作界面、100－超临界流体发泡剂源、200－压缩气体源、300－塑化装置、301－螺杆组件、302－机筒、303－截止式注射喷嘴、304－驱动机构、305－树脂上料口、306－受控截止阀12安装孔、400－注塑机控制系统。 

  如附图1、2示，本发明系统包括由截止阀1、高压容器2、减压阀3、 第一压力传感器4、电磁比例阀5、高压伺服阀6、 第二压力传感器7、第一受控截止阀8、温度传感器9、可调节节流阀10、 第三压力传感器11、第二受控截止阀12、数据处理和控制模块13、操作界面14，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，截止阀1、高压容器2、高压伺服阀6、第一受控截止阀8 、可调节节流阀 10、第二受控截止阀12按顺序用压力管道串联连接，在高压伺服阀6和第一受控截止阀8之间的管道上设置 第二压力传感器7，在第一受控截止阀8和可调节节流阀10之间设置温度传感器 9，和在可调节节流阀10和第二受控截止阀12之间设置第三压力传感器11，截止阀1与超临界流体发泡剂源100连接，第二受控截止阀12与塑化装置300直接连接；其中，减压阀3与电磁比例阀5组合连接，电磁比例阀5的出口与高压伺服阀6的先导气体接口连接，减压阀3的进口与压缩气体源200连接。整个系统的控制和操作由数据处理和控制装置13以及操作界面14进行。其中数据处理和控制装置13包括输入口和输出口，其输入口通过电缆或电线与操作界面14、第一压力传感器4、第二压力传感器7和第三压力传感器11、温度传感器9、注塑机控制系统400连接来接收工艺参数、压力值和温度值信号；其输出口与电磁比例阀5、第一受控截止阀8和第二受控截止阀12、和/或注塑成型机控制系统400连接并输出操作指令。可调节节流阀10与第一受控截止阀8之间的允许超临界流体发泡剂通过的管道容积，通过缩短管道的长度和/或减少管道的截面面积，被限制在0.01/毫升至0.2毫升之间。所述第一受控截止阀8和第二受控截止12是气动截止阀或液压驱动截止阀。

  本发明所述的计量系统的所采用的计量方法包括在超临界流体发泡剂注入阶段采用闭环控制实现流量稳定和采用控制注入时间实现每一个注气周期内注入超临界流体发泡剂剂量充分一致。本发明提供的流量和剂量的控制方法充分考虑了发泡剂温度、有效节流孔径、绝对压力、压力变化等对流量的影响，在超临界流体发泡剂注入过程中，对输出流量进行闭环控制，使输出流量与设定流量充分一致；并通过控制第一受控截止阀8和第二受控截止阀12的同时打开和关闭，一方面确定每个注入周期内注入到熔融树脂中的超临界流体发泡剂的剂量；另一方面在 第一受控截止阀8和第二受控截止阀12同时关闭后，第三压力传感器11所检测和反馈的压力将是截止阀关闭瞬间的压力，而且会保持不变直至下一个注入循环开始 第一受控截止阀8和第二受控截止阀12同时打开。这样可快速实现上一次注入过程和剂量的再现。为了减少 第一受控截止阀8关闭后发泡剂流阻断对后续注入工艺的冲击，将可调节节流阀10至第一受控截止阀8之间允许超临界流体发泡剂通过的管道容积限制在0.01毫升至0.2毫升之间，并尽可能小;这样当第一受控截止阀8关闭后，这段管道空间的压力会降低到可调节节流阀10和第二受控截止阀12之间管道的压力,即第三传感器11所检测到的压力，而当 第一受控截止阀8和第二受控截止阀12同时打开后，这段空间的压力会迅速地与第一受控截止阀8之前的管道压力综合; 当前面所述的管道容积限制在0.01毫升至0.2毫升之间时，在这段管道空间中升高的压力在第一受控截止阀8和第二受控截止阀12打开后不会使受控截止阀10之后的管道中的压力产生较大的波动,即不会对塑化装置中的熔融树脂产生冲击。 根据具体注塑制品的情况，将可调节节流阀10调整到一个位置并锁定；在操作界面14上设定注入的超临界流体发泡剂流量值，以及 第一受控截止阀8和第二受控截止阀12同时开启和关闭的时间。在一个超临界流体发泡剂注入周期开始时，数据处理和控制模块13发出指令同时打开] 第一受控截止阀8和第二受控截止阀12；此时控制模块13根据压力传感器7和11实际测得的压力值、温度传感器9实际测得的温度值，计算实际流量，并将实际流量值和设定的流量值进行比较，并通过输出指令到电磁比例阀5调整先导气体压力，进而调整高压伺服阀6的输出压力，使实际流量和设定流量充分一致。当注入周期完成，同时关闭 第一受控截止阀8和第二受控截止阀12，此时获得一个注入超临界流体发泡剂的剂量值。当第一受控截止阀8和第二受控截止阀12同时关闭后，截止阀8和12之间管道中上的压力将基本保持不变。 如图2示，使用本发明时，将受控截止阀12安装在塑化装置300机筒302上的安装孔306中 ；该塑化装置是按照于2009年2月4日授权公开的中国专利ZL200820057051.8《一种往复式螺杆塑化装置》设计制作的，其中安装孔306即该专利中所描述的添加剂流体连接口；这样截止阀12的输出口直接与螺杆301和机筒302之间的熔融树脂接触；在塑化装置300在动力驱动装置304的驱动下，螺杆301将熔融树脂输送到机筒302的料流末端和截止喷嘴303之间的空间，与此同时螺杆301后退，第一受控截止阀8和第二受控截止阀12同时打开，按照操作界面14上设定的质量流量或体积流量，例如每分钟或每小时注入的体积流量，精确地向熔融树脂中注入超临界流体发泡剂，实现期望的熔融树脂和超临界流体发泡剂配比；通过操作界面14上设定第一受控截止阀8和第二受控截止阀12同时关闭时间在塑化停止或停止之前的一个时间点，这样通过控制注入时稳定的流量和注入时间长短实现每个注入周期内的注入剂量控制；而混合了超临界流体发泡剂的熔融树脂被料流下游的螺杆301上的混炼元件混合形成均相混合物体系；打开截止式注射喷嘴后， 被注入到模具型腔之中；

