超临界流体发泡挤出机温度控制系统

摘要

本文介绍了超临界流体发泡挤出机的温度控制系统，分析了影响挤出设备温控系统精度的因素，并提出了改进措施。利用双通道PID结合可控硅调整模温机加热冷却的输出功率，降低了系统的热惯性与迟滞性。这种模温机控温精度可达到±1℃，极大地提高了挤出发泡制品的质量和成品率。

0 引言

超临界流体(SCF)是温度和压力均在临界温度和临界压力之上的流体。超临界状态既非气态也非液态，但它具有气态和液态的双重优点，既像气体一样容易扩散，又像液体一样有很强的溶解能力。超临界流体具有液体的密度，同时具有气体的扩散性，因此，广泛用作高聚物发泡用发泡剂。

目前广泛应用的发泡机理是临界流体快速降压法(solvent free)，如将超临界二氧化碳的聚合物饱和溶液形成均相的SC-CO2/聚合物体系，在一定工艺温度下迅速降压，由于快速改变压降使SC-CO2在聚合物中的溶解度突然降低，产生过饱和溶液，造成体系热力学不稳定从而发生相分离，因此，在聚合物内形成大量细小的晶核，这些晶核持续生长，最终得到具有泡孔结构的发泡材料。

在塑料挤出中，熔融物料温度控制效果直接影响了制品的质量。熔体温度过高时，挤出机中的物料会发生降解，熔体温度过低时，塑料塑化不良，流动性差，无法正常挤出而造成制品成型性能不好。挤出发泡工艺中，物料在挤出机内超临界流体/聚合物必须形成单一的均相溶液，而且温度、压力、产能、发泡剂的注入量及机头等是一组耦合度相当高的控制量。因此，温度控制不准确会直接影响发泡效果，甚至无法制备出发泡制品。

1挤出发泡工艺介绍

挤出发泡是将发泡剂注入挤出机中，并将发泡剂与聚合物通过螺杆塑炼、混合后形成均相溶液，在机头处迅速释压而得到发泡材料的工艺过程。挤出发泡工艺分为物理发泡和化学发泡。物理发泡是超临界流体发泡挤出机温度控制系统研究用化学性质稳定的气体作为发泡剂，如丁烷、氟利昂、氦气、氮气、二氧化碳等，二氧化碳以其化学性质稳定、对高聚物的溶胀性能、环境友好性而广泛使用。发泡剂在加工过程中不发生化学反应。在挤出机的压缩段物料成为熔融态时注入发泡剂。化学发泡是利用化学发泡剂在加工过程中分解出使聚合物发泡的小分子物质的方法制备发泡材料。发泡剂一般为固体，与聚合物同时从加料口加入挤出机，通过控制化学发泡剂的分解温度来产生使聚合物发泡的气体。因此，无论是物理发泡还是化学发泡对挤出机的温控系统要求都比传统的挤出加工高得多。温度是影响发泡过程及发泡制品的重要因素，如图1所示为挤出发泡工艺流程图。

2传统温控系统

2.1 挤出机简介

挤出机是聚合物加工的最主要的设备，主要由螺杆、机筒、加料系统、加热冷却系统(温度控制系统)、传动系统及机架组成。温度控制系统是挤出机中的重要组成部分，聚合物，特别是塑料，在常温下是玻璃态，但是，它必须在粘流态下加工，因此，开始必须通过加热与螺杆的输送将其从玻璃态转变为粘流态。随着螺杆的压缩、摩擦与混炼作用会产生大量的剪切热，这时，温度控制系统的作用是将剪切热带走而保持物料在一定的温度下适应加工。

2.2 传统温度控制系统

传统的挤出机温度控制系统是利用热电偶测量机筒温度传导给温控表或可编程控制器(PLC)，再与设定温度作比较，用温控表或PLC控制调用一定算法，现在广泛使用的是PID算法控制交流接触器(EMR)或固态继电器(SSR)的通断，从而控制加热器的工作。通过控制加热器的工作时间来控制加热器的输出平均功率。冷却系统用风冷或水冷，通过温控表或PLC的超温报警功能实现风机的工作或电磁阀的通断来控制冷却水的冷却时间。同时均用其工作的时间来换走系统的热量以降低物料温度，其控制框图如图2所示。

3PID控制技术

PID控制是工业过程控制中应用最广泛、最基本的一种控制方法。PID控制就是比例、积分、微分控制，M为控制器的输出量。输出量=P量+I量+D量。当实际温度小于等于设定温度时，不执行比例运算，因此，也不执行积分与微分运算，此时全功率输出。当温度上升至反转下降时，激活积分运算，I量输出。当系统温度变化时，将激活D控制。若加热系统中，温度快速下降，此时，M量=P量+I量+D量。当温度快速上升时，M量=P量+I量-D量。因此，增加PID控制会使得温度超调与振荡减小。

4发泡挤出机温控系统改进

4.1 发泡挤出机的温控特点

发泡挤出机一般分为两个控制段，前段主要用于物料的熔融、塑化、混炼与混合等，后段用于发泡气体的溶解而形成均相体系、建压与降温。对于化学发泡工艺而言，由于发泡剂是在挤出机中缓慢释放发泡气体的，因此聚合物与发泡剂的混合与溶解是一直发生的。对于物理发泡工艺来说，由于发泡剂是将与聚合物相溶性较差的小分子直接注入挤出机内，通过塑炼、混合、溶解而形成均相溶液，因此，在挤出机的设计时长径比较长，一般为上阶与下阶两台串联螺杆挤出机组。

