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微孔爆孔器技术中SCF输送系统设计

  • 作者:许一明    来源:宜兴市官高水处理填料有限公司    时间:2016-08-05    点击:563
在气体可以注人机筒之前,必须准备超临界气体,而一定条件下的气体才能成为超 临界气体。除非另有规定,本章中的scf输送系统设计将按照一定条件下的超临界特 殊气体进行讨论。必须对微孔曝气机注射成型机的气体输送系统进行控制,在恒定压力下,稳 定地以质量流量或者体积流量计量气体。微孔曝气机成型所用的气体必须加到一定的高压,使 其在一定压力下成为超临界流体。这种方法使scf装置和注射成型机整个系统制得均 匀的单相溶液,螺杆回位一致。微孔曝气机成型用气体输送装置路线图解释如下:发泡剂源— 泵送压缩发袍剂—发泡剂流控制~>压力调节器和注射器。发泡剂源一般是单一发泡剂容 器或者发泡剂供应站。必须用泵将发泡剂加到高压,为34.5~41.4mpa。有些系统用的 压力甚至更高,达55.2mpa。大多数气体在如此高的系统压力下会变成超临界流体,性能类似于流体。超临界状态的气体是进行下一个工序——发泡剂控制的必需条件。有两种控制方法,一种是压力控制,另一种是质量流量控制。最后进人scf压力调节器和 机筒上特殊的scf注射器。
7.4.1物理发泡剂
要设计气体输送系统,需要首先了解物理发泡剂的基本性能。第4章中对此进行了 详细的讨论。作为物理发泡剂的气源,多种气体已经被发泡行业的很多专业厂家用作发 泡剂很长一段时间了,如氮气、二氧化碳,甚至还有空气。一些研究人员在实验室对一 些特殊气体进行了实验,如氣气、氦气和氢气等,但是其中还没有一种得到商业应用。氷也是一种可能的发泡剂源,既用于工业生产,也用于实验研究。但是,对于所有发泡工业实践,包括微孔曝气机注射成型而言,到目前为止,只有二氧化碳气体和氮气是使用最为 广泛的物理发泡剂。
氮气不贵,不燃’无毒,很容易从空气中制得,而且是化学惰性的,因此是环境安 全的发泡剂,能替代一些消耗臭氧的化学发泡剂。气态氮气在13.8~20.7mpa下可以 得到,以压缩气体的形式储存在钢瓶中。液态氮在-丨如^下冷冻,储存在杜瓦瓶中。大流量应用,最好用冷冻氦。在实际应用中,气态氮需要从液态氮中沸腾得到,在计量 和注入机器之前,气体温度应加热到室温左右。换句话说,除了在储存装置中外,氮气 作发泡剂只在气态下在输送装置中使用3总的来说,在很多(如果不是大多数)技术 应用中最好使用氮气,因为其能得到更一致、均匀的微孔曝气机注塑件。
在气体扩散或者黏度是主要问题时,二氧化碳可以用于很多特殊情况。二氧化碳与 氮气类似,也是一种理想的发泡剂,不贵,化学惰性,环境友好,是人们感兴趣的物理发泡剂。不过,二氧化碳有一些内在的处理问题,如临界点比较低,为31t和 7.29mpa。在临界点獻上,二氧化碳就是气体:在输送系统中二氧化碳以气体或液态的 形式输送。
7.4.2泵对发泡剂加压
有时,容器中的压缩气体就可以用作发泡剂。但是,对于长时间稳定的发泡成型, 必须用泵在高于供应商标准容器中的压力下储存更多的气体。有两种不同的栗可以用于实际生产中,即液压泵和气体泵,下面将对这两泵进行讨论。
1.液压泵
液压泵只能用于二氧化碳。这不是新产品,很多公司都有开发,如trexel和mitsui 等㈣、液压泵用于二氧化碳的最主要优点是液态二氧化碳作为流体可以以质量流量计量。液体计量的优点是能够控制很低量的超临界流体计量。其基本设备包括一个冷却 器,它使二氧化碳在整个系统中保持为液态,直到流出计量装置;还有一个scf计量 装置。液体栗能够用于将二氧化碳液体压缩到scf水平,以及调节泵的行程,计量质量流量。
