專(zhuān)利名稱(chēng)：用于制造聚合物泡沫體的微小氣泡在液體材料中分散體的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將微小氣泡摻入液體材料中以用于制造聚合物泡沫體的裝置和方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用來(lái)測(cè)量反應(yīng)活性物質(zhì)/起泡劑或成核劑混合物分散體的質(zhì)量與細(xì)度的裝置和方法，其作法是計(jì)數(shù)起泡劑或成核劑在液體中形成的微小氣泡的數(shù)目，測(cè)量它們?cè)谥付ǖ目刂企w積內(nèi)的數(shù)目和測(cè)量為制造合格部件所需的氣泡大小。另外，本發(fā)明涉及一種裝置和方法，用來(lái)通過(guò)與得自粒度分析儀的電子模擬反饋信號(hào)成比例地調(diào)節(jié)常規(guī)結(jié)構(gòu)分散攪拌器的速度，實(shí)現(xiàn)液體樹(shù)脂材料/起泡劑或成核劑混合物分散體的最優(yōu)化。
在制造聚合物泡沫體(例如聚氨酯的聚脲)時(shí)，通常要向液體樹(shù)脂材料中加入一種熱活化的或氣態(tài)的化學(xué)起泡劑，以便在聚合后形成氣孔結(jié)構(gòu)。
液體樹(shù)脂材料一詞應(yīng)理解為包括能通過(guò)聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)化成聚合物的任何有反應(yīng)活性的液體材料。特別重要的是聚氨酯、聚脲和異氰酸酯聚合物，后者是通過(guò)適當(dāng)數(shù)量的含Polyahl的液體樹(shù)脂材料與異氰酸酯在反應(yīng)條件下接觸制備的。
Polyahl一詞應(yīng)理解為在Zerewitinoff試驗(yàn)的意義上含活性氫的任何化合物，見(jiàn)Kohler“Journal of the American ChemicalSociety”P(pán).3181，49(1927)。典型的活性氫基團(tuán)包括—OH、—COOH、—SH和—NHR，其中R是H、烷基和芳基。
異氰酸酯一詞應(yīng)理解為包括在制造聚氨酯、聚脲和聚異氰酸酯(例如芳族、脂族和環(huán)脂族聚異氰酸酯)中有用的有機(jī)聚異氰酸酯及其聚合的衍生物。這些化合物的實(shí)例包括甲苯二異氰酸酯(TDI)、二苯甲烷二異氰酯酯(MDI)、聚合的二苯甲烷二異氰酸酯、1，6—己二異氰酸酯及它們的混合物。
在實(shí)施本發(fā)明時(shí)也可以使用粗制的聚異氰酸酯，例如由甲苯二胺混合物經(jīng)光氣化作用得到的甲苯二異氰酸酯粗品或由粗制的亞甲基二苯胺經(jīng)光氣化作用得到的二苯甲烷二異氰酸酯。在美國(guó)專(zhuān)利3,215,652中公開(kāi)了優(yōu)選的未蒸餾或粗制的聚異氰酸酯。上面提到的異氰酸酯衍生物，例如預(yù)聚物，同樣適合用于本發(fā)明。該專(zhuān)利所公開(kāi)的內(nèi)容涉及在RIM(反應(yīng)性注射成形法)和RRIM(增強(qiáng)反應(yīng)性注射成形法)中使用的體系。
RIM和RRIM泡沫加工體系一般使用胺結(jié)尾的Polyahl、聚醚或聚醚Polyahl，以及MDI、TDI和少量的催化劑和表面活性劑。填模期間存在的壓縮氣泡有助于模具的完全充滿(mǎn)和增強(qiáng)模塑產(chǎn)品的表面特性。
先有技術(shù)需要低沸點(diǎn)起泡劑分散或溶解，以便在聚合過(guò)程中膨脹成氣泡，還需要一種分散的氣體形成多相成核位。這適用于尿烷體系，該體系的反應(yīng)熱高得足以使混合物溫度升高到起泡劑的沸點(diǎn)之上。
由于現(xiàn)行的RIM和RRIM體系的膠凝時(shí)間極短(＜1.5秒)，所以很少使用低沸點(diǎn)的起泡劑。它們沒(méi)有足夠的時(shí)間沸騰和產(chǎn)生膨脹，除非含量很高，這又造成其它問(wèn)題。目前，氮或某些其它惰性氣體或其混合物的作用已變成起泡劑的作用。
在RIM和RRIM技術(shù)中，將作為起泡劑的氮?dú)?、干燥空氣、惰性氣體或其混合物在壓力下以懸浮氣泡的形式引入到polyahl或異氰酸酯中，在大氣條件下測(cè)得的體積濃度最高達(dá)50％體積左右?！俺珊恕币辉~被保留下來(lái)并成為這一過(guò)程的同義語(yǔ)。已試圖用此方法準(zhǔn)確和有效地引入氣體和降低液體樹(shù)脂材料/氣體混合物的比重。
“充分成核”或“良好成核”的標(biāo)準(zhǔn)是反應(yīng)材料填滿(mǎn)模具的良好程度?！安涣继畛洹焙鸵虼恕安涣汲珊恕钡拇硇誀顟B(tài)通常是部件內(nèi)的針孔、部件內(nèi)的氣流線、模具未充滿(mǎn)，部件的高密度梯度、部件內(nèi)的縮痕、部件內(nèi)的孔隙和氣泡。
雖然可以認(rèn)為這些問(wèn)題會(huì)由其它因素引起，但是常常是由于成核不良。
容易看出，敞口的成核材料樣品的行為隨機(jī)械的操作參數(shù)而有顯著差別，而且它們隨機(jī)械而異。定性觀察的結(jié)果是，當(dāng)材料從系統(tǒng)中抽出時(shí)，它先以乳油狀泡沫的形式上升。一定時(shí)間以后，氣泡開(kāi)始并結(jié)，泡沫最終崩潰又變成液體。某些成核的混合物形成的泡沫比其它混合物的多少要穩(wěn)定些。
影響泡沫穩(wěn)定性的因素，在給定的表面張力下是總氣體量和氣泡大小。眾所周知，傳統(tǒng)的聯(lián)機(jī)成核測(cè)定方法所得到的指示“充分成核”的數(shù)據(jù)，仍然形成可能有上述缺陷(針孔、縮痕)的模塑部件。此時(shí)，敞口樣品顯示出以很快的速度發(fā)生并結(jié)。
氣泡大小也是影響混合物可以保留的氣體總量的主要因素。還知道，用含有較小氣泡的混合物制成的成品部件比用含相同氣體濃度的較大氣泡的混合物制成的部件的耐沖擊強(qiáng)度大。另外還知道，含極小氣泡的混合物可以比含較大氣泡的混合物保留更多的氣體。
因?yàn)槠鹋輨┰谝后w中的溶解度不是很大，所以它在液體中的準(zhǔn)確的體積百分?jǐn)?shù)是通過(guò)測(cè)量液/氣混合物的密度確定的。下面概述的各種測(cè)量方法是目前用來(lái)確定單體/氣體混合物的密度的方法。
這些方法之一是開(kāi)口杯法，它有三種型式。在第一種型式中，從裝置的調(diào)節(jié)回路中抽取一定量的液體樹(shù)脂材料/氣體混合物送入一個(gè)體積和重量已知的圓頂狀的帶蓋杯子中。將杯子充滿(mǎn)，從蓋子上的泄放孔處擦掉多余的材料，稱(chēng)量杯子的重量。減去皮重，用一臺(tái)乘法器將重量(克)轉(zhuǎn)化成比重(公制密度)。在另一種型式中，從裝置的調(diào)節(jié)回路中抽取一定量的液體樹(shù)脂材料/氣體混合物送入一個(gè)開(kāi)口杯中。將一只比重計(jì)放入混合物中，直接讀出比重。在第三種型式中，從裝置的調(diào)節(jié)回路中抽取一定量的液體樹(shù)脂材料/氣體混合物送入帶刻度的玻璃量筒中。記錄該材料在量筒中的高度；將量筒稱(chēng)量并計(jì)算密度。
另一種測(cè)量方法稱(chēng)為儀器化的開(kāi)口杯法，它是開(kāi)口杯法的自動(dòng)化與儀器化的翻版。與開(kāi)口杯法相比，此法的缺點(diǎn)是，它涉及讓多余的材料在大氣條件下從原來(lái)稱(chēng)重的量筒中流入第二只量筒中，從而造成該材料大量起泡，量筒中留下的單體的密度將有很大變化。
另一種測(cè)量方法稱(chēng)為壓縮法。此法將量筒內(nèi)的液體樹(shù)脂材料/氣體混合物加壓，目的是保證混合物內(nèi)的氣體體積可以忽略。然后由從量筒的線性位移準(zhǔn)確看出的體積變化推斷出未壓縮時(shí)的密度。
第四種方法稱(chēng)為核衰減法。液體樹(shù)脂材料/氣體混合物密度的測(cè)量步驟是安裝一個(gè)15至100毫居里的放射源夾具，它通過(guò)外殼上的窗口輻射，穿過(guò)管道和液體樹(shù)脂材料/氣體物流，到達(dá)位于放射源對(duì)面的接收器。探測(cè)器可以是閃爍管或電離室，它發(fā)出一個(gè)與校正標(biāo)準(zhǔn)相比較的信號(hào)并換算成工程單位。此裝置一旦校正后極其準(zhǔn)確。
在第五種方法(振動(dòng)U形管法)中，使液體樹(shù)脂材料/氣體混合物流過(guò)一個(gè)振動(dòng)的U形管，該管在與U形管流動(dòng)平面垂直的方向振動(dòng)。慣性力產(chǎn)生的振幅與混合物的密度有直接關(guān)系。
