（机械工程专业论文）超临界流体发泡注塑注气系统研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t p 3 0 5 学科分类号 4 6 0 2 5 论文编号 10 0 10 2 0 12 0 0 2 8密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 赖进枝 学号 2 0 10 0 10 0 2 8 获学位专业名称机械工程获学位专业代码 0 8 5 2 0 1 课题来源 企业委托研究方向 工业自动控制 论文题目超临界流体发泡注塑注气系统研究 关键词超临界流体，发泡剂，注塑机，p l c ，流量限制 论文答辩日期 2 0 1 2 - 5 - 3 0 + 论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师何亚东研究员、博导北京化工大学聚合物加工 评阅入1李国昌高工北京燕山石化公司机械设备 评阅人2闰宝瑞高工北京化工大学机电控制 答辩委员会主席王华庆教授、博导北京化工大学故障诊断 答辩委员1李国昌 高工 北京燕山石化公司机械设备 答辩委员2薛平研究员、博导北京化工大学聚合物加工 答辩委员3 何立东研究员、博导北京化工大学动力机械 答辩委员4 颜廷俊 教授北京化工大学石油机械 答辩委员5张东胜副教授 北京化工大学工程测试与测量 征：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在( 中国图书资料分类法查询 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 - 9 ) ( ( 学科分类与代码中查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 超临界流体发泡注塑注气系统研究 摘要 超临界流体( s u p e r c r i t i c a lf l u i d ) 是一种同时处于临界压力( p c ) 及临界温度( t c ) 以上的特殊流体，具有异于气体或液体状态下的独特 性能。利用超临界流体，特别是超临界状态下的惰性气体，作为物理 发泡剂应用于发泡注塑成型工艺中，可以生产出泡孔微小致密且部分 力学性能得到提高的微孔塑料，同时达到节能降耗的效果。微孔塑料 注塑成型过程中将作为发泡剂的超临界流体通过注气系统的精确控 制和质量计量引入机筒中的熔融高聚物中，并与之形成均一单相溶 液，之后产生瞬时压降形成泡核，泡孔长大并最终冷却定型。该成型 过程中，超临界流体发泡剂注入质量及注入方式等因素对最终制品性 能有着关键性的影响。本课题的目的在于根据微发泡注塑成型技术对 超临界流体注气系统的特殊要求及高压状态下超临界流体的特点，设 计出适于进行微孔发泡注塑成型的超临界流体注气系统。 本文先是通过分析现有发泡剂注气系统并根据微发泡注塑成型 过程对超临界流体发泡剂注入系统的要求，设计了超临界流体发泡注 塑注气系统在两种不同注气方式下的总体方案，分别为脉冲式分段注 入方式和限流式周期性连续注入方式。其次，选用s 7 2 0 0 系列p l c 作为系统控制核心，并增加模拟量输入输出扩展模块e m 2 3 5 等用于 成型过程中的模拟量数据的采集及处理，完成了两套注气系统的硬件 北京化工大学硕士学位论文 设计以及相应控制程序的编写。选用西门子s m a r t7 0 0 触摸屏作为人 机交互平台，并根据系统控制需求对其进行了界面编程组态。在搭建 限流式周期性连续注入系统平台进行实验之前，还对该注入方式中的 关键部件流量限制元件，进行了软件模拟及实验验证，设计出了 满足系统要求的限流元件，并总结出了适于本研究条件下的计算限流 元件质量流率的经验公式。最后，对发泡剂注入工艺进行了研究，并 对所设计两套注气系统的注气稳定性及制品减重稳定性等进行了实 验研究和分析对比。 关键词：超临界流体，发泡剂，注塑机，p l c ，流量限制 摘要 r e s e a r c ho nt h es u p e r c i u t i c a lf l u i d i n j e c t i o ns y s t e mf o rf o a m i n gi n j e c t i o n m o l d i n g a b s t r a c t s u p e r c r i t i c a lf l u i di s as u b s t a n c ew h i c hi si nas t a t eb e y o n db o t h c r i t i c a lp r e s s u r e ( p c ) a n dc r i t i c a lt e m p e r a t u r e ( t c ) ，i th a st h ep r o p e r t i e s t h a ti sd i f f e r e n tf r o me i t h e rg a ss t a t eo rl i q u i d u s i n gs u p e r c r i t i c a lf l u i d s ， e s p e c i a l l yt h o s ep e r m a n e n tg a s e sw h i c ha r ei ns u p e r c r i t i c a ls t a t e ，a s p h y s i c a lb l o w i n ga g e n t ，m i c r o c e l l u l a rp l a s t i c sw i t hs m a l l e rc e l ls i z ea n d s o m ek i n d so ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si m p r o v e dc a nb ep r o d u c e d ， m e a n w h i l e ，s a v i n gt h ee n e r g ya n dm a t e r i a lo nf o a m i n gi n j e c t i o nm o l d i n g p r o c e s s i nt h em i c r o c e l l u l a rf o a m i n gp r o c e s s ，t h ep e r m a n e n tg a si n s u p e r c r i t i c a lf l u i ds t a t ei sp r e c i s e l yc o n t r o l l e da n dm e a s u r e db yt h es c f a g e n td e l i v e r ys y s t e mt oi n j e c ti n t ot h em e l tt h r o u g ht h eb a r r e l ，a n dt h e n f o r m sas i n g l ep h a s es o l u t i o nw i t ht h ep o l y m e rm e l t w h e nar a p i da n d g r e a tp r e s s u r ed r o po c c u r s ，l a r g en u m b e r so fn u c l e a t i o ns i t e sa r ef o r m e d ， a n dt h e nt h ec e l l sa r ee x p a n d e db yt h ed i f f u s i o no ft h eg a si n t ot h e b u b b l e su n t i lt h em e l tc o o l sd o w n i nt h ef o a m i n gp r o c e s s ，t h eq u a l i t yo f s u p e r c r i t i c a lf l u i da g e n ti n j e c t e di n t ot h em e l t ，a sw e l la st h ei n j e c t i o n m e t h o d ，h a sac r u c i a li m p a c to nt h ef i n a lp r o d u c t p e r f o r m a n c e t h e 北京化工大学硕士学位论文 p u r p o s eo ft h i ss u b j e c ti st od e s i g nt h es u p e r c r i t i c a lf l u i da g e n ti n j e c t i o n s y s t e mt h a ti ss u i t a b l ef o rm i c r o f o a mi n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sb a s e do n t h er e q u i r e m e n t so fm i c r o c e l l u l a rf o a m i n gp r o c e s sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h es u p e r c r i t i c a lf l u i du n d e rh i g hp r e s s