CN114211715A - 一种制备发泡材料的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备发泡材料的系统及方法，包括螺杆挤出机构，和螺杆挤出机构进料端相连的喂料装置，和螺杆挤出机构出料端相连的牵引冷却装置，螺杆挤出机构的机筒上开设有一组注气口，注气口连接设置有多级注气装置；所述多级注气装置包括一组注气管路，各注气管路的进端分别设置有一个发泡剂储存装置，各注气管路的出端分别和一个注气口相连；两两注气管路之间均设置有用于互相连通的支线管路，各支线管路上均设置有可开闭的球阀。本发明能够有效解决现有的螺杆挤出设备上的发泡剂加注口较单一，加注大剂量发泡剂时不易被均匀分散，溶解度低，可能会存在大泡孔，显著降低发泡材料性能，难以生产出高质量高发泡倍率的产品的问题。

Description

一种制备发泡材料的系统及方法
技术领域
本发明涉及挤出发泡加工领域，尤其涉及一种制备发泡材料的系统及方法。
背景技术
塑料发泡材料具有质轻高强、吸收冲击载荷、隔音隔热等特点，可被应用于风电叶片、建筑材料、汽车内饰等领域。但是目前国内实现工业生产的挤出发泡材料的发泡倍率仍较低，发泡剂加注量不高。在进一步提高注气量，需要提高螺杆的转速进行混合，则会导致原料由于剪切加剧而分解。同时螺杆挤出设备上的发泡剂加注口较单一，加注大剂量发泡剂时不易被均匀分散，溶解度低，可能会存在大泡孔，显著降低发泡材料性能，难以生产出高质量高发泡倍率的产品。
专利CN109228003A中提供了一种使用超临界混合流体作为发泡剂制备聚合物泡沫珠粒的方法，该方法在双螺杆挤出机的料筒上设置有两个注气孔，分别与超临界流体注入系统Ⅰ、Ⅱ相连，先注入二氧化碳，再注入氮气，其中二氧化碳促进熔体生长，氮气用于成核。但是其注气流量最大为200ml/min，且为两种发泡剂均为单一加注口注入，存在分散困难的问题，影响制备低密度产品的发泡质量。
专利CN102107490A中提供了一种氮气发泡注塑机，机筒内有第一喷嘴和第二喷嘴，机筒上设置有第一注气口和第二注气口，两个注气口之间设置有挡板。第一注气口注气与熔融树脂混合后，经第一喷嘴喷出，再与第二注气口的注气混合，由第二喷嘴喷出注塑成型。该装置局限于注塑机，且对注气量和注气压力没有做详细控制说明，无法实现连续化生产。
专利US5958164A中提供了一种聚酯发泡挤出装置，采用的是双阶螺杆挤出设备，物料由第一阶双螺杆挤出机熔融混合，再输入第二阶单螺杆挤出机中，发泡剂从单螺杆挤出机的注气口加注，对应螺杆部位有分散结构，混合均匀后挤出成型。该装置可注入的发泡剂比例较低，因此发泡制品的发泡倍率较低，由于单螺杆混合的局限性，无法应用于发泡剂大比例加注。
专利US4043715A中提供了一种发泡剂泵送系统，该泵送系统包括由变速驱动器驱动的单级隔膜压缩机，与压缩机配合使用的控制阀。该系统可以提供一系列离散的气体脉冲，离散的气泡被注入到熔融物料中，试图使气体均匀地分散在整个聚合物中。但是这样的系统不能对挤出机中不断变化的气体需求做出快速响应，保证整个挤出过程稳定可靠。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备发泡材料的系统及方法，解决现有的螺杆挤出设备上的发泡剂加注口单一，加注大剂量发泡剂时不易被均匀分散，溶解度低，可能会存在大泡孔，显著降低发泡材料性能，难以生产出高质量高发泡倍率的产品的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种制备发泡材料的系统，包括螺杆挤出机构，和螺杆挤出机构进料端相连的喂料装置，和螺杆挤出机构出料端相连的牵引冷却装置，螺杆挤出机构的机筒上开设有一组注气口，注气口连接设置有多级注气装置；所述多级注气装置包括一组注气管路，各注气管路的进端分别设置有一个发泡剂储存装置，各注气管路的出端分别和一个注气口相连；两两注气管路之间均设置有用于互相连通的支线管路，各支线管路上均设置有可开闭的球阀。