与其他永久性气体不同,二氧化碳这种半冷冻液体的易相变性可能会导致加工条件的巨大变化,除非有很好的冷却剂体系一直在稳定地工作。冷却器增加了设备成本,使 工艺变得复杂。所以,液体计量简单化所带来的节省被冷却体系抵消了,这可能是液压 泵没有成为市场上商业化的scf输送装备的主要原因。
液压栗不能用于液态氮,因为其低温冷冻温度低至-196t。液压泵没有被接受用 作微孔曝气机成型商业化装备的另一个原因是氮气是发泡工业普遍使用的发泡剂。
2.气体泵
气体泵就像是空气泵,不需要冷却器3有多种不同的气体泵。微孔曝气机注射成型普遍使 用的气体栗中的一种是二阶栗,是一种空气驱动的气体增压泵。图7-29所示为单阶气 体泵示意图,其表示出了增压气体的位置。这种气体增压泵的原理是气动大气缸1加压 的气体压缩小直径柱塞缸2中的气体。截止阀3由增强压关闭。截止阀4打开,将高压 气体积聚到高压容器中。在气动大气缸向左侧运动时,截止阀4关闭,截止阀3打开, 使低压气体流到加压缸内,进行下一个加压行程。这样,越来越多的高压气体将储存在容器中,成为发泡剂源,被输送到scf计量系统中6气体泵需要高的气体压缩机流量, 所需气体压力在0,55 ~ 1. 035mpa之间。
空气出口
图7-29单阶气体泵示意图 1 一气动大气缸2—增压的小柱塞缸3—使低压气体流人的截止阀 4一使髙压气体积聚在高压容器中的截止阀

 
同样的原理,液压缸也可以用于这种气体泵。其结构与图7-29所示的一样,只不 过用液压缸代替气缸作为起动器。设计可能会更紧凑一些,因为液压缸比气缸小,而且 其噪声也可能会小一些。但是,液压系统需要油箱,成本可能高于气体栗。
气体泵的输出量必须与塑化装置的产率相匹配。建议将气体泵的输出量分别调整为 塑化装置的1% (nj)和10% (c02)。
气体注射器是将超临界态气体在不同循环中安全、恒定地注人机筒内的关键部件, 但总是会产生一些特殊问题,如熔体向后流入气体注射器内,这部分溶体会在注射器中

停留很长时间,甚至停留在气道至气罐的管线内3这样一来,塑料最后就会降解,成为注射器内的固体,最终会堵塞气体注射器
加工设置可能有助于清洗注射器内的栓塞:常用的塑料熔体一般都具有很高的'黏 度,在10 ^ 1 000 ooopa • s之间,而气体发泡剂的黏度很低s在0. 000 05 - a ospa • s 之间气体发泡剂的阻力较低,很容易在注射器内流动,有助于清洗注射器流动管线内 的高黏度熔体物料。为了防止scf注射荐上的孔栓塞—scf的注射压力总是稍高于 (约0,69mpa)机筒内scf注射器处的熔体s力:但是,f又仅通过加工工艺设置还不足以旗止气体注射器内的栓塞,可以利用黏度差的优势,有效地清洗气体注射管线。 t结构发泡用传统气体注射器
发泡i业中所用的气体注射器有很多种不同的设计,其中一种可靠的设汁是dadd johnson发明的支架式单向阀™。如图7-30所示,从气体注射器体的侧孔引人发泡剂,气体推动支架,克服弹簧力,然后气体将注射器体前部密封座上的支架打开s发泡剂就 开始流入机筒,与机筒内的熔体混合。在注射成型要求间歇性气体计量时,这种设计的 优点很明显。
图7-30「打开位置时气体注射器支架的参数

 
如图7-30所示,阀座与注射器体的尾部很接近,这样带来几个优点:
15密封座的温度总是与机筒温度一样,因为这一位置深藏于机筒内,这将保证阀密*却座附近前残余物’料处子嬸融态。换甸ish克,就是不'吁能有冷都t求时與 1潜盡气体 击a0:
