專利名稱：擠出發泡用二氧化碳發泡劑計量注入系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高分子泡沫塑料加工用裝置，具體地說，涉及一種擠出發泡用二氧化碳發泡劑計量注入系統。
背景技術：
泡沫塑料是氣體分散于固體聚合物中形成的聚集體，具有質輕、隔熱、緩沖、絕緣、 防腐、價格低廉等優點，因此在日用品、包裝、工業、農業、交通運輸業、軍事工業、航天工業得到廣泛應用。為了得到高發泡倍率的發泡塑料，通常采用低沸點揮發性化合物作為發泡劑，即物理發泡劑，當樹脂受熱時它們揮發，產生大量氣體，使樹脂發泡。常用的物理發泡劑有氯氟烴、含氫氯氟烴、低沸點脂肪烴，如丁烷、戊烷、丙烷等，另外還包括空氣、氮氣、二氧化碳、水等。氯氟烴以及含氫氯氟烴類發泡劑由于破壞臭氧層，引起的環境問題日益引起關注，因此，目前全球范圍內已立法限制使用；而低沸點脂肪烴類由于存在易燃易爆等安全問題，對發泡設備、廠房、產品儲藏及運輸等有嚴格要求，因此環境友好的惰性氣體，如二氧化碳、氮氣、空氣等成為環保型替代發泡劑，使用這類惰性氣體避免了對臭氧層的破壞，且不易燃易爆，降低操作安全性，且成本較低，在泡沫塑料生產領域有廣闊的應用前景。二氧化碳由于無毒、無味、不燃、價格便宜、易得等特點而倍受青睞，且二氧化碳的臨界溫度(31°C )和臨界壓力(7MPa)較容易達到，因此在塑料塑化加工條件下二氧化碳通常處于超臨界狀態。而超臨界二氧化碳既具有液體的密度與介電常數，又具有氣體的低粘度，因此具有高擴散性和溶解性。目前，二氧化碳在熱塑性塑料高發泡制備方面最具發展潛力。作為一種發泡劑，其含量或加入量不僅影響發泡制品的表觀密度、泡孔結構，而且對聚合物熔體粘度及加工溫度有重要影響。如果發泡劑注入量不穩定或均勻，得到發泡制品的密度和泡孔結構將不均勻，進而導致制品的密度、力學性能、保溫性能不均勻，甚至造成制品翹曲變形等嚴重缺陷，因此連續穩定注入發泡劑是得到性能良好的泡沫塑料制品的關鍵。使用二氧化碳作為發泡劑生產泡沫塑料制品時，通常的做法是通過減壓閥從氣體鋼瓶中直接加入，然而，根據此方法，由于在發泡劑加入部分樹脂壓力的波動而導致發泡劑流動速率的波動，結果制品中出現發泡不均勻現象，且當發泡劑加入部分的樹脂壓力高于氣體鋼瓶中的壓力則不可能用此方法加入發泡劑。美國專利US5450743公開了一種往復式柱塞泵，通過設定柱塞在缸體中的位置以及柱塞往復頻率可以將一定流量的二氧化碳液體泵出到色譜柱中。由于色譜柱內液體壓力基本穩定，所以可以連續穩定地泵出需要量的二氧化碳。而對于塑料加工設備，二氧化碳注入口處塑料熔體壓力波動不穩定，而出口壓力波動將導致柱塞泵泵出液體流量波動，因此， 此專利公開的柱塞泵不能用于連續穩定泵送二氧化碳到塑料加工設備中。日本專利特許公報41161/1994提出將帶壓二氧化碳儲存在高于臨界溫度的罐中，再將該帶壓二氧化碳減壓并以9. SMI^a或更高的壓力充入擠出機同時控制其流率。