《聚氨酯发泡机设计（论文）》

聚氨酯发泡机设计摘要介绍了以MSp430单片机为核心控制部件的双组份高压聚氨醋发泡机温度控制系统的设计，对温度控制的原理、控制策略及其改进方法进行了详细的介绍，同时对系统的结构以及软件实现也作了细致的说明。该系统运用交流调功的方案取得了很好的控制效果，具有很好的稳定性和可靠性。关键词：聚氨酯；发泡机；MSP43目录TOC\o"1-3"\h\u20837摘要 Ⅰ6545Abstract Ⅱ291541绪论 Ⅲ239031.1聚氨酯材料介绍 1268221.2聚氨酯发泡工艺过程 170191.3聚氨酯发泡工艺参数 224632聚氨酯发泡机 3242012.1概述 3111172.3温度控制原理 490362.4温度控制策略 571002.5改进的单神经元PID温度控制器 6243682.6系统软件设计 8265523聚氨酯发泡过程中常见的问题及影响因素 925353.1聚氨酯发泡过程中常见的问题 947843.2聚氨酯发泡过程中各种影响因素 105833.2.1羟值 10199363.2.2不饱和度 11131603.2.3水分 1190953.2.4酸值 11173953.2.5分子量 11224063.2.6钾离子 12104213.2.7抗氧剂 1246393.2.8色值 12319814高压发泡设备维护保养建议 1219855结论 1422004致谢 151431参考文献 161绪论1.1聚氨酯材料介绍聚氨酯中文名全称:聚氨基甲酸酯;英文名:polyurethane。是主链上含有重复氨基甲酸酯基团(NHCOO)的大分子化合物的统称。它是由有机二异氰酸酯或多异氰酸酯与二经基或多经基化合物加聚而成。聚氨酯大分子中除了氨基甲酸酯外，还可含有醚、酯、脲、缩二脲，脲基甲酸酯等基团。聚氨酯的用途：根据所用原料的不同，可有不同性质的产品，一般为聚酯型和聚醚型两类。可用于制造塑料、橡胶、纤维、硬质和软质泡沫塑料、胶粘剂和涂料等。聚氨酯(简称PU)是由多异氰酸酯和聚醚多元醇或聚酯多元醇或/及小分子多元醇、多元胺或水等扩链剂或交联剂等原料制成的聚合物。通过改变原料种类及组成，可以大幅度地改变产品形态及其性能，得到从柔软到坚硬的最终产品。聚氨酯制品形态有软质、半硬质及硬质泡沫塑料、弹性体、油漆涂料、胶粘剂、密封胶、合成革涂层树脂、弹性纤维等，广泛应用于汽车制造、冰箱制造、交通运输、土木建筑、鞋类、合成革、织物、机电、石油化工、矿山机械、航空、医疗、农业等许多领域。1937年德国OttoBayer教授首先发现多异氰酸酯与多元醇化台物进行加聚反应可制得聚氨酯，并以此为基础进入工业化应用，英美等国1945-1947年从德国获得聚氨酯树脂的制造技术于1950年相继开始工业化。日本1955年从德国Bayer公司及美国DuPont公司引进聚氨酯工业化生产技术。20世纪50年代末我国聚氨酯工业开始起步，近10多年发展较快。最近比较热门的鲨鱼皮泳衣鲨鱼皮泳衣就是聚氨酯的最新应用，它的核心技术在于模仿鱼的皮肤。生物学家发现，鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶可以大大减少水流的摩擦力，使身体周围的水流更高效地流过，鲨鱼得以快速游动。快皮的超伸展纤维表面便是完全仿造,,.鱼皮肤表面制成的。实验表明，鲨鱼皮的纤维可以减少3%水的阻力，这在1%秒就能决定胜负的游泳比赛中有着非凡意义。根本原因:“鳖鱼皮”使用了能增加浮力的聚氨酯纤维材料。1.2聚氨酯发泡工艺过程聚氨酯发泡目前普遍采用的是一步发泡工艺。聚氨酯一步发泡工艺由两种配置好的发泡材料，即聚酯多元醇(白料)和多异氰酸酯(黑料)，按一定的配比在高速搅拌下混合后发生化学反应进行发泡。聚氨酯发泡工艺可以通过机器自动发泡和手工发泡完成。手工发泡是最简便的方法，它是将所有原料准确称量后置于一个容器中，用搅拌棒混合均匀后注入模具或需要充填泡沫塑料的空间中即可，经过两种材料乳化，拉丝，膨胀，固化，稳定后形成合成聚氨酯材料。但手工由于参数无法控制，且注射压力和混合速度太低，所以合成的聚氨酯材料密度低，弹性小，强大不足，一般用于低端或实验室分析和材料检测用。机器自动发泡是通过机器控制温度、压力、流量、注射来完成的。过滤器发泡工艺一般通过聚氨酯发泡设备进行温度控制，把两种材料温度控制在24℃-26℃之间。通过定量泵进行配比控制，要求A液多异氰酸酯(ISO)和B液聚酯多元醇（POI）的配比为大约100:46，形成的聚氨酯材料自由发泡密度达到232+16/-8(公斤/立方米)。平常非工作时将发泡材料在各自的管道中保温和不断循环，防止固化堵塞;发泡的时候，两种材料通过一定压力将一定配比的材料注射到发泡混合腔中，在混合腔中有一个高速旋转的搅拌头对混合的材料进行搅拌，速度可达100-4000转/分，根据工艺需要调节。发泡乳化时间一般在6秒左右作用，所以发泡注射过程必须在6秒以内完成，根据不同的注射量进行流量控制，一般从12到60克/秒。