u r e f i r s t l y , b ya n a l y z i n gt h ee x i s t i n gb l o w i n ga g e n ti n je c t i o ns y s t e ma n d t h er e q u i r e m e n to fm i c r o c e l l u l a ri n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s ，s c fi n j e c t i o n s y s t e mi nt w od i f f e r e n ti n je c t i o nm e t h o d sw e r ed e s i g n e d ，o n ew a st h e s e g m e n t e dp u l s ei n je c t i o nm o d e ，a n dt h eo t h e rw a sp e r i o d i cc o n t i n u o u s f l o wr e s t r i c t e di n j e c t i o nm o d e s e c o n d l y , s i e m e n ss 7 2 0 0s e r i e sp l cw a s u s e da ss y s t e mc o n t r o l l e r , a n dt h ea n a l o gi n p u ta n do u t p u te x p a n s i o n m o d u l e se m 2 35w e r es e l e c t e dt oc o l l e c ta n dd i s p o s et h ea n a l o gd a t af r o m t h ep r o c e s s ，t h e nt h ed e s i g no fo t h e rh a r d w a r ea n dt h ec o m p i l i n go ft h e c o n t r o l p r o g r a m w a s c o m p l e t e d m e a n w h i l e ，s i e m e n s s m a r t7 0 0 t o u c h p a dw a ss e l e c t e da sap l a t f o r mf o rh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，a n d c o n f i g u r e dt h ei n t e r f a c ea c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ei n je c t i o n s y s t e m b e f o r es e t t i n gt h ep e r i o d i cc o n t i n u o u sf l o wr e s t r i c t e di n j e c t i o n s y s t e m ，t h ef l o wr e s t r i c t o r , w h i c hw a so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so f t h i s s y s t e m ，s h o u l db es i m u l a t e da n dd os o m ev e r i f i c a t i o ne x p e r i m e n t s ，o n l y b yt h i sw a yc a nt h ef l o wr e s t r i c t o rd e s i g n e dm e e tt h es y s t e mr e q u i r e m e n t s ， m e a n w h i l e ，s u m a r i s i n gt h ee x p e r i e n c ef o r m u l af o rt h em a s sf l o wr a t e c a l c u l a t i o no ff l o wr e s t r i c t o rw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h i sk i n do fs t u d y c o n d i t i o n f i n a l l y , t h es c fi n je c t i o np r o c e s sw a ss t u d i e da n dt