摘要

本文介紹了超臨界流體發(fā)泡擠出機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，分析了影響擠出設(shè)備溫控系統(tǒng)精度的因素，并提出了改進(jìn)措施。利用雙通道PID結(jié)合可控硅調(diào)整模溫機(jī)加熱冷卻的輸出功率，降低了系統(tǒng)的熱慣性與遲滯性。這種模溫機(jī)控溫精度可達(dá)到±1℃，極大地提高了擠出發(fā)泡制品的質(zhì)量和成品率。

0 引言

超臨界流體(SCF)是溫度和壓力均在臨界溫度和臨界壓力之上的流體。超臨界狀態(tài)既非氣態(tài)也非液態(tài)，但它具有氣態(tài)和液態(tài)的雙重優(yōu)點(diǎn)，既像氣體一樣容易擴(kuò)散，又像液體一樣有很強(qiáng)的溶解能力。超臨界流體具有液體的密度，同時(shí)具有氣體的擴(kuò)散性，因此，廣泛用作高聚物發(fā)泡用發(fā)泡劑。

目前廣泛應(yīng)用的發(fā)泡機(jī)理是臨界流體快速降壓法(solvent free)，如將超臨界二氧化碳的聚合物飽和溶液形成均相的SC-CO2/聚合物體系，在一定工藝溫度下迅速降壓，由于快速改變壓降使SC-CO2在聚合物中的溶解度突然降低，產(chǎn)生過(guò)飽和溶液，造成體系熱力學(xué)不穩(wěn)定從而發(fā)生相分離，因此，在聚合物內(nèi)形成大量細(xì)小的晶核，這些晶核持續(xù)生長(zhǎng)，最終得到具有泡孔結(jié)構(gòu)的發(fā)泡材料。

在塑料擠出中，熔融物料溫度控制效果直接影響了制品的質(zhì)量。熔體溫度過(guò)高時(shí)，擠出機(jī)中的物料會(huì)發(fā)生降解，熔體溫度過(guò)低時(shí)，塑料塑化不良，流動(dòng)性差，無(wú)法正常擠出而造成制品成型性能不好。擠出發(fā)泡工藝中，物料在擠出機(jī)內(nèi)超臨界流體/聚合物必須形成單一的均相溶液，而且溫度、壓力、產(chǎn)能、發(fā)泡劑的注入量及機(jī)頭等是一組耦合度相當(dāng)高的控制量。因此，溫度控制不準(zhǔn)確會(huì)直接影響發(fā)泡效果，甚至無(wú)法制備出發(fā)泡制品。

1擠出發(fā)泡工藝介紹

擠出發(fā)泡是將發(fā)泡劑注入擠出機(jī)中，并將發(fā)泡劑與聚合物通過(guò)螺桿塑煉、混合后形成均相溶液，在機(jī)頭處迅速釋壓而得到發(fā)泡材料的工藝過(guò)程。擠出發(fā)泡工藝分為物理發(fā)泡和化學(xué)發(fā)泡。物理發(fā)泡是超臨界流體發(fā)泡擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)研究用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的氣體作為發(fā)泡劑，如丁烷、氟利昂、氦氣、氮?dú)?、二氧化碳等，二氧化碳以其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、對(duì)高聚物的溶脹性能、環(huán)境友好性而廣泛使用。發(fā)泡劑在加工過(guò)程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在擠出機(jī)的壓縮段物料成為熔融態(tài)時(shí)注入發(fā)泡劑?；瘜W(xué)發(fā)泡是利用化學(xué)發(fā)泡劑在加工過(guò)程中分解出使聚合物發(fā)泡的小分子物質(zhì)的方法制備發(fā)泡材料。發(fā)泡劑一般為固體，與聚合物同時(shí)從加料口加入擠出機(jī)，通過(guò)控制化學(xué)發(fā)泡劑的分解溫度來(lái)產(chǎn)生使聚合物發(fā)泡的氣體。因此，無(wú)論是物理發(fā)泡還是化學(xué)發(fā)泡對(duì)擠出機(jī)的溫控系統(tǒng)要求都比傳統(tǒng)的擠出加工高得多。溫度是影響發(fā)泡過(guò)程及發(fā)泡制品的重要因素，如圖1所示為擠出發(fā)泡工藝流程圖。

2傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)

2.1 擠出機(jī)簡(jiǎn)介

擠出機(jī)是聚合物加工的最主要的設(shè)備，主要由螺桿、機(jī)筒、加料系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)(溫度控制系統(tǒng))、傳動(dòng)系統(tǒng)及機(jī)架組成。溫度控制系統(tǒng)是擠出機(jī)中的重要組成部分，聚合物，特別是塑料，在常溫下是玻璃態(tài)，但是，它必須在粘流態(tài)下加工，因此，開(kāi)始必須通過(guò)加熱與螺桿的輸送將其從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)。隨著螺桿的壓縮、摩擦與混煉作用會(huì)產(chǎn)生大量的剪切熱，這時(shí)，溫度控制系統(tǒng)的作用是將剪切熱帶走而保持物料在一定的溫度下適應(yīng)加工。

2.2 傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)是利用熱電偶測(cè)量機(jī)筒溫度傳導(dǎo)給溫控表或可編程控制器(PLC)，再與設(shè)定溫度作比較，用溫控表或PLC控制調(diào)用一定算法，現(xiàn)在廣泛使用的是PID算法控制交流接觸器(EMR)或固態(tài)繼電器(SSR)的通斷，從而控制加熱器的工作。通過(guò)控制加熱器的工作時(shí)間來(lái)控制加熱器的輸出平均功率。冷卻系統(tǒng)用風(fēng)冷或水冷，通過(guò)溫控表或PLC的超溫報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的工作或電磁閥的通斷來(lái)控制冷卻水的冷卻時(shí)間。同時(shí)均用其工作的時(shí)間來(lái)?yè)Q走系統(tǒng)的熱量以降低物料溫度，其控制框圖如圖2所示。

3PID控制技術(shù)

PID控制是工業(yè)過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛、最基本的一種控制方法。PID控制就是比例、積分、微分控制，M為控制器的輸出量。輸出量=P量+I量+D量。當(dāng)實(shí)際溫度小于等于設(shè)定溫度時(shí)，不執(zhí)行比例運(yùn)算，因此，也不執(zhí)行積分與微分運(yùn)算，此時(shí)全功率輸出。當(dāng)溫度上升至反轉(zhuǎn)下降時(shí)，激活積分運(yùn)算，I量輸出。當(dāng)系統(tǒng)溫度變化時(shí)，將激活D控制。若加熱系統(tǒng)中，溫度快速下降，此時(shí)，M量=P量+I量+D量。當(dāng)溫度快速上升時(shí)，M量=P量+I量-D量。因此，增加PID控制會(huì)使得溫度超調(diào)與振蕩減小。

4發(fā)泡擠出機(jī)溫控系統(tǒng)改進(jìn)

4.1 發(fā)泡擠出機(jī)的溫控特點(diǎn)

發(fā)泡擠出機(jī)一般分為兩個(gè)控制段，前段主要用于物料的熔融、塑化、混煉與混合等，后段用于發(fā)泡氣體的溶解而形成均相體系、建壓與降溫。對(duì)于化學(xué)發(fā)泡工藝而言，由于發(fā)泡劑是在擠出機(jī)中緩慢釋放發(fā)泡氣體的，因此聚合物與發(fā)泡劑的混合與溶解是一直發(fā)生的。對(duì)于物理發(fā)泡工藝來(lái)說(shuō)，由于發(fā)泡劑是將與聚合物相溶性較差的小分子直接注入擠出機(jī)內(nèi)，通過(guò)塑煉、混合、溶解而形成均相溶液，因此，在擠出機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)徑比較長(zhǎng)，一般為上階與下階兩臺(tái)串聯(lián)螺桿擠出機(jī)組。

