CN1798602A - 用于制备成分和色彩均匀的液体硅树脂弹性体的设备 - Google Patents

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D·L·丹尼尔森
C·C·舍克
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Abstract

一种用于连续制备包含添加剂的粘性合成物的设备，包括：(i)混合装置，用于将添加剂均匀地混合和分散到粘性流体中；(ii)一个或多个伺服电机驱动的泵，用于将粘性流体输送给混合装置；(iii)一个或多个伺服电机驱动的泵，用于将添加剂输入给混合装置；(iv)用于向粘性流体伺服电机驱动的泵供应粘性流体的部件；(v)用于向伺服电机驱动的添加剂泵供应添加剂的部件；(vi)用于将含有流体和添加剂的粘性合成物从混合装置分发到容器中的部件；(vii)可编程逻辑计算机，构成和设置为用来控制用于粘性流体的伺服电机驱动的泵和用于添加剂的伺服电机驱动的泵的操作，从而使得用于粘性流体的伺服电机驱动的泵与用于添加剂的伺服电机驱动的泵之间的预定的RPM比得到保持，而与用于粘性流体的供应部件和用于添加剂的供应部件中的压力起伏无关；和(viii)温度补偿算法部件，用于补偿粘性流体的温度中的波动。

Description

用于制备成分和色彩均匀的液体硅树脂弹性体的设备
技术领域
本发明涉及这样一种设备：能够向弹性体合成物中提供稳定量颜料的或其它添加剂，从而能够获得弹性体合成物中的同一颜色和/或均匀度，而无需考虑配置弹性体中使用的弹性体基质、颜料或添加剂的送料管线中压力起伏的存在。具体来说，该设备具体表现为包含至少两个泵，这两个泵各自由计算机进行同步，从而各个泵将以固定rpm比相对于彼此旋转，而无需考虑在它们各自的送料管线中不时发生的流速或压力起伏。
背景技术
硅树脂作为一类材料，包括某些合成物，就是液体弹性体。这些液体硅树脂弹性体一般是由(i)建造和建筑行业、商业和消费者密封应用中使用的密封剂合成物和(ii)用于生产预制件的注模工艺中使用的液体硅树脂橡胶(LSR)合成物组成的。
液体硅树脂橡胶(LSR)在商业上是使用大的分批混合罐以4-5桶装容量制备的。在完成混合工作之后，将大混合罐传送到精滤、排气和包装系统，在这里将大混合罐卸下来，并且将它们的内容物转移到五十五加仑的大桶或五加仑的小桶中。由于大混合罐以及精滤、排气和包装系统的其它组成部分都不容易清洗，因此需要避免在混合处理期间将诸如颜料之类的添加剂投入大混合罐中，因为颜料会污染设备，致使大混合罐不适于在下一次混合处理中使用。
例如，美国专利US5332313(1994年7月26日)和美国专利US5547000(1996年8月20日)体现了关于用于混合和分配有色密封剂合成物的设备的一般技术现状，现有技术，包括这些专利，都没有公开体现本发明的思想的设备。
发明内容
因此，本发明提供了这样一种设备：它利用较少的装置和较少的步骤、阶段和操作，借此可以将添加剂加入并用于液体弹性体合成物的染色，而不会遭遇到与现有技术相关的缺点，即，使对液体弹性体基质合成物和颜色添加剂进行混合中使用的设备遭到污染。结果是，不再需要在添加了添加剂之后进行的劳动强度大的混合、精滤、排气、染色和包装步骤。因而，可以在较为简单的设备内以更有效的方式获得液体弹性体的混合和着色，能够在弹性体产品进入最终的容器包装之前的单独一个阶段内实现有色和改良弹性体产品的生产。
本发明旨在提供一种用于连续制备包含中度到高度粘性流体和添加剂的粘性合成物的设备。该设备的特征和组成部分包括：
(i)混合装置，用于将添加剂，比如染色添加剂，均匀地混合和分散到粘性的中到高粘度的流体中；(ii)一个或多个伺服电机驱动的泵，用于将粘性的中到高粘度的流体输送给混合装置；(iii)一个或多个伺服电机驱动的泵，用于将添加剂输入给混合装置；(iv)用于向粘性的中到高粘度流体伺服电机驱动的泵供应粘性的中到高粘度的流体的部件；(v)用于向伺服电机驱动的添加剂泵供应添加剂的部件；(vi)用于将含有中到高粘度的流体和添加剂的粘性合成物从混合装置分发到容器中的部件；(vii)可编程逻辑计算机，构成和设置为用来控制用于粘性的中到高粘度的流体的伺服电机驱动的泵和用于添加剂的伺服电机驱动的泵的操作，从而使得用于粘性的中到高粘度的流体的伺服电机驱动的泵与用于添加剂的伺服电机驱动的泵之间的预定的RPM比得到保持，而与用于粘性的中到高粘度的流体的供应部件和用于添加剂的供应部件中的压力起伏无关；和(viii)温度补偿算法部件，用于补偿粘性的中到高粘度的流体的温度的波动。