w os e t so f i v 摘要 t h es u p e r c r i t i c a lf l u i di n j e c t i o n s y s t e m sw e r eu s e d o nt h ei n j e c t i o n m o l d i n gm a c h i n et om a k ep r o d u c t s ，a tt h es a m et i m e ，a n a l y z i n gt h e a p p l i c a t i o ne f f e c t so ft h ei n je c t i o ns y s t e m sa n dc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h e s et w os y s t e m s k e y w o r d s ：s u p e r c r i t i c a lf l u i d ，b l o w i n ga g e n t ，i n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e ，p l c ，f l o wr e s t r i c t e d v 原书空白页 不缺内容 目录 目录 第一章绪论1 1 1 引言l 1 - 1 1 超临界流体发展历程及应用现状1 1 1 2 超临界流体微孔发泡注塑成型技术的发展历程2 1 2 超临界流体微孔发泡注塑机与常规注塑机的区别3 1 3 超临界流体微孔发泡注塑基本工艺过程4 1 4 微孔发泡注塑成型技术研究现状4 1 4 1 微孔发泡注塑成型技术及特点4 1 4 2 常见发泡剂引入系统构成6 1 4 3 微发泡注塑成型超临界流体发泡剂输送系统研究现状9 1 5 节流元件研究现状1 2 1 6 论文的研究内容15 1 6 1 研究内容15 1 6 2 技术方案1 6 1 6 3 实施方案所需要的条件17 1 6 4 拟解决的关键问题1 7 第二章超临界流体发泡注塑注气系统总体设计1 9 2 1 引言19 2 2 超临界流体发泡剂输送系统设计一1 9 2 2 1 微孔发泡工艺中发泡剂的选择1 9 2 2 2 泵送系统的选择2 0 2 2 3 发泡剂注射装置的选择2 2 2 2 4 限流式周期性连续注入注气系统构成2 5 2 2 5 脉冲式分段注入注气系统构成2 7 2 3 流量限制单元设计一2 8 2 4 控制系统设计一2 9 2 5 本章小结3 0 v i i 北京化工大学硕士学位论文 第三章流量限制元件模拟及实验研究3 1 3 1 引言31 3 1 1 流量限制原理3l 3 1 2 计算流体动力学( c f d ) 技术介绍3 1 3 2 流量限制元件模拟一3 2 3 2 1 流道建模一3 2 3 2 2 网格划分3 4 3 2 3 模型模拟边界条件及相关参数设置3 5 3 3 仿真结果分析3 5 3 3 1 质量流率变化情况3 6 3 3 2 压力分布情况。3 8 3 3 3 流体流动情况分析3 8 3 4 实验研究一4 0 3 4 1 实验系统原理及构成4 0 3 4 2 实验内容、方法、结果及分析4 0 3 5 实验结果与模拟仿真结果对比分析一4 2 3 6 流量限制元件质量流率计算公式拟合4 3 3 7 本章小结4 4 第四章控制系统设计4 5 4 1 引言4 5 4 2 硬件设计一4 5 4 2 1p l c 及特殊功能扩展模块的选型一4 6 4 2 2 人机界面的选型4 7 4 2 3 传感器的选型一4 8 4 3 控制系统软件设计51 4 3 1p l c 程序设计5 2 4 3 2 人机界面编程组态5 6 4 3 3 数据采集界面及程序编写：6 1 4 4 本章小结一6 2 v i i i 目录 第五章注气系统发泡剂注入方案设计及其应用研究6 3 5 1 引言6 3 5 2 注气系统发泡剂注入工艺研究6 3 5 2 1 超临界流体发泡剂注入质量百分比一6 3 5 2 2 超临界流体发泡剂注入压力6 4 5 2 3 发泡剂注入时间及位置一6 6 5 2 4 熔体压力与设定背压关系6 7 5 3 两种不同注入方式注气系统对比分析一6 8 5 3 1 注气稳定性一6 8 5 3 2 制品减重稳定性对比分析7 0 5 4 脉冲式注气系统在超临界流体微孔发泡注塑成型中的应用研究7 1 5 5 限流式注气系统在超临界流体微孔发泡注塑成型中的应用研究7 4 5 6 本章小结7 7 第六章结论7 9 6 1 结j 沧7 9 6 2 课题有待进一步研究的问题8 0 参考文献8 l 致谢：8 5 研究成果及发表的学术论文一8 7 作者和导师简介一8 9 i x c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 