为了实现对注气的流量、温度的精准控制，各注气管路自其进端均依次设置有用于调节输送压力的输送泵、用于调控注气管路内发泡剂温度的温度控制装置和用于调节发泡剂注气流量的流量控制装置；支线管路设置在流量控制装置之后。
为了实现对各注气管路进入注气口时的注气流量的进一步独立控制调节，各注气管路和注气口相接的一端均设置有流量调节阀。
进一步的，所述注气口至少设置有三个。
为了监测熔融物料的温度和压力，对注气流量和注气压力进行实时反馈调节，本制备发泡材料的系统还包括设置在注气口位置的温度传感器和压力传感器，每个注气口对应设置有一组温度传感器和压力传感器；各注气管路靠近注气口位置均设置有止逆阀。
进一步的，螺杆挤出机构包括双螺杆挤出机、单螺杆挤出机，双螺杆挤出机的进料端和喂料装置相连；单螺杆挤出机的进料端和双螺杆挤出机的出料端相连，单螺杆挤出机的出料端和牵引冷却装置相连；各注气设置在双螺杆挤出机或单螺杆挤出机的机筒上。
进一步的，输送泵的压力调节范围为0-50MPa；流量控制装置的流量调节范围为0-500ml/min；温度控制装置的温度控制范围为-30℃-100℃；温度传感器的监测范围为0-500℃，压力传感器的监测范围为0-50MP；流量调节阀的调节范围为0-500ml/min。
一种制备发泡材料的方法，包括如下步骤：
步骤(1)、通过喂料装置将原料输送至双螺杆挤出机，进行塑化熔融混合；
步骤(2)、通过注气口将发泡剂输送至双螺杆挤出机混合功能区，分散溶解于熔融原料内；
当发泡剂为一种时，可选择单管路注气方式或者多管路注气方式完成输送；
当选择单管路注气方式时，在其中一个发泡剂储存装置中储存该发泡剂，将与该发泡剂储存装置相连的注气管路定义为工作管路，关闭球阀，即可实现但管路注气；
当选择多管路注气方式时，可以在其中一个发泡剂储存装置中储存该发泡剂，将与该发泡剂储存装置相连的注气管路定义为主工作管路；然后根据需要注气管路的数量，选择打开相应数量的球阀，使其余需要数量的注气管路通过支线管路连通主工作管路，最终实现多管路注气；
当选择多管路注气方式时，还可以根据需要注气管路的数量，将与对应数量的注气管路的发泡剂储存装置均储存该发泡剂，打开或者关闭相关直线管路的球阀，实现多管路注气；
当发泡剂为多种时，将各种发泡剂储存在不同的发泡剂储存装置中，关闭球阀，相应的注气管路可以实现相应发泡剂的独立加注；
发泡剂加注时，通过输送泵调节输送压力，通过温度控制装置调节发泡剂温度，通过流量控制装置调节发泡剂注气流量，并通过流量调节阀调节发泡剂进入注气口时的流量；
步骤(3)、双螺杆挤出机将原料和发泡剂混合均匀后，将其输送至单螺杆挤出机内，由单螺杆挤出机挤出成发泡制品；
步骤(4)、发泡制品挤出后由牵引冷却装置输送，并冷却定型；
步骤(5)、根据相关标准，测试发泡制品的物理和机械性能；发泡倍率根据实际密度计算，密度测量按ISO 845进行；压缩强度和压缩模量按照ISO 844进行，剪切强度和剪切模量按照ISO 1922进行，拉伸强度和拉伸模量按照ASTM C297进行。
进一步的，步骤(1)中所述原料可选用聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种混合。
进一步的，步骤(2)中所述发泡剂可选用二氧化碳、氮气、烷烃、氟利昂中的一种或多种混合。
本发明的有益效果：通过设置有多条注气管路，且各注气管路之间设置用于连通的支线管路，并在支线管路设置用于控制其通断的球阀，本发明可根据所需发泡倍率，在单管路注气、双管路注气或多管路分段注气中进行自由选择，降低大量注气对分散混合的影响，使发泡制品泡孔细密均匀。同时，各注气口的注气流量可由流量调节阀进行独立控制调节，根据不同发泡剂的扩散溶解时间，每一调注气管路的注气流量可按比例调节。再者，本发明也适用于使用复合发泡剂，各注气管路分别对应一个发泡剂储存装置，各发泡剂的加注独立不受影响，可实现多种发泡剂通过不同的注气管路的独立注气。