開(kāi)口杯法的主要缺點(diǎn)是，因?yàn)闅馀蓍_(kāi)始并結(jié)，它很難得到一致和準(zhǔn)確的讀數(shù)。從系統(tǒng)中取樣的時(shí)刻和取樣與測(cè)量之間的時(shí)間可能變化。雖然上面提到的壓縮法、核衰減法和振動(dòng)U形管法可以得到較為一致和準(zhǔn)確的密度讀數(shù)，但已發(fā)現(xiàn)，在預(yù)測(cè)從液體樹(shù)脂材料制成的聚合物的質(zhì)量方面，這些方法甚至比開(kāi)口杯法更不適用。儀器化的開(kāi)口杯法和振動(dòng)的U形管法只是在它們對(duì)特定的樹(shù)脂進(jìn)行了校正并且有了將結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力相關(guān)聯(lián)的手段時(shí)才準(zhǔn)確。最后，所有上述方法均有一個(gè)缺點(diǎn)，即，它們依賴(lài)于使用這些方法的化學(xué)家或操作人員的技巧和判斷，這些人員將解釋測(cè)量結(jié)果并調(diào)節(jié)將氣體加入到液體樹(shù)脂材料內(nèi)的工藝以便使從這些材料制成的聚合物的物理性質(zhì)最優(yōu)化。
應(yīng)該指出，專(zhuān)利技術(shù)中提供了許多在多種液體樹(shù)脂材料組分中使用各種起泡劑的裝置和方法的實(shí)例。例如，美國(guó)專(zhuān)利4,157,427中提出將惰性氣體(例如氮)引入反應(yīng)性注射成型(RIM)系統(tǒng)的液體反應(yīng)組分中。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)一個(gè)起泡裝置在壓力下壓入氣體，將氣體加入到聚氨酯的一種前體中。起泡裝置被描述成是一個(gè)有適當(dāng)大小和形狀的多孔剛性結(jié)構(gòu)，用來(lái)產(chǎn)生微小氣泡以便更好地混合，該裝置安裝在一個(gè)管道中，反應(yīng)活性組分經(jīng)由該管道循環(huán)流動(dòng)，由供料槽流至混合裝置或返回到供料槽。但是，層流會(huì)促進(jìn)并結(jié)。
美國(guó)專(zhuān)利94,376,172涉及一種用來(lái)控制RIM法中向液體(例如聚氨酯前體)中加入氣體的閉合回路裝置。另外，還提供了用來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量加入的氣體數(shù)量裝置。起泡劑或氣體通過(guò)起泡裝置加入，該裝置位于從供料槽經(jīng)由調(diào)節(jié)回路返回供料槽循環(huán)的反應(yīng)物液流中。
美國(guó)專(zhuān)利4,526,907涉及向用來(lái)混合制備泡沫塑料的至少一種組分中加入氣體的方法和裝置。將一個(gè)供料槽中的反應(yīng)物經(jīng)由有壓縮區(qū)的循環(huán)管線輸送，壓縮區(qū)的壓力高于供料槽中的壓力。在此壓縮區(qū)內(nèi)加入起泡氣體，隨后將混合物加壓流過(guò)一個(gè)節(jié)流元件以便在返回供料槽之前降低壓力。該專(zhuān)利還提到，可以使用幾種不同的方法測(cè)定氣體—反應(yīng)物混合物中的氣體數(shù)量，包括密度、分壓、光束的吸收、壓縮度和溶解度，但是不需要討論這樣作的裝置。
美國(guó)專(zhuān)利4,906,672涉及連續(xù)制造聚氨酯泡沫的方法。更具體地說(shuō)，該專(zhuān)利涉及向含有水的形成聚氨酯的反應(yīng)物中加入少量二氧化碳作為主要起泡劑，其中提到，二氧化碳將在反應(yīng)物之一遠(yuǎn)未到達(dá)混合裝置之前溶于其中。引入二氧化碳在高壓下于管道內(nèi)進(jìn)行，優(yōu)選75至900磅/平方英寸(0.62至6.3兆帕)，引入部位離混合裝置宜有足夠距離，從而在從加入點(diǎn)到混合裝置的行程中實(shí)現(xiàn)的均勻夾帶。一旦混合物到達(dá)混合裝置，就利用一個(gè)或多個(gè)噴管使二氧化碳—反應(yīng)物混合物膨脹；但是，該專(zhuān)利提到要避免夾帶氣泡。
最后，上面提到的歐洲專(zhuān)利125,541B敘述了一種測(cè)量用于制造合成的泡沫塑料的液體組分內(nèi)充氣量的裝置。它使用一個(gè)量器定期地接收液體樣品，該量器與一個(gè)溢流容器相連。將量器內(nèi)的壓力減小到大氣壓力，含氣體的組分會(huì)膨脹并溢流到溢流容器中，從而可以測(cè)定密度。
先有技術(shù)提到利用測(cè)量起泡劑/液體樹(shù)脂材料混合物在實(shí)際操作壓力(美國(guó)專(zhuān)利4,157,427)或環(huán)境壓力下的密度來(lái)確定充氣量。為此，將polyahls和起泡劑的混合物或是從預(yù)設(shè)的操作壓力膨脹到第二個(gè)較低的設(shè)定壓力(美國(guó)專(zhuān)利4,376,172)，或是從給定的預(yù)設(shè)操作壓力膨脹到大氣壓力(歐洲專(zhuān)利125,541—B)。后—發(fā)明采用的設(shè)備大、麻煩而且昂貴。
因此很顯然，雖然已有人使用低沸點(diǎn)組分作為聚氨酯泡沫體的起泡劑，但尚未提到過(guò)這樣的裝置和方法，它們能準(zhǔn)確地測(cè)量和控制起泡劑在液體樹(shù)脂材料中的分散體的細(xì)度和氣泡及液滴大小，從而能控制所形成的泡沫體的氣孔結(jié)構(gòu)。
因此，本發(fā)明的目的之一是提供一種以下述方式預(yù)測(cè)和控制反應(yīng)活性液體樹(shù)脂材料內(nèi)氣件性能的裝置和方法，即，能以獨(dú)立變量的形式控制并記錄氣體數(shù)量對(duì)分散體的質(zhì)量與細(xì)度的相對(duì)貢獻(xiàn)，以此作為二級(jí)相互作用并控制分散體在模具內(nèi)的性能。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用以計(jì)數(shù)分散在反應(yīng)活性液體樹(shù)脂材料內(nèi)的選定大小氣泡的數(shù)目的方法和裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用以得到與分散在液體樹(shù)脂材料內(nèi)的氣泡數(shù)目及大小相關(guān)聯(lián)的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)化統(tǒng)計(jì)分析的裝置和方法。
本發(fā)明的又一目的是測(cè)量在RRIM方法中polyahl內(nèi)的填料含量。
本發(fā)明的另一目的是提供一種得到實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)化統(tǒng)計(jì)分析的裝置和方法，上述統(tǒng)計(jì)分析能記錄選定大小的氣泡粒子總數(shù)并作圖，同時(shí)提供一種產(chǎn)生某個(gè)單個(gè)數(shù)值的算法，該數(shù)值能作為輸出用來(lái)改變一種新型剪切裝置的RPM。
本發(fā)明的又一目的是提供一種用來(lái)將起泡劑及液體樹(shù)脂材料混合物內(nèi)的氣泡分布均勻化的新型的剪切裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種裝置，它能施加很高的剪切力，以便將分散在液體樹(shù)脂材料內(nèi)的起泡劑的氣泡尺寸減小或保持在小于約1—1000μm的范圍。
本發(fā)明的另一目的是提供一種裝置，用以形成受控成核、氣體濃度遠(yuǎn)大于50％的穩(wěn)定的混合物。
本發(fā)明的又一目的是提供一種能剪切氣泡而又不使polyahls內(nèi)填料破壞的裝置。
本發(fā)明的再一目的是提供一種用來(lái)將液體樹(shù)脂材料內(nèi)的起泡劑分散的裝置和方法，它能夠避免槽內(nèi)的覆蓋氣體不受控制地夾帶到液體樹(shù)脂材料中。
本發(fā)明的再一目的是制造比正常密度值更低的RIM和PRIM部件。
一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明提供了用于微小氣泡在液體樹(shù)脂材料內(nèi)的分散體的裝置，它包括其中裝有處于高壓下的液體樹(shù)脂材料的高壓槽；用來(lái)將選自氣體和液體起泡劑及成核劑中的至少一種試劑運(yùn)送到液體樹(shù)脂材料內(nèi)的裝置；對(duì)槽內(nèi)的液體樹(shù)脂材料及選定的試劑的混合物進(jìn)行攪拌的裝置；對(duì)混合物進(jìn)行剪切的裝置；以及用于測(cè)定混合物內(nèi)試劑的氣泡個(gè)數(shù)并形成控制剪切裝置操作的輸出信號(hào)、從而使液體樹(shù)脂材料內(nèi)試劑分散體的細(xì)度按要求改變的控制裝置。
