超臨界流體發泡擠出機溫度控制系統

摘要

本文介紹了超臨界流體發泡擠出機的溫度控制系統，分析了影響擠出設備溫控系統精度的因素，並提出了改進措施。利用雙通道PID結合可控矽調整模溫機加熱冷卻的輸出功率，降低了系統的熱慣性與遲滯性。這種模溫機控溫精度可達到±1℃，極大地提高了擠出發泡製品的質量和成品率。

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。超臨界狀態既非氣態也非液態，但它具有氣態和液態的雙重優點，既像氣體一樣容易擴散，又像液體一樣有很強的溶解能力。超臨界流體具有液體的密度，同時具有氣體的擴散性，因此，廣泛用作高聚物發泡用發泡劑。

目前廣泛應用的發泡機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，由於快速改變壓降使SC-CO2在聚合物中的溶解度突然降低，產生過飽和溶液，造成體系熱力學不穩定從而發生相分離，因此，在聚合物內形成大量細小的晶核，這些晶核持續生長，最終得到具有泡孔結構的發泡材料。

在塑料擠出中，熔融物料溫度控制效果直接影響了製品的質量。熔體溫度過高時，擠出機中的物料會發生降解，熔體溫度過低時，塑料塑化不良，流動性差，無法正常擠出而造成製品成型性能不好。擠出發泡工藝中，物料在擠出機內超臨界流體/聚合物必須形成單一的均相溶液，而且溫度、壓力、產能、發泡劑的注入量及機頭等是一組耦合度相當高的控制量。因此，溫度控制不準確會直接影響發泡效果，甚至無法製備出發泡製品。

1擠出發泡工藝介紹

擠出發泡是將發泡劑注入擠出機中，並將發泡劑與聚合物通過螺杆塑煉、混合後形成均相溶液，在機頭處迅速釋壓而得到發泡材料的工藝過程。擠出發泡工藝分為物理髮泡和化學發泡。物理髮泡是超臨界流體發泡擠出機溫度控制系統研究用化學性質穩定的氣體作為發泡劑，如丁烷、氟利昂、氦氣、氮氣、二氧化碳等，二氧化碳以其化學性質穩定、對高聚物的溶脹性能、環境友好性而廣泛使用。發泡劑在加工過程中不發生化學反應。在擠出機的壓縮段物料成為熔融態時注入發泡劑。化學發泡是利用化學發泡劑在加工過程中分解出使聚合物發泡的小分子物質的方法製備發泡材料。發泡劑一般為固體，與聚合物同時從加料口加入擠出機，通過控制化學發泡劑的分解溫度來產生使聚合物發泡的氣體。因此，無論是物理髮泡還是化學發泡對擠出機的溫控系統要求都比傳統的擠出加工高得多。溫度是影響發泡過程及發泡製品的重要因素，如圖1所示為擠出發泡工藝流程圖。

擠出發泡工藝流程圖

2傳統溫控系統

2.1 擠出機簡介

擠出機是聚合物加工的最主要的設備，主要由螺杆、機筒、加料系統、加熱冷卻系統(溫度控制系統)、傳動系統及機架組成。溫度控制系統是擠出機中的重要組成部分，聚合物，特別是塑料，在常溫下是玻璃態，但是，它必須在粘流態下加工，因此，開始必須通過加熱與螺杆的輸送將其從玻璃態轉變為粘流態。隨著螺杆的壓縮、摩擦與混煉作用會產生大量的剪切熱，這時，溫度控制系統的作用是將剪切熱帶走而保持物料在一定的溫度下適應加工。

2.2 傳統溫度控制系統

傳統的擠出機溫度控制系統是利用熱電偶測量機筒溫度傳導給溫控表或可編程控制器(PLC)，再與設定溫度作比較，用溫控表或PLC控制調用一定算法，現在廣泛使用的是PID算法控制交流接觸器(EMR)或固態繼電器(SSR)的通斷，從而控制加熱器的工作。通過控制加熱器的工作時間來控制加熱器的輸出平均功率。冷卻系統用風冷或水冷，通過溫控表或PLC的超溫報警功能實現風機的工作或電磁閥的通斷來控制冷卻水的冷卻時間。同時均用其工作的時間來換走系統的熱量以降低物料溫度，其控制框圖如圖2所示。

傳統溫度控制系統

3PID控制技術

PID控制是工業過程控制中應用最廣泛、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。當實際溫度小於等於設定溫度時，不執行比例運算，因此，也不執行積分與微分運算，此時全功率輸出。當溫度上升至反轉下降時，激活積分運算，I量輸出。當系統溫度變化時，將激活D控制。若加熱系統中，溫度快速下降，此時，M量=P量+I量+D量。當溫度快速上升時，M量=P量+I量-D量。因此，增加PID控制會使得溫度超調與振蕩減小。

4發泡擠出機溫控系統改進

4.1 發泡擠出機的溫控特點

發泡擠出機一般分為兩個控制段，前段主要用於物料的熔融、塑化、混煉與混合等，後段用於發泡氣體的溶解而形成均相體系、建壓與降溫。對於化學發泡工藝而言，由於發泡劑是在擠出機中緩慢釋放發泡氣體的，因此聚合物與發泡劑的混合與溶解是一直發生的。對於物理髮泡工藝來說，由於發泡劑是將與聚合物相溶性較差的小分子直接注入擠出機內，通過塑煉、混合、溶解而形成均相溶液，因此，在擠出機的設計時長徑比較長，一般為上階與下階兩臺串聯螺杆擠出機組。