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为多级注气装置的结构示意图。
其中，1、发泡剂储存装置，2、输送泵，3、温度控制装置，4、流量控制装置，5、注气管路，6、注气口，7、流量调节阀，8、球阀，9、温度传感器，10、压力传感器，11、喂料装置，12、双螺杆挤出机，13、多级注气装置，14、单螺杆挤出机，15、牵引冷却装置。
具体实施方式
实施例1，如图1、图2所示的一种制备发泡材料的系统，包括螺杆挤出机构，和螺杆挤出机构进料端相连的喂料装置11，和螺杆挤出机构出料端相连的牵引冷却装置15，螺杆挤出机构的机筒上开设有一组注气口6，注气口6连接设置有多级注气装置13；所述多级注气装置13包括一组注气管路5，各注气管路5的进端分别设置有一个发泡剂储存装置1，各注气管路5的出端分别和一个注气口6相连；两两注气管路5之间均设置有用于互相连通的支线管路，各支线管路上均设置有可开闭的球阀8。
每条注气管路5对应一个发泡剂储存装置1，可实现不同发泡剂的独立储存、加注。直线管路、球阀8的设置，可实现控制各注气管路5之间是否连通，同一种发泡剂，是否需要通过控制球阀8，使用多条相关的注气管路5来实现多条注气管路5的注气，对于每条注气管路5的注气量、时间等可根据需要进行独立的控制。
各注气管路5自其进端均依次设置有用于调节输送压力的输送泵2、用于调控注气管路5内发泡剂温度的温度控制装置3和用于调节发泡剂注气流量的流量控制装置4；支线管路设置在流量控制装置4之后。
注气口6为多个，其可以是三个或者三个以上。各注气管路5和注气口6相接的一端均设置有流量调节阀7。
流量控制装置4用于控制每个发泡剂储存装置1对应的注气管路5的总流量控制，流量调节阀7主要用于控制最终进入各注气口6的流量。
流量控制调节阀和流量控制装置4配合，能够实现各注气管路5的注气量的控制及进入注气口6内的注气量的控制。
本制备发泡材料的系统还包括设置在注气口6位置的温度传感器9和压力传感器10，每个注气口6对应设置有一组温度传感器9和压力传感器10；各注气管路5靠近注气口6位置均设置有止逆阀，对应注气口6位置的螺纹结构带混合功能。温度传感器9和压力传感器10用于监测熔融物料的温度和压力，对注气流量和注气压力进行实时反馈调节。
螺杆挤出机构包括双螺杆挤出机12、单螺杆挤出机14，双螺杆挤出机12的进料端和喂料装置11相连；单螺杆挤出机14的进料端和双螺杆挤出机12的出料端相连，单螺杆挤出机14的出料端和牵引冷却装置15相连；各注气设置在双螺杆挤出机12或单螺杆挤出机14的机筒上。
输送泵2的压力调节范围为0-50MPa；流量控制装置4的流量调节范围为0-500ml/min；温度控制装置3的温度控制范围为-30℃-100℃；温度传感器9的监测范围为0-500℃，压力传感器10的监测范围为0-50MP；流量调节阀7的调节范围为0-500ml/min。
实施例2，基于实施例1的一种制备发泡材料的方法，包括如下步骤：
步骤(1)、通过喂料装置11将原料输送至双螺杆挤出机12，进行塑化熔融混合；
步骤(2)、通过注气口6将发泡剂输送至双螺杆挤出机12混合功能区，分散溶解于熔融原料内；
当发泡剂为一种时，可选择单管路注气方式或者多管路注气方式完成发泡剂的输送；
当选择单管路注气方式时，在其中一个发泡剂储存装置1中储存该发泡剂，将与该发泡剂储存装置1相连的注气管路5定义为工作管路，关闭球阀8，即可实现但管路注气；
当选择多管路注气方式时，可以在其中一个发泡剂储存装置1中储存该发泡剂，将与该发泡剂储存装置1相连的注气管路5定义为主工作管路；然后根据需要注气管路5的数量，选择打开相应数量的球阀8，使其余需要数量的注气管路5通过支线管路连通主工作管路，最终实现多管路注气；