2}另一方面,束设计使阀不仅由弹簧关闭,也由机筒内的塑料熔体41力来关 闭。这很重要,因为m直气体计量结束,熔体压力实际上有助于将支架关闭。撖工温度很高时,弹簧力大幅度减小,在这种情况下,一种有效的方法就是利用熔体压力将座阀关闭。
:j)如果可能发生漏料,支架上粘附的塑料熔体很容易在高温下被高的气体压力清理掉。
4)气体注射器出口处几乎没有残留的物料,因为气体出口靠近注射器体的尾部和螺杆清洁处d拼以,气体注射器出口会被螺棱的每一次清洁更为有效地清理干净。
这种设计还有另外一个特点。图7-30中给出了开口位置以及这种支架注射器性能分折所需的一些参数。气体必须从弹簧室的底部通过长而狭窄的环形槽到达支架座的末 端。如果窄槽的长度为lv,阀的直径为义,阀的外径与气体注射器内导向孔之间的间 隙为忒,那么气体在经过环形槽(简化为宽的窄孔)时就会有很大的压力降。通过环
形孔的气体压力降类似于式(7-4),即
(7-28)
式中ajv——气体注射器孔长度上的气体压力降; fie   注射器内气体的黏度;
fg——气体注射器内气体的体积流量;
l,——气体注射器内孔的长度;
<——阁的外径与气体注射器内导向孔之间的间隙; d,—气体注射器孔处支架杆的直径。
压力降a/v保证环形孔内的气体压力高于环形孔末端附近的压力,这将防止熔体 向后流人气体注射器环形槽的深处。如果可能,气体出口处的压力将低于机筒内熔体的压力,熔体压力降会使支架向关闭方向移动。不过,仍然有可能有一些熔体在支架完全 关闭之前漏入气体注射器。有了环形槽中的压力降,漏料不会流人环形槽中太远,因为通过环形槽的压力仍然高于漏到气体注射器中的熔体的压力。另外,由于气体注射器环 形槽中的温度很高,残留物料仍然处于熔融态,因此在气体计量的下一个循环中残留物 料很容易被气体清理掉。
1.       微孔曝气机注射成型用新型气体注射器
trexel公司研制了一种新型气体注射器,专门用于在气体通过气体注射器套时尽可 能多地分割气体,因为气体注射器套有很多微孔曝气机用于scf计量™。这种新阀用的是制 动注射阀。在每一个循环中,用气动缸(或液压缸、弹簧及其他制动器)将针阀推向气孔座,将气道打开、关闭。气动缸的作用力大,这种阀运行得很好。另一方面, trexel气体注射器还在针阀的下面使用了球形单向阀,对防止物料向针阀处泄漏起到双重保护作用。此外,trexel利用多孔套使液滴变小w]。不过,开着的孔可能不会有固定的数量,因为注射是一种停止一流动的间歇性循环。市场上的这种新型气体注射器的另 外一些特征与上面讨论的设计规则一样。
已进行了一些专门的实验来测试单孔气体注射器和多孔气体注射器所得泡孔结构的差别。测试表明,两种方法得到的试样没有大的差别。市场上大多数设备用的都是单孔 气体注射器,已设计出其相应的匹配参数,如孔径和孔长等。
2.       孔的设计
可以简单地根据压力降来决定气体注射器孔的流量。孔径的经验值应该为0.000 5m, 甚至更小。多年来,结构泡沫行业用的是改进设计。结构泡沫成型机中的简单气体输送系统在将气体注人机筒之前只是通过背压调节器控制压力设定。
7.4.4气体计量控制系统
有两种气体计量控制系统用于微孔曝气机注射成型机。一种是质量计量系统,一种是体积 流量控制系统。理论上讲,质量计量是控制气体计量的最好方法。但是,其维修和新增安装成本都很高。
典型的流量控制阀是badger计量器,其在0. 025m及更短的距离上快速控制流量。 micromotion公司的流量计量装置是先测量scf的流量,然后控制器自动调节badg切阀 打开,保持恒定的scf流量。scf控制器还通过校正打开程度来调节系统压力与背压之 间的差值,维持恒定的scf流量。
