CN109571847B - 一种用于聚合物间歇发泡的超临界流体多阶压力控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于聚合物间歇发泡的超临界流体多阶压力控制系统及方法，属于流体压力控制技术领域，启动多阶压力控制系统，在计算机的程序界面输入超临界流体的增压压力数值，交互到数据处理与控制系统，高压气体先进入气动增压泵进行增压，然后高压气体进入气控比例减压阀与低压气体进行相互作用，使高压气体的压力达到第一阶压力数值；调整电气比例减压阀输出的压缩空气压力，进而调控气控比例减压阀的输出压力达到第二阶压力数值，对反应釜进行第二次增压，通过上述过程，进行调控每一阶压力大小，直至最后一阶压力保压时间完成，最后对反应釜进行泄压，聚合物间歇发泡工艺完成。使反应釜内聚合物泡沫的泡孔结构和泡孔性能达到理想的状态。

Description

一种用于聚合物间歇发泡的超临界流体多阶压力控制系统及 方法

技术领域

本发明属于流体压力控制技术领域，具体涉及一种用于聚合物间歇发泡的超临界流体多阶压力控制系统及方法。

背景技术

超临界流体是指处于临界温度和临界压力之上的特殊流体，兼具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。目前，超临界流体的主要应用有超临界流体萃取、超临界流体干燥、超临界流体辅助发泡以及超临界流体辅助制备超细颗粒等。其中，超临界流体辅助聚合物发泡因其制备的聚合物泡沫具有泡孔尺寸小、密度高、分布均匀、泡体性能优良且工艺经济环保等一系列优点，近年来备受关注。

超临界流体辅助聚合物发泡的技术原理是将经过超临界流体饱和的聚合物体系通过快速降压或者快速升温的方式，使其进入热力学不稳定状态，从而诱导大量的气体形核并进一步长大，最终定形得到具有大量微孔结构的聚合物泡沫。根据其与不同成型技术结合的情况，目前主要有间歇发泡、挤出发泡以及注塑发泡等工艺方法。其中，超临界流体辅助聚合物间歇发泡制备的聚合物泡沫泡孔结构最为典型和最具代表性，是上述其他两种工艺的基础。

在超临界流体辅助聚合物间歇发泡工艺中，超临界流体的压力控制是聚合物/超临界流体饱和体系发泡的关键，其决定着最终形成的聚合物泡沫泡孔结构及其性能。目前，超临界流体辅助聚合物间歇发泡的压力控制方式一般为一次加压饱和与一次泄压的两段式控制方法，如2018年8月7日公开的中国发明专利“一种高分子聚合物材料超临界流体发泡装置及发泡方法”(公开号：108372620A)中揭示的“通过升压泵将超临界流体注入模腔内，超临界流体进入到高分子聚合物材料内部，当卸去模腔内压力，进入到高分子聚合物内部的超临界流体迅速膨胀，实现高分子聚合物材料的发泡”的方法，显然这种压力控制方法是简便的，但在精确和系统调控体系压力方面具有明显不足，同时该方法得到的聚合物泡沫泡孔结构单一，也尚未实现压力的自动控制。Bao等在<超临界流体学报>(The Journalof Supercritical Fluids，2011,55:1104-1114)撰文，报道了通过两次降压可以制备具有双峰泡孔结构的PS泡沫。但上述研究仅用后置缓冲来实现简单的两次降压控制。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种用于聚合物间歇发泡的超临界流体多阶压力控制系统与控制方法，通过PLC控制系统和计算机，控制压力阶数、升压速率、卸压速率、各阶压力数值、各阶压力保压时间等参数，实现下游反应釜压力曲线实时稳定的精确多阶以及自动控制，可用于聚合物超临界流体辅助间歇发泡等对流体压力有严格要求的系统中。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种用于聚合物间歇发泡的超临界流体多阶压力控制系统，包括第一管道、第二管道、第三管道，第一管道上设置电气比例减压阀，第二管道上连接高压超临界流体储罐，高压超临界流体储罐连接第三管道，第三管道上设置顺序连接的气控比例减压阀、超临界流体第一电磁阀、反应釜，高压超临界流体储罐与气控比例减压阀连接，气控比例减压阀的低压气体入口与电气比例减压阀连接，反应釜与泄压管道连接，所述泄压管道上设置超临界流体第二电磁阀，第一管道和第二管道之间设置增压管道，增压管道上设置低压气体电磁阀、气动增压泵，第一管道与低压气体电磁阀连接，气动增压泵连接第二管道，气动增压泵与高压超临界流体储罐之间的第二管道设置第一压力传感器，高压超临界流体储罐与气控比例减压阀之间的第三管道设置第三压力传感器，反应釜和超临界流体第二电磁阀之间的泄压管道设置第二压力传感器，计算机连接数据处理与控制系统，数据处理与控制系统分别与低压气体电磁阀、第一压力传感器、第三压力传感器、电气比例减压阀、超临界流体第一电磁阀、超临界流体第二电磁阀、第二压力传感器连接。