一1 1 1f o r e w o r d 1 1 1 1c u r r e n ts i t u a t i o no f s u p e r c r i t i c a lf l u i d 1 1 1 2h i s t o r yo f m i c r o c e l l u l a rf o a mi n j e c t i o nm o l d i n g 2 1 2d i 行b r e n c eb e t w e e nt r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ea n dm i c r o c e u u l a rf o a m i n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e j 1 3p r o c e s so f m i c r o c e l l u l a rf o a mi n j e c t i o nm o l d i n g 4 1 4 一4 时m = l ；当m 处于两者之间时，则m = 0 5 1 。 冯利峰【3 8 】等人对内径小于2 m m ，长径比在3 2 0 范围内的短管节流流量特性 实验研究中发现，在节流短管机械尺寸对流量的影响中，增加长度则流量相应减 少，尤其是在管的长度较短情况下更明显而长度较长时则影响变的很小：短管的 入口倒角则会很明显地影响短管流量，有倒角的短管能够减轻流体在入口处的不 可逆损失而出口倒角则对流量影响不大；短管直径对流量有着显著的影响，实验 数据表明，其他参数相同条件下，流量随着短管内径的增加大约成2 2 5 次方关 系增加。文献中作者还拟合了n 2 在节流短管中小压差下的流量计算公式，如式 ( 1 3 ) 所示。 q = 1 3 9 d 1 一( 1 - 3 ) 陈江平【3 9 1 等在研究跨临界二氧化碳通过节流孔径为0 8 3 1 3 6 n n 的节流短管 的流量特性中，根据实验中的数据拟合出流量q 随短管直径d 的变化呈指数关 系，且指数值为2 7 3 左右。朱志宏【4 0 】等在测量微量气体时采用内径为o 6 m m 的 毛细管缠绕成螺旋管作为阻力元件，并测得通过该阻力元件的c o z 和n 2 的压差 与流量呈二项式关系。 张n t 4 1 】等在对文丘利管、圆缺孔板、翼型、锥形等节流元件的实验研究中发 现，这几种类型的元件两端所测得的压差p 与其体积流量q 的关系。从图1 - 2 中四种不同类型的限流元件两端的压差随流量的变化关系可以看出，在相同的流 量条件下所需压差最大的为圆缺孔板而最小的为文丘利管。同时他们在实验中还 发现对流量进行控制时，圆缺孔板的差压误差较小，也即说明圆缺孔板的控制精 北京化工大学硕士学位论文 度相对来说高于其他三种。从他们的实验中我们也可以反过来得出，对于同一压 差条件下，圆缺孔板的流量限制效果最好。 2 l o - 】_ 史藏利管 - ( ) - 嘲缺孔板 9 - 鼹勰激流 卅 锥形限流 夸夕 卢 r - 尹 p 。誓 、 ：d安叠 勰萨 l o 2 03 04 0 妥喊m 3 ；s ) 图1 - 2 四种节流装置的压差随流量变化趋势图【4 1 】 f i g 1 2d i a g r a mo ff o u rk i n d so ft h r o t t l eu n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r e t 4 1 】 除了以上所述兼具流量限制作用的常规节流元件的研究以外，也有一些专门 用于流量限制的元件。 美国m o t t 公司生产的精密多孔金属流量限制元件具有可靠、性价比高， 能够代替孔板、毛细管或微调阀等特点。实际上，这种多孔金属流量限制元件是 由许多微小空洞构成的多孔装置，会形成大量的随机路径。通常情况下，多孔金 属流量限制元件的节流面积是等效孔板的5 0 0 倍左右。 这种多孔金属流量限制元件与常规节流孔板式限流相比有许多优点。首先， 多孔金属流量限制元件中气体是通过数百个微孔而不是一个来降低气体的出口 速度。由于气体和颗粒通过元件的速度变慢了，所以多孔金属限流元件能够减少 磨损，延长寿命；其次，由于气体和颗粒会侵蚀和扩大孔洞，流量则随着尺寸的 增大而成比例增加。由于多孔金属中较低的流速及有效地减少了侵蚀，使得这些 物理变化得以减少，从而实现更稳定、更可靠的流量限制。此外，来自外界的单 个颗粒可以轻易堵塞孔板，而多孔金属则能够在流量被影响之前承受明显的微粒 累积，较低的气体流速及较高的载体表面积使得气体能够绕过障碍物继续流动， 并且由于粘度所产生的摩擦达到最小，对于普通孔板而言，速度、压力及热量等 都由于气体通过单一孔板所产生的磨损而变大。