CN1919578A

CN1919578A - 超临界流体辅助微孔注塑设备

Info

Publication number: CN1919578A
Application number: CN 200610122092
Authority: CN
Inventors: 黄汉雄; 王建康
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2026-09-11
Also published as: CN100450742C

Abstract

本发明提供一种超临界流体辅助微孔注塑设备，包括注塑机、喷嘴组件、模具系统及超临界流体计量和输送装置；所述喷嘴组件为混炼型自锁式喷嘴组件，混炼型自锁式喷嘴组件与注塑机通过注气法兰相连接，所述注气法兰与超临界流体计量和输送装置相连接；所述混炼型自锁式喷嘴组件包括静态混合器、混炼头、自锁式喷嘴，静态混合器与注塑机相连接，自锁式喷嘴通过连接套与静态混合器相连接，在自锁式喷嘴的入口处设置有混炼头。利用本发明能够在普通注塑机上实现超临界流体辅助微孔注塑，与现有技术相比具有结构紧凑、适用范围广、易于实现、占地面积小、节省材料、生产成本低、提高制品的刚度/质量比、降低能耗、无环境污染的优点。

Description

超临界流体辅助微孔注塑设备

技术领域

本发明涉及一种注塑设备，特别涉及一种超临界流体辅助微孔注塑设备。

背景技术

微孔聚合物是指泡孔尺寸在1～100μm、泡孔密度在10⁹～10¹⁵个/cm³的泡沫聚合物。微孔聚合物的泡孔极小且分布均匀，使聚合物中的微隙圆孔化，起到增韧增强的作用，所以微孔聚合物不仅可以节省材料，而且有一些力学性能甚至优于不发泡的聚合物。相对于传统发泡剂，超临界流体(CO₂、N₂等)具有稳定性好、成本低、无环境污染等优点，然而如何使超临界流体稳定地注入高温高压的注塑机内，并在有限的时间和机筒长度内，使超临界流体均匀分散在聚合物熔体中形成聚合物/超临界流体均相体系，这些难题阻碍着超临界流体辅助微孔注塑的应用。另外，如何控制泡孔的形态，得到微孔结构的高性能泡沫材料，也是这一技术的难点。

专利号为ZL 200320119112.6的中国实用新型专利公开了一种用于塑料注塑发泡的设备，如图1所示；通过双阶注塑装置，分别完成塑化和注射过程，可以实现注塑发泡制品的加工，但由于该设备缺少超临界流体计量系统和必要的混炼元件，不能用于微孔聚合物的加工，也不能使用超临界流体作为发泡剂，只能使用化学发泡剂。所以该设备不能完成微孔注塑，而且由于所使用的化学发泡剂有一定的环境污染，使得其使用范围受到了一定的限制。

专利号为US 6579910 B2的美国发明专利公开了一种超临界CO₂微孔注塑设备，如图2所示；该设备是一个二阶式的注塑机，包括一个改造过的单螺杆挤出机和注射装置，单螺杆挤出机主要用来塑化聚合物，并把注入的超临界CO₂均匀分散在聚合物熔体中，形成均相体系后，将其送入注射装置的储料腔内，当储料腔内储满一次注射所需的物料时，由射料杆推动熔体经过一个快速卸压的喷嘴，注入模腔，然后熔体成核，泡孔长大，冷却并最终得到微孔结构的注塑制品。该设备占地面积大、加工周期长、控制复杂，而且生产成本高，较难大范围地普及应用。

发明内容

针对上述微孔聚合物注塑中存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够通过对普通注塑机改造，实现超临界流体辅助微孔注塑的设备，把超临界流体计量和输送装置与混炼型自锁式喷嘴组件相结合，使超临界流体注入聚合物熔体，并在注入模具之前形成均相体系，聚合物/超临界流体均相体系在注入模具后发泡，形成微孔聚合物制品。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种超临界流体辅助微孔注塑设备，包括注塑机、喷嘴组件、模具系统以及超临界流体计量和输送装置；其特征在于：所述喷嘴组件为混炼型自锁式喷嘴组件，混炼型自锁式喷嘴组件与注塑机通过注气法兰相连接，所述注气法兰与超临界流体计量和输送装置相连接。