但使用該專利將限制二氧化碳的最大加入量，如果二氧化碳的比率超過2重量％就不能被穩定地加入塑料加工系統中，因此使用該系統很難得到質量均勻穩定的高發泡制品，此外使用該工藝，二氧化碳的流動速率很難控制。中國專利CN99118908. 6公開了一種將超臨界二氧化碳加入塑料成型機中的方法，該方法將二氧化碳從液化鋼瓶充入至預定量輸送泵中，此間通過冷卻介質循環器冷卻二氧化碳，并維持二氧化碳為液化狀態，通過預定量輸送泵將液化二氧化碳壓縮和輸送，并通過壓力控制閥將二氧化碳輸送壓力控制在一定范圍，然后加熱該二氧化碳至二氧化碳的臨界溫度(31°C)以上，將二氧化碳轉化為超臨界二氧化碳，然后將此超臨界二氧化碳加入到塑料加工設備中。該專利公開方法雖然可以保證超臨界二氧化碳以一定的輸送速率加入到塑料加工設備中，但為了保證二氧化碳進入輸送泵中時為液化狀態，該系統需要專門配置一套冷卻循環系統，使用冷卻液冷卻二氧化碳，通常需要冷卻至-25X以下，采用熱絕緣層消除輸送泵內的熱交換，設備結構復雜，且在工作中需要開啟制冷系統，操作工藝復雜且耗費時間和能源，并且不能將由于柱塞泵運動產生的熱量導出，造成缸體內溫度上升，以及二氧化碳被壓縮造成自身溫度上升，這些都可能造成缸體內二氧化碳由于溫度升高而氣化，從而影響柱塞泵的泵送效率和泵出二氧化碳的流量穩定。該實用新型采用柱塞泵和流量計進行泵送和流量的控制，適用于高壓流體(大于15MPa)的流量計不僅價格昂貴，而且只有較少廠家才能根據用戶要求生產，同時流量計需要與柱塞泵之間建立控制關系才能有效地進行反饋控制。中國專利CN20091003^42. 4公開了一種聚苯乙烯擠塑板生產用二氧化碳發泡劑注入裝置及其注入方法，該專利公開的發泡劑注入裝置通過兩個計量泵實現二氧化碳的增壓及計量輸送，該專利裝置和方法雖然采用一級計量泵解決了二氧化碳易氣化的問題，但同樣沒有解決二級計量泵的冷卻問題，且由于塑料加工裝置中二氧化碳注入口處塑料熔體壓力波動將造成二階計量泵出口壓力波動，這些都可能導致二級計量泵泵出效率下降以及泵出二氧化碳流量不穩定，不能由此設備和方法得到品質均勻的塑料發泡制品。
實用新型內容為克服現有裝置中存在的結構復雜、流量不穩定、輸送效率低等技術問題，本實用新型提供一種將二氧化碳連續穩定注入熱塑性塑料加工裝置中的裝置。本實用新型所提供的擠出發泡用二氧化碳發泡劑計量注入系統，包括二氧化碳儲存裝置、泵送裝置，所述二氧化碳儲存裝置與泵送裝置通過管路連通，泵送裝置通過輸出管路與塑料擠出機注氣口相連通，在與泵送裝置出口相連的輸出管路上設有壓力調節裝置，泵送裝置上設有冷卻裝置，冷卻裝置與二氧化碳儲存裝置通過管路相連通；所述泵送裝置為柱塞計量泵或隔膜泵。本實用新型的優選方案是所述泵送裝置設有缸體，冷卻裝置包括設于缸體外周的冷卻腔，冷卻腔設有入口和出口，入口和出口分別通過管路與二氧化碳儲存裝置相連。本實用新型進一步的優選方案是二氧化碳儲存裝置上設有液體出口，液體出口與出口管路相連通，出口管路分為冷卻歧管和輸送歧管，冷卻歧管與冷卻腔相連，輸送歧管與泵送裝置相連。本實用新型再進一步的優選方案是二氧化碳輸出管路上設有截止閥，所述截止閥位于壓力調節裝置與注氣口之間。