兩個控制段的作用與功能的不同，導致其溫控要求也不同。前段的作用與傳統擠出機相同，因此，一般對溫度控制不必過於精確，溫度波動在溫控表或PLC超溫±(3-5)℃即可滿足。後段在完成均相體系建立以後，必須保持均相體系在發泡劑的超臨界壓力以上而不致於發生相分離，同時，為了使發泡製品的質量穩定必須保證熔體溫度控制在一個較小範圍內，所以，後段的溫度精度要求在±1℃以內。為了提高降溫效率以及將剪切熱迅速換出系統，發泡擠出機的後段冷卻系統一般採用水冷卻。實踐證明，發泡擠出機後段用風冷由於冷卻效率不夠會造成溫度正誤差加劇，熱慣性和滯後性增大，有時可達到10℃，甚至更高。

4.2 傳統溫控的缺點

擠出機傳統控溫系統採用電阻加熱器，具有非線性、大滯後、大慣性特性。雖然採用智能PID算法控制，依然難以消除反應延遲的缺陷。當溫控表給出信號停止加熱時，還會造成一段時間的溫度升高。當冷卻系統停止而加熱器工作，熱傳導的滯後性又會使得實際溫度降低很多。在熱平衡匹配較差的擠出機中，溫度誤差有時會達到10℃以上。但是，擠出機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影響很大的熱源，而剪切熱的精確計算是非常困難的。因為，剪切熱、摩擦熱與物料的粘度有很大關係，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 改進措施

從以上分析可以看出，傳統的溫度控制系統無法滿足發泡擠出機的要求，特別是後段擠出機的要求。因此，必須對傳統溫控系統進行控制上的改進。

因為發泡擠出機的前段與普通擠出機作用基本相同，為了降低成本可以仍採用傳統的溫控形式，即單通道PID控制SSR或EMR來控制加熱器的工作，從而調節加熱器的工作時間來控制輸出功率，冷卻系統使用溫控器的超溫報警功能控制風機的工作。為了提高後段擠出機的溫度控制精度，加熱元件使用水冷加熱器，冷卻系統採用水冷卻。控制形式使用雙通道PID控制可控矽(SCR)來控制加熱器與水冷卻的輸出功率。其控制框圖如圖3所示。

改進後的溫控系統採用PID調節的數字顯示溫控表進行顯示和溫度調節，輸出0-10mA作為直流信號輸入，控制可控矽電壓調整器或觸發板改變可控矽管導通角的大小，來調節輸出功率，完全可以滿足要求，投入成本低，操作方便直觀並且容易維護。採用雙通道PID控制，利用可控矽的導通角改變加熱器的電流大小，從而改變加熱器的輸出功率。在超溫時利用溫控表的超溫報警功能觸發SSR或交流接觸器開啟電磁閥，同時打開冷卻PID通道。並且利用可控矽的導通角改變比例調節閥的開度，來改變進入水冷加熱器的水的流量，來調節降溫的功率。利用可控矽的電流調整輸出，可以任意改變加熱與冷卻的實際功率，並通過雙通道PID的雙向調節作用大大降低了系統的熱慣性和滯後特性，從而使溫度誤差大大降低。其實在真正意義上，使用SSR或EMR的通斷功能僅控制加熱器的工作時間，而無法控制實際功率，因為，接通時其輸出功率為全功率輸出，而斷開時即為零。而此控制電路通過可控矽對電流的可控可以達到執行元件的實際輸出功率可調，因此，極大地提高了溫控精度。水冷卻系統原理圖如圖4所示。

由於水的比熱容遠大於空氣，因此，水冷比風冷或自然冷卻效率高很多，但是，也會造成激冷，會使溫度急速下降，從而增加系統的熱慣性和控制的延遲性。而通過PID結合可控矽對電流的控制來改變比例調節閥的開度而改變冷卻水的流量，保留了較高的冷卻效率，同時，克服了熱慣性。另外，加熱冷卻雙通道的PID實時控制使得整個系統的熱慣性大大減小。

4.4 改進後的溫控系統的實驗

超臨界二氧化碳/聚丙烯物理髮泡擠出機採用兩臺單螺杆串聯擠出機組且中間串聯熔體泵的設計。將此溫控系統用於SH45-32/65-30串聯擠出機組的下階擠出機中，上階擠出機採用單通道PID加SSR控制加熱器，冷卻採用風機強制冷卻下階採用冷熱雙通道PID設計。下階擠出機採用4個獨立溫控區，機頭採用兩個獨立溫控區，均採用此溫控系統。經試驗驗證，上階擠出機的溫度誤差在±3℃以內，下階擠出機的溫度誤差在±1℃以內，溫控表顯示基本不變。以上數據是在擠出穩定後用電阻溫度計測量驗證。從擠出機的熔體溫度監測溫控表顯示出機頭處的熔體溫度在穩定後基本保持恆定。

5結語

發泡擠出機的溫度控制精度，特別是下階擠出機與機頭的溫度控制精度對於發泡製品的性能起著關鍵的作用，因為熔體強度是影響發泡製品性能的關鍵因素。熔體強度與熔體溫度直接相關，所以保持適宜於發泡的熔體溫度在擠出發泡工藝中尤為重要。為了使熔體溫度波動很小就必須精確控制擠出機的溫度。利用雙通道PID與雙向可控矽結合控制加熱與冷卻的輸出功率，從而大大減小了系統的熱慣性和控制的延滯性，因此，提高了溫控精度。實驗表明，此溫控系統精度在±1℃以內，因此，其應用大大提高了發泡製品的性能與成品率。