最好，粘性合成物是包括在25℃下测得粘度为大约500Pa.s(500,000厘沲)到大约3,000Pa.s(3,000,000厘沲)的聚二有机基硅氧烷，并且添加剂是无机染料、有机染料、混合催化剂或者其它能够改变粘性合成物的物理属性的液体添加剂。
通过考察详细的说明，本发明的这些和其它的特征将会变得显而易见。
附图说明
附图1是表示经过体现本发明的思想的设备的流动模式的简化功能示意图。
附图2是表示该设备的构造的更多细节的附图1中的设备的示意图。
具体实施方式
液体硅树脂橡胶合成物一般含有聚二有机基硅氧烷(polydiorganosiloxane)、填充料、交联剂和固化促进剂。液体硅树脂橡胶是两份一套出售的，并且是受热固化的。液体硅树脂橡胶是粘性材料并且它们的粘稠度跟牙膏一样。因为要将液体硅树脂橡胶注模或浇注成各种预制组件和零件，因此诸如颜色、色泽和物理属性之类的美观性是很重要的考虑因素。因此，商业上需要具有各种各样颜色和色泽的液体硅树脂橡胶合成物，并且为特定的应用配色经常很成问题。
液体硅树脂橡胶合成物在本领域中是公知的，可以参见例如美国专利US5789084(1998年8月4日)，该专利看作以引用的方式并入本文。这样的合成物一般来说是由(i)液体硅树脂橡胶(组份A)基质和(ii)液体硅橡胶(组份B)组成的。组份A通常是含有诸如卤代基团之类的活性基团的聚二有机基硅氧烷以及预处理和疏水填充料。组份B一般由作为交联剂的有机氢聚硅氧烷(organohydrogenpolysiloxane)、铂催化剂以及其它的添加剂，比如附着力促进剂和防粘剂。固化液体硅树脂橡胶合成物是通过将组份A和组份B进行混合并且对混合物进行加热而制得的。液体硅树脂橡胶(组份A)基质构成液体硅树脂橡胶合成物的主要部分。可用于组份(A)的填充料的一些例子包括六甲基二矽酸盐处理过的二氧化硅、细粒碳酸钙、二氧化钛、石英、硅藻土和矾土。
由于液体硅树脂橡胶基质中的聚二有机基硅氧烷和填充剂混合物一般来说要么是无色的要么是白色的，因此通常要将着色剂加到组份A基质中。虽然液体硅树脂橡胶可以是无色或白色的，但是通常会将它们制成约五到八种标准颜色，包括黑色和米色、褐色或灰色的各种色调。不过，实际上任何颜色或色泽都是可能的，以颜料的再现性、计量的精确性和混合的彻底性为前提。着色剂一般包括不同种类的无机和有机颜料。此外，经常需要其它的调节剂并且要加到液体硅树脂橡胶中，以提高其热性质、改变或变更其固化特性或增加润滑性。
液体硅树脂橡胶中采用的最重要的无机着色剂一般是从铁氧化物颜料中得到，比如黄色、褐色、红色和黑色铁氧化物。其它的合成无机颜料包括镉桔黄、氧化铬绿、锰紫和钼桔红。众多品种的有机合成着色剂包括酸性红52、联苯胺黄HR、龙胆紫、酞菁绿、酞菁蓝、颜料棕28和维多利亚蓝B。为了便于处理，着色剂是以液体状态加入到液体硅树脂橡胶基质中的。通过将颜料分散在一般来说包括聚二甲基硅氧烷聚合物的液态载体中制得颜料分散液、色母料和液体着色剂。
按照本发明的设备由伺服辅助正排量配送设备组成，用于将液体颜料和/或其它类型的添加剂精确配送到中到高粘度的流体的流中。按照一种尤其优选的实施方式，该设备涉及将颜料配送和混合到配制液体硅树脂橡胶中使用的基质合成物中。
更加具体地讲，按照本发明的设备由至少两个伺服电机驱动和伺服控制的配送齿轮泵组成，它们将单独一种液体硅树脂橡胶基质和一种或多种添加剂，比如颜料，泵送通过混合装置。经过着色的液体硅树脂橡胶基质从混合装置排出到小桶或大桶中。适当的混合装置包括例如美国专利US5332313(1994年7月26日)中介绍的那种类型的动态混合器，不过任何动态混合装置都可以采用。