本實用新型更進一步的優選方案是泵送裝置設有入口、出口，所述入口、出口上設有單向閥。相對于現有技術，本實用新型具有以下優點1、現有技術采用單獨的冷卻系統對柱塞泵進行冷卻，不僅需要消耗大量的能量， 增加一套專用的冷卻裝置，同時對冷卻介質有特殊的要求，通常需要冷卻至_25°C以下才有作用。而本實用新型將冷卻裝置與二氧化碳儲存裝置通過管路相連通，二氧化碳儲存裝置中的液態二氧化碳通過上述管路在二氧化碳儲存裝置與冷卻裝置之間循環，將泵送裝置中的二氧化碳保持在液體狀態，具有設備結構簡單，操作方便的優點。2、本實用新型采用一體的柱塞計量泵或隔膜泵替代現有技術中柱塞泵+流量計進行泵送和流量的控制，具有明顯的優勢，首先適用于高壓流體(大于15MPa)的流量計不僅價格昂貴，而且只有較少廠家才能根據用戶要求生產，同時流量計需要與柱塞泵之間建立控制關系才能有效地進行反饋控制。而實際上根據二氧化碳的相圖，本實用新型所述工藝條件下被泵送介質處于典型的液體狀態，是不可壓縮的，因此采用柱塞計量泵或隔膜泵進行計量是更合理和經濟的技術方案。3、二氧化碳的三相平衡點(氣體、液體和超臨界流體)處壓力大約在7. 8MPa,因此為了確保其處于液體狀態，本實用新型將最低壓力設為lOMPa，同時對于發泡工藝要求來說，通常塑料擠出機的設計壓力為35MPa，如果泵送介質壓力超過擠出機所能承受壓力，有可能會對擠出機系統造成損壞，因此本實用新型所選用的最高泵送壓力為35MPa。4、本實用新型將泵送的二氧化碳液體直接注入塑料擠出機中，由于二氧化碳在整個加工材料體系中的比例較小(低于15% )，由于擠出機內的高壓狀態以及高溫熔體，會在很短的時間內使進入的二氧化碳處于150-200°C和15-35ΜΙ^壓力條件下，二氧化碳處于超臨界流體狀態，因此很容易與塑料熔體進行混合并溶解進入塑料熔體中，快速形成均相溶液。因此實用新型不僅減少了加熱裝置，而且降低了系統壓力增高的風險(因為加熱二氧化碳會引起系統壓力的顯著增加)。綜上所述，本實用新型具有設備結構簡單、操作方便、二氧化碳連續穩定注入等優點，在熱塑性塑料泡沫生產方面具有重要應用。
以下結合附圖對本實用新型做進一步的說明。
圖1是本實用新型結構示意圖。圖2為二氧化碳相圖。圖中，1、二氧化碳儲罐，2、回氣管，3、壓力變送器，4、注氣管路，5、壓力控制閥，6、 熔體止逆閥，7、機筒，8、螺桿，9、傳動系統，10、柱塞缸冷卻腔，11、柱塞泵頭，12、出液單向閥，13、進液單向閥，14、液體輸送歧管，15、出液總管，16、液體冷卻歧管，17、柱塞缸腔，18、 柱塞計量泵，20、液體輸送管，21、流體截止閥。
具體實施方式
