CN110027159A - 一种超临界气体模压发泡预处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超临界气体模压发泡预处理装置及方法，属于超临界发泡技术领域。发泡装置，包括：气瓶，用于提供气体；气瓶依次通过减压阀、气体缓冲罐连接于耐高温高压容器；耐高温高压容器上设置有聚合物加料口和聚合物出料口，耐高温高压容器的内部为容器腔体；在耐高温高压容器上设有气体进口和辅助进气口，气体缓冲罐通过气体管路分别连接于气体进口和辅助进气口；在耐高温高压容器上还设置有排气口。本发明提供的超临界气体模压发泡预处理装置具有以下的优点：气体与聚合物之间分散均匀、快速；得到的发泡材料均匀性提高；采用了气体缓冲结构，使得加气过程安全性提高；采用了冷却液与膨胀阀之间的热交换系统，使过程中的能量得到有效利用。

Description

一种超临界气体模压发泡预处理装置及方法

技术领域

本发明涉及一种超临界气体模压发泡预处理装置及方法，属于超临界发泡技术领域。

背景技术

近年来，随着塑料应用的不断扩大，需求量也逐年增加，从而导致塑料工业的快速发展。由于当前和未来所面临的资源和能源日益枯竭的危险，塑料工业面临着前所未有的挑战。如何在减少塑料用量的情况下，不对塑料制品的性能造成较大的影响，成为了塑料工业研究的新方向。美国麻省理工学院的Num Suh教授提出了如何在保障塑料制品的物理性能（尤其是塑料的机械强度）和外观不变差的前提下，通过减少塑料的使用量来降低其生产成本的问题。为解决这一问题，研究者们提出了泡沫塑料的观点，在聚合物中引入均匀细小的气泡，从而减少单个聚合物制品的原料使用量；引入的泡孔能够钝化聚合物中的裂纹尖端、增大裂纹扩展所需的能量，从而保证聚合物制品的韧性。

泡沫塑料作为高性能工程塑料的一个重要分支，成为近年研究的热点，泡沫塑料是一种由聚合物和气体分子组成的气固两相复合材料，这种复合材料具有特殊的结构和性能，例如质量轻、导热率低、隔音性能好、缓冲性能优良、比强度高等。

超临界发泡方法是利用温度、压力等因素对气体在聚合物基本体中溶解度的影响，通过对温度和压力的调节，降低气体在聚合物中的溶解度，进而形成过饱和状态，诱导气体成核及生长从而制得微孔发泡塑料。超临界气体发泡法主要分为三个阶段：1、聚合物/气体均相体系的形成；2、气泡成核；3、气泡生长和定型。

其中，模压法制备微孔发泡塑料作为一项新的微孔发泡技术，有很多其他加工方法所不具备的优点，该技术适用于加工熔体粘度低和用现已工业化的挤出、注塑和吹塑等微孔发泡加工技术无法制备出薄型微孔发泡片材的塑料。它使用普通的热压机设备进行加工，工艺流程简单，操作容易，加工条件温和，对设备要求低，生产工艺稳定，费用低廉，加工成本相对微孔挤出、微孔注塑等其他加工方法来说要低得多。

然而在传统的模压法制备微孔发泡塑料的过程当中，存在着超临界气体和聚合物不能够进行充分的混合，以及制备得到的材料泡孔分布不均匀等问题，限制了材料的性能进一步提高。

发明内容

本发明的目的是：提供了一种超临界气体模压发泡预处理装置及方法，本装置可以对需要进行超临界气体模压发泡的聚合物进行预浸处理，解决了气体与聚合物之间扩散混合不均匀、材料冷却过程能量回用、生产设备安全性等诸多问题。

技术方案是：

一种超临界气体模压发泡预处理装置，包括：

气瓶，用于供入气体；

气瓶依次通过减压阀、气体缓冲罐连接于耐高温高压容器；

耐高温高压容器上设置有聚合物加料口和聚合物出料口，耐高温高压容器的内部为容器腔体；在耐高温高压容器上设有气体进口和辅助进气口，气体缓冲罐通过气体管路分别连接于气体进口和辅助进气口；在耐高温高压容器上还设置有排气口。

在一个实施方式中，耐高温高压容器中还设有冷却管，冷却管连接于冷却液管，冷却液管的一侧设有蒸发器，减压阀的一侧设有冷凝器，蒸发器和冷凝器的两端分别通过压缩机和膨胀阀构成一个闭合循环，所述的闭合循环的管路中装有热泵工质。