所述混炼型自锁式喷嘴组件包括静态混合器、混炼头、自锁式喷嘴，静态混合器与注塑机相连接，自锁式喷嘴通过连接套与静态混合器相连接，在自锁式喷嘴的入口处设置有混炼头。本混炼型自锁式喷嘴组件可以维持聚合物/超临界流体均相体系在一定的高压环境下，产生良好的保压效果，并为其提供很好的混合作用。

所述自锁式喷嘴包括连接头、后顶杆、鱼雷体、前顶杆、喷嘴盖、弹簧，所述连接头设置于自锁式喷嘴与静态混合器相连接的一端，鱼雷体设置于连接头与喷嘴盖之间，在鱼雷体的中轴设置有通孔，前顶杆、弹簧和后顶杆设置于通孔内，前顶杆、后顶杆分别设置于弹簧两端与弹簧相顶接，前顶杆的另一端与喷嘴盖相顶接，将喷嘴盖的喷嘴口压紧封闭；后顶杆的另一端与连接头相顶接，将连接头的轴向孔压紧封闭。

所述静态混合器的前后安装有压力传感器和温度传感器，可对喷嘴内聚合物/超临界流体均相体系的压力、温度进行监控。

所述注气法兰内安装有环形注气套，环形注气套的外表面开有纵横交错的槽，在这些槽内均匀分布小孔(其数量可为几个至上百个)，内表面则直接与聚合物熔体接触。超临界流体通过这些小孔注入聚合物熔体。

所述超临界流体计量和输送装置包括气体储存罐、高压计量泵、高压电磁阀、单向阀，气体储存罐与高压计量泵相连接，高压计量泵通过高压电磁阀和单向阀与注气法兰相连接。所述高压电磁阀可以使气体的注入和熔体的注射过程实现联动；所述单向阀可以防止聚合物熔体逆流进入输气管道。

所述高压计量泵设置有温控系统，可对流经高压计量泵的超临界流体的温度进行控制。

本发明的工作原理是：气体储存罐中的气体经过阀门进入带有温控系统的高压计量泵；控制高压计量泵的温度和压力使该气体处于超临界状态；设定高压计量泵的出口流率，使超临界流体以恒定的压力和流量输出；输出的超临界流体经过高压电磁阀、单向阀、注气法兰、环形注气套，进入注塑机机筒的前端。同时，聚合物颗粒从注塑机的料斗加入；聚合物经过机筒的加热，螺杆的塑化、输送，使其熔融并到达机筒前端。已经熔融并混炼均匀的聚合物熔体在机筒前端与从周围注入的超临界流体相接触，在注射螺杆的推动下，经过静态混合器、混炼头、自锁式喷嘴，超临界流体逐渐溶入聚合物熔体中，形成均相体系；这种均相体系在注射螺杆的进一步推动下，从自锁式喷嘴注入发泡模具中；均相体系在离开自锁式喷嘴时，开始产生气核，气核在模具中迅速长大。注射完成，待制品冷却开模取出制品，即完成微孔注塑制品的生产。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：利用本发明能够在普通注塑机上实现超临界流体辅助微孔注塑，具有节省材料、提高制品的刚度/质量比、无环境污染等优点，微孔注塑制品可比不发泡制品的刚度/质量比提高5～7倍。另外，由于本发明把超临界流体直接引入普通注塑机，在注塑机上增加了混炼、自锁元件，并可以通过更换弹簧提供不同的自锁力，适用于不同的加工体系。使得本发明更具有结构紧凑、能耗低、适用范围广、易于实现、占地面积小、生产成本低的优点。本发明的实施例中，充模压力可比普通注塑的充模压力降低约60％；制品的冲击强度可比不发泡的提高约12.8％。本发明中的环形注气套可以使超临界流体均匀地进入聚合物熔体，同时又可以降低超临界流体进入熔体时的压力损失，使得超临界流体的输入更加通畅。