按照圖1所示，本實用新型所述二氧化碳連續穩定注入方法，包括以下步驟將液態二氧化碳從二氧化碳儲罐1輸送到柱塞計量泵18，然后通過管路輸送到塑料擠出機的發泡劑注入口。本實用新型所述擠出發泡用二氧化碳發泡劑計量注入系統包括二氧化碳儲罐 1，柱塞計量泵18和壓力控制閥5及發泡劑注入口，柱塞計量泵18泵頭采用夾套結構，夾套內引入來自二氧化碳儲罐1的二氧化碳液體，對柱塞泵缸體進行冷卻，防止缸體內二氧化碳液體氣化，柱塞泵出口通過壓力控制閥5保證柱塞計量泵18出口壓力保持穩定在設定值。具體地說，擠出發泡用二氧化碳發泡劑計量注入系統包括二氧化碳儲罐1，柱塞計量泵18和壓力控制閥5及發泡劑注入口，二氧化碳儲罐1下部液體部分開設有液體出口，液體出口通過出液總管15、液體輸送歧管14和液體冷卻歧管16與柱塞計量泵18相連接，液體輸送歧管14的入口和液體冷卻歧管16的入口與出液總管15相連通。柱塞計量泵 18包括傳動系統9、柱塞泵頭11、柱塞缸、柱塞缸設有柱塞缸腔17，柱塞缸外設有柱塞缸冷卻腔10，液體輸送歧管14出口與柱塞缸腔17入口相連通，柱塞缸腔17入口安裝有進液單向閥13，柱塞缸腔17出口與壓力控制閥5入口通過液體輸送管20相連接，柱塞缸腔17出口安裝有出液單向閥12，壓力控制閥5出口通過注氣管路4與塑料加工裝備上發泡劑注入口相連通，發泡劑注入口安裝有熔體止逆閥6，防止聚合物熔體進入液體管路；壓力控制閥 5與壓力變送器3之間形成閉環控制，以保證柱塞缸腔17出口與回氣管20內的二氧化碳液體壓力值(壓力變送器3測定位置)穩定在一個合理的區間，這樣通過改變柱塞計量泵18 的柱塞行程和/或頻率，就能夠精確控制經過柱塞缸腔17出口的液體流量。液體冷卻歧管16出口與柱塞缸冷卻腔10入口相連通，柱塞缸冷卻腔10上部設置一個出口，該出口通過回氣管2與二氧化碳儲罐1上部相連通，使得柱塞缸冷卻腔10內氣化的二氧化碳通過該出口和回氣管2回到二氧化碳儲罐1。二氧化碳儲罐1內存儲二氧化碳液體，通常液體壓力維持在2. 2MPa (室溫下二氧化碳的蒸汽壓)左右，儲罐垂直放置，靠近底部處有二氧化碳液體出口，通過該出口和流體管道將液體二氧化碳輸送給柱塞計量泵18。為了監測二氧化碳儲罐內的液體含量，二氧化碳儲罐1上可以安裝液位計和壓力變送器，且二氧化碳儲罐1上部安裝有自動放氣閥，當儲罐內壓力超過一定值時，自動放氣閥打開，將氣化的二氧化碳排除以保證儲罐安全。出液總管15的入口與二氧化碳儲罐1液體的出口流體相連通，出液總管15的出口與液體輸送歧管14的入口和液體冷卻歧管16的入口流體相連通。在出液總管15上可以安裝截止閥(圖中未示出)，以控制二氧化碳儲罐1內二氧化碳液體的流動，當截止閥打開時，二氧化碳儲罐1內的二氧化碳液體可以通過出液總管15流動，當截止閥關閉時，二氧化碳儲罐1內的二氧化碳液體不能通過出液總管15流動。液體輸送歧管14可以選擇性地安裝截止閥(未示出)，控制二氧化碳液體通過液體輸送歧管14達到柱塞缸腔17。液體冷卻歧管16可以選擇性地安裝截止閥(未示出)，控制二氧化碳液體通過液體冷卻歧管16達到柱塞缸冷卻腔10。出液總管15、液體輸送歧管14和液體冷卻歧管16均為工業上常用的低溫液體輸送管，較合適為無縫不銹鋼管。出液總管15的長度應盡量短，同時出液總管15及所有連接管路應采取較好的保溫隔熱措施，盡量減少儲罐中出來的液體二氧化碳氣化量。柱塞計量泵18由傳動系統9、柱塞缸冷卻腔10的柱塞缸腔17以及柱塞泵頭11組成。傳動系統9帶動柱塞11在柱塞泵腔17內往復運動，實現對二氧化碳液體的增壓和泵送作用。