此类多孔金属流量限制元件已经 1 4 第一章绪论 在许多领域有所应用，比如呼吸装置中的气体流量控制、液态药品的流量控制、 气体色谱分析中的流量控制、麻醉机等设备中的安全装置、气体与饮料等的混合、 太空探索器中的燃料计量等。 图1 3 多孔金属流量限制元件示意图 f i g 1 - 3d i a g r a mo ft h ep o r o u sm e t a lf l o wr e s t r i c t o r 1 6 论文的研究内容 微发泡注塑成型技术作为一项比较新的材料加工技术，利用其所生产出来的 微孔发泡制件能够在基本保持其原有力学性能的前提下比实体制件减重量达到 1 0 以上，与此同时又可以降低制件的翘曲和变形问题、防止出现收缩痕，还能 减少注塑成型周期，并可用于生产壁面更薄的制品，正由于微发泡技术具有的这 些特点，使得它在聚合物加工领域，特别是注塑成型领域中发挥越来越重要的作 用。因此，对微孔发泡注塑成型技术的研究也必定越来越深入，而超临界流体发 泡注塑注气系统更是该技术的关键部分，因为注气系统通过发泡剂的注入量、注 入位置、注入时间以及注气压力和温度的控制等因素将直接影响着制品的减重、 制品中泡孔的形态及分布，并最终决定了制品的性能，因此对超临界流体发泡剂 注气系统的研究必然成为微发泡注塑成型技术中的一个重要课题。 然而，由于工艺条件的需求，超临界流体发泡剂在注气系统中处于高压状态 下，因此要对其进行精确地计量控制变得更加困难，对发泡剂计量系统的研究还 不是很成熟，这也成为影响微孔发泡注塑成型技术得以广泛应用的重要因素之 一。因此，对超临界流体发泡剂注入系统进行研究，从而设计出控制性能优良的 注气系统有着重要的意义。 1 6 1 研究内容 本课题将对微发泡注塑成型技术特别是s c f 发泡剂注气系统进行研究，通 北京化工大学硕士学位论文 过研究微发泡注塑成型过程对微发泡注气系统的要求，并对超临界流体发泡剂注 入系统中的控制装置、控制方法等关键问题进行研究，从而设计出能够用于微孔 发泡注塑成型工艺的s c f 发泡注塑注气系统。具体工作有下面几个方面： ( 1 ) 分析现有发泡剂注气系统并对微发泡注塑工艺中超临界流体发泡剂注 气系统的各参数对成型过程的影响进行研究； ( 2 ) 根据前人研究及实际情况设计超临界流体发泡注塑注气系统在两种不 同注气方式下的总体方案； ( 3 ) 利用p l c 作为系统控制核心，并对模拟量输入输出扩展模块进行选型， 用于成型过程中的模拟数据的采集及处理，完成两套注气系统的硬件设计以及控 制程序的编写； ( 4 ) 对系统所需人机交互平台进行选型，并根据系统控制需求对其进行界 面编程组态； ( 5 ) 对限流式注气系统中的流量限制元件进行软件模拟及实验验证，设计 出满足系统要求的限流元件； ( 6 ) 对数据采集板卡进行接线设计及软件编程，设计出满足课题研究所需 的数据采集系统； ( 7 ) 对注气系统注气工艺进行研究，并将两套注气系统与注塑机联机运行， 用于实际制品生产中，分析各注气相关参数对发泡剂注入质量稳定性及制品性能 的影响并对两套注气系统进行对比分析。 1 6 2 技术方案 为了对设计出符合工艺所需的超临界流体发泡剂引入系统，需要首先弄清楚 微孔发泡注塑成型过程对s c f 注气系统的性能要求，并对现有的发泡剂引入系 统进行分析，找出其优缺点，然后，在此基础上根据实验室条件及硬件需求，设 计超临界流体发泡剂引入系统，并根据设计出的系统搭建实验平台，并进行相应 的实验。主要包括： ( 1 ) 根据控制要求，设计整个注气系统的控制原理及其实现方式。 ( 2 ) 通过硬件的选型、设计及安装调试，基于p l c 、触摸屏、流量限制元 件、特制注气喷嘴、气动速断阀及各类相关传感器等硬件搭建起s c f 注气系统 硬件平台。 ( 3 ) 在以上所设计硬件平台下，通过软件的编程组态及调试，实现根据注 塑工艺对发泡剂控制系统的控制性能要求，并根据实验需要，通过编程实现改变 注气次数、注气质量、注气位置、气动阀启闭时间等控制需求。同时通过对人机 1 6 第一章绪论 界面的编程组态实现其与p l c 的实时通讯，并可完成对发泡剂引入系统的参数 设置及监控。 ( 4 ) 同时利用数据采集卡对实验过程中的数据实时监控、并进行数据采集、 分析，为控制系统的设计及软件编程提供参考，并可对实际控制效果进行验证。 1 6 3 实施方案所需要的条件 经过改进的适于进行微发泡注气系统改造的螺杆往复式注塑成型机1 台， 1 5 0 吨左右；氮气增压系统一套；p l c 及其特殊功能扩展模块一套；数据采集板 卡及相关附属部件一套；上位机一台；压力、位移传感器若干；电磁阀、速动阀、 减压阀、流量限制元件等超临界流体控制元件若干；调试用计算机一台；人机界 面组态软件、p l c 编程调试软件及数据采集分析软件等。 