附图说明

图1是现有专利ZL 200320119112.6中的设备示意图。

图2是现有专利US 6579910 B2中的设备示意图。

图3是本发明超临界流体辅助微孔注塑设备的结构示意图。

图4是图3所示设备的混炼型自锁式喷嘴组件的结构示意图。

图5是图4所示注气法兰的结构示意图。

图6是图4所示环形注气套的结构示意图。

图7是图4所示自锁式喷嘴的结构示意图。

图8是图4所示混炼头的结构示意图。

上述各图中标号说明如下：A-超临界流体计量和输送装置；B-注塑机；C-混炼型自锁式喷嘴组件；D-模具系统；1-温控系统；2-高压计量泵；3-高压电磁阀；4-单向阀；5-环形注气套；6-料斗；7-机筒；8-螺杆；9-静态混合器；10-混炼头；11-自锁式喷嘴(11-1-连接头；11-2-后顶杆；11-3-鱼雷体；11-4-前顶杆；11-5-喷嘴盖；11-6-弹簧)；12-注塑模具；13-气体储存罐；14-阀门；15-压力传感器；16-压力传感器；17-温度传感器；18-温度传感器；19-温度传感器；20-注气法兰；21-螺纹套；22-连接套。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

图3～图8示出了本发明的具体结构，由图3可见，本超临界流体辅助微孔注塑设备包括注塑机B、混炼型自锁式喷嘴组件C、模具系统D及超临界流体计量和输送装置A；混炼型自锁式喷嘴组件C与注塑机B通过注气法兰20相连接，所述注气法兰20同时与超临界流体计量和输送装置A相连接；所述注塑机B为普通注塑机，包括机筒7、料斗6、螺杆8，机筒7的后端与料斗6相连，机筒7的外围装有控温加热圈(图中未示出)，机筒7内部设置有可以进行旋转和往复式运动的注射螺杆8。

所述混炼型自锁式喷嘴组件的具体结构如图4所示，包括静态混合器9、混炼头10(见图8)、自锁式喷嘴11；在注塑机B的前端，通过注气法兰20把静态混合器9固定在机筒7的前端，自锁式喷嘴11通过螺纹套21、连接套22与静态混合器9相连接，在自锁式喷嘴11的入口处设置有混炼头10；所述静态混合器9的前后安装有压力传感器15、16和温度传感器17、18。本混炼型自锁式喷嘴组件可以维持聚合物/超临界流体均相体系在一定的高压环境下，产生良好的保压效果，并为其提供很好的混合作用。

所述自锁式喷嘴11的结构如图7所示，包括连接头11-1、后顶杆11-2、鱼雷体11-3、前顶杆11-4、喷嘴盖11-5、弹簧11-6，所述连接头11-1设置于自锁式喷嘴11与静态混合器9相连接的一端，鱼雷体11-3设置于连接头11-1与喷嘴盖11-5之间，在鱼雷体11-3的中轴设置有通孔，前顶杆11-4、弹簧11-6及后顶杆11-2设置于通孔内，前顶杆11-4、后顶杆11-2分别设置于弹簧11-6两端并与弹簧11-6相顶接，前顶杆11-4的另一端与喷嘴盖11-5相顶接，将喷嘴盖11-5的喷嘴口压紧封闭；后顶杆11-2的另一端与连接头11-1相顶接，将连接头11-1的轴向通孔压紧封闭。

所述注气法兰20的结构如图5所示，在注气法兰20内安装有环形注气套5(见图6)；环形注气套5的外表面开有许多纵横交错的槽，在这些槽中均匀分布小孔，内表面则直接与聚合物熔体接触。超临界流体通过这些小孔注入聚合物熔体。