兩個(gè)控制段的作用與功能的不同，導(dǎo)致其溫控要求也不同。前段的作用與傳統(tǒng)擠出機(jī)相同，因此，一般對(duì)溫度控制不必過(guò)于精確，溫度波動(dòng)在溫控表或PLC超溫±(3-5)℃即可滿足。后段在完成均相體系建立以后，必須保持均相體系在發(fā)泡劑的超臨界壓力以上而不致于發(fā)生相分離，同時(shí)，為了使發(fā)泡制品的質(zhì)量穩(wěn)定必須保證熔體溫度控制在一個(gè)較小范圍內(nèi)，所以，后段的溫度精度要求在±1℃以內(nèi)。為了提高降溫效率以及將剪切熱迅速換出系統(tǒng)，發(fā)泡擠出機(jī)的后段冷卻系統(tǒng)一般采用水冷卻。實(shí)踐證明，發(fā)泡擠出機(jī)后段用風(fēng)冷由于冷卻效率不夠會(huì)造成溫度正誤差加劇，熱慣性和滯后性增大，有時(shí)可達(dá)到10℃，甚至更高。

4.2 傳統(tǒng)溫控的缺點(diǎn)

擠出機(jī)傳統(tǒng)控溫系統(tǒng)采用電阻加熱器，具有非線性、大滯后、大慣性特性。雖然采用智能PID算法控制，依然難以消除反應(yīng)延遲的缺陷。當(dāng)溫控表給出信號(hào)停止加熱時(shí)，還會(huì)造成一段時(shí)間的溫度升高。當(dāng)冷卻系統(tǒng)停止而加熱器工作，熱傳導(dǎo)的滯后性又會(huì)使得實(shí)際溫度降低很多。在熱平衡匹配較差的擠出機(jī)中，溫度誤差有時(shí)會(huì)達(dá)到10℃以上。但是，擠出機(jī)中除了加熱與冷卻的熱量平衡以外，而剪切熱與摩擦熱又是一個(gè)影響很大的熱源，而剪切熱的精確計(jì)算是非常困難的。因?yàn)椋羟袩?、摩擦熱與物料的粘度有很大關(guān)系，而高聚物是非牛頓流體，其粘度變化隨溫度及壓力變化而變化。

4.3 改進(jìn)措施

從以上分析可以看出，傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)無(wú)法滿足發(fā)泡擠出機(jī)的要求，特別是后段擠出機(jī)的要求。因此，必須對(duì)傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)進(jìn)行控制上的改進(jìn)。

因?yàn)榘l(fā)泡擠出機(jī)的前段與普通擠出機(jī)作用基本相同，為了降低成本可以仍采用傳統(tǒng)的溫控形式，即單通道PID控制SSR或EMR來(lái)控制加熱器的工作，從而調(diào)節(jié)加熱器的工作時(shí)間來(lái)控制輸出功率，冷卻系統(tǒng)使用溫控器的超溫報(bào)警功能控制風(fēng)機(jī)的工作。為了提高后段擠出機(jī)的溫度控制精度，加熱元件使用水冷加熱器，冷卻系統(tǒng)采用水冷卻?？刂菩问绞褂秒p通道PID控制可控硅(SCR)來(lái)控制加熱器與水冷卻的輸出功率。其控制框圖如圖3所示。