  在第一受控截止阀8和第二受控截止阀12同时关闭以后直至下一周期同时打开之前，塑化装置300中的熔融树脂压力将经历注射时的剧烈波动过程，并恢复到上一注气周期开始时的压力状态，而在这一段时间内，由于第一受控截止阀8和第二受控截止阀12截止后，在截止阀8和12之间管道中的气体压力基本维持在截止之前的压力，压力传感器11将其中的压力值反馈到数据处理和控制模块13；而模块13通过流量比较控制高压伺服阀6和可调节节流阀10之间的压力，当计算流量与设定流量一致时，高压伺服阀6事实上处于截止状态或接近截止状态；当下一个塑化周期开始或开始之后的每个时刻，第一受控截止阀8和第二受控截止阀12在数据处理和控制模块13发出的指令下同时打开，系统管道中的超临界流体发泡剂就可立即按照设定的流量流动并注入到熔融树脂中，从而实现流量和每个注入周期中注入剂量的稳定。

实施例1：

  用超临界氮气作为发泡剂，采用聚丙烯（PP）生产一种汽车安全拉手，一模四腔，单件重量85克。用一台250吨锁模力的注塑机生产，塑化系统按照于2009年2月4日授权公开的中国专利ZL200820057051.8《一种往复式螺杆塑化装置》设计制作，螺杆直径为54毫米，长径比L/D=23。使用隔膜压缩机将工业瓶装氮气升压到一个优化的超临界状态（260 - 350巴，约30℃）做为发泡剂源。在本实施例中的超临界流体发泡剂计量系统中，在可调节节流阀出口直接与一个气动截止阀连接，两者之间的管道容积在0.01毫升。采用本发明的超临界流体发泡剂计量系统将超临界氮气发泡剂源与塑化装置安装上述方法连接。先将可调节节流阀调节到一个位置，使节流阀的输入压力在240巴、输出压力在160巴时流量为20升/分钟，锁定节流阀，并设定注入的流量在18升/分钟；设定注塑机的塑化背压在10巴油压，设定塑化转速使塑化装置在15秒完成塑化340克PP料；设定可调节节流阀两端的受控截止阀10和12同时在得到注塑机开始塑化信号之后1秒打开，设定受控截止阀10和12在得到注塑机开始塑化信号之后11秒同时关闭。这样设定后，打开输入口的截止阀1，开启隔膜压缩机使高压容器2的压力升高到 260巴 - 350巴范围之间的一个压力值；并将系统的先导气体气路中减压阀3的进口与6巴的压缩空气源连接。这样整个系统准备完毕，开始生产前面所述的汽车安全拉手。连续生产50模，虽然在塑化过程中熔融树脂的压力有一定的波动，而且在两个受控阀同时打开后的瞬间，传感器检测到的压力有一个不到1巴压力的微小波动，但观察每一个注入循环的中流量曲线保持稳定，注入剂量在3±0.009升的范围内；检测制品的重量，每个型腔中制 品的重量在84.5-85克的范围内，进一步检测制品的剖面结构，发现发泡状况一致。这说明本发明的发泡剂流量控制系统实现了自动闭环控制流量，能够实现全自动生产。 