伺服电机在电机领域中是公知的，并且借助调节器组件，可以对这些电机进行控制，从而可以以任何受控的加速度变化率、速度和按照任何数量的转数或非整周旋转实现任何方向的旋转。可以通过商业手段得到比如Allen-Bradley(由威斯康星州，密尔沃基的RockwellAutomation公司生产的一类电机)名下的伺服电机。一般来说，伺服电机包括其它组成部分，比如分解器、编码器和转速计。这些电机可以是AC电机、DC电机或者具有不带电刷的结构。
按照本发明，基质配送泵起到了动力辅助齿轮泵的作用，能够实现精确的配送，同时敏感于上游流动状况的变化。这是通过使基质伺服工作在恒定扭矩模式下以便克服基质泵和驱动齿轮减速箱(盒)的静摩擦损失来实现的。结果是，通过上游处理提供了压力相对较低的基质流，上游处理一般来说仅产生低于大约150psi(1,035kPa)的反压力，以便按照与基质流的流速一致的速度驱动基质泵。
然后基质伺服电机上的分解器将基质电机的驱动速度传送给可编程逻辑控制计算机，据此根据期望的混合比设定颜料/添加剂泵的速度。由于基质可能以任何温度从上游处理中排出，因此将温度补偿循环编制到比例控制中，以便补偿任何基质的体积变化。这是借助基质供应源上的温度指示器来实现的。可用于该设备的液体弹性体基质，尤其是LSR，一般具有大的热膨胀系数。因此，就这一点来说，需要对温度进行测量，并且使用该数据来确保配送处理期间的质量-体积关系适当。
从而，本发明的主要焦点是包括用来使两个或多个泵的rpm比同步的计算机、以便始终如一地提供一致的液体硅树脂橡胶合成物的设备。使这些泵同步，以致它们一个相对于另一个总是以同一固定的rpm比旋转，而无需考虑不时发生在各个送料线路中的基质和颜料流速的变化。在后附的例子中可以看出，一种特别有效的比例是基质比颜料为1∶2.333。
参照附图1，可以看出材料通过该设备流动的简化模式。这样，弹性体基质和颜料/添加剂成分借助两个独立的伺服电机驱动的泵系统供应给混合装置。泵A是由上游处理的流体驱动的，并且受到伺服电机A的辅助。泵B是由伺服电机B驱动的，并且向混合器供应颜料/添加剂。从混合器排出的是期望的经过着色的弹性体。
在附图2中可以看出，弹性体基质是在一般低于150psi(1,035kPa)的压力下从适当的送料装置(未示出)供应给该设备的。弹性体基质是借助弹性体基质泵A供应给混合装置的。弹性体基质泵A是由弹性体基质伺服电机A经由弹性体基质驱动齿轮减速箱加以驱动的。混合装置包括混合装置齿轮减速箱和混合装置驱动电机。
颜料/添加剂是在一般低于大约500psi(3,450kPa)的压力下从适当的送料装置(未示出)供应给该设备的。颜料/添加剂是借助颜料/添加剂泵B供应给混合装置的。颜料/添加剂泵B是由颜料/添加剂伺服电机B经由颜料/添加剂驱动齿轮减速箱加以驱动的。从混合装置伸出的排放管线将经过着色的弹性体从混合装置输送到空的大桶或小桶中。
弹性体基质送料管线中的温度指示器T检测该管线中的弹性体基质的温度，并且由可编程逻辑控制器计算机(PLC)对保存下来的温度进行监控。温度补偿算法起到补偿弹性体基质温度的任何波动的作用。接上PCL是为了在任何时刻监测、控制和调节弹性体基质伺服电机A和颜料/添加剂伺服电机B相对于彼此的操作。
如果在弹性体基质和颜料/添加剂的送料管线中的一个或另一个或二者中没有出现压力或流速起伏，则不需要进行调节。如果在弹性体基质和颜料/添加剂的送料管线中的一个或另一个或二者中出现了压力或流速起伏，则PLC自动调节颜料/添加剂电机B的转速，以便维持弹性体基质伺服电机A和颜料/添加剂伺服电机B之间的预定RPM比。弹性体基质伺服电机A和颜料/添加剂伺服电机B的预定RPM比并非1∶1，而是一个取决于用来配置既定产品的弹性体基质和颜料/添加剂的具体属性和特性以及期望产品的颜色和色泽的系数。PCL则被可编程以进行这些复杂的运算。
例子
在这个例子中，液体硅树脂橡胶基质具有大约3,000Pa.s(3,000,000厘沲)的粘度。着色剂是分散在相容的聚硅氧烷流体中的铁(II，III)黑氧化物颜料。
用于实现这个例子的实验室原型设备是由为了便于移动而安装在滑板上的数个单元构成的。该设备包括(i)一对正排量泵、(ii)总体上具有美国专利US5332313中给出的结构的混合装置、(iii)用于装填大桶和/或小桶的外部桶排放线和(iv)包含操作该设备必须的电动和控制硬件的控制面板。