混合一段时间后，3秒以内将混合充分的发泡料注射到发泡模具中。模具要进行干燥和温度控制，以控制发泡速度和表面发泡质量，并且模具要在旋转工作台上进行旋转，以保证发泡材料在很短的时间内充分均匀地分布到模具各处。注射工序要控制注射位置，包括注射高度和注射头和模具的水平位置。注射完成后，要把过滤器的桶体安装到模具上，桶体包括滤纸，铁内圈和外圈。滤纸也要进行干燥和温度控制，以控制发泡速度和内部发泡质量。随后，把模具连桶体放置到加热板上进行固化，时间在3分钟左右，温度在40℃左右。下一步模具连桶体进入熟化炉中进行熟化，温度要达到800℃-1000℃，时间3分钟左右，最后进行脱模。脱模后合成聚氨酯材料基本稳定，但完全稳定要过24小时左右，从而获得一定机械性能的新型材料，聚氨酯材料的一般要求包括聚氨酯密度、反应时间、压缩偏差、压缩比、拉力测试、延伸率等指标。1.3聚氨酯发泡工艺参数聚氨酯发泡过程工艺参数很多，而且有很大关联。由于聚氨酯发泡过程对温度和湿度有很大关系，所以环境参数有外界温度、外界湿度、模具温度和湿度、桶体温度和湿度;在注射的时候工艺参数包括注射压力、循环压力、注射温度、循环温度、注射流量、注射时间、搅拌头旋转速度、搅拌头规格、混合腔规格、注射高度、注射位置和模具旋转速度等。发泡注射后参数有加热温度和时间以及熟化温度和时间。在材料方面，包括材料的各项来料检验指标;产品方面有各种型号;操作方面有不同的班次和不同的操作人员等。各种参数总计多达三十多个。各个参数之间关系错综复杂，型号不同，注射量不同，流量也随之变化，流量变化和搅拌头旋转速度有关;注射量不同，模具结构不同，从而模具旋转速度也不同。此外，聚氨酯发泡过程受环境影响很大，在相同的参数和型号下，不同的天气导致很大的差异，天气潮湿或寒冷的时候，报废率急剧上升。有时气候相同，不同批次的发泡原材料发泡效果相差也很大(原材料均为合格品)。另外注射的压力和循环压力对注射质量也有很大影响。往往有时改一下一个参数，结果会相差很大，所以有时都不敢轻易地修改参数，或一旦修改，要经过很多实验磨合，调整其他参数，才能将结果调到比较稳定的状态。2聚氨酯发泡机2.1概述目前聚氨酯发泡机有高压发泡机和低压发泡机两种。低压发泡机只有提料泵一级加压，压力低，制造成本相对比较低，但其原料混合效果比较差，发泡质量不稳定，生产效率低，故障率高，且生产过程浪费大;而高压发泡机是由两台柱塞泵将两种发泡原料Polyol和Isocyanate泵到灌注枪头，在枪头中通过高压对射达到完全混合，故高压发泡机较之低压发泡机有更高的性能和更高的生产效率。本设备适用于桥面聚氨酯喷涂领域。桥面用的双组份聚氨酯涂料的A组份由蓖麻油、甘油、聚丁二烯、分子筛、CaO，Cr，O等按比例充分混合制成，B组份为改性MDI.B与A充分混合，立即发生反应，从而制成聚氨酯涂料。涂层常温下数分钟固化，坚硬，能经受至少1h/200℃的高温，附着力良好，特别是疏水性与抗潮性优良，因而可大大减少涂层内产生的气泡。主要用于外表涂料，特别是混凝土表面涂装，可经受因车辆通行、气候、温度等变化产生的应力，特别适用于桥面有沥青的混凝土桥盖板涂料。在聚氨酯发泡过程中，温度和压力是两个关键量。压力过低时双组份不能充分混合并且影响发泡速度，过高则对整个设备提出了更高的工艺要求。温度对发泡速度亦有较大的影响，温度过高，反应速度加快，相应地要求其它设备和工艺与之相适应;温度过低，反应变慢、固化时间长，相应地影响生产效率。因此在设计过程中根据工艺要求温度必须控制在65士1℃的范围内。本设计中压力可以通过设定气泵每分钟动作次数来改变，具有较高的灵活性;温度控制是通过两个固态继电器来实现的，采用PID控制，具有响应快、稳定性好的优点。2.2系统结构图1控制系统的结构设计要求为：气泵通过空气压缩机供气，能够通过设置气泵每分钟的动作频率（默认为30n/min）来改变双组份的流量；每个加热器为由6个1KW的加热管并联在一起组成的加热箱，温度能够人为设定，并且能够稳定在设定值默认为（65士1℃），当外界干扰使温度超出此规定范围时能够迅速恢复，即具有快速响应性。控制系统的核心部件采用MSP430系列单片机，它是美国TI公司推出的一款超低功耗功能强大的16位单片机。本系统中采用MSP430F135单片机，它具有16kb的程序存储器，512B数据存储器，1个高性能的8通道12位A/D转换器，1个温度传感器以及电池低压时的检测电路，2个带有多个捕获比较寄存器的定时器（带多路PWM输出），1个可实现同步、异步及多址访问的串行接口，1个模拟比较器，数个可实现方向设置及中断功能的并行输入、输出端口等，利用芯片内置的自动扫描功能，A/D转换器可以不需要中央处理器的协助而独立工作，并且将转换后的数据自动存入缓冲区，使中央处理器的工作负担大为减轻。2温度控制系统设计2.3温度控制原理温度的控制即为对加热器两端电压的控制，一般对交流电压的调节分为调压和调功两种。