在一个实施方式中，气瓶的数量为一个以上，并且气瓶通过汇流排管连接于减压阀，也可以采用其它的供气装置或者大容量的气罐。

在一个实施方式中，气体进口通过阀门与气体缓冲罐连接。

在一个实施方式中，辅助进气口通过阀门与气体缓冲罐连接。

在一个实施方式中，辅助气体进口上还设有气体分布器。

在一个实施方式中，耐高温高压容器上还设置有加热部件，用于对容器腔体进行加热；排气口上还连接有气体回收系统，用于对排除的气体进行回收利用。

在一个实施方式中，气体分布器上设有多根多孔陶瓷管，多孔陶瓷管的两端套接于固定板的开孔当中，多孔陶瓷管的管壁通过陶瓷密封胶密封开孔中，并且多孔陶瓷管通过气体腔室与辅助气体进口中连通。

在一个实施方式中，多孔陶瓷管相互之间平行分布。

一种超临界气体模压发泡预处理方法，包括如下步骤：

第1步，在耐高温高压容器中放入聚合物，对容器腔体加热；

第2步，打开气瓶，气瓶中装有的二氧化碳或助发泡剂通过减压阀降低压力膨胀之后，进入气体缓冲罐，经过预热之后再分别由气体进口和辅助进气口进入容器腔体；

第3步，对容器腔体进行加热，使二氧化碳气体或助发泡剂对聚合物进行渗透；

第4步，对容器腔体快速降温，并且通过排气口将气体快速排除，得到预浸之后的聚合物。

在一个实施方式中，所述的助发泡剂选自绿色环保型发泡剂或烷烃类液态发泡剂中的一种或两种的混合。

在一个实施方式中，所述的绿色环保型发泡剂选自如乙醇、丙醇、氟代丙烯类等的一种或者几种的混合。

在一个实施方式中，所述的烷烃类发泡剂选自如戊烷、丁烷等的一种或者几种的混合。

在一个实施方式中，快速降温是指通过冷却液对聚合物进行冷却。

在一个实施方式中，冷却液通过热泵系统与减压阀之间进行热量交换。

在一个实施方式中，第4步中通过排气口排除的气体通过气体回收系统进行回收利用。

有益效果

本发明提供的超临界气体模压发泡预处理装置具有以下的优点：

1） 气体与聚合物之间分散均匀、快速；得到的发泡材料均匀性提高；

2） 采用了气体缓冲结构，使得加气过程安全性提高；

3） 采用了冷却液与膨胀阀之间的热交换系统，使过程中的能量得到有效利用。

附图说明

图1是模压发泡装置的结构图；

图2是预发泡设备的结构图；

图3是另一种预发泡设备的结构图；

图4是进气分布器的结构图；

图5是进气分布器的安装图。

其中，1、容器腔体；2、聚合物加料口；3、耐高温高压容器；4、聚合物出料口；5、加热部件；6、冷却管；7、气体进口；8、排气口；9、气体管路；10、辅助进气口；11、冷却液管；12、气瓶；13、减压阀；14、气体缓冲罐；15、压缩机；16、膨胀阀；17、冷凝器；18、蒸发器；19、气体分布器；20、多孔陶瓷管；21、气体腔室；22、开孔；23、陶瓷密封胶；24、热缩温敏凝胶；25、固定板；26、气体回收系统；27、汇流排管。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在权利要求和说明书中使用的序数词例如“第一”、“第二”、“第三”等，用于修饰权利要求项而不是由于本身含有任何优先、在先或一项权利要求的顺序在另一权利要求之前或者执行方法步骤的时间顺序。但是，仅仅作为标签使用以区别例如带有特定名称的权利要求的元素与另外一个带有相同名称的元素（而不是用于顺序性的属于），来区分权利要求的元素。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

应理解的是，当一个元件被提及与另一个元件“连接”时，它可以与其他元件直接相连或者与其他元件间接相连，而它们之间插入有元件。除非有明确相反的说明，否则术语“包括”和“具有”应理解为表述包含所列出的元件，而非排除任意其他元件。

本文使用的词语“包括”、“包含”、“具有”或其任何其他变体意欲 涵盖非排它性的包括。例如，包括列出要素的工艺、方法、物品或设 备不必受限于那些要素，而是可以包括其他没有明确列出或属于这种工艺、方法、物品或设备固有的要素。

为了解决超临界气体模压发泡过程当中，气体聚合物不能够快速的混合均匀、热量不能得到有效利用的问题，本发明提出了一种应用于超临界气体模压过程的预发泡设备，如图1和图2所示：