trexel公司开发t一种辅助气体装置,利用主泵系统为多台注射成型机供应scf。 多台装置的经济解决方案就是共用昂贵的气体泵装置x :
7.4.5气体调节器
气体输送系统需要两种不同的气体压力调节器。一种是减压调节器(26-1000系 列,tescom),一种是背压调节器(26-1700系列,tescom)。用减压调节器设定计量压 力,计量压i一般从系统压力开始降低。将背压调节器用作精确的释压装置,在系统压 力超过设定压力时打开,从而将系统压力维持在设定值所要求的速率释放气体。这两种调节器都是高压调节器,可用于压力高达20. 7mpa的气体输送系统。
有一种特殊的旁路阀能使连续的泵送系统用于间歇性的注射成型。注射成型机上的控制器将进来的scf流导向注射器或者旁路阀[40]。这是因为只有螺杆回位时要求scf 通过注射器流入机筒。注射器关闭时,scf将通过旁路阀释放干净。过量的发泡剂要么 排向空气中(需要检查是否有安全问题),要么回收到泵里。
对于常用的螺杆来谀,设定的scf输送压力可能是螺杆头前部熔体压力的函数。 但是,对于反向槽螺杆来说,设定的scf输送压力还是螺杆转速的函数。如果有很多 准确的加工数据,那么,一些加工数据就可以添加到微孔曝气机成型的控制软件里,对于新的微孔曝气机模具加工来说,这可以节省很多反复试模的时间。
如果注射成型机只提供螺杆头前部的背压,那么,还有可能用背压设定气体输送压力的起始点。例如,大直径螺杆的气体注射器附近通常的熔体压力高于螺杆头前部背压 1.38mpa。由于常用注射成型机软件总有背压,因此,如果气体注射器处没有熔体压力 读数,气体输送压力在开始时可以相应地设定。但是,对于小的反向槽螺杆来说,螺杆头前部气体注射器处的熔体压力应比控制屏上读出的背压高6. 9mpa。这样,如果机筒 上没有熔体压力读数,反向槽螺杆的scf输送压力的起始值应高出这一压力值6. 9mpa0 scf入口熔体压力一般显示在注射成型机控制器上,在气体泵控制器上也有。scf计量 时间应该至少为螺杆回位时间的50%。scf注射器打开时的输送压力降在头15次注射 时必须监控。在scf开始计量到机筒内时,聚合物的黏度将降低,这会导致scf入口 的压力下降。如果出现这种情况,输送压力降会提高,导致螺杆回位产生问题。这时可 能需要对气体输送压力进行微调,将输送压力降维持在小于1.38mpa。一般来说,在头 10 ~ 15次注射后,过程就会稳定下来,具体次数取决于流量和scf计量时间。
7.4.6气体输送系统的安全
气体输送系统处于高达55. 2mpa的压力之下,必须安装安全装置,防止发生危险。 除了必需的安全装置外,气体输送系统还需要下述几种安全装置:
1)必须设计高系统压力安全极限破裂盘,这样,如果系统压力超过最大压力,破 裂盘会迅速释放系统压力。破裂盘的出口必须由安全和保险装置保护,这样,在其通过
运动部件或者噪声释放高压时,不会发生危险情况。
2)       气体软管或者硬管破裂时,任何部件都有可能产生危险的运动,因此需要由安全装置对其进行控制。
3)       在气体泵附近必须有排气装置。如果在局部区域迅速、集中地释放大量闲置气体,二氧化碳和氮气有可能造成局部区域的氧气不够工作人员使用。
4)       气体栗系统要有手动和自动切断阀。一般建议用手动切断阀慢慢降低系统的压力,排出系统内的气体,而不产生大的噪声:只有在紧急系统压力释放时才使用自动切断阀。
5)       所有的阀、scf管路和管件都必须用高压级,与系统压力的安全系数相匹配。
隔膜阀
球阀
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