第一管道与低压气体源连接，低压气体通过电气比例减压阀进行连续的气体压力控制，通过与数据处理与控制系统的连接，实现对低压气体压力的精确控制，第二管道与高压气体源连接，高压气体先经过气动增压泵进一步提高压力，成为超临界状态，然后进入高压超临界流体储罐进行储藏，高压超临界流体通过气控比例减压阀与低压气体相互作用，进一步改变压力，使其达到进入反应釜的压力，通过这个过程使高压气体成为适合工艺要求的高压超临界流体，同时辅助的装置为低压气体电磁阀、超临界流体第二电磁阀、超临界流体第一电磁阀，低压气体电磁阀调节进入气动增压泵的低压气体的压力，使经过气动增压泵的高压气体的压力发生变化，超临界流体第二电磁阀具有泄压的作用，超临界流体第一电磁阀具有控制高压超临界流体的通入量的作用，使进入反应釜的压力进一步满足要求，同时还有第一压力传感器、第三压力传感器、第二压力传感器，分别与数据处理与控制系统连接，使系统能够监察各个环节的压力情况，整个装置实现精确的调控，符合反应釜内的发泡过程中的压力控制曲线，进而调控反应釜内的聚合物泡沫泡孔结构的形成过程。

优选的，第一管道上低压气体第二截止阀的进口侧顺序设置低压气体第一截止阀、低压气体过滤器、低压气体减压阀，低压气体减压阀的出口端与低压气体第二截止阀的入口端连接。

所述低压气体第一截止阀、低压气体过滤器、低压气体减压阀实现了进入的低压气体的过滤和调节。

优选的，第二管道与气动增压泵连接的接口的入口侧顺序设置高压气体截止阀、高压气体压力表，高压气体压力表位于高压气体截止阀和气动增压泵之间的管道上。

优选的，第三管道上高压超临界流体储罐和第三压力传感器之间设置高压超临界流体截止阀。

优选的，泄压管道上超临界流体第二电磁阀的出口端设置溢流阀。

优选的，第一管道和增压管道的接口处设置低压气体压力表。

优选的，高压超临界流体储罐的底部连接安全阀。

本发明同时提供一种用于聚合物间歇发泡的超临界流体多阶压力控制方法，具体步骤为：

1)高压气体的初始增压

启动多阶压力控制系统，关闭超临界流体第一电磁阀，在计算机的程序界面输入超临界流体的增压压力数值，交互到数据处理与控制系统，气动增压泵开始工作，对高压气体进行增压，当压力达到设定的增压压力数值时，发出信号关闭低压气体电磁阀，完成高压气体的初始增压；