1 6 4 拟解决的关键问题 ( 1 ) 氮气在超临界流体状态下的流量控制问题，通过对流量限制元件的流 量限制情况的分析，将其应用于发泡剂控制系统中，从而为超临界流体发泡剂的 计量提供良好的基础。 ( 2 ) 发泡剂计量问题：由于发泡剂受到温度、压力等参数的影响，因此每 次注入发泡剂的剂量就有可能产生不一致的问题，严重影响了微孔发泡产品的质 量。因此，利用理想气体的p v t 方程，通过编写p l c 程序，计算每次注入的发 泡剂剂量是非常重要的。根据前人实验经验可知，在以氮气为发泡剂的微发泡注 塑成型过程中，温度对整个发泡剂剂量影响并不明显，因此，本课题中将忽略温 度因素。 ( 3 ) 注气工艺设置问题：在不改变注塑机本身正常运行的情况下，使得注 气位置、注气时间及注气次数等与注塑机的周期相协调，并使得控制系统能根据 注塑机各参数如储料长度、熔体压力等的变化自动地改变控制参数，以适应不同 注塑机或同一注塑机不同周期下的控制需求。 ( 4 ) 注气系统的运行稳定性问题：注气系统每次注气的性能很重要，但作 为一个周期工作的非连续性过程，各周期之间系统控制及注气稳定性等显得尤为 重要，而这也正是本课题急需解决的关键性问题之一。 ( 5 ) 系统中各设备之间的协调及通讯问题：在不改变注塑机任何运行特性 的情况下，使注气系统更智能地适应加工成型过程，同时采用适当的通讯方式， 实现p l c 与传感器、数据采集卡及人机界面的实时通讯，满足系统控制需要。 1 7 原书空白页 不缺内容 第二章超临界流体发泡注塑注气系统总体设计 第二章超临界流体发泡注塑注气系统总体设计 2 1 引言 超临界流体发泡剂需要在注塑机注塑成型过程中的塑化阶段注入机筒内的 熔融物料中，由于注塑机的成型过程是周期性的循环过程，因此超临界流体发泡 剂的引入过程也是一种非连续的循环过程，而发泡剂气源本身只能连续地向外输 送发泡剂，所以必须利用特定装置对所使用的超临界流体进行控制，实现非连续 性注入。 2 2 超临界流体发泡剂输送系统设计 2 2 1 微孔发泡工艺中发泡剂的选择 要对超临界流体发泡剂输送系统进行设计，首先得了解物理发泡剂的基本属 性。在发泡行业里，已有很多不同的气体被用作物理发泡剂使用了很长时间，比 如氮气，二氧化碳，甚至是空气。同时也有研究人员在实验室中对一些惰性气体 进行相关测试，如氩气，氦气和氢气等，但它们目前为止暂时都无法形成有效地 商业化应用。我们生活中最常见的水也是一种很有发展前景的发泡剂源，然而， 目前为止，对于包括微孔注塑在内的所有发泡行业而言，只有二氧化碳和氮气是 目前使用最广泛的物理发泡剂。 n 2 作为廉价、不易燃且无毒的气体，可以很容易从空气中获得，是一种惰 性气体，所以它是对环境无污染的发泡剂，可以用以取代一些消耗臭氧的化学发 泡剂。一般钢瓶中压缩n 2 压力范围在1 3 8 2 0 7 m p a 之间，而液态氮通常以液体 状态存储在1 9 6 的杜瓦瓶中，对于大流量氮气的应用中首选低温氮。然而，在 实际使用过程中，氮气需要从液态升温至变成气态，而且气体的温度将会在输送 计量过程中在注入机筒之前温度就恢复到室温左右。换句话说，除了在贮存设备 上，作为发泡剂的n 2 总是以气态形式存在于气体输送设备中。总之，即使n 2 不是大多数技术应用中的首选，也至少应该是很多技术应用的首选，因为它能形 成更加均一的微孔制品。 c 0 2 在一些特殊情况下，比如当首要考虑因素为气体扩散速率或粘度的情况 下非常有用。c 0 2 与n 2 类似，是一种理想的发泡剂，而且它同样价格低廉、惰 性、环境友好且极具吸引力。然而，二氧化碳有一些固有的的工艺问题，比如其 1 9 北京化工大学硕士学位论文 临界点相对较低为3 1 和7 3 8 m p a ，超过此临界点的二氧化碳将变成气体状态。 不过在输送系统中，它可以以气态或液态形式存在着，n 2 和c 0 2 的主要相关参 数如下表2 1 所示。 从上面对两种应用最广泛气体的基本比较中可以看出，两者各有优劣。由于 n 2 对所生产制品的壁厚无特别要求，且其发泡制品的泡孔微小而均匀，故结合 实际情况本课题中选择n 2 作为注塑成型用物理发泡剂。 表2 - 1n 2 和c 0 2 的相关参数h 2 】 t a b l e2 - 1s o m ep a r a m e t e r sr e l a t e dt on 2a n dc 0 2 【4 2 】 表2 22 0 0 。c ，2 7 6 m p a 下聚合物熔体中的最大气体溶解度m 1 t a b l e2 - 2m a x i m u m g a ss o l u b i l i t yi np o l y m e rm e l tu n d e r2 0 0 。