改進(jìn)后的溫控系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)的數(shù)字顯示溫控表進(jìn)行顯示和溫度調(diào)節(jié)，輸出0-10mA作為直流信號(hào)輸入，控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小，來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，完全可以滿足要求，投入成本低，操作方便直觀并且容易維護(hù)。采用雙通道PID控制，利用可控硅的導(dǎo)通角改變加熱器的電流大小，從而改變加熱器的輸出功率。在超溫時(shí)利用溫控表的超溫報(bào)警功能觸發(fā)SSR或交流接觸器開(kāi)啟電磁閥，同時(shí)打開(kāi)冷卻PID通道。并且利用可控硅的導(dǎo)通角改變比例調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，來(lái)改變進(jìn)入水冷加熱器的水的流量，來(lái)調(diào)節(jié)降溫的功率。利用可控硅的電流調(diào)整輸出，可以任意改變加熱與冷卻的實(shí)際功率，并通過(guò)雙通道PID的雙向調(diào)節(jié)作用大大降低了系統(tǒng)的熱慣性和滯后特性，從而使溫度誤差大大降低。其實(shí)在真正意義上，使用SSR或EMR的通斷功能僅控制加熱器的工作時(shí)間，而無(wú)法控制實(shí)際功率，因?yàn)?，接通時(shí)其輸出功率為全功率輸出，而斷開(kāi)時(shí)即為零。而此控制電路通過(guò)可控硅對(duì)電流的可控可以達(dá)到執(zhí)行元件的實(shí)際輸出功率可調(diào)，因此，極大地提高了溫控精度。水冷卻系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

由于水的比熱容遠(yuǎn)大于空氣，因此，水冷比風(fēng)冷或自然冷卻效率高很多，但是，也會(huì)造成激冷，會(huì)使溫度急速下降，從而增加系統(tǒng)的熱慣性和控制的延遲性。而通過(guò)PID結(jié)合可控硅對(duì)電流的控制來(lái)改變比例調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度而改變冷卻水的流量，保留了較高的冷卻效率，同時(shí)，克服了熱慣性。另外，加熱冷卻雙通道的PID實(shí)時(shí)控制使得整個(gè)系統(tǒng)的熱慣性大大減小。

4.4 改進(jìn)后的溫控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)

超臨界二氧化碳/聚丙烯物理發(fā)泡擠出機(jī)采用兩臺(tái)單螺桿串聯(lián)擠出機(jī)組且中間串聯(lián)熔體泵的設(shè)計(jì)。將此溫控系統(tǒng)用于SH45-32/65-30串聯(lián)擠出機(jī)組的下階擠出機(jī)中，上階擠出機(jī)采用單通道PID加SSR控制加熱器，冷卻采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制冷卻下階采用冷熱雙通道PID設(shè)計(jì)。下階擠出機(jī)采用4個(gè)獨(dú)立溫控區(qū)，機(jī)頭采用兩個(gè)獨(dú)立溫控區(qū)，均采用此溫控系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，上階擠出機(jī)的溫度誤差在±3℃以內(nèi)，下階擠出機(jī)的溫度誤差在±1℃以內(nèi)，溫控表顯示基本不變。以上數(shù)據(jù)是在擠出穩(wěn)定后用電阻溫度計(jì)測(cè)量驗(yàn)證。從擠出機(jī)的熔體溫度監(jiān)測(cè)溫控表顯示出機(jī)頭處的熔體溫度在穩(wěn)定后基本保持恒定。

5結(jié)語(yǔ)

發(fā)泡擠出機(jī)的溫度控制精度，特別是下階擠出機(jī)與機(jī)頭的溫度控制精度對(duì)于發(fā)泡制品的性能起著關(guān)鍵的作用，因?yàn)槿垠w強(qiáng)度是影響發(fā)泡制品性能的關(guān)鍵因素。熔體強(qiáng)度與熔體溫度直接相關(guān)，所以保持適宜于發(fā)泡的熔體溫度在擠出發(fā)泡工藝中尤為重要。為了使熔體溫度波動(dòng)很小就必須精確控制擠出機(jī)的溫度。利用雙通道PID與雙向可控硅結(jié)合控制加熱與冷卻的輸出功率，從而大大減小了系統(tǒng)的熱慣性和控制的延滯性，因此，提高了溫控精度。實(shí)驗(yàn)表明，此溫控系統(tǒng)精度在±1℃以內(nèi)，因此，其應(yīng)用大大提高了發(fā)泡制品的性能與成品率。