所谓交流调压就是指在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种调压方式广泛用于灯光控制和异步电动机的软启动，也用于异步电机调速，但这种方法的缺点是会对电网电压造成谐波污染。交流调功和交流调压的电路形式是完全相同的，只是控制方式不同。交流调功不是在每个交流电源周期都对输出波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。这种电路常用于电炉的温度控制，因为像电炉这样的大惯性控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁的控制，只要以周波数为单位进行控制就足够了，而且这种调压方式不对电网电压造成通常意义的谐波污染。鉴于以上的分析，在本系统中，笔者采用了第二种调压方式即交流调功，其温度控制原理如图2所示。图2温度控制原理2.4温度控制策略PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得了广泛的应用。PID是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，将偏差比例（P）、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律为:在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。本设计中采用的是位置式。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，故需要将式(1)进行离散化处理。用一系列的采样时刻点kT代表连续时间，t以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换:2.5改进的单神经元PID温度控制器本系统由于压力大，组份流量快，故要求温度动态性能好，稳态精度高，而且压力可调会造成系统存在参数时变和负载扰动等被控对象的非线性特性等不确定因素。因此理想的控制策略不仅要求能满足上述动态和静态性能，而且还应该具有抑制各种非线性因素对系统的影响。使用传统的控制算法PID是很难满足上述要求的。近年来，神经网络的研究引起了控制界的高度重视，单神经元是最基本的控制部件，它只有一个神经元，结构简单，学习过程比较快，又具有神经网络的信息综合、学习记忆和自适应能力，表现出良好的自适应性和鲁棒性，本设计采用单神经元PID温度调节器的设计方法，单神经元的结构如图3所示。图3单神经元结构图传统的单神经元YlDJ空制器的控制算法如下:上面的式中，Δe(k)=e(k)-e(k-1)，z(k)=e(k)，W1、W2/W3分别对应增量式PID控制器的3个参数Kp、K1、K(D)。这种控制策略是采用增量式的方式，对于本系统要求有快速响应，控制器选择绝对式的比较合适。当单神经元控制器采用绝对式控制器方式，同增量式控制器结构基本一样，只是控制器的输入和输出有了变化。此时神经元的输入变为:此神经元控制器具有PID控制器的结构，W1、W2、W3分别对应PID控制器的K1、K2、K3，通过对其加权系数的调整来实现参数的在线整定、参数自适应的功能。加权系数采取有监督的学习规则，它与神经元的输入、输出和偏差有关，可以定义为:然后在控制器中引入二次性能指标，通过修改权值来使性能指标趋于最小，这是控制最终能够收敛的保证，从而保证系统能够最终趋于稳定。根据以往的理论证明，一般我们引入的二次性能指标为使加权系数的修正沿着J减小的方向，即对W1(k)的负梯度方向进行搜索调整。由式(9)和式(10)可以看出，这种算法的结构比较简单，整个算法中需要调整的参数比较少，也没有除法计算。由式(13)可以看出，权值的调整算法也比较简单，只用计算加法和乘法，并且计算量不大，利用MSP430完全能够实现、采用单神经元的PID控制算法后，其效果如图4所示。图3单神经元PID控制效果图2.6系统软件设计图5中断流程图程序采用中断方式编程，主程序在完成初始化之后进入等待状态。共有三种中断：每隔20ms读AD每隔200ms扫描键盘同时完成显示、每隔500ms进行一次PID运算。如果进行参数设置，长按对应的键4进入参数设置界而（此时正常显示功能被中断），参数设置完成后需要保存到EEPROM里面，中断流程图如图5所示。3聚氨酯发泡过程中常见的问题及影响因素3.1聚氨酯发泡过程中常见的问题聚氨酯喷涂发泡过程中，出现泡沫收缩、酥脆、太软、烧心、开裂、冒烟、脱落、塌泡、泡沫孔粗大、一捏成细粉末、反应初期发泡慢、启发慢等一系列问题。聚氨酯发泡受施工过程中条件、设备、工艺以及环境温度的影响，聚氨酯反应过程中会出现各种不正常的现象，最终影响泡沫质量问题。现将所有可能出现的情况录如下:以下A料代表聚氨酯白料，即组合聚醚;