当选择多管路注气方式时，还可以根据需要注气管路5的数量，将与对应数量的注气管路5的发泡剂储存装置1均储存该发泡剂，打开或者关闭相关直线管路的球阀8，实现多管路注气；
当发泡剂为多种时，将各种发泡剂储存在不同的发泡剂储存装置1中，关闭球阀8，相应的注气管路5可以实现相应发泡剂的独立加注；
发泡剂加注时，通过输送泵2调节输送压力，通过温度控制装置3调节发泡剂温度，通过流量控制装置4调节发泡剂注气流量，并通过流量调节阀7调节发泡剂进入注气口6时的流量；
步骤(3)、双螺杆挤出机12将原料和发泡剂混合均匀后，将其输送至单螺杆挤出机14内，由单螺杆挤出机14挤出成发泡制品；
步骤(4)、发泡制品挤出后由牵引冷却装置15输送，并冷却定型；步骤(5)、根据相关标准，测试发泡制品的物理和机械性能；发泡倍率根据实际密度计算，密度测量按ISO845进行；压缩强度和压缩模量按照ISO 844进行，剪切强度和剪切模量按照ISO 1922进行，拉伸强度和拉伸模量按照ASTM C297进行。
步骤(1)中所述原料可选用聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种混合。
步骤(2)中所述发泡剂可选用二氧化碳、氮气、烷烃、氟利昂中的一种或多种混合。
实施例3，基于实施例2的一种制备发泡材料的方法，原料选择聚苯乙烯，发泡剂选择二氧化碳，加工温度为180℃，二氧化碳注入量为6％质量分数。
本实施例选择一组对比试验，方案1为二氧化碳从一个注气口6加入，质量分数为6％；方案2为二氧化碳从两个注气口6平均加入，质量分数都为3％；方案3为二氧化碳从三个注气口6平均加入，质量分数都为2％。试验测试结果参见表1。
表1发泡剂分段加入对发泡的影响
实验 方案1 方案2 方案3
发泡倍率 14 15 16
压缩强度/MPa 1.7 2.3 3.1
剪切强度/MPa 0.6 2 2.4
拉伸强度/MPa 4 5.2 7
实施例4，基于实施例2的一种制备发泡材料的方法，原料选择聚丙烯树脂,发泡剂选择氮气，加工温度为200℃，氮气注入量为6％质量分数。
本实施例选择一组对比试验，方案1为氮气从三个注气口6平均加入，质量分数都为2％；方案2为氮气以不同流量分别从三个注气口6加入，注入量依次为3％、2％、1％。试验测试结果参见表2。
表2发泡剂不同比例加入对发泡的影响
实验 方案1 方案2
发泡倍率 11 12
压缩强度/MPa 0.8 1.6
剪切强度/MPa 2.1 3
拉伸强度/MPa 1.5 2.3
实施例5，基于实施例2的一种制备发泡材料的方法，原料选择聚对苯二甲酸乙二醇酯,发泡剂选择二氧化碳和氟利昂，加工温度为280℃。
本实施例选择一组对比试验，方案1为二氧化碳从两个注气口6平均加入，质量分数都为7.5％；方案2为二氧化碳和氟利昂分别从两个注气口6加入，注入量分别为5％和2％。试验测试结果参见表3。
表3复合发泡剂加入对发泡的影响
实验 方案1 方案2
发泡倍率 14 14
压缩强度/MPa 1.1 1.4
剪切强度/MPa 0.6 0.8
拉伸强度/MPa 1.3 1.6
由表1可见，通过对发泡剂的分段加入对比实验，比较测试结果，多路加入使发泡制品的机械性能得到提高；由表2可见，不同比例发泡剂依次加入，比平均加入，可以提高发泡制品的发泡质量和机械性能；由表3可见，复合发泡剂的独立加注，比单一发泡剂的性能更优异。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。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，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制备发泡材料的系统，包括螺杆挤出机构，和螺杆挤出机构进料端相连的喂料装置，和螺杆挤出机构出料端相连的牵引冷却装置，其特征在于：螺杆挤出机构的机筒上开设有一组注气口，注气口连接设置有多级注气装置；所述多级注气装置包括一组注气管路，各注气管路的进端分别设置有一个发泡剂储存装置，各注气管路的出端分别和一个注气口相连；两两注气管路之间均设置有用于互相连通的支线管路，各支线管路上均设置有可开闭的球阀。