本發(fā)明還提供了用來(lái)將液體樹(shù)脂材料和選自氣體和液體起泡劑及成核劑的試劑的混合物內(nèi)的氣泡分布進(jìn)行均化的裝置，其中包括裝有入口和出口裝置的殼體，與用來(lái)將混合物引入原泵體的入口裝置相配合的第一隔室和至少一個(gè)漿片，裝有至少一個(gè)漿片的至少一個(gè)附加隔室，用來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)漿片的裝置。
本發(fā)明還提供了用來(lái)將液體樹(shù)脂材料和試劑(例如氣體或液體起泡劑或成核劑)的混合物內(nèi)的氣泡分布均勻化的裝置，其中包括有入口和出口裝置的殼體；與用來(lái)將混合物引入殼體的入口裝置協(xié)同操作并裝有至少一個(gè)漿片的第一隔室；與出口裝置協(xié)同操作的至少一個(gè)附加隔室，其中裝有至少一個(gè)用來(lái)將混合物沿軸向流過(guò)殼體的泵送裝置；用于轉(zhuǎn)動(dòng)漿片的裝置；以及可與槽內(nèi)的混合物相連的殼體內(nèi)的側(cè)壁口。
本發(fā)明還提供了一種用來(lái)將微小氣泡分散在液體樹(shù)脂材料內(nèi)的方法，其中包括的步驟有從供料槽中抽取一定量的液體樹(shù)脂材料及諸如氣體或液體起泡劑或成核劑的試劑；控制用于剪切液體樹(shù)脂材料和分散劑的裝置的操作，從而根據(jù)需要控制試劑的氣泡大小及均勻性；利用剪切裝置的輸出攪動(dòng)槽內(nèi)的液體樹(shù)脂材料與分散的試劑的混合物，以使分散在液體樹(shù)脂材料內(nèi)的氣泡實(shí)現(xiàn)均勻及單一的分布。
最后，本發(fā)明提供了由開(kāi)口杯比重小于約0.45的液體樹(shù)脂材料制成的充氣的RIM制品。
后面將說(shuō)明并提出權(quán)利要求的本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了至少一個(gè)或多個(gè)上述目標(biāo)，并表現(xiàn)出優(yōu)于將起泡劑摻入液體樹(shù)脂材料的已知工藝的方法與裝置的優(yōu)點(diǎn)，這在后面的說(shuō)明中將變得顯而易見(jiàn)。
圖1是本發(fā)明用于控制起泡劑在液體樹(shù)脂材料內(nèi)分散體細(xì)度的裝置的部分方框圖及流程示意圖。
圖2是本發(fā)明的新型剪切裝置的橫截面圖，圖3是大體上沿圖2的線3—3取的截面，圖4是大體上沿圖2的線4A取的截面，圖5是大體上沿圖2的線5—5取的截面，圖6是本發(fā)明裝置的示意流程圖，它表示了位于樹(shù)脂供料槽外的新型剪切裝置的應(yīng)用。
圖7是本發(fā)明裝置的示意流程圖，它也表示了位于樹(shù)脂供料槽外的新型剪切裝置的應(yīng)用。
圖8是本發(fā)明示例的測(cè)量沒(méi)備及控制系統(tǒng)的方框圖，其中包括氣泡大小分布及混合物密度測(cè)量設(shè)備及與之連接的使用比例—積分—微商控制器的控制設(shè)備；圖9是實(shí)施比例—積分—微商控制器的常規(guī)數(shù)字程序的方框圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施比例—積分—微商控制器的數(shù)字程序的方框圖，用以控制圖1所示裝置中起泡劑在液體樹(shù)脂材料內(nèi)分散體的細(xì)度。
在使用作為優(yōu)選實(shí)施例的RIM法制造聚氨酯泡沫時(shí)，分別準(zhǔn)備兩種材料一種polyahl和一種異氰酸酯組分并將其在混合裝置內(nèi)混合。在RRIM法的情形，通常向polyahl中加入填料。將起泡劑或試劑混合物摻混到液體樹(shù)脂材料中形成混合物，起泡劑通常是加到polyahl液流中，但是也可以加到異氰酸酯液流中。由于混合物可以有不同的物相和類(lèi)型，這里所用的“摻混”一詞包括基本上可溶及基本上不溶的起泡劑與液體樹(shù)脂材料的混合物，它們分別是溶解的和分布或分散的。因此，混合物一詞包括基本上不溶的起泡劑與液體樹(shù)脂材料的組合，也包括可溶性起泡劑在液體樹(shù)脂材料中的溶液。還應(yīng)該清楚，可以使用液體和氣體的起泡劑，因此，摻混包括了液滴、氣泡及分子。
起泡劑一詞應(yīng)理解為包括可作為起泡劑使用的氣體和液體，例如，含氯氟烴(CFC)、氫氯氟烴(HCFC)、全氟烴(PFA)、氫氟烴(HFA)、氫氯烴(HCA)、正烷烴和支鏈烷烴以及它們的混合物、酯、醚、稀有氣體、氨、戊烷及其異構(gòu)體和它們的混合物、水和蒸汽、二氧化碳、氦、氮和空氣，以及兩種或多種起泡劑的任何合適的混合物。氮特別適合作為起泡劑用于制造聚氨酯RIM和RRIM泡沫體。
在混合物內(nèi)，起泡劑以微小氣泡的形式存在，它影響最終的RIM或RRIM產(chǎn)品的氣孔結(jié)構(gòu)和質(zhì)量。摻入準(zhǔn)確數(shù)量的起泡劑很重要，這是以微小氣泡或粒度大小在小于1μm至最高約100μm之間的形式摻入起泡劑的需要，本發(fā)明涉及對(duì)混合物內(nèi)起泡劑分散體的測(cè)量與控制。和控制。
更具體地說(shuō)，已發(fā)現(xiàn)分散體的細(xì)度是控制產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。因此，雖然引入起泡劑的微小氣泡是一個(gè)關(guān)鍵因素，但是大多數(shù)氣泡都具有均一的尺寸也很必要。我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)液體樹(shù)脂材料和起泡劑混合物內(nèi)的氣泡分布的鑒定表明，氣泡的大小范圍比預(yù)期值要寬，這部分是由于并結(jié)。如上所述，本發(fā)明的目的之一是確定或測(cè)量氣泡的分布，然后用此信息控制起泡劑分散體的細(xì)度，以確保形成高分布密度的大小均勻的微小氣泡。現(xiàn)在參照


一種用于此目的的裝置和方法。
本發(fā)明的裝置概括地用數(shù)字20標(biāo)明。裝置20使用一種合適的數(shù)字控制系統(tǒng)；但是，由于這類(lèi)系統(tǒng)是眾所周的，不構(gòu)成本發(fā)明的新穎性，所以不需要作進(jìn)一步的說(shuō)明。所畫(huà)出的裝置20包括了用于制造聚氨酯的兩組分液體樹(shù)脂體系(例如polyahl和異氰酸酯)的大約一半。對(duì)于討論來(lái)說(shuō)，裝置20應(yīng)聯(lián)系polyahl液體樹(shù)脂材料組分來(lái)敘述。
提供一個(gè)液體樹(shù)脂材料保存與混合槽21，用來(lái)接收供應(yīng)的材料M。槽21設(shè)計(jì)成能承受高達(dá)約500磅/平方英寸(3.5兆帕)的壓力并經(jīng)由管道22進(jìn)入來(lái)自供源(未畫(huà)出)的液體樹(shù)脂材料供料。槽21內(nèi)的壓力以約250磅/平方英寸(1.8兆帕)為宜，最好是約100磅/平方英寸(0.69兆帕)。不過(guò)應(yīng)該清楚，如果所要求的材料和起泡劑的組合物需要，不排除更高的壓力，同樣，對(duì)于其它的組合物可能低至20至25磅/平方英寸(0.14至0.17兆帕)的壓力合適。
從位于槽21底部的導(dǎo)管23抽出液體樹(shù)脂材料，經(jīng)過(guò)一系列閥門(mén)(未示出)、泵24、高壓計(jì)量裝置25和工藝中已知的有關(guān)組件和設(shè)備，最終經(jīng)過(guò)一個(gè)收縮噴嘴26送入混合裝置28中，最終經(jīng)出料室29進(jìn)入模具(未畫(huà)出)中。進(jìn)料壓力范圍是從約1100磅/平方英寸(7.6兆帕)到4000磅/平方英寸(27.6兆帕)，優(yōu)選2800磅/平方英寸(19.3兆帕)。第二種反應(yīng)活性材料，例如聚異氰酸酯，經(jīng)由導(dǎo)管32和收縮噴嘴33同時(shí)注入混合裝置28中并經(jīng)由出料室29流出，與材料M(polyahl)充分混合。當(dāng)混合裝置關(guān)閉時(shí)，兩股液流將經(jīng)由導(dǎo)管34和35返回到各自的槽中。