B料代表聚氨酯黑料，即聚合MDI(多异氰酸酯)。

1、A、B料混合后不发泡:①料温低;②两组分配比不准③A料漏加催化剂;④B料质量低劣;⑤A料漏加发泡剂。

2、聚氨酯硬泡收缩:①A料组分多,使聚氨酯硬泡强度下降引起收缩;②喷枪中料液混合不均喷雾空气太小,或物料粘度太大;③固化太快,形成较多闭孔;④气体热胀冷缩变形。

3、聚氨酯硬泡酥脆:①B料组分太多;②水分过多;③工作面温度过低;④B料酸值大,含杂质多;⑥A料阻燃剂加入量过多。

4、聚気酯硬泡太軟,熟化辻慢:①B料俎分量小;②A料中錫炎催化剤太少;③气温、料温、落料工作面温度低。

5、聚気酯硬泡場泡:①友泡气体戸生辻速,虚降低A料中肢催化剤用量;②A料中勾泡剤失效或有鰔性;③催化剤失效或漏加,立朴加A料中錫催化剤;④原料中酸値大。

6、聚気酯硬泡泡孔粗大:①A料中勺泡剤失效或漏加;②水分多(发泡剂或聚醚中水分);③A、B料搅拌混合不均匀;④B料纯度低,含总氯或酸值高;⑤气体发生速度比凝胶快。