包括：

气瓶12，用于供入气体（根据预发泡处理的工艺进行选择，例如可以选择二氧化碳、助发泡剂等）；

气瓶12依次通过减压阀13、气体缓冲罐14连接于耐高温高压容器3；

耐高温高压容器3上设置有聚合物加料口2和聚合物出料口4，耐高温高压容器3的内部为容器腔体1；在耐高温高压容器3上设有气体进口7和辅助进气口10，气体缓冲罐14通过气体管路9分别连接于气体进口7和辅助进气口10；在耐高温高压容器3上还设置有排气口8。

在一个实施方式中，耐高温高压容器3中还设有冷却管6，冷却管6连接于冷却液管11，冷却液管11的一侧设有蒸发器18，减压阀13的一侧设有冷凝器17，蒸发器18和冷凝器17的两端分别通过压缩机15和膨胀阀16构成一个闭合循环，所述的闭合循环的管路中装有热泵工质。

对于以上的助发泡剂，本发明没有特别的限定，只要能够实现助发泡功能的常用化合物皆可，例如可以选择绿色环保的发泡剂，如乙醇、丙醇、氟代丙烯类（霍尼韦尔的Solstice品牌发泡剂）等的一种或者几种的混合，也可以选择烷烃类的液态发泡剂，如戊烷、丁烷等的一种或者几种或与上述绿色环保的液态发泡剂的混合。

采用以上的装置的聚合物发泡生产过程如下：

首先，通过聚合物加料口2在容器腔体1中放入聚合物（聚合物的形状没有特别的限定可以是粒状、棒状、片状或者板状；并且在设计加入口和排出口时可以按照实际的聚合物的形状来设计加入口的结构，本发明中对此没有特别的限定；附图中所示的仅仅为其中的一种适用于粒状材料的实施方式）；然后盖上聚合物加料口2，并用密封件将聚合物加料口2密封，少量充入缓冲罐14的气体用于吹扫容器腔体内的空气，然后利用加热部件5对容器腔体1加热，使聚合物受热，然后打开气瓶12，气瓶12中装有的二氧化碳或助发泡剂通过减压阀13降低压力膨胀之后，进入气体缓冲罐14，由于通过气体缓冲罐14的处理之后，使得二氧化碳气体或助发泡剂的压力得到了一定程度的降低并可以起到缓冲作用，有效地提高了设备的安全性，同时可以对经过缓冲后的二氧化碳气体或助发泡剂采用预热器进行适当的预热；当二氧化碳气体通过气体管路9同时从气体进口7和辅助进气口10进入容器腔体1后，气体与聚合物开始接触渗透，进行预混合；其中，辅助进气口10可以设一个或多个，当在耐高温高压容器3上设置分布开的多个辅助进气口10时，可以有效地提高二氧化碳气体或助发泡剂在预发泡设备内的分布，使混合、渗透的速度更快，混合更加均匀。当溶胀过程完毕之后，通过排气口8将气体排除，使聚合物完成预处理，排气口8上还连接有气体回收系统26，用于对排除的气体进行回收利用，这里所用的气体回收系统可以是空气压缩机、气体分离膜等；在进行完预混合之后，需要对聚合物材料进行快速的降温，可以在冷却管6中流入冷却液对聚合物材料进行冷却；冷却液从冷却液管11中排出（预处理结束后，从高压釜中取出样品前可以降温，也可以不降温）。气瓶12的数量可以为一个以上，相互之间同时连接于汇流排管27，汇流排管27再连接至减压阀13，可以实现整个设备操作的连续性，更换一个气瓶时可以不影响到其他气瓶的正常工作。

另外，由于蒸发器18和冷凝器17的两端分别通过压缩机15和膨胀阀16构成一个闭合循环，构成了一个热泵系统，并且冷却液管11中的冷却液含有一定的热量，热量在蒸发器18处通过换热作用进入到热泵系统内部，再通过热泵工质在膨胀阀16和压缩机15的循环工作下，热量转移至冷凝器17，由于冷凝器位于减压阀13一侧，并且二氧化碳气体或助发泡剂在膨胀过程中需要吸热，因此，可以将从冷凝器17传递的热量进行利用。