 实施例2

  用超临界二氧化碳作为发泡剂，所使用的注塑机及生产的产品与实施例1相同。而超临界流体发泡剂计量系统与实施例不同的是，可调节节流阀和受控截止阀之间的管道容积为  0.2毫升，节流阀当输入压力在240巴、输出压力在160巴时流量为40升/分钟的流量，每个周期内发泡剂注入时间仍然是11秒。连续生产50模，虽然在塑化过程中熔融树脂的压力有一定的波动，而且在两个受控阀同时打开后的瞬间，传感器检测到的压力有一个不到5巴压力的微小波动，但观察每一个注入循环的中流量曲线保持稳定，注入剂量在6±0.01升的范围内；检测制品的重量，每个型腔中制品的重量在84.5 - 85克的范围内，进一步检测制品的剖面结构，发现发泡状况一致。这说明本发明的发泡剂流量控制系统实现了自动闭环控制流量，能够实现全自动生产。 

  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。 

Claims (8)

1.一种超临界流体发泡剂计量系统，其特征是，由截止阀（1）、高压容器（2）、减压阀（3）、 第一压力传感器（4）、电磁比例阀（5）、高压伺服阀（6）、 第二压力传感器（7）、 第一受控截止阀（8）、温度传感器（9）、可调节节流阀（10）、第三压力传感器（11）、第二受控截止阀（12）、数据处理和控制模块(13)、操作界面（14），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，截止阀（1）、高压容器（2）、高压伺服阀（6）、 第一受控截止阀（8）、可调节节流阀（10）、 第二受控截止阀（12）按顺序用压力管道串联连接，在高压伺服阀（6）和 第一受控截止阀（8）之间的管道上设置第二压力传感器（7），在 第一受控截止阀（8）和可调节节流阀（10）之间设置温度传感器（9），和在可调节节流阀（10和 第二受控截止阀（12）之间设置 第三压力传感器（11），截止阀（1）与超临界流体发泡剂源（100）连接， 第二受控截止阀（12）与往复式螺杆塑化装置（300）直接连接；其中，减压阀（3）与电磁比例阀（5）组合连接， 第一压力传感器（4）设置在连接减压阀（3）和电磁比例阀（5）的管路上，电磁比例阀（5）的出口与高压伺服阀（6）的先导气体接口连接，减压阀（3）的进口与压缩气体源（200）连接 ；整个系统的控制和操作由数据处理和控制装置（13）以及操作界面（14）进行，其中数据处理和控制模块（13）包括输入口和输出口，其输入口通过电缆或电线与操作界面（14）、第一压力传感器（4）、第二压力传感器（7）和第三压力传感器（11）、温度传感器（9）、注塑机控制系统（400）连接来接收工艺参数、压力值和温度值信号，其输出口与电磁比例阀（5）、第一受控截止阀（8）、第二受控截止阀（12）、和/或注塑成型机控制系统（400）连接来输出操作指令，使得第一受控截止阀（8）和第二受控截止阀（12）同时开启和关闭。

2. 根据权利要求1所述的一种超临界流体发泡剂计量系统， 其特征是，在第一受控截止阀（8）和可调节节流阀（10）之间的管道容积是在可调节节流阀（10）和第二受控截止阀（12）之间的管道容积的1/10 到1/50之间。

3. 根据权利要求1所述的的种超临界流体发泡剂计量系统， 其特征是，在第一受控截止阀（8）和可调节节流阀（10）之间的管道容积是在可调节节流阀（10）和第二受控截止阀（12）之间的管道容积的1/20到1/40之间。

4. 根据权利要求1所述的一种超临界流体发泡剂计量系统， 其特征是，在第二受控截止阀（12）安装在往复式螺杆塑化装置的机筒的安装孔（306）中。

5. 根据权利要求1所述的一种超临界流体发泡剂计量系统， 其特征是，所述节流阀（10）前端的压力为110巴至350巴。

6. 根据权利要求1所述的一种超临界流体发泡剂计量系统， 其特征是，所述节流阀（10）前端的压力为120巴至300巴。

7. 根据权利要求1所述的一种超临界流体发泡剂计量系统， 其特征是，所述节流阀（10）后端的压力为100巴至300巴。

8. 根据权利要求1所述的一种超临界流体发泡剂计量系统， 其特征是，所述节流阀（10）后端的压力为100巴至200巴。

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