7、聚氨酯硬泡开裂，或烧心:①物料温度高;②A料催化剂过量;③一次浇注量过大,泡沫过厚;④用水做发泡剂时加入量过多;⑤物料中有金属盐类杂质。

8、聚氨酯硬泡脱落:①喷涂工作面湿度大,使反应不完全充分，底层泡沫发酥、发脆、呈粉沫状;②被喷工作面不洁,有油污,灰尘太多

9、聚氨酯硬泡逸出烟:①A料中催化剂用量太高;②A料中聚醚羟值过高;③料温太高等。从以上出现的问题分析得知,除客观因素外,A料组分涉及因素较多。在现实生产中,调整粘度、乳白时间、发泡时间、固化时间等主要是调整A料。聚氨酯硬泡不仅仅是A、B料的混合,要了解生成聚氨酯硬泡的原理及各组分间相互作用,综合各方因素,针对性加以分析,从中判断存在问题,就不难生产出优质聚氨酯硬泡制品。3.2聚氨酯发泡过程中各种影响因素3.2.1羟值一般多元醇化合物的官能度大、羟值高，则制得的泡沫塑料硬度大，机械物理性能好，耐温性能好。但与异氰酸酯等其他组分的互溶性差。羟基化合物与异氰酸酯的反应是聚氨酯合成中最常见、最基础的反应之一。羟基含量相同的情况下，官能度大的反应速率大，反应物的粘度增加快。官能度相同的情况下，羟值高的聚醚活性高与TDI的反应性加强，羟值低的聚醚活性低与TDI的反应性减弱。作为发泡过程中的两大主反应:

TDI与水的反应活性相当于它与仲醇的反应，因此聚醚羟值的波动会破坏发泡过程中TDI与聚醚及水的反应平衡。若羟值高，则TDI与聚醚的反应性增强，主反应增强。若羟值低，则TDI与水的反应增强，造成主反应速度跟不上发泡反应速度，易造成塌泡现象。

聚醚羟值的波动对泡沫制品有较大的影响，聚醚的羟值直接影响到TDI的加入量，若羟值高，则TDI用量增加，若用户未对TDI的量进行调整，相当于TDI加入过少，造成泡沫裂纹、回弹性差、强度差、压缩永久变形增大。反之，相当于TDI加入过多，会使泡沫形成大孔和闭孔、硬度增加、熟化时间长引起烧心。3.2.2不饱和度聚醚反应温度的高低及催化剂的多少直接影响聚醚产物的不饱和度，反应温度高或催化剂含量高(聚醚链的活化中心数量多)，则副反应增加，不饱和度增加。不饱和度增加说明反应过程中生成的醛类等不饱和物质增多，聚醚的端基形成不饱和双键后就失去了反应活性，链增长终止，影响聚醚的平均分子量，使平均分子量降低，羟值升高，聚醚的官能度降低。官能度的高低直接影响着泡沫制品的性能，因此在生产控制中，不饱和度越低说明副反应越少，对泡沫制品的影响越小。3.2.3水分水作为发泡剂是泡沫塑料中最重要的反应之一，少量的水可消耗大量的TDI,并产生大量的气体、放出热量。反应混合物中水浓度的增加可使反应速度加快。若聚醚中水分(计算TDI指数时将其忽略)增加，不但消耗大量的TDI使聚醚活性降低造成裂泡、塌泡，同时因反应中放出大量的CO2及热量，会减小泡沫制品的密度，若生成的热量不能迅速移走，严重时会造成黄心甚至着火。若聚醚水分超标严重，生成脲键及CO2的量增加，泡沫密度变小，泡沫制品变硬，同时放出大量的热易造成烧心。若客户在不知情的情况下进行使用，