如上所述，此裝置打算使用一種基本上不溶的起泡劑，因此裝有供料槽36以便經(jīng)出口閥38和壓力調(diào)節(jié)器39將起泡劑送入管線40。管線40裝有調(diào)節(jié)器41和閥42并向起泡裝置43中送料，裝置43中包含一系列起泡器44。閥42接受來(lái)自下面將進(jìn)一步說(shuō)明的密度控制器的輸出信號(hào)并受其控制。這些部件合在一起構(gòu)成一個(gè)總起來(lái)用數(shù)字45表示的向液體樹(shù)脂材料內(nèi)送入起泡劑的裝置。起泡器有許多孔，用來(lái)產(chǎn)生平均粒度不大于約100μm的微小氣泡或液滴，優(yōu)選粒度為約10μm，約1μm更好，最好是約0.2μm。
通過(guò)將來(lái)自導(dǎo)管23的液體連續(xù)循環(huán)到返回管線46中并流過(guò)成核回路泵48，使起泡劑在液體樹(shù)脂材料中的摻混變得更容易。在流入起泡裝置43之前，液體先流過(guò)總起來(lái)用數(shù)字50表示的測(cè)量設(shè)備與控制系統(tǒng)和一個(gè)回壓調(diào)節(jié)閥51，該閥的作用是在返回管線46中形成一個(gè)壓力超過(guò)槽壓不很多的區(qū)域，以有助于引入成核氣體，即起泡劑。在流出起泡裝置43后，成核的液體樹(shù)脂材料經(jīng)由供料管52流入供料槽21中，管52穿過(guò)一個(gè)位于槽側(cè)壁54上的開(kāi)口53(圖3)進(jìn)入后面將更詳細(xì)說(shuō)明的統(tǒng)一用數(shù)字60表示的氣體分散裝置。
槽21裝有一個(gè)由馬達(dá)62驅(qū)動(dòng)并有合適的混保漿片63的常規(guī)攪拌器61。重要的是攪拌器保持實(shí)驗(yàn)確定的攪拌程度而不會(huì)將材料的表面擾動(dòng)到足以引起不受控制地夾帶氣體的地步。材料以三種不同的狀態(tài)進(jìn)入槽內(nèi)大批量的，由計(jì)量筒返回的和經(jīng)由氣體分散裝置60返回的材料，槽內(nèi)的平均材料構(gòu)成了第四種狀態(tài)。攪拌速度隨系統(tǒng)而異；或許還隨不同的槽壓而變。另外，在某些系統(tǒng)中槽由于能允許大氣泡上浮而實(shí)際上起著將大氣泡與小氣泡“分開(kāi)”的作用。太多的攪拌會(huì)造成較大氣泡混入部件中這樣一種不理想的狀態(tài)。
槽還帶有內(nèi)隔板64和65，它們被用來(lái)提高攪拌器的效率，同時(shí)使液體的表面被擾動(dòng)到足以?shī)A雜大量覆蓋氣體的幾率極小。
現(xiàn)在考慮在圖2至5中更詳細(xì)說(shuō)明的氣體分散裝置60，該裝置是一個(gè)偏心穿過(guò)混合槽21頂70的常規(guī)結(jié)構(gòu)的高切速均化器。氣體分散裝置60包括放置剪切元件的外殼71和一個(gè)外置馬達(dá)72。該馬達(dá)支承在支架73上，支架73由螺栓和螺母74、75固定在外殼71上并構(gòu)成了殼體71的上部封閉端。它按合適的尺寸制得，約20馬力，在最高達(dá)3600轉(zhuǎn)/分的可變速度下操作，用在容量約150加侖的槽21中。當(dāng)然，這些參數(shù)僅作為一般可實(shí)現(xiàn)的參數(shù)，而不是對(duì)本發(fā)明或者對(duì)裝置60的專(zhuān)門(mén)限制。
馬達(dá)裝有一個(gè)輸出軸76，它適當(dāng)?shù)匕惭b在軸承77中(圖1)，并通過(guò)聯(lián)接套筒78與漿片支承軸79相連。軸79上裝有一系列剪切漿片80，它們固定在軸上，彼此之間用隔板81分開(kāi)。漿片構(gòu)成一個(gè)基本上圓形的平面體82，其末端為圍繞圓周的齒形邊緣，這些齒上下交錯(cuò)排列(圖4)。齒形邊緣83的末端與由構(gòu)成裝置60的側(cè)壁71的多個(gè)中間管區(qū)85形成的內(nèi)壁84距離很近。
位于相鄰的管區(qū)85之間的是擋板或剪切板86，它們是平面板，有一個(gè)圍繞隔板81的中心開(kāi)口88，液體可以從中穿過(guò)。剪切板86借助其邊緣固定在相鄰的管區(qū)85之間，而管區(qū)85本身又被連桿89及螺口90固定在一起，連桿及螺母有助于裝置60的裝配和拆卸。
最上面的剪切板86的中心開(kāi)口88比下面較低的剪切板86的小。這一結(jié)構(gòu)阻止了進(jìn)料經(jīng)由供料管52向上流動(dòng)。當(dāng)液體樹(shù)脂材料經(jīng)由供料管52和穿過(guò)管區(qū)85中的孔94的進(jìn)料管93進(jìn)入時(shí)，它進(jìn)入由內(nèi)壁84和兩個(gè)剪切板86與86A限定的第一隔室(稱(chēng)作95)。室95的內(nèi)壁84上固定著一系列4個(gè)檔板96，用于幫助控制不想發(fā)生的材料圍繞95的轉(zhuǎn)動(dòng)。
參看圖2顯然可見(jiàn)，當(dāng)液體樹(shù)脂材料經(jīng)由進(jìn)料管93送入隔室95中時(shí)，它圍繞剪切漿片80A的邊緣軸向流動(dòng)，然后穿過(guò)剪切板86A中的中央開(kāi)口沿徑向進(jìn)朝內(nèi)流動(dòng)，接著圍繞下一個(gè)剪切漿片80B沿徑向朝外流動(dòng)，如此繼續(xù)下去。
每對(duì)剪切板構(gòu)成下一隔室95A至95C，這些隔室的數(shù)目可以變化，以便為所要求的起泡劑在液體樹(shù)脂材料內(nèi)的分散提供必要的剪切作用。圖2中畫(huà)出了三個(gè)完整的隔室，但應(yīng)該清楚，無(wú)論是裝置20還是分散裝置60均不受此限制。
最后，到達(dá)最后或最低的隔室95C，該隔室同樣由內(nèi)壁84和剪切板86C以及外殼71的底98限定。底座98上安放一個(gè)供輸出軸79的末端用的導(dǎo)向套筒99，并且有許多開(kāi)孔100，混合物可以經(jīng)由這些開(kāi)孔流出，穿過(guò)軸承芯形支架101流出裝置60。在隔室95C內(nèi)，可以任選地使用泵送漿片80D(其中帶孔)，它與上述的剪切漿片不同，是在82的主體內(nèi)帶有許多通氣孔道102(圖5)。漿片80D提供了泵送作用，這與裝置的每分鐘轉(zhuǎn)速成正比。這有兩個(gè)好處首先是減少了不經(jīng)過(guò)混合區(qū)而流出裝置頂部的材料的數(shù)量，其次，它降低了混合區(qū)內(nèi)的壓力，從而使氣泡暫時(shí)變大，容易剪切成較小的尺寸。
當(dāng)混合物流出裝置60時(shí)，基本上所有的夾帶氣泡都具有微細(xì)和均一的大小，處在0.1和50μm之間，這與樹(shù)脂和起泡劑的數(shù)量有關(guān)。當(dāng)混合物朝向槽21的底部排放時(shí)，攪拌器漿片63被固定在特定的位置轉(zhuǎn)動(dòng)，以使將槽下部的內(nèi)容物抽向上方并與來(lái)自裝置60的剛剛分散的混合物相接觸。
由圖2和3還會(huì)注意到，外殼71在頂區(qū)106的第一隔室95的上方有一系列大開(kāi)口105。配置這些孔105是為了使來(lái)自入口93的多余的返回材料得以流出剪切區(qū)的頂部進(jìn)入槽21，而不會(huì)引起已在槽內(nèi)的材料表面的過(guò)度擾動(dòng)，如果在可能磨蝕的材料中不使用軸承或密封，這種擾動(dòng)會(huì)造成無(wú)法控制和/或過(guò)度的氣體夾雜。通過(guò)使槽內(nèi)的液面控制在這些孔的中心50％處，這些孔防止了由混合區(qū)頂部流出的材料接近轉(zhuǎn)軸密封區(qū)。材料液面的任何偶然的下降都會(huì)由裝在軸76上緊靠軸封109下方的吊環(huán)板108發(fā)現(xiàn)(圖1)。
液面必須保持在大開(kāi)口的中心50％處。如果材料到達(dá)孔頂，它的液面不再能保證與總槽的液面相同。這里所關(guān)心的是必須防止材料M在流過(guò)孔103的頂之后到達(dá)軸封109，因?yàn)闃?shù)脂內(nèi)的磨蝕性填料會(huì)對(duì)軸封109有不利作用。
上述的分散裝置60提供了經(jīng)由進(jìn)料管93和經(jīng)開(kāi)口100流出底部的流動(dòng)。另外，使用帶有許多通氣孔道的泵送漿片80D有助于導(dǎo)引液體流過(guò)裝置60。不過(guò)，利用改變隔板81也可以得到向下的泵送作用而不用這類(lèi)泵送漿片80D。更具體地說(shuō)，參看隔室95A，通過(guò)將剪切漿片80B安裝得離剪切板86A比86B更近，隔室將向下泵送。同樣，通過(guò)將剪切漿片80B安裝得更靠近剪切板86B，隔室將向上泵送。