c 2 7 6 m p a 【4 2 】 2 2 2 泵送系统的选择 有些情况下用于发泡成型工艺的加压气体发泡剂会预先准备好，但对于长期 稳定的发泡过程来讲，增压泵需要比普通厂商所提供的标准储气罐具有能在更高 压力下存储更大体积的能力。实际应用中主要有液体泵送系统和气体泵送系统两 种不同类型可供选择。下面将对这两种泵送系统进行讨论。 2 2 2 1 液体泵送系统 液体泵送系统仅适用于气源为二氧化碳的情况，而且这并不是一项新技术， 包括t r e x e l 公司和三井等不同的公司都对它进行了改进及再开发蚴。使用液体 二氧化碳泵送系统的主要优点在于可以轻松测出液态二氧化碳的质量流量。这种 液体计量的特点使得我们能够将超临界流体的剂量控制在非常低的质量百分比 内。设备的基本设计包括用以在整个系统中保持液态二氧化碳直到其离开计量装 2 0 第二章超临界流体发泡注塑注气系统总体设计 置的制冷设备、液体泵、系统压力调节器以及s c f 流量计量装置。液体泵应具 有良好的性能且能同时实现以下两种功能：a 、将二氧化碳液体压缩至s c f 状态 下；b 、通过调节泵的行程对流体质量流率进行控制。 二氧化碳不同于其他气体，它在半低温液体状态下容易相变的特点可能会使 加工条件产生巨大变化，所以为了防止这种情况必须保证冷却系统始终都工作在 良好的状态下，但是制冷设备不但增加了成本还使得整个过程变得更加复杂。因 此，冷却系统所需成本超过了因液体计量相对简单所节约的成本。这也是液体泵 送系统没能成为商业化的s c f 输送系统的主要原因之一。 液体泵送系统无法应用在液氮输送过程中，因为氮气变成液体的温度得降低 至零下1 9 6 。由于氮气是发泡行业里常用的发泡剂，这也便成为液体泵送系统 不能成为商业微孔注塑设备的另一个原因。 2 2 2 2 气体泵送系统 气体泵送系统就像普通空气压缩机一样不需要任何制冷设备，而且有各种不 同类型的泵可供选择使用。微孔注塑成型中常用的泵是两级泵，它是由空气驱动 的气体增压装置。图2 1 中的单级气泵原理图说明了这一概念，该图显示了气体 增压时所处的位置。这种气体增压设备的主要原理为：大直径的气动缸1 给小直 径活塞腔2 中的气体增压，单向阀3 由于压力增大而关闭，单向阀4 打开使加压 气体流进高压储气罐。当气动缸向左运动时，阀4 关闭，阀3 打开使低压气体流 进来准备进行下一增压冲程。接着，越来越多的加压气体储存在储气罐中，随时 图2 - 1 单级气体泵原理图 1 气动大气缸；2 气体增压用小气缸；3 允许低压气体流入的单向阀；4 - 允许加压气体 储存进高压储气罐的单向阀。 f i g 2 - 1s c h e m a t i cf o ras i n g l e s t a g eg a sp u m p 1 b i ga i rc y l i n d e rw i t ha i r - d r i v i n gf o r c e ；2 - s m a l lg a sc y l i n d e rt oi n t e n s i f yg a sp r e s s u r e ； 3 一c h e c kv a l v et oa l l o wl o w - p r e s s u r eg a si n ；4 c h e c kv a l v et oa l l o wp r e s s u r i z e dg a st o a c c u m u l a t ei nh i g h - p r e s s u r eg a st a n k 2 1 北京化工人学硕1 ：学位论文 可以作为发泡剂输送到s c f 计量系统中。气体泵要求空气压缩机具有很高的流 率，所需驱动空气压力约为o 5 5 m p a 1 0 3 5 m p a 。同样的道理，液压缸也可用在 此类气体泵送系统中。所以，它的原理跟图2 1 一样，只不过用液压缸代替了气 缸作为执行机构。因为液压缸可以比气缸小得多，所以它的结构更紧凑，而且液 压系统运行起来噪音也比较小，但它需要一个液压系统油箱，如此一来它的成本 反而要高于气泵。 由于该课题中所选发泡剂为n 2 ，而液体泵送系统很难将n 2 先冷却到1 9 6 以下，且考虑到成本问题，最终选择气体泵送系统以实现对n 2 的泵送，如图2 2 所示为本注气系统所用气体增压泵。 图2 - 2 气体泵实物图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cg a st a n k 2 2 3 发泡剂注射装置的选择 发泡剂注射器是每个循环中气体在超临界流体状态下安全稳定地注入进机 筒的关键元件。发泡剂注射器常常会存在一些特殊问题，比如注射器中的熔体回 流问题。这些物料会停留在注射器中，甚至会在通往储气罐的管道中停留很长时 间，最终在注射器中降解并变成固体，阻塞注射器。 通过对工艺参数的设定有助