所述超临界流体计量和输送装置A包括气体储存罐13、阀门14、高压计量泵2、高压电磁阀3、单向阀4，气体储存罐13通过阀门14与高压计量泵2相连接，高压计量泵2通过高压电磁阀3及单向阀4与注气法兰20相连接。所述高压电磁阀3可以使气体的注入和熔体的注射过程实现联动；所述单向阀4可以防止聚合物熔体逆流进入输气管道；所述高压计量泵2的泵体上设置有温控系统，可对流经高压计量泵的超临界流体的温度进行控制。

所述模具系统D包括注塑模具12，所述注塑模具12带有温度传感器19，通过有限元模拟，对模具的流道和浇口进行特殊的设计，得到一种既可以降低充模阻力又可以使流动平衡的浇注系统。

本超临界流体辅助微孔注塑设备的整个工作过程是：聚合物颗粒从料斗6加入，聚合物经过机筒7的加热，螺杆8的塑化、输送，使其熔融并混炼均匀后到达机筒7前端；控制注塑模具12的温度到适当值，在没有注入超临界流体的情况下进行调试并使注塑机B工作稳定。打开与气体储存罐13连接的阀门14，使气体进入带有温控系统的高压计量泵2；控制高压计量泵2的温度和压力使气体处于超临界状态；设定高压计量泵2的出口流率，在注塑机B开始注射时打开高压电磁阀3使超临界流体以恒定的压力和流量经过单向阀4、注气法兰20进入环形注气套5；注射中快速向前流动的聚合物熔体带动从环形注气套5进入的超临界流体一同经过静态混合器9、混炼头10、自锁式喷嘴11，使其在自锁式喷嘴11中达到均相体系；在螺杆8的继续推动下，均相体系从自锁式喷嘴11中射出并开始成核；成核的熔体被注入注塑模具12，熔体中的泡孔在注塑模具12中长大，同时熔体在注塑模具12中被冷却定型；开模取出微孔注塑制品。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种超临界流体辅助微孔注塑设备，包括注塑机、喷嘴组件、模具系统及超临界流体计量和输送装置；其特征在于：所述喷嘴组件为混炼型自锁式喷嘴组件，混炼型自锁式喷嘴组件与注塑机通过注气法兰相连接，所述注气法兰与超临界流体计量和输送装置相连接。

2、根据权利要求1所述的超临界流体辅助微孔注塑设备，其特征在于：所述混炼型自锁式喷嘴组件包括静态混合器、混炼头、自锁式喷嘴，静态混合器与注塑机相连接，自锁式喷嘴通过连接套与静态混合器相连接，在自锁式喷嘴的入口处设置有混炼头。

3、根据权利要求2所述的超临界流体辅助微孔注塑设备，其特征在于：所述自锁式喷嘴包括连接头、后顶杆、鱼雷体、前顶杆、喷嘴盖、弹簧，所述连接头设置于自锁式喷嘴与静态混合器相连接的一端，鱼雷体设置于连接头与喷嘴盖之间，在鱼雷体的中轴设置有通孔，前顶杆、弹簧及后顶杆设置于通孔内，前顶杆、后顶杆分别设置于弹簧两端与弹簧相顶接，前顶杆的另一端与喷嘴盖相顶接，将喷嘴盖的喷嘴口压紧封闭；后顶杆的另一端与连接头相顶接，将连接头的轴向孔压紧封闭。

4、根据权利要求2所述的超临界流体辅助微孔注塑设备，其特征在于：所述静态混合器的前后安装有压力传感器和温度传感器。

5、根据权利要求1所述的超临界流体辅助微孔注塑设备，其特征在于：所述注气法兰内安装有环形注气套；环形注气套的外表面开有许多纵横交错的槽，在这些槽中均匀分布小孔，环形注气套的内表面则直接与聚合物熔体接触。超临界流体通过环形注气套上的这些小孔注入聚合物熔体。

6、根据权利要求1所述的超临界流体辅助微孔注塑设备，其特征在于：所述超临界流体计量和输送装置包括气体储存罐、高压计量泵、高压电磁阀、单向阀，气体储存罐与高压计量泵相连接，高压计量泵通过高压电磁阀及单向阀与注气法兰相连接。