2)多阶压力控制设定与第一阶增压

在计算机的程序界面输入聚合物间歇发泡工艺的压力曲线控制参数，交互到数据处理与控制系统，数据处理与控制系统接收到发泡工艺开始信号后，根据设定的第一阶压力数值，打开超临界流体第一电磁阀、关闭超临界流体第二电磁阀，并控制电气比例减压阀输出的压缩空气压力，进而调控气控比例减压阀的输出压力达到第一阶压力数值，对反应釜进行增压，当压力达到设定的第一阶压力数值时，数据处理与控制系统发出信号关闭超临界流体第一电磁阀，反应釜进入第一阶压力保压阶段；

3)第二阶变压

当第一阶压力保压阶段完成时，数据处理与控制系统根据输入的第二阶压力数值大与第一阶压力数值的比较，如果第二阶压力大于第一阶压力则对反应釜进行增压，增压过程的控制方式同1)；如果第二阶压力小于第一阶压力则对反应釜进行泄压，泄压过程为，数据处理与控制系统打开超临界流体第二电磁阀，反应釜中的气体经溢流阀泄出，压力降低，当压力降到设定的第二阶压力值时，数据处理与控制系统发出信号关闭超临界流体第二电磁阀；增压或泄压过程完成后，反应釜进入第二阶压力保压阶段；

4)第三阶及多阶变压

按照上述步骤，数据处理与控制系统逐一判断设定的每一阶压力大小，进行相应的增压和减压操作，直至最后一阶压力保压时间完成，数据处理与控制系统最后打开超临界流体第二电磁阀，对反应釜进行完全泄压，聚合物间歇发泡工艺完成。

本申请实现了超临界流体压力的两阶及多阶压力控制，通过气控比例减压阀和溢流阀之间的相互配合以及数据处理与控制系统的监控，对反应釜中的超临界流体的压力变化曲线进行精确和自动控制，使最后发泡的聚合物泡沫的泡孔结构达到理想的状态。

本申请通过计算机和数据处理系统对多阶压力控制系统进行精确的调控，具体涉及压力阶数、升压速率、卸压速率、各阶压力数值、各阶压力保压时间的精细控制，符合预先设定的升压曲线、降压曲线，提高反应釜内超临界流体压力的控制精度和自动化程度。

优选的，步骤2)中压力曲线控制参数为压力阶数、升压速率、卸压速率、各阶压力数值、各阶压力保压时间。

压力阶数是对反应釜进行调压的次数，根据设定的阶数系统进行相应调节的次数，所述升压速率、泄压速率通过气控比例减压阀和溢流阀进行调控。

优选的，步骤3)中对反应釜进行增压或减压的具体操作过程为：如果第二阶压力数值大于第一阶压力数值，数据处理与控制系统再次打开超临界流体第一电磁阀，调控气控比例减压阀的输出压力达到第二阶压力数值，对反应釜进行第二次增压，直到达到第二阶压力数值，关闭超临界流体第一电磁阀，进入第二阶压力保压阶段；如果第二阶压力数值小于第一阶压力数值，数据处理与控制系统打开超临界流体第二电磁阀，通过溢流阀对反应釜进行泄压，直到达到第二阶压力数值，关闭超临界流体第二电磁阀，进入第二阶压力保压阶段。

第二阶压力的具体调节过程，根据第二阶压力和第一阶压力的数值大小进行调控。

优选的，电气比例减压阀的压力控制范围为0.1～0.8Mpa。

优选的，气控比例减压阀的压力控制范围为0～30Mpa。

优选的，所述高压气体为CO₂、N₂中的一种。

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压力多阶控制系统及方法，利用PLC控制系统和计算机，控制压力阶数、升压速率、卸压速率、各阶压力数值、各阶压力保压时间等参数，实现下游反应釜压力曲线实时稳定的精确多阶和自动控制。本发明的超临界流体压力多阶控制方法，流体压力调控范围和阶数自由度大，控制精度和控制自动化程度明显提高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明超临界流体压力多阶控制系统的结构示意图；