由明尼苏达州，明尼阿波利斯的Graco公司生产的回转泵用来向该设备中输送液体硅树脂橡胶基质，不过也可以采用任何标准回转泵、罐压或从混配机或排气装置直接输送。这些泵安装在重量损失天平上，以便确定实验误差的出现。
主控制系统由与Panelview操作员界面相连的Allen-BradleySLC处理器构成的。该系统包括主SLC处理器模块、输入/输出(I/O)适配器模块、I/O机箱、I/O模块、通信模块和电源。
用于泵送弹性体基质的伺服电机A和用于泵送颜料/添加剂的伺服电机B是由Allen-Bradley伺服驱动系统驱动的。混合装置是由Allen-Bradley变频驱动器(VFD)驱动的。这些系统都设计成借助Allen-Bradley远程I/O进行相互通信，该远程I/O帮助它们的可编程。Daisy Labs牌的数据获取软件包也是该系统的一个组成部分。它使得显示、描述趋势和评价来自处理的数字和模拟数据成为可能。于是使得PLC能够监测所有各种不同的处理参数。
下面的具体例子将更加详细地解释说明本发明。
准备了由(i)粘度为大约3,000Pa.s(3,000,000厘沲)的大约97.0重量百分比的可采用商业手段得到的液体硅树脂橡胶(组份A)基质合成物和(ii)粘度为大约1Pa.s(1,000厘沲)的大约3.0重量百分比的加了染料的聚二有机基硅氧烷载体流体构成的实验配比。在有压力和流速起伏的情况下从Graco回转泵中将基质输送到附图2中所示类型的设备中，以模拟典型的上游液体硅树脂橡胶生产处理输出。由Graco小桶泵以一致的速度将颜料输送到该设备中，以向伺服控制的颜料泵提供灌注吸入，也是生产期间遇到的典型情况。
为了测试系统的精度，通过Graco送料泵的重量损失和通过将基质和颜料收集在单独的杯子中并且对它们称重来进行重量增加测量，测量实际的配送量。在处理期间，弹性体基质供应是由弹性体基质伺服电机以恒定扭矩模式加以辅助的，使得Graco弹性体基质泵能够在压力损失最小的情况下驱动弹性体基质送料泵。弹性体基质伺服电机的分解器组件向PLC报告弹性体基质泵的瞬时速度。然后PLC使用该信号来确定乘以预先计算好的RPM比的颜料供应送料泵的后续速度，以获得适当的混合比。然后将经过计量的弹性体基质和颜料泵送到混合装置中并且排到大桶中。根据预定的计算结果，最好的泵RPM比是弹性体基质比添加剂为1∶2.333。将这个比例编制到PLC中。
Graco送料泵以接近15公斤/分钟的速度进行泵送，并且以接近20rpm、具有10-30rpm的起伏的转速驱动弹性体基质泵A。弹性体基质泵A上反压力为100psi(690kPa)，确认关联伺服电机确实辅助了产品经过弹性体基质泵的流动。颜料泵B与弹性体基质泵A相呼应地运动，从而维持期望的比值1∶2.333。两个泵各自的rpm由德克萨斯州，奥斯汀的National Instruments Corporation公司的LabView软件数据包进行跟踪和记录。这种属于数据获取的图形编程语言能够以使复杂程序可以用很少时间和很少的工作量来编写的方式进行编程。表1包括表明期望的比例结果得到实现的数据。
表1：对于实验基质配比的基质和添加剂RPM
  从开始所经过的时间，秒   基质rpm  添加剂rpm   实际比
  10   19  44   2.333
  20   15  35   2.333
  30   13  30   2.333
  40   15  35   2.333
  50   18  42   2.333
  60   23  54   2.333
  70   22  51   2.333
  80   25  58   2.333
  90   21  49   2.333
  100   13  30   2.333
  110   17  40   2.333
  120   26  61   2.333
  130   20  47   2.333
  140   32  75   2.333
  150   25  58   2.333
  160   19  44   2.333