傳動系統9為工業上通用的可以調節運動速率的電機。液體冷卻歧管16與柱塞缸冷卻腔10流體相連通，將二氧化碳儲罐1內的二氧化碳液體引入柱塞缸冷卻腔10，用于冷卻柱塞泵頭11和柱塞缸腔17，并將柱塞泵頭11往復運動產生的熱量導出，以確保通過液體輸送歧管14進入柱塞缸腔17的二氧化碳保持較低的溫度，處于液體狀態。柱塞缸冷卻腔10上部設置一個出口，該出口通過回氣管2與二氧化碳儲罐1上部相連通，使得柱塞缸冷卻腔10內氣化的二氧化碳通過該出口和回氣管2回到二氧化碳儲罐1。計量和泵送液體時，由于液體具有不可壓縮性，因此從柱塞計量泵18中泵出的液體體積與柱塞缸腔17的容積Vtl和柱塞往復運動的頻率f之間存在如下關系W1 = V0*f* ρW1 單位時間泵送液體質量，即柱塞泵的泵送流率；V0 柱塞缸腔的容積；f 柱塞往復運動頻率；P 液體二氧化碳密度因此，通過調節柱塞缸腔17的大小，即柱塞泵頭11的行程，和/或柱塞泵頭11的往復頻率就可以確定柱塞計量泵18的泵送流率，從而實現對流體的計量和穩定輸出。對于二氧化碳而言，其狀態與溫度和壓力密切相關，二氧化碳相圖如附圖2所示，二氧化碳壓力在2. 2MPa時，溫度低于_20°C高于_50°C時二氧化碳為液態。壓力2. 2MPa時，若溫度高于-20°C，則二氧化碳處于氣態，而氣體具有可壓縮性，氣體的密度與氣體溫度、壓力有關， 隨溫度和壓力變化而變化，不是常量。因此，用柱塞計量泵就不能實現對流體的計量和穩定輸出。對于工業上柱塞計量泵用于二氧化碳計量和泵送時，保證二氧化碳處于液體狀態是穩定計量輸出的關鍵。本實用新型采用從二氧化碳儲罐直接引出二氧化碳液體到柱塞計量泵18的冷卻腔中，用于冷卻柱塞計量泵腔的柱塞缸腔17和柱塞泵頭11，這樣可保證柱塞泵腔內二氧化碳為液體狀態。本實用新型裝置中柱塞缸冷卻腔10的上部開設出口，通過回氣管2將氣化的二氧化碳回流到二氧化碳儲罐1中。液體輸送歧管14出口與柱塞缸腔17入口流體相連通，在流體輸送管路上，柱塞缸腔17入口處安裝進液單向閥13，控制二氧化碳液體從二氧化碳儲罐1進入柱塞缸腔17，阻止柱塞缸腔17內的二氧化碳向二氧化碳儲罐1逆流。柱塞缸腔17出口通過液體輸送管20與塑料加工裝置上的二氧化碳注入口流體相連接，在流體輸送回氣管20上安裝有壓力控制閥5。壓力控制閥5為一壓力調節限制閥， 通過調節壓力控制閥5的開度，可以控制柱塞缸腔17出口與壓力控制閥5之間的液體輸送管20中的流體壓力為某一設定值，當該段管路內壓力超過設定值時，二氧化碳通過壓力控制閥5進入發泡劑注氣口，若該段管路內壓力低于該設定值時，二氧化碳不能通過壓力控制閥5。在柱塞計量泵18與壓力調節閥5之間的液體輸送管20上安裝壓力變送器3，用于監測管路系統20內的壓力，并反饋控制壓力控制閥5的開度，使液體輸送管20內的壓力保持在10 35ΜΙ^之間。若輸送管20內的壓力低于lOMPa，在室溫下二氧化碳容易氣化， 并且形成干冰阻塞回氣管20，若輸送管20內壓力高于35MPa，將一方面造成柱塞計量泵負載增大，泵送效率降低，另一方面對管路密封系統的耐壓等級提出更高要求，造成管路密封及管件連接件成本增加，且設備存在安全隱患。