图2为本发明的超临界流体压力多阶控制测试曲线图；

图中，1、低压气体第一截止阀；2、低压气体过滤器；3、低压气体减压阀；4、低压气体压力表；5、低压气体电磁阀；6、第一压力传感器；7、低压气体第二截止阀；8、高压超临界流体储罐；9、电气比例减压阀；10、溢流阀；11、第二压力传感器；12、高压气体截止阀；13、气动增压泵；14、高压气体压力表；15、安全阀；16、高压超临界流体截止阀；17、第三压力传感器；18、气控比例减压阀；19、超临界流体第一电磁阀；20、超临界流体第二电磁阀；21、计算机；22、数据处理与控制系统；Ⅰ、低压气体源；Ⅱ、高压气体源；Ⅲ、反应釜。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合实施例对本发明进一步说明

以下实施例中高压气体为CO₂。

实施例1

一种用于聚合物间歇发泡的超临界流体多阶压力控制系统：

包括低压气体第一截止阀1、低压气体过滤器2、低压气体减压阀3、低压气体压力表4、低压气体电磁阀5、第一压力传感器6、低压气体第二截止阀7、高压超临界流体储罐8、电气比例减压阀9、溢流阀10、第二压力传感器11、高压气体截止阀12、气动增压泵13、高压气体压力表14、安全阀15、高压超临界流体截止阀16、第三压力传感器17、气控比例减压阀18、超临界流体第一电磁阀19、超临界流体第二电磁阀20、计算机21、数据处理与控制系统22以及作为低压气体源的压缩空气Ⅰ、作为高压气体源的瓶装二氧化碳Ⅱ和反应釜Ⅲ。

其中，低压气体第一截止阀1、低压气体过滤器2、低压气体减压阀3、低压气体电磁阀5、低压气体第二截止阀7、电气比例减压阀9连接组成低压气路：低压气体第一截止阀1的入口与压缩空气Ⅰ相连接，低压气体过滤器2与低压气体减压阀3组成气动二联件，其入口与低压气体第一截止阀1连接、出口分别与低压气体电磁阀5以及低压气体第二截止阀7连接，电气比例减压阀9的入口与低压气体第二截止阀7连接、出口与气控比例减压阀18相连接；

其中，气动增压泵13的驱动端气体入口与低压气体电磁阀5连接，增压工作端气体入口与瓶装二氧化碳Ⅱ的高压气体截止阀12连接、出口与高压超临界流体储罐8相连接，第一压力传感器设置于气动增压泵13的增压工作端出口处；

其中，高压超临界流体截止阀16、气控比例减压阀18、超临界流体第一电磁阀19、超临界流体第二电磁阀20、溢流阀10以及反应釜Ⅲ连接组成高压气路：高压超临界流体截止阀16的入口与高压超临界流体储罐8相连接、出口与气控比例减压阀18的入口连接，气控比例减压阀18的出口与超临界流体第一电磁阀19的入口连接，超临界流体第一电磁阀19的出口分别与反应釜Ⅲ的入口和超临界流体第二电磁阀20的入口连接，超临界流体第二电磁阀20的出口与溢流阀10连接，第二压力传感器11和第三压力传感器17分别设置于反应釜Ⅲ的入口和气控比例减压阀18的入口处；

其中，数据处理与控制系统22通过通信电线或电缆与低压气体电磁阀5、第一压力传感器6、第二压力传感器11、第三压力传感器17、超临界流体第一电磁阀19、超临界流体第二电磁阀20连接并接收和输出信号；计算机21通过通信电线或电缆与数据处理与控制系统22连接并进行交互。

实施例2

一种用于聚合物间歇发泡的超临界流体多阶压力控制方法，具体步骤为：

所述控制系统开始工作时，首先打开低压气体第一截止阀1和高压气体截止阀12，在计算机21的程序界面输入超临界流体的增压压力数值，交互到数据处理与控制系统22，数据处理与控制系统22发出信号打开低压气体电磁阀5，气动增压泵13开始工作，对瓶装二氧化碳气体进行增压，数据处理与控制系统22实时接收来自第一压力传感器的压力信号，当压力达到设定的增压压力数值时，发出信号关闭低压气体电磁阀5，气体增压阶段完成。