在后面這一點(diǎn)上，應(yīng)該清楚，分散裝置60同樣可以從底部進(jìn)料，經(jīng)由位于另一端的出口105將受剪切的材料分散。為了適應(yīng)這種結(jié)構(gòu)，供料管52應(yīng)與管110連接(圖1)，該管穿過(guò)槽的側(cè)壁54進(jìn)入分散裝置60。出口94朝向槽21開(kāi)口，部件52、53和93將省略掉。雖然這一具體實(shí)施方案并未詳細(xì)畫(huà)出，但是應(yīng)該理解，裝置60的下部構(gòu)型可以通過(guò)省去開(kāi)口100、泵送漿片80D和進(jìn)料管93進(jìn)行修改。另外，剪切漿片80可以安裝成穿過(guò)裝置向上泵送。
裝置20的另外的實(shí)施方案示于圖6和7中。在圖6和7中，裝置20與聯(lián)系圖1所述的裝置20相似，只是分散裝置60安裝在供料槽21的外面。在圖6中，裝置60也如上所述由管道52供料，剪切過(guò)的材料經(jīng)由泵111泵送到供料槽21中。在槽21的頂部安裝一個(gè)大口徑的導(dǎo)管112并與裝置60在大出口105的區(qū)域相連，上述的大出口在裝置60中當(dāng)然不再使用。
如圖所示，槽21中材料M的液面與裝置60中的材料成平衡，正如在圖1中最早說(shuō)明的實(shí)施方案中一樣。為了有利于保持這種平衡，可以在裝置60中材料M的上方的室113中形成氣體覆蓋層。該氣體覆蓋層可以任選地由槽36經(jīng)管道114供應(yīng)，還在槽21內(nèi)以及導(dǎo)管114內(nèi)的材料M上方形成氣體覆蓋層。該覆蓋氣層也可以是取自槽21內(nèi)的覆蓋氣。
在圖7中，從供料槽21中取出材料M，經(jīng)由管115送入分散裝置60的下端116，該裝置60也接收經(jīng)由管52來(lái)自起泡裝置43(未畫(huà)出)和控制系統(tǒng)50(未畫(huà)出)的材料。同樣裝有大導(dǎo)管112并與裝置60在不再使用的大出口105所在區(qū)域相連。由圖及先前的解釋顯然可見(jiàn)，槽21及分散裝置60內(nèi)的材料M的液面藉此處于平衡。另外，可以將覆蓋氣經(jīng)由管114送入裝置和槽中。在此實(shí)施方案中，還可以將一個(gè)起泡裝置(未畫(huà)出，但是與裝置43類(lèi)似)與經(jīng)由管道115循環(huán)的材料方向一致地安置，或是安置在裝置60的下端116內(nèi)。
如上所述，連續(xù)監(jiān)測(cè)起泡劑和液體材料的混合物對(duì)于確保優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)很重要。為此，用合適的設(shè)備分析混合物內(nèi)的氣泡大小分布和混合物的密度，所得的信息被用來(lái)通過(guò)控制系統(tǒng)50控制裝置20，圖8更詳細(xì)地展示了一種示例性的測(cè)量設(shè)備和控制系統(tǒng)50。這種測(cè)量設(shè)備包括氣泡大小分析儀121，它由返回管線46供料，以各種氣泡大小范圍的形式提供表示氣泡大小分布信息的信號(hào)122。在本實(shí)施例中，12個(gè)大小范圍可以適用于實(shí)現(xiàn)為制造優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品所必需的控制。
目前已有現(xiàn)成的用于測(cè)量氣泡大小分布的設(shè)備，例如Metone公司(Grants pass，oregon)的214型Dual Sensor Monitor，Brinkmann Instruments公司(Vestbury，NY)的2010型高級(jí)Brinkmann粒度分析儀，Laser Sensor Technology公司(Bellevue，WA)的Par—Tec系列分析儀，它們?nèi)加眉す膺M(jìn)行探測(cè)、測(cè)量和計(jì)數(shù)粒子(例如氣泡)，并產(chǎn)生合適的相應(yīng)的電信號(hào)。由于這種設(shè)備是市售商品，不構(gòu)成整個(gè)裝置的新穎部分，所以無(wú)需對(duì)它的操作作更詳細(xì)的說(shuō)明。
隨后，無(wú)須測(cè)定混合物的密度，這要在成核之前于返回管線46內(nèi)進(jìn)行。在圖8中同樣用方框123示意表示合適的設(shè)備。實(shí)際上可以使用任何類(lèi)型的設(shè)備，只要它能提供與槽內(nèi)混合物實(shí)際密度相應(yīng)的合適電信號(hào)124，因此無(wú)需對(duì)具體裝置作詳細(xì)說(shuō)明。作為示例，可以舉出前面提到過(guò)的振動(dòng)U形管或核衰減設(shè)備。另外，在美國(guó)專(zhuān)利5,154,088中討論了一種通過(guò)測(cè)定體積膨脹勢(shì)測(cè)量密度的高度準(zhǔn)確的裝置和方法。
在通過(guò)氣泡大小分析儀121和密度測(cè)量設(shè)備123之后，將混合物在起泡裝置43處根據(jù)需要成核(起始)或接受另外加入的起泡劑?；貕赫{(diào)節(jié)閥51保證了在混合物于大體上槽壓下送到起泡裝置43之前此測(cè)量區(qū)內(nèi)的壓力恒定。還應(yīng)該指出，在RRIM系統(tǒng)中，在液體材料樹(shù)脂內(nèi)使用填料。它們不容易用分析氣泡用的激光設(shè)備計(jì)數(shù)，因此，本發(fā)明也可以包括超聲反射設(shè)備的使用，該設(shè)備用管線46中的方框125示意表示，它產(chǎn)生以各種氣泡大小范圍表示氣泡大小分布信息的信號(hào)126。合適的超聲反射裝置可由MonitekTechnologies公司(Hayward，Califonia)公司購(gòu)得。因?yàn)榇嗽O(shè)備是市售商品，不構(gòu)成整個(gè)裝置的新穎性，所以無(wú)需對(duì)其操作作詳細(xì)說(shuō)明。
可以看出，測(cè)量設(shè)備和控制系統(tǒng)50進(jìn)一步拓寬到包括一個(gè)氣泡大小控制器130、密度控制器131和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制限制器132。氣泡大小控制器130包括能產(chǎn)生必要控制信號(hào)的任何控制器，例如后面將詳細(xì)說(shuō)明的氣泡大小的比例—積分—微商(以后稱(chēng)作PID)控制器135。在裝備不止一種氣泡大小測(cè)量設(shè)備的場(chǎng)合，可以安裝一個(gè)開(kāi)關(guān)136以便接收來(lái)自它們的輸出信號(hào)(圖中的126和122)并選擇一種信號(hào)傳送到氣泡大小PID控制器135并為其接收。來(lái)自氣泡大小PID控制器135的輸出信號(hào)可以用增益控制器138接收，由它發(fā)出的放大的輸出信號(hào)139則被求和點(diǎn)140接收。
密度控制器131包括一個(gè)接收輸出信號(hào)124的求和點(diǎn)141和一個(gè)密度參考調(diào)定點(diǎn)，向下面將更詳細(xì)介紹的密度PID控制器145提供輸出信號(hào)143，另一個(gè)求和點(diǎn)148接收從PID控制145發(fā)出的輸出信號(hào)149和從自充閥151(圖1)發(fā)出的輸出信號(hào)150，該信號(hào)與液體樹(shù)脂材料流入混合槽21的速度相對(duì)應(yīng)，用比例換算器KAV152適當(dāng)調(diào)節(jié)。求和點(diǎn)148的輸出信號(hào)被起泡裝置閥42接收以便控制其操作，并經(jīng)比例換算器KD153作適當(dāng)調(diào)節(jié)。比例換算器KD153發(fā)出的輸出信號(hào)158由求和點(diǎn)140接收。
求和點(diǎn)140的輸出信號(hào)159可以用一個(gè)常規(guī)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制器160接收，以便控制馬達(dá)72的操作和改變起泡劑在液體樹(shù)脂材料M中分散體的細(xì)度?；蛘呤?，在希望限制馬達(dá)72的轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍的場(chǎng)合，例如在本文實(shí)施例中的情形，輸出信號(hào)159可以通過(guò)一個(gè)限制器132，以便保證對(duì)由馬達(dá)72驅(qū)動(dòng)控制器160接收到的來(lái)自限制器132的輸出信號(hào)161的適當(dāng)特性進(jìn)行限制，從而使馬達(dá)72的轉(zhuǎn)速處在所要求的范圍內(nèi)，這里是從約180rpm至約3600rpm。
