[发明专利]不连续发泡剂控制引入系统及方法

说明书

技术领域：

本发明涉及高分子泡沫塑料加工，更具体地说，涉及用在高分子泡沫塑料加工中将发泡剂引入高分子材料的系统和方法。

背景技术：

目前，可以使用多种技术对高分子材料进行加工，包括挤出、注塑、吹塑、压延等，其中挤出和注塑为最常用的两种高分子材料加工技术。注塑成型是指在封闭的机筒内高分子材料在热传导或可在机筒内旋转的螺杆塑化作用下，高分子材料熔融，然后在柱塞或螺杆作用下高速高压将塑料熔体注入到已闭合的模具型腔内，经冷却定型得到与模腔相一致的塑料制件的成型方法。几乎所有的热塑性高分子材料可以注塑成型，且80％以上的高性能工程塑料通过注塑成型。注塑成型为一种非连续性的生产工艺过程。在一个注塑周期内，包括螺杆旋转塑炼高分子材料，并将塑化好的高分子材料输送到螺杆前端的储料腔内，以及螺杆停止旋转，将储料腔内塑化好的高分子材料注射入模具型腔等工艺过程。为了进一步降低高分子制品的重量，节约成本，降低注塑制品的收缩率及改善翘曲变形，可以将物理发泡剂引入注塑螺杆内的高分子熔体，通过螺杆的混炼作用形成高分子熔体/发泡剂均相溶液，将均相溶液注入模具型腔，冷却定型后制备高分子材料发泡制品。特别是对于高结晶性高分子材料，或价格昂贵的工程塑料，采用发泡注塑工艺降低成本和改善制品性能尤其适合。在发泡注塑工艺过程中，由于螺杆旋转和对高分子材料的塑化是不连续的操作过程，因此，为了得到均匀的发泡制品，要求发泡剂的引入速率需与注塑螺杆的旋转运动相匹配，且为不连续引入过程。许多传统的发泡剂引入系统把发泡剂连续地引进机筒内的高分子材料，这种连续的引进系统可能在注入高分子材料的发泡剂的百分比上缺乏控制，而且可能导致发泡剂在高分子材料中的不均匀分布。发泡剂的不均匀分布可能导致在注塑机中的高分子材料的粘度变化，这对生产稳定性和制品质量保证带来问题。

Trexel公司2000年2月申请的专利号为US6602063B1，名称为“discontinuous blowing agent diliversy system and method”的专利中公开了一种包括可限制发泡剂固定剂量的柱塞缸和活塞，连接气源和注入的管路系统及若干截止阀的不连续发泡剂引入系统，利用这种系统通过截止阀的通断可以实现发泡剂不连续注入到高分子材料加工过程中(如注塑和吹塑)，发泡剂的加入速率依据测定的柱塞缸内气体的温度和压力值，经控制系统分析计算后控制活塞的运动速率从而控制发泡剂的注入速率。由于物理发泡剂(特别是N₂、CO₂、超临界流体)的分子量较小，气体流动速率非常快，在截止阀打开瞬时，由于压差，柱塞缸内封闭的发泡剂会很快被引入高分子熔体中，采用这种工艺过程非常难于精确控制气体的引入速率。该公司2001年2月申请的专利号为US6926507B2，名称为“blowing agent dilivery system”的专利中公开了一种包括旁路系统的发泡剂引入系统，通过通断旁路阀实现发泡剂的非连续注入，但是不能实现注入发泡剂的准确计量和注入速率控制。Trexel公司2002年10申请了专利号为US7144532B2，名称为“blowing agentintroduction system and method”，以及2000年8月申请的专利号为US6616434B1，名称为“blowing agent introduction system”的专利中公开了一种包括一个集气罐、一个压力调节阀、一个压力测量装置以及一个可以通过输入和输出信号控制压力调节阀调节集气罐内压力大于注塑机内压力的控制系统，以及利用该控制系统将发泡剂引入高分子材料加工过程的发泡剂引入系统和方法。该专利公开的发泡剂引入系统和方法，通过调节集气罐内的压力，以及确定的集气罐体积，来实现引入发泡剂量的准确控制。在该发泡剂引入系统及方法中，集气罐出口和/或入口的通断阀关闭和/或打开一次为一个注气周期，在一个注气周期内只能一次将集聚在集气罐内的发泡剂注入注塑机内的高分子熔体中，如果在注塑机的一个塑化周期内一次性地将集聚在集气罐内的发泡剂引入到高分子熔体中，由于气体的扩散速度非常快，如对于N₂，当集气罐内压力与高分子熔体压力比为2时，将11.5g N₂引入高分子熔体的时间只有1.0×10^-6ms，而对于注塑等不连续加工工艺来讲，一个塑化周期的时间一般为1～10s，这样就不能保证在整个塑化周期内气体被均匀引入，造成局部气体浓度高，初始的混合靠螺杆剪切完成后，后续塑化的熔体只能在储料腔内依靠气体的扩散作用，达到高分子熔体/发泡剂均相溶液，这将需要很长的时间。这样就会造成储料室内气体与熔体的不均匀分布，局部气体浓度高，无法完全溶解在熔体中，而局部不含发泡剂，从而影响制品的均匀性和生产工艺的稳定，所以该技术方案只适用于小的注塑机上，螺杆直径在40mm或以下的注塑机上；另外该气体引入系统和方法还公开了一种技术方案，即在一个注塑周期内，进行两次或两次以上集气和注气过程，试图解决上述的不足，这样就需要在一个塑化周期内多次启动和停止增压器，并同时配合多次打开和/或关闭集气罐入口和/或出口的通断阀，但由于通常注塑机的塑化周期小于30秒，甚至小于10秒，如果在一个塑化周期中要实现多次气体增压、引入等步骤就对发泡剂引入系统的增压器的动态响应过程的压力调节精度、通断阀动作精度及控制系统的控制精度等提出了非常高的要求，这样无疑增加了该气体引入系统中增压器的加工精度、电控精度，通断阀动作响应精度以及控制系统的要求，从而增加了整套气体引入系统的复杂性和生产成本，并且通常气体增压达到稳定的时间需要10～20秒，所以该技术方案实施存在相当大的困难。