增压压力根据间歇发泡工艺、高压超临界流体储罐与反应釜的体积比等计算确定，高于间歇发泡最大饱和工作压力3～5MPa。

然后，打开低压气体第二截止阀7和高压超临界流体截止阀16，在计算机21的程序界面输入聚合物间歇发泡工艺的压力曲线控制参数，包括压力阶数、升压速率、卸压速率、各阶压力数值、各阶压力保压时间，交互到数据处理与控制系统22；数据处理与控制系统22接收到发泡工艺开始信号后，根据设定的第一阶压力数值，打开超临界流体第一电磁阀19、关闭超临界流体第二电磁阀20，并控制电气比例减压阀9输出的压缩空气压力，进而调控气控比例减压阀的输出压力达到第一阶压力数值，对反应釜Ⅲ进行增压；数据处理与控制系统22实时接收来自第二压力传感器11的压力信号，当压力达到设定的第一阶压力数值时，数据处理与控制系统22发出信号关闭超临界流体第一电磁阀19，反应釜Ⅲ进入第一阶压力保压阶段。

当第一阶压力保压阶段完成时，数据处理与控制系统22根据输入的第二阶压力数值大小，判断下一阶的增压或减压操作，如果第二阶压力数值大于第一阶压力数值，数据处理与控制系统22再次打开超临界流体第一电磁阀19，调整电气比例减压阀9输出的压缩空气压力，进而调控气控比例减压阀的输出压力达到第二阶压力数值，对反应釜Ⅲ进行第二次增压，直到达到第二阶压力数值，关闭超临界流体第一电磁阀19，进入第二阶压力保压阶段；如果第二阶压力数值小于第一阶压力数值，数据处理与控制系统22打开超临界流体第二电磁阀20，通过溢流阀10对反应釜Ⅲ进行泄压，直到达到第二阶压力数值，关闭超临界流体第二电磁阀20，进入第二阶压力保压阶段。

按照上述程序，数据处理与控制系统22逐一判断设定的每一阶压力大小，进行相应的增压和减压操作，直至最后一阶压力保压时间完成，数据处理与控制系统22最后打开超临界流体第二电磁阀20，对反应釜Ⅲ进行完全泄压，聚合物间歇发泡工艺完成。

对实施例的压力控制曲线设定及实际多阶控制情况监测：

本实施例具体的压力控制曲线设定如图2所示，红色曲线为压力控制设定曲线，绿色曲线为实际监测到的压力曲线。本实施例压力设定为三阶升压和两阶降压的五阶压力控制，通过实际压力曲线和设定压力曲线的对比，可以发现采用本发明提供的超临界流体多阶压力控制系统及方法可以实现超临界流体压力的五阶自动控制，且控制精度高，可满足聚合物间歇发泡工艺的不同要求。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于聚合物间歇发泡的超临界流体多阶压力控制系统，其特征在于：包括第一管道、第二管道、第三管道，第一管道上设置电气比例减压阀，第二管道上连接高压超临界流体储罐，高压超临界流体储罐连接第三管道，第三管道上设置顺序连接的气控比例减压阀、超临界流体第一电磁阀、反应釜，高压超临界流体储罐与气控比例减压阀连接，气控比例减压阀的低压气体入口与电气比例减压阀连接，反应釜与泄压管道连接，所述泄压管道上设置超临界流体第二电磁阀，第一管道和第二管道之间设置增压管道，增压管道上设置低压气体电磁阀、气动增压泵，第一管道与低压气体电磁阀连接，气动增压泵连接第二管道，气动增压泵与高压超临界流体储罐之间的第二管道设置第一压力传感器，高压超临界流体储罐与气控比例减压阀之间的第三管道设置第三压力传感器，反应釜和超临界流体第二电磁阀之间的泄压管道设置第二压力传感器，计算机连接数据处理与控制系统，数据处理与控制系统分别与低压气体电磁阀、第一压力传感器、第三压力传感器、电气比例减压阀、超临界流体第一电磁阀、超临界流体第二电磁阀、第二压力传感器连接。