  170   20  47   2.333
  180   17  40   2.333
然后对两种成分的重量损失进行比较，以确定在预定时间段内混合比是什么。然后将这些值与期望的混合比进行比较。结果在表2中给出。
表2：实验基质配比的实际混合比与理论混合比
  时间，分钟   基质，公斤   颜料，公斤   目标基质，重量％   实际基质，重量％
  1   6.7   0.45   97.0   93.7
  2   13.0   0.60   97.0   95.6
  3   28.8   1.05   97.0   96.5
  4   61.1   2.10   97.0   96.7
  5   72.5   2.40   97.0   96.8
  6   94.8   3.10   97.0   96.8
  7   121.8   3.90   97.0   96.9
  8   133.8   4.25   97.0   96.9
  9   144.8   4.60   97.0   96.9
  10   160.1   5.05   97.0   96.9
  11   181.7   5.70   97.0   97.0
  12   195.5   6.15   97.0   97.0
  13   211.3   6.65   97.0   96.9
  14   224.5   7.00   97.0   97.0
  15   238.7   7.40   97.0   97.0
  16   254.6   7.85   97.0   97.0
  17   272.5   8.40   97.0   97.0
  18   284.3   8.80   97.0   97.0
  19   305.7   9.40   97.0   97.0
  20   324.0   9.95   97.0   97.0
  21   344.6   10.55   97.0   97.0
  22   367.3   11.25   97.0   97.0
  23   397.5   12.20   97.0   97.0
  24   420.1   12.85   97.0   97.0
可以看出，最终的处理精度接近于配置的/目标基质量，并且在开始之后处于0.1％之内。
在不远离本发明的基本特征的情况下，可以对混合物、合成物和本文所介绍的方法进行其它的改变。这里具体阐释的本发明的实施方式仅仅是示范性的，并不用作对它们的范围的限制，除非在所附的权利要求中有限定。

Claims (4)

1.一种用于连续制备包含液体弹性体和添加剂的合成物的设备，包括：(i)混合装置，用于将添加剂均匀地混合和分散到液体弹性体中；(ii)一个或多个伺服电机驱动的泵，用于将液体弹性体输送给混合装置；(iii)一个或多个伺服电机驱动的泵，用于将添加剂输入给混合装置；(iv)用于向伺服电机驱动的液体弹性体泵供应液体弹性体的部件；(v)用于向伺服电机驱动的添加剂泵供应添加剂的部件；(vi)用于将含有液体弹性体和添加剂的合成物从混合装置分发到容器中的部件；(vii)可编程逻辑计算机，构成和设置为用来控制用于液体弹性体的伺服电机驱动的泵和用于添加剂的伺服电机驱动的泵的操作，从而使得用于液体弹性体的伺服电机驱动的泵与用于添加剂的伺服电机驱动的泵之间的预定的RPM比得到保持，而与用于液体弹性体的供应部件和用于添加剂的供应部件中的压力起伏无关；和(viii)温度补偿算法部件，用于补偿液体弹性体的温度发生的波动。
2.按照权利要求1所述的设备，其中液体弹性体包括在25℃下测得粘度为大约500Pa.s(500,000厘沲)到大约3,000Pa.s(3,000,000厘沲)的聚二有机基硅氧烷。
3.按照权利要求1所述的设备，其中添加剂是无机颜料或有机颜料。
4.按照权利要求1所述的设备，其中用于液体弹性体的伺服电机驱动的泵与用于添加剂的伺服电机驱动的泵之间的RPM比为大约1∶2.333。
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