如上所述，本發(fā)明使用氣體分散裝置60來(lái)均化夾雜在液體樹(shù)脂材料內(nèi)的起泡劑的氣泡。此外，還提供了用來(lái)控制氣體分散裝置60的轉(zhuǎn)速(通常用每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)或rpm表示)的裝置，這又調(diào)節(jié)了對(duì)給定的液體樹(shù)脂材料和起泡劑所要求的氣泡大小和分布密度。使用氣泡大小分析儀121測(cè)定氣泡大小和分布。包含這一信息的輸出信號(hào)和來(lái)自密度測(cè)定設(shè)備123的輸出信號(hào)被用來(lái)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男盘?hào)，用于控制氣體分散裝置60的RPM。
用于控制氣體分散裝置60的轉(zhuǎn)速的適當(dāng)信號(hào)可以容易地用各種已知的控制系統(tǒng)產(chǎn)生。一種很適合在數(shù)字計(jì)算機(jī)上簡(jiǎn)捷執(zhí)行的系統(tǒng)是上面提到的比例—積分—微商控制器。離散數(shù)據(jù)PID控制器的操作是眾所周知的，在Benjamin C.Kuo的題為“Automaticcontrol systems”的第一流教科書(shū)(1984年第4版)的8.9(PP.536—540)中有透徹的解釋。
在Kuo的教科書(shū)的圖8—51中展示了PID控制器數(shù)字程序執(zhí)行方框圖，該圖復(fù)制在本文的圖9中。在該圖中，按時(shí)間間隔T在t＝KT對(duì)函數(shù)f(t)取樣，用在t＝KT和t＝(K－1)T處測(cè)定的f(t)值作數(shù)值近似。KP、Kl和Kd分別代表比例增益、積分增益和微商增益。
建立一個(gè)用氣泡密度信息作為反饋來(lái)控制氣體分散裝置60的轉(zhuǎn)速的PID控制器公式的工作可以由用于離散型PID控制器的Z—變換函數(shù)開(kāi)始其中Kp是所控制的系統(tǒng)的比例增益，Kl是積分增益，Kd是微商增益。Kuo的教科書(shū)539頁(yè)上的公式8—187列出了數(shù)字微分器用的變換函數(shù)。Kuo的教科書(shū)和本文圖9中列出的數(shù)字積分器用的變換函數(shù)采用矩形數(shù)值近似。但是正如眾所周知的，如果采用梯形近似則數(shù)值近似可以改進(jìn)。幾種教科書(shū)說(shuō)明了用梯形數(shù)值近似法得出數(shù)字積分器用的變換函數(shù)的推導(dǎo)，包括Robert I.Mayhan的“Discret—Time And Continuous—Time Linear System”(1984)中第228頁(yè)上的式3.212和229頁(yè)上的圖3.39，以及Charles L.Phillips和H.Troy Nagle，Jr的“Digital Control System Analysisand Design”(1984)第247頁(yè)上的式8—52，后一公式與上述的式1相同。
為了確定均化器速度與氣泡密度的關(guān)系，可以將式1的供離散型PID控制器用的Z形變換函數(shù)的幾項(xiàng)合并，用減法求出均化器在時(shí)間t＝KT和t＝(K－1)T時(shí)的速度差，得到以下結(jié)果\＝其中R(K)是輸出的均化器速度，C(K)是輸入的氣泡密度。將各項(xiàng)重排，得到所要的均化器速度公式式3表示了所要求的均化器速度與氣泡密度反饋之間的控制關(guān)系。在本實(shí)施例中有12個(gè)可能的氣泡大小范圍，需要有12個(gè)控制回路，它們均有此控制關(guān)系?？紤]到本實(shí)施例12個(gè)控制回路各自的權(quán)重因子W和總增益G，對(duì)于n＝1至12，整個(gè)的控制公式可以表示成式中Z是控制器的輸出。圖10以控制方框圖的形式詳細(xì)圖示了單個(gè)氣泡大小PID控制回路和構(gòu)成氣泡大小PID控制器135的12個(gè)相加點(diǎn)的典型代表。密度PID控制器145可以類(lèi)似于僅有單獨(dú)一個(gè)控制回路(因此不需要權(quán)重)的氣泡大小PID控制器135。
PID控制器可以用計(jì)算機(jī)或者選用任何市場(chǎng)上可買(mǎi)到的裝置來(lái)操縱，例如Honeywell公司(Minneapolis，Minnesota)制造的Universal Digital Controller系列。至于所有的反饋控制系統(tǒng)，一旦安置了PID控制器，就必須選擇和設(shè)定它的各個(gè)控制變量，以便在所要求的操作參量?jī)?nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的操作。關(guān)于所謂PID控制器的“調(diào)整”已有大量的文獻(xiàn)和技術(shù)情報(bào)，這已為普通技術(shù)人員所熟知。關(guān)于調(diào)整PID控制器的較新和較全面的著作是CahnersPublishing(Des Plaines，Illinois)1990年出版的“ControlEngineering′s Reference Guide to PID Tuning”。
還應(yīng)該清楚，可以使用大大簡(jiǎn)化的控制系統(tǒng)，雖然其結(jié)果可能不如用PID控制器得到的好。例如，混合器可以根據(jù)公認(rèn)的與時(shí)間成比例的控制原理在間歇的基礎(chǔ)上以預(yù)選的速度操作?；旌掀鬟\(yùn)轉(zhuǎn)的總時(shí)間百分?jǐn)?shù)可以由所要求的密度確定。RPM可以根據(jù)所要求的氣泡大小預(yù)先選定。
到目前為止，本文所述裝置的啟動(dòng)觀察已得到良好的結(jié)果。首先，在將150加侖一批料成核時(shí)，在大氣壓條件下于30分鐘內(nèi)很容易地達(dá)到了0.8的成核后密度。觀察到的樣品穩(wěn)定，即，夾雜的成核氣體在液面上空間壓力為100磅/平方英寸的條件下24小時(shí)內(nèi)不發(fā)生并結(jié)和逃逸，而且在制造部件之前不需要重新成核。一般來(lái)說(shuō)，成核氣在2小時(shí)或更短的時(shí)間內(nèi)從用現(xiàn)有設(shè)備得到的成核polyahl樹(shù)脂中逃逸就足以需要使用前重新成核。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出，對(duì)于后面所述的所有操作條件，模塑部件中檢測(cè)不到空洞或縮痕。
在以下條件下使用本裝置模制減震器部件大小 12磅膠凝時(shí)間 0.9至1.0秒充填速度 6.8—22磅/秒開(kāi)口杯法比重 0.8
均化器 成核時(shí)1500RPM(最大)不成核時(shí)350RPM操作壓力100—150磅/平方英寸將均化器的RPM調(diào)高到2200RPM，30分鐘內(nèi)得到比重0.32的穩(wěn)定的混合物。用現(xiàn)有設(shè)備得到的成核的polyahl樹(shù)脂的開(kāi)口杯比重測(cè)定值通常尚未低于0.45。在正常的部件密度(12磅/部件)和大約2倍的正常壓力噸位數(shù)下制造部件。對(duì)于較高的充氣量，噸位數(shù)象預(yù)期的一樣增高。于是容易制成密度為通常數(shù)值的80％和90％的部件，從而實(shí)現(xiàn)了所述的一個(gè)目標(biāo)。在用開(kāi)口杯法測(cè)量比重期間，觀察到樣品以細(xì)分氣泡的形式幾乎完全保留了其中的氣體幾個(gè)小時(shí)。還觀察到在機(jī)器關(guān)停之后主槽21仍保持成核幾天。這證實(shí)達(dá)到了另一目標(biāo)制備穩(wěn)定成核的混合物以便將比重降到比此前可能做到的更低。
利用本發(fā)明，我們已經(jīng)做到開(kāi)口杯比重低至約0.32，比0.45低得多。這樣低的比重是完全出乎意料的。由商業(yè)觀點(diǎn)看其意義在于，在較低的比重區(qū)，由于高度成核，RIM產(chǎn)品可以用較少的樹(shù)脂制成。對(duì)于RRIM和SRIM產(chǎn)品也是這樣。所形成的部件有極高的質(zhì)量，沒(méi)有目前在常規(guī)成核水平上的這類(lèi)產(chǎn)品通常存在的缺陷。
不過(guò)，使用根據(jù)本發(fā)明成核至比重小于0.45的同樣重量或更大重量的樹(shù)脂，并且將模具內(nèi)壓力提高到770磅/平方英寸，我們能得到透明而且無(wú)缺限的部件，這是工藝中未曾知道和出乎意料的。此外，由于具有極細(xì)的微氣孔結(jié)構(gòu)，耐沖擊強(qiáng)度大大提高。因此，通過(guò)實(shí)施本發(fā)明也制得了新型的RIM制品。