另外，在壓力控制閥5與塑料擠出機上發泡劑注入口之間的管路上安裝流體截止閥21。在二氧化碳泵送系統啟動時，流體截止閥21關閉，以保證泵送系統與塑料擠出機注氣口之間的管路20內能建立壓力，保證泵送出的二氧化碳為液體狀態，當管路20內的液體壓力(壓力變送器3測得的壓力值)達到IOMI^a時，打開流體截止閥，通過調節壓力控制閥 5來保證管道20內的壓力維持在10 35MPa之間。為了保證二氧化碳能夠穩定連續地進入擠出機中，在二氧化碳進入擠出機的入口處，安裝熔體止逆閥6，防止擠出機內高壓的熔體進入到注氣管路4中，發生堵塞。機筒7和螺桿8將固體的聚合物熔融，并將熔融聚合物與液體二氧化碳在高溫和高壓下混合，形成均相溶液后進行發泡成型。本實用新型的泵送裝置除了柱塞計量泵外還可以采用隔膜泵，其優點與柱塞計量泵的類似。與現有技術相比，本實用新型具有設備結構簡單、操作方便、能夠連續穩定注入二氧化碳等特點。
權利要求1.一種擠出發泡用二氧化碳發泡劑計量注入系統，包括二氧化碳儲存裝置、泵送裝置，所述二氧化碳儲存裝置與泵送裝置通過管路連通，泵送裝置通過輸出管路與塑料擠出機注氣口相連通，在與泵送裝置出口相連的輸出管路上設有壓力調節裝置，其特征在于，泵送裝置上設有冷卻裝置，冷卻裝置與二氧化碳儲存裝置通過管路相連通。
2.根據權利要求1所述的擠出發泡用二氧化碳發泡劑計量注入系統，其特征在于，所述泵送裝置設有缸體，冷卻裝置包括設于缸體外周的冷卻腔，冷卻腔設有入口和出口，入口和出口分別通過管路與二氧化碳儲存裝置相連。
3.根據權利要求2所述的擠出發泡用二氧化碳發泡劑計量注入系統，其特征在于，二氧化碳儲存裝置上設有液體出口，液體出口與出口管路相連通，出口管路分為冷卻歧管和輸送歧管，冷卻歧管與冷卻腔相連，輸送歧管與泵送裝置相連。
4.根據權利要求1所述的擠出發泡用二氧化碳發泡劑計量注入系統，其特征在于，二氧化碳輸出管路上設有截止閥，所述截止閥位于壓力調節裝置與注氣口之間。
5.根據權利要求1或3所述的擠出發泡用二氧化碳發泡劑計量注入系統，其特征在于， 泵送裝置設有入口、出口，所述入口、出口上設有單向閥。
6.根據權利要求1所述的擠出發泡用二氧化碳發泡劑計量注入系統，其特征在于，所述泵送裝置為柱塞計量泵或隔膜泵。
專利摘要本實用新型提供一種擠出發泡用二氧化碳發泡劑計量注入系統，其設有二氧化碳儲存裝置、泵送裝置，所述二氧化碳儲存裝置與泵送裝置通過管路連通，泵送裝置通過輸出管路與塑料擠出機注氣口相連通，在與泵送裝置出口相連的輸出管路上設有壓力調節裝置，其特征在于，泵送裝置上設有冷卻裝置，冷卻裝置與二氧化碳儲存裝置通過管路相連通。其具有能夠連續穩定注入二氧化碳的特點。
文檔編號B29C44/34GK202021738SQ20102065459
公開日2011年11月2日 申請日期2010年12月7日 優先權日2010年12月7日
發明者何亞東, 信春玲, 李慶春, 閆寶瑞 申請人:北京化工大學