相当于增加了水量，但tDI及催化剂的用量未进行调整，易造成裂泡，超标严重时会出现塌泡现象。因此在聚醚的控制过程中水分越低好，有利于泡沫制品配方及性能的稳定。3.2.4酸值AV可以羟值的形式表现，因此酸值高消耗TDI多，但由于量少可忽略不计。反应温度高及催化剂浓度的增加会增加副反应，使酸值升高;酸值高在泡沫形成过程中消耗的胺类催化剂多，降低了反应活性，严重时会由于胺类催化剂消耗太多造成泡沫制品的收缩、闭孔。3.2.5分子量大部分高聚物的性能随分子量的增加而提高，如抗张强度、伸长率、熔点、硬度和玻璃化温度等随分子量的增加而上升，而溶解度相反。这种关系在分子量提高至一定值后变化就不显著了。聚醚的分子量可由羟值、官能度计算而得。对于同一牌号，分子量的大小受不饱和键的影响，因此引起分子量变化的影响因素与不饱和度的影响因素类似，二者是一个相辅相成的关系，即同一牌号聚醚，不饱合度增加→分子量减小;不饱和度减少→分子量增加。3.2.6钾离子聚醚中残余催化剂的存在将直接影响予聚体制备及聚氨酯制品的物理性能，因为钾离子促进聚氨酯化学反应过程中生成刚性且交联的脲基甲酸酯与缩二脲基，使泡沫制品变硬，弹性降低，严重时凝胶。同时钾离子含量高，当作为原料与TDI进行发泡时，发泡热量不能及时散发，造成泡沫烧心。3.2.7抗氧剂为了提高泡沫制品的抗氧化能力,我们在聚醚生产和发泡过程中加入抗氧剂(可将泡沫制品的燃烧温度提高至180C以上，其加入量与加入的水量有关)。提高泡沫制品的燃烧温度，避免了烧心现象发生。3.2.8色值色值是聚醚最直观的表观指标，色值的好坏能直接反应聚醚的质量。聚醚醚键上的碳原子极易氧化，尤其是在碱性介质中和较高温度下，均会造成副反应的增加，生成不饱和键，若色值深，则相应的其他指标(如AV、不饱和度等指标)也会相应发生变化，同时造成泡沫制品的颜色相应发生变化。4高压发泡设备维护保养建议

现代数控化、智能化高压发泡设备、聚氨酯发泡机为聚氨酯保温材料生产、施工提供了节能与方便。快速化生产也为我们带来高效益。但是虽然有智能化的机器,但是对于其喷涂施工由于环境、季节不同，也应掌握一些技术。1、当天上班前检查设备，上一班人员是否已经做过基本保养。2、高压发泡设备机头下方混料处，每次使用后(下班前)，清洗干净，防止发泡剂凝固卡死，烧坏电机。聚氨酯发泡机下方拆除后，轴与出料口处，需每天清理凝固发泡液残留，并喷除锈润滑剂或清机油。3、每天必须对高压发泡机头做一次保养:

1.拆除两侧气缸清理干净、上油。2.清洗搅拌转子。3.清除转子与铜螺丝上的凝固物。4.

连轴器喷除锈剂。5.机头上加黄油。4、每次使用后超1小时不用的，需拆除搅拌外套，清洁搅拌转子上方轴铜螺丝上残留的发泡凝固物，并喷除锈剂。5、发泡机超过2天不使用的，需拆除搅拌头并拆除内六角清理内部残渣，后喷除锈剂。搅拌转子用钢丝刷清理干净，机头两侧全缸拆除清理内部污物，并喷除锈剂。6、检查所使用设备是否正常，拆除搅拌转子，检查搅拌电机是否工作;旋转是否迟缓，有无噪声、发热、反转等现象，检查各管路是否畅通，有无凝固物堵塞，必要时用清洗剂清洗并吹干。7、发泡机机头必须每周拆除清洗一次，去除两头气罐内的发泡剂，并拆除内六角清理内部残留物，清理完成之后再喷