于是很顯然，本發(fā)明的裝置和方法提供了一種極其有效和準(zhǔn)確的系統(tǒng)，用于測(cè)量和控制至少一種起泡劑在用于制造聚合物泡沫體的兩組分反應(yīng)體系的一種或兩種液體組分中的分散體細(xì)度。本發(fā)明特別適合于制造聚氨酯泡沫和使用低沸點(diǎn)起泡劑，但不必受此限制。本發(fā)明的裝置可以分別地使用，也可以與其它設(shè)備和方法一起用于制造其它的聚合物泡沫體。
關(guān)于前者，合適的裝置可以包括在共同未決的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)5,199,668和5,154,088中介紹的那些。
關(guān)于后者，本發(fā)明的裝置和方法可以與不是用來(lái)形成聚氨酯的其它液體樹(shù)脂材料一起使用，向該材料中加入起泡劑以形成聚合物泡沫體。因此，雖然本發(fā)明作為優(yōu)選實(shí)施方案公開(kāi)了形成聚氨酯的液體樹(shù)脂材料，但本發(fā)明不必受此限制。
根據(jù)以上的公開(kāi)內(nèi)容，雖然本文所述裝置的使用會(huì)實(shí)現(xiàn)前面所述的目的，因此應(yīng)該清楚，任何變動(dòng)顯然都屬于所申請(qǐng)的發(fā)明的范圍之內(nèi)，于是，具體的組分部分的選擇可以在不偏離本文所公開(kāi)和說(shuō)明的本發(fā)明精神的情況下確定。另外，本發(fā)明的范圍將包括可能處在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有變動(dòng)和修改。
權(quán)利要求
1.用于微小氣泡在液體樹(shù)脂材料內(nèi)的分散體的裝置，其中包括裝有處于高壓下的液體樹(shù)脂材料的高壓槽裝置；用來(lái)將至少一種氣體或液體起泡劑或成核劑送入液體樹(shù)脂材料中的裝置；攪拌槽內(nèi)的液體樹(shù)脂材料與所選試劑的混合物裝置；剪切該混合物的裝置；和用來(lái)測(cè)定該混合物上所述試劑的氣泡個(gè)數(shù)并提供輸出信號(hào)的裝置，該信號(hào)用于控制剪切裝置的操作，從而根據(jù)要求改變所述試劑在液體樹(shù)脂材料內(nèi)的分散體的細(xì)度。
2.權(quán)利要求1中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中的剪切裝置包括有進(jìn)口和出口裝置的殼體；可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸；第一隔室裝置，它與用來(lái)將混合物引入殼體內(nèi)的入口裝置相配合，并備有至少一個(gè)裝在所述軸上并裝入隔室內(nèi)的漿片；至少一個(gè)附加隔裝置，它與所述的出口裝置配合，并裝有至少一個(gè)用于轉(zhuǎn)動(dòng)所述漿片的漿片裝置。
3.權(quán)利要求2中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中的第一隔室裝置還包含許多固定在側(cè)壁內(nèi)壁上的軸向取向的擋板。
4.權(quán)利要求2中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中在第一隔室裝置和附加隔室裝置之間還包括多個(gè)隔室裝置，所述的多個(gè)隔室的每一個(gè)都包含一對(duì)剪切板和位于它們之間的至少一個(gè)漿片。
5.權(quán)利要求2中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中還包括在外殼上的可與槽內(nèi)的混合物相連的側(cè)壁口。
6.權(quán)利要求1中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中的剪切裝置包括有入口和出口裝置的殼體；可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸；第一隔室裝置，它與用來(lái)將混合物引入殼體內(nèi)的入口裝置相配合，并且備有至少一個(gè)裝在軸上并裝入隔室內(nèi)的漿片；至少一個(gè)用來(lái)將所述混合物沿軸向經(jīng)殼體泵送的泵送漿片；用來(lái)旋轉(zhuǎn)該漿片的裝置；和在殼體上與槽內(nèi)混合物相連的側(cè)壁口。
7.權(quán)利要求6中所述的用來(lái)控制分散體細(xì)度的裝置，它在第一隔室和附加隔室之間還包含多個(gè)隔室裝置，所述的多個(gè)隔室中每個(gè)都有一對(duì)剪切板和位于它們之間的至少一個(gè)漿片。
8.權(quán)利要求6中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中的殼體位于裝有大量試劑與液體樹(shù)脂材料混合物的槽內(nèi)。
9.權(quán)利要求1中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中的控制裝置包括測(cè)量混合物的密度和產(chǎn)生與之成正比的第一控制信號(hào)的裝置。
10.權(quán)利要求9中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中的控制裝置還包括用于測(cè)量起泡劑氣泡在多個(gè)氣泡大小范圍內(nèi)的分布和產(chǎn)生第二控制信號(hào)的裝置，該第二控制信號(hào)代表在預(yù)選的多個(gè)氣泡大小范圍內(nèi)的氣泡大小分布。
11.權(quán)利要求10中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中在液體樹(shù)脂材料內(nèi)包含一種填料，而且用于測(cè)量起泡劑氣泡分布的裝置包括用非光學(xué)方法檢測(cè)氣泡的裝置。
12.權(quán)利要求11中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中該控制裝置還包括用來(lái)接收第二控制信號(hào)和產(chǎn)生第三控制信號(hào)的氣泡大小控制裝置。
13.權(quán)利要求12中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中該氣泡大小控制裝置包括用來(lái)接收第二控制信號(hào)和產(chǎn)生第三控制信號(hào)的氣泡大小反饋控制裝置。
14.權(quán)利要求13中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中該氣泡大小反饋控制裝置是比例—積分—微商控制器。
15.權(quán)利要求14中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中的比例—積分—微商控制器包含多個(gè)反饋回路，其數(shù)目與所述的多個(gè)氣泡大小范圍相同。
16.權(quán)利要求15中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中的多個(gè)反饋回路均有一個(gè)權(quán)重因子并包括用來(lái)分別對(duì)多個(gè)反饋回路中每一個(gè)調(diào)節(jié)其權(quán)重因子的權(quán)重裝置。
17.權(quán)利要求10中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中該控制裝置還包括用來(lái)接收第一控制信號(hào)和產(chǎn)生第四控制信號(hào)的密度控制裝置。
18.權(quán)利要求17中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中該密度控制裝置包括用來(lái)接收第一控制信號(hào)和產(chǎn)生第四控制信號(hào)的密度反饋控制裝置。
19.權(quán)利要求10中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中還包括用來(lái)接收第二控制信號(hào)和產(chǎn)生第三控制信號(hào)的氣泡大小控制裝置，用來(lái)接受第一控制信號(hào)并產(chǎn)生第四控制信號(hào)的密度控制裝置，以及用來(lái)接收和合并第三與第四控制信號(hào)并形成第五控制信號(hào)的接合裝置。