另外，如图3所示，在辅助气体进口10上还设有气体分布器19，可以保证进入容器腔体1的二氧化碳气体或助发泡剂更好地与聚合物混合。气体分布器19上设有多根平行分布的多孔陶瓷管20，多孔陶瓷管20的两端套接于固定板25的开孔22当中，多孔陶瓷管20的管壁通过陶瓷密封胶23密封开孔22中，并且多孔陶瓷管20通过气体腔室21与辅助气体进口10中连通。当供入二氧化碳或助发泡剂时，气体从辅助气体进口10中进入气体腔室21，再进入多孔陶瓷管20的管内，再通过管壁上的孔道散出，提高了气体的分布效果。最好设置较细的多孔陶瓷管20，可以提高气体的分散效果；当采用细管时，由于腔内气体压力高，也同时存在着聚合物，如果上下两端的陶瓷密封胶23不均匀时，容易导致多孔陶瓷管20的折断；因此，可以采用如图5所示的安装方式，首先将多孔陶瓷管20的两端套接上热缩温敏凝胶24，凝胶圈应该采用在截面较为均匀的，再将多孔陶瓷管20套入开孔22中，使热缩温敏凝胶24位于开孔22内，然后在开孔22上倒入陶瓷密封胶23，再进行升温加热，由于热缩温敏凝胶24在升温过程中会逐渐均匀收缩，因此陶瓷密封胶23会均匀渗入填补凝胶留下的空间，再进行焙烧，使得热缩温敏凝胶24被烧尽，陶瓷密封胶23留存于凝胶留下的空间内并固化，使陶瓷管被密封，实现了密封胶对陶瓷管的准确固化。

Claims (10)

1.一种超临界气体模压发泡预处理装置，其特征在于，包括：

气瓶（12），用于供入气体；

气瓶（12）依次通过减压阀（13）、气体缓冲罐（14）连接于耐高温高压容器（3）；

耐高温高压容器（3）上设置有聚合物加料口（2）和聚合物出料口（4），耐高温高压容器（3）的内部为容器腔体（1）；在耐高温高压容器（3）上设有气体进口（7）和辅助进气口（10），气体缓冲罐（14）通过气体管路（9）分别连接于气体进口（7）和辅助进气口（10）；在耐高温高压容器（3）上还设置有排气口（8）。

2.根据权利要求1所述的超临界气体模压发泡预处理装置，其特征在于，耐高温高压容器（3）中还设有冷却管（6），冷却管（6）连接于冷却液管（11），冷却液管（11）的一侧设有蒸发器（18），减压阀（13）的一侧设有冷凝器（17），蒸发器（18）和冷凝器（17）的两端分别通过压缩机（15）和膨胀阀（16）构成一个闭合循环，所述的闭合循环的管路中装有热泵工质。

3.根据权利要求1所述的超临界气体模压发泡预处理装置，其特征在于，气瓶（12）的数量为一个以上，并且气瓶（12）通过汇流排管（27）连接于减压阀（13），也可以采用其它的供气装置或者大容量的气罐。

4.根据权利要求1所述的超临界气体模压发泡预处理装置，其特征在于，气体进口（7）通过阀门与气体缓冲罐（14）连接；辅助进气口（10）通过阀门与气体缓冲罐（14）连接。

5.根据权利要求1所述的超临界气体模压发泡预处理装置，其特征在于，辅助气体进口（10）上还设有气体分布器（19）；耐高温高压容器（3）上还设置有加热部件（5），用于对容器腔体（1）进行加热；排气口（8）上还连接有气体回收系统（26），用于对排出的气体进行回收利用。

6.根据权利要求1所述的超临界气体模压发泡预处理装置，其特征在于，气体分布器（19）上设有多根多孔陶瓷管（20），多孔陶瓷管（20）的两端套接于固定板（25）的开孔（22）当中，多孔陶瓷管（20）的管壁通过陶瓷密封胶（23）密封开孔（22）中，并且多孔陶瓷管（20）通过气体腔室（21）与辅助气体进口（10）中连通。

7.根据权利要求1所述的超临界气体模压发泡预处理装置，其特征在于，多孔陶瓷管（20）相互之间平行分布。

8.一种超临界气体模压发泡预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

第1步，在耐高温高压容器（3）中放入聚合物，对容器腔体（1）加热；

第2步，打开气瓶（12），气瓶（12）中装有的二氧化碳或助发泡剂类通过减压阀（13）降低压力膨胀之后，进入气体缓冲罐（14），经过预热之后再分别由气体进口（7）和辅助进气口（10）进入容器腔体（1）；

第3步，对容器腔体（1）进行加热，使通入的气体对聚合物进行渗透；

第4步，对容器腔体（1）快速降温，并且通过排气口（8）将气体快速排除，得到预浸之后的聚合物。

9.根据权利要求8所述的超临界气体模压发泡预处理方法，其特征在于，快速降温是指通过冷却液对聚合物进行冷却；冷却液通过热泵系统与减压阀（13）之间进行热量交换。

10.根据权利要求9所述的超临界气体模压发泡预处理方法，其特征在于，第4步中通过排气口（8）排除的气体通过气体回收系统（26）进行回收利用。