两个控制段的作用与功能的不同，导致其温控要求也不同。前段的作用与传统挤出机相同，因此，一般对温度控制不必过于精确，温度波动在温控表或PLC超温±(3-5)℃即可满足。后段在完成均相体系建立以后，必须保持均相体系在发泡剂的超临界压力以上而不致于发生相分离，同时，为了使发泡制品的质量稳定必须保证熔体温度控制在一个较小范围内，所以，后段的温度精度要求在±1℃以内。为了提高降温效率以及将剪切热迅速换出系统，发泡挤出机的后段冷却系统一般采用水冷却。实践证明，发泡挤出机后段用风冷由于冷却效率不够会造成温度正误差加剧，热惯性和滞后性增大，有时可达到10℃，甚至更高。

4.2 传统温控的缺点

挤出机传统控温系统采用电阻加热器，具有非线性、大滞后、大惯性特性。虽然采用智能PID算法控制，依然难以消除反应延迟的缺陷。当温控表给出信号停止加热时，还会造成一段时间的温度升高。当冷却系统停止而加热器工作，热传导的滞后性又会使得实际温度降低很多。在热平衡匹配较差的挤出机中，温度误差有时会达到10℃以上。但是，挤出机中除了加热与冷却的热量平衡以外，而剪切热与摩擦热又是一个影响很大的热源，而剪切热的精确计算是非常困难的。因为，剪切热、摩擦热与物料的粘度有很大关系，而高聚物是非牛顿流体，其粘度变化随温度及压力变化而变化。

4.3 改进措施

从以上分析可以看出，传统的温度控制系统无法满足发泡挤出机的要求，特别是后段挤出机的要求。因此，必须对传统温控系统进行控制上的改进。

因为发泡挤出机的前段与普通挤出机作用基本相同，为了降低成本可以仍采用传统的温控形式，即单通道PID控制SSR或EMR来控制加热器的工作，从而调节加热器的工作时间来控制输出功率，冷却系统使用温控器的超温报警功能控制风机的工作。为了提高后段挤出机的温度控制精度，加热元件使用水冷加热器，冷却系统采用水冷却。控制形式使用双通道PID控制可控硅(SCR)来控制加热器与水冷却的输出功率。其控制框图如图3所示。

改进后的温控系统采用PID调节的数字显示温控表进行显示和温度调节，输出0-10mA作为直流信号输入，控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小，来调节输出功率，完全可以满足要求，投入成本低，操作方便直观并且容易维护。采用双通道PID控制，利用可控硅的导通角改变加热器的电流大小，从而改变加热器的输出功率。在超温时利用温控表的超温报警功能触发SSR或交流接触器开启电磁阀，同时打开冷却PID通道。并且利用可控硅的导通角改变比例调节阀的开度，来改变进入水冷加热器的水的流量，来调节降温的功率。利用可控硅的电流调整输出，可以任意改变加热与冷却的实际功率，并通过双通道PID的双向调节作用大大降低了系统的热惯性和滞后特性，从而使温度误差大大降低。其实在真正意义上，使用SSR或EMR的通断功能仅控制加热器的工作时间，而无法控制实际功率，因为，接通时其输出功率为全功率输出，而断开时即为零。而此控制电路通过可控硅对电流的可控可以达到执行元件的实际输出功率可调，因此，极大地提高了温控精度。水冷却系统原理图如图4所示。

由于水的比热容远大于空气，因此，水冷比风冷或自然冷却效率高很多，但是，也会造成激冷，会使温度急速下降，从而增加系统的热惯性和控制的延迟性。而通过PID结合可控硅对电流的控制来改变比例调节阀的开度而改变冷却水的流量，保留了较高的冷却效率，同时，克服了热惯性。另外，加热冷却双通道的PID实时控制使得整个系统的热惯性大大减小。

4.4 改进后的温控系统的实验

超临界二氧化碳/聚丙烯物理发泡挤出机采用两台单螺杆串联挤出机组且中间串联熔体泵的设计。将此温控系统用于SH45-32/65-30串联挤出机组的下阶挤出机中，上阶挤出机采用单通道PID加SSR控制加热器，冷却采用风机强制冷却下阶采用冷热双通道PID设计。下阶挤出机采用4个独立温控区，机头采用两个独立温控区，均采用此温控系统。经试验验证，上阶挤出机的温度误差在±3℃以内，下阶挤出机的温度误差在±1℃以内，温控表显示基本不变。以上数据是在挤出稳定后用电阻温度计测量验证。从挤出机的熔体温度监测温控表显示出机头处的熔体温度在稳定后基本保持恒定。

5结语

发泡挤出机的温度控制精度，特别是下阶挤出机与机头的温度控制精度对于发泡制品的性能起着关键的作用，因为熔体强度是影响发泡制品性能的关键因素。熔体强度与熔体温度直接相关，所以保持适宜于发泡的熔体温度在挤出发泡工艺中尤为重要。为了使熔体温度波动很小就必须精确控制挤出机的温度。利用双通道PID与双向可控硅结合控制加热与冷却的输出功率，从而大大减小了系统的热惯性和控制的延滞性，因此，提高了温控精度。实验表明，此温控系统精度在±1℃以内，因此，其应用大大提高了发泡制品的性能与成品率。