2.根据权利要求1所述的制备发泡材料的系统，其特征在于：各注气管路自其进端均依次设置有用于调节输送压力的输送泵、用于调控注气管路内发泡剂温度的温度控制装置和用于调节发泡剂注气流量的流量控制装置；支线管路设置在流量控制装置之后。
3.根据权利要求1或2所述的制备发泡材料的系统，其特征在于：各注气管路和注气口相接的一端均设置有流量调节阀。
4.根据权利要求3所述的制备发泡材料的系统，其特征在于：所述注气口至少设置有三个。
5.根据权利要求4所述的制备发泡材料的系统，其特征在于：还包括设置在注气口位置的温度传感器和压力传感器，每个注气口对应设置有一组温度传感器和压力传感器；各注气管路靠近注气口位置均设置有止逆阀。
6.根据权利要求1所述的制备发泡材料的系统，其特征在于：螺杆挤出机构包括双螺杆挤出机、单螺杆挤出机，双螺杆挤出机的进料端和喂料装置相连；单螺杆挤出机的进料端和双螺杆挤出机的出料端相连，单螺杆挤出机的出料端和牵引冷却装置相连；各注气设置在双螺杆挤出机或单螺杆挤出机的机筒上。
7.根据权利要求5所述的制备发泡材料的系统，其特征在于：输送泵的压力调节范围为0-50MPa；流量控制装置的流量调节范围为0-500ml/min；温度控制装置的温度控制范围为-30℃-100℃；温度传感器的监测范围为0-500℃，压力传感器的监测范围为0-50MP；流量调节阀的调节范围为0-500ml/min。
8.一种制备发泡材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)、通过喂料装置将原料输送至双螺杆挤出机，进行塑化熔融混合；
步骤(2)、通过注气口将发泡剂输送至双螺杆挤出机混合功能区，分散溶解于熔融原料内；
当发泡剂为一种时，可选择单管路注气方式或者多管路注气方式完成输送；
当选择单管路注气方式时，在其中一个发泡剂储存装置中储存该发泡剂，将与该发泡剂储存装置相连的注气管路定义为工作管路，关闭球阀，即可实现单管路注气；
当选择多管路注气方式时，可以在其中一个发泡剂储存装置中储存该发泡剂，将与该发泡剂储存装置相连的注气管路定义为主工作管路；然后根据需要注气管路的数量，选择打开相应数量的球阀，使其余需要数量的注气管路通过支线管路连通主工作管路，最终实现多管路注气；
当选择多管路注气方式时，还可以根据需要注气管路的数量，将与对应数量的注气管路的发泡剂储存装置均储存该发泡剂，打开或者关闭相关直线管路的球阀，实现多管路注气；
当发泡剂为多种时，将各种发泡剂储存在不同的发泡剂储存装置中，关闭球阀，相应的注气管路可以实现相应发泡剂的独立加注；
发泡剂加注时，通过输送泵调节输送压力，通过温度控制装置调节发泡剂温度，通过流量控制装置调节发泡剂注气流量，并通过流量调节阀调节发泡剂进入注气口时的流量；
步骤(3)、双螺杆挤出机将原料和发泡剂混合均匀后，将其输送至单螺杆挤出机内，由单螺杆挤出机挤出成发泡制品；
步骤(4)、发泡制品挤出后由牵引冷却装置输送，并冷却定型；
步骤(5)、根据相关标准，测试发泡制品的物理和机械性能。
9.根据权利要求8所述的制备发泡材料的方法，其特征在于：步骤(1)中所述原料可选用聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种混合。
10.根据权利要求8或9所述的制备发泡材料的方法，其特征在于：步骤(2)中所述发泡剂可选用二氧化碳、氮气、烷烃、氟利昂中的一种或多种混合。
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