20.權(quán)利要求19中所述的用于微小氣泡分散體的裝置，其中還包括限制器裝置，該裝置用來(lái)接收第五控制信號(hào)，將第五控制信號(hào)的預(yù)選特性限制在剪切裝置可接受的范圍內(nèi)，提供具有受限預(yù)選特性的第五控制信號(hào)作為輸出信號(hào)用來(lái)控制剪切裝置的操作。
21.用來(lái)將液體樹(shù)脂材料與試劑(例如氣體或液體起泡劑或者成核劑)的混合物內(nèi)的氣泡分布均化的裝置，其中包括有入口和出口裝置的殼體；可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸；與用來(lái)將混合物引入殼體的入口裝置相配合的第一隔室裝置，以及至少一個(gè)裝在上述軸上并裝入隔室內(nèi)的漿片；至少一個(gè)附加的隔室裝置，它具有至少一個(gè)裝在軸上并裝入該隔室內(nèi)的漿片；和用來(lái)使軸和漿片旋轉(zhuǎn)的裝置。
22.權(quán)利要求21中所述的用于均化氣泡分布的裝置，其中的第一隔室由一對(duì)剪切板和殼體的側(cè)壁限定。
23.權(quán)利要求22中所述的用于均化氣泡分布的裝置，其中還包括多個(gè)固定在側(cè)壁內(nèi)壁上的軸向定向的擋板。
24.權(quán)利要求21中所述的用于均化氣泡分布的裝置，其中在第一隔室和附加隔室之間還包含多個(gè)隔室裝置，所述多個(gè)隔室中每一個(gè)都包含一對(duì)剪切板和至少一個(gè)位于它們之中的漿片。
25.權(quán)利要求21中所述的均化氣泡分布的裝置，其中還包括在殼體上可與槽內(nèi)混合物相連的側(cè)壁口。
26.用來(lái)將液體樹(shù)脂材料和諸如氣體或液體起泡劑或成核劑等試劑的混合物內(nèi)的氣泡分布均化的裝置，其中還包括有入口和出口裝置的殼體；第一隔室，它與用來(lái)將混合物引入殼體內(nèi)的入口裝置相配合，裝有至少一個(gè)漿片；至少一個(gè)附加隔室裝置，它與出口裝置相配合，裝有至少一個(gè)泵送漿片，用來(lái)將混合物經(jīng)由殼體軸向泵送；用來(lái)旋轉(zhuǎn)該漿片的裝置；和在殼體中可與槽內(nèi)混合物相連的側(cè)壁口。
27.一種用于微小氣泡在液體樹(shù)脂材料分散體的方法，其中的步驟包括從供料槽中抽出一定量的液體樹(shù)脂材料和一種試劑，例如氣體或液體起泡劑或成核劑；控制剪切該液體樹(shù)脂材料和分散劑的裝置的操作，從而根據(jù)要求影響該試劑氣泡的大小和均勻度；和利用剪切裝置的輸出攪動(dòng)槽內(nèi)的液樹(shù)脂材料和分散劑的混合物，以便得到分散在該液體樹(shù)脂材料內(nèi)的單一的和均勻分布的氣泡。
28.權(quán)利要求27中所述的控制微小氣泡分散體的方法，其中所述的控制剪切裝置的步驟包括測(cè)量所述混合物的密度和產(chǎn)生一個(gè)與其成正比的第一控制信號(hào)。
29.權(quán)利要求27中所述的控制微小氣泡分散體的方法，其中所述的控制剪切裝置的步驟還包括測(cè)定在液體樹(shù)脂材料內(nèi)的該試劑氣泡的分布。
30.權(quán)利要求29中所述的控制微小氣泡分散體的方法，其中測(cè)定該液體樹(shù)脂材料內(nèi)氣泡分布的步驟包括測(cè)定氣泡在多個(gè)氣泡大小范圍內(nèi)的分布并產(chǎn)生第二控制信號(hào)，該信號(hào)代表在上述預(yù)選的多個(gè)氣泡大小范圍內(nèi)的氣泡大小分布。
31.權(quán)利要求30中所述的控制微小氣泡分散體的方法，其中的測(cè)定起泡劑氣泡在多個(gè)氣泡大小范圍內(nèi)分布的步驟包括當(dāng)液體樹(shù)脂材料中包含填料時(shí)用非光學(xué)方法檢測(cè)氣泡的步驟。
32.權(quán)利要求30中所述的控制微小氣泡分散體的方法，其中的測(cè)定氣泡分布的步驟還包括氣泡大小控制裝置接收第二控制信號(hào)和產(chǎn)生第三控制信號(hào)的步驟。
33.權(quán)利要求32中所述的控制微小氣泡分散體的方法，其中的產(chǎn)生第三控制信號(hào)的步驟包括在比例—積分—微商控制器中提供氣泡大小分布反饋控制的步驟。
34.權(quán)利要求33中所述的控制微小氣泡分散體的方法，其中的在比例—積分—微商控制器中提供氣泡大小反饋控制的步驟包括在該比例—積分—微商控制器中形成數(shù)目與多個(gè)氣泡大小范圍相同的反饋回路的步驟。
35.權(quán)利要求34中所述的控制微小氣泡分散體的方法，其中在比例—積分—微商控制器中提供氣包大小的步驟包括對(duì)所述多個(gè)反饋回路的每一個(gè)分別施加可調(diào)節(jié)的權(quán)重因子的步驟。
36.權(quán)利要求30中所述的控制微小氣泡分散體的方法，其中控制剪切裝置的步驟包括密度控制裝置接收第一控制信號(hào)和產(chǎn)生第四控制信號(hào)的步驟。
37.權(quán)利要求36中所述的控制微小氣泡分散體的方法，其中產(chǎn)生第四控制信號(hào)的步驟包括在比例—積分—微商控制器中提供密度反饋控制的步驟。
38.權(quán)利要求29中所述的控制微小氣泡分散體的方法，其中的測(cè)定起泡劑氣泡分布的步驟還包括氣泡大小控制裝置接收第二控制信號(hào)并產(chǎn)生第三控制信號(hào)的步驟，控制剪切裝置操作的步驟包括密度控制裝置接收第一控制信號(hào)并產(chǎn)生第四控制信號(hào)的步驟，以及接合裝置接收和合并第三與第四控制信號(hào)并形成第五控制信號(hào)的步驟。
39.權(quán)利要求38中所述的控制微小氣泡分散體的方法，其中的控制剪切裝置操作的步驟包括將第五控制信號(hào)的特性限制在剪切裝置可接受的范圍內(nèi)的步驟，以及提供用來(lái)控制該剪切裝置操作的輸出信號(hào)的步驟。
40.一種用液體樹(shù)脂材料制造的開(kāi)口杯比重小于0.45的充氣RIM制品。
41.權(quán)利要求40中所述的充氣RIM制品，其中的液體樹(shù)脂材料是polyahls或異氰酸酯。
42.權(quán)利要求40中所述的充氣RIM制品，其開(kāi)口杯比重小于0.4。
43.權(quán)利要求42中所述的充氣RIM制品，其開(kāi)口杯比重至少為0.32。
44.權(quán)利要求40的一種基本上透明的充氣RIM制品。
全文摘要
用于微小氣泡在液體樹(shù)脂材料內(nèi)的分散體的裝置(20)，它包括裝有高壓下的液體樹(shù)脂材料(M)的高壓槽裝置(21)，用來(lái)向該液體樹(shù)脂材料中送入至少一種諸如起泡劑或成核劑之類(lèi)試劑的裝置(45)，用來(lái)攪拌槽內(nèi)的液體樹(shù)脂材料和所選試劑的混合物的裝置(63)，用來(lái)對(duì)混合物施加剪切作用的裝置(60)，以及控制裝置(50)，該控制裝置用來(lái)測(cè)定混合物內(nèi)試劑的氣泡的分布，并提供用于控制剪切裝置操作的信號(hào)，從而根據(jù)要求改變?cè)噭┰谝后w樹(shù)脂材料內(nèi)的分散體的細(xì)度。本發(fā)明還提供了裝置(60)，用來(lái)將液體樹(shù)脂材料和諸如氣體或液體起泡劑或成核劑等試劑的混合物內(nèi)的氣泡分布均化，該裝置包括有入口裝置(52、110、112、115)和出口裝置(100、105、111、112)的殼體(71)；與用來(lái)將混合物引入殼體內(nèi)的入口裝置相配合的第一隔室(95)，它有至少一個(gè)漿片(80A)；至少一個(gè)附加的隔室裝置(95C)，它裝有至少一個(gè)漿片(80D)，用來(lái)將混合物經(jīng)由殼體軸向泵送；以及用來(lái)旋轉(zhuǎn)漿片的裝置(72)。一種用于微小氣泡在液體樹(shù)脂材料中的分散體的方法包括以下步驟從供料槽中抽取一定量的液體樹(shù)脂材料和一種試劑，例如氣體或液體起泡劑或成核劑；控制位于供料槽內(nèi)的用來(lái)剪切液體樹(shù)脂材料和被分散的起泡劑的裝置的操作，藉此根據(jù)需要調(diào)節(jié)起泡劑的氣泡的大小和均勻度；利用剪切裝置的輸出攪動(dòng)槽內(nèi)的液體樹(shù)脂材料與被分散的起泡劑的混合物，以便實(shí)現(xiàn)分散在液體樹(shù)脂材料內(nèi)的氣泡的單一和均勻分布。由開(kāi)口杯比重小于約0.45的液體樹(shù)脂材料制成了充氣RIM制品。
文檔編號(hào)B01F3/04GK1125416SQ94192482
公開(kāi)日1996年6月26日 申請(qǐng)日期1994年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月18日
發(fā)明者D·H·基爾莫, M·A·西蒙斯 申請(qǐng)人:陶氏化學(xué)公司