2.根据权利要求1所述的用于聚合物间歇发泡的超临界流体多阶压力控制系统，其特征在于：第一管道上低压气体第二截止阀的进口侧顺序设置低压气体第一截止阀、低压气体过滤器、低压气体减压阀，低压气体减压阀的出口端与低压气体第二截止阀的入口端连接。

3.根据权利要求1所述的用于聚合物间歇发泡的超临界流体多阶压力控制系统，其特征在于：第二管道与气动增压泵连接的接口的入口侧顺序设置高压气体截止阀、高压气体压力表，高压气体压力表位于高压气体截止阀和气动增压泵之间的管道上。

4.根据权利要求1所述的用于聚合物间歇发泡的超临界流体多阶压力控制系统，其特征在于：第三管道上高压超临界流体储罐和第三压力传感器之间设置高压超临界流体截止阀。

5.根据权利要求1所述的用于聚合物间歇发泡的超临界流体多阶压力控制系统，其特征在于：泄压管道上超临界流体第二电磁阀的出口端设置溢流阀。

6.一种用于聚合物间歇发泡的超临界流体多阶压力控制方法，其特征在于：具体步骤为：

1)启动多阶压力控制系统，关闭超临界流体第一电磁阀，在计算机的程序界面输入超临界流体的增压压力数值，交互到数据处理与控制系统，气动增压泵开始工作，对高压气体进行增压，当压力达到设定的增压压力数值时，发出信号关闭低压气体电磁阀，完成高压气体的增压；

2)在计算机的程序界面输入聚合物间歇发泡工艺的压力曲线控制参数，交互到数据处理与控制系统，数据处理与控制系统接收到发泡工艺开始信号后，根据设定的第一阶压力数值，打开超临界流体第一电磁阀、关闭超临界流体第二电磁阀，并控制电气比例减压阀输出的压缩空气压力，进而调控气控比例减压阀的输出压力达到第一阶压力数值，对反应釜进行增压，当压力达到设定的第一阶压力数值时，数据处理与控制系统发出信号关闭超临界流体第一电磁阀，反应釜进入第一阶压力保压阶段；

3)当第一阶压力保压阶段完成时，数据处理与控制系统根据输入的第二阶压力数值与第一阶压力数值的比较，如果第二阶压力大于第一阶压力则对反应釜进行增压；如果第二阶压力小于第一阶压力则对反应釜进行泄压；

4)按照上述步骤，数据处理与控制系统逐一判断设定的每一阶压力大小，进行相应的增压和减压操作，直至最后一阶压力保压时间完成，数据处理与控制系统最后打开超临界流体第二电磁阀，对反应釜进行完全泄压，聚合物间歇发泡工艺完成。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：步骤2)中压力曲线控制参数为压力阶数、升压速率、卸压速率、各阶压力数值、各阶压力保压时间。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：步骤3)中对反应釜进行增压或减压的具体操作过程为：如果第二阶压力数值大于第一阶压力数值，数据处理与控制系统再次打开超临界流体第一电磁阀，调控气控比例减压阀的输出压力达到第二阶压力数值，对反应釜进行第二次增压，直到达到第二阶压力数值，关闭超临界流体第一电磁阀，进入第二阶压力保压阶段；如果第二阶压力数值小于第一阶压力数值，数据处理与控制系统打开超临界流体第二电磁阀，通过溢流阀对反应釜进行泄压，直到达到第二阶压力数值，关闭超临界流体第二电磁阀，进入第二阶压力保压阶段。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：电气比例减压阀的压力控制范围为0.1～0.8Mpa；气控比例减压阀的压力控制范围为0～30Mpa。

10.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述高压气体为CO₂、N₂中的一种。