專利名稱：塑料加工方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用添加劑/著色劑的塑料加工，例如擠出方法和設(shè)備。本發(fā)明特別可以與在塑料加工(例如擠出工藝)過(guò)程中向材料里按比例添加添加劑的方法和裝置一起使用，并且將在后面參考這種方法和裝置進(jìn)行描述。適用的擠出工藝包括但不限于片材、薄膜和纖維。但是，應(yīng)該理解，本發(fā)明也適合于其他的塑料應(yīng)用和工藝。例如，本發(fā)明可以應(yīng)用于多種場(chǎng)合:將添加劑添加到直接來(lái)自反應(yīng)器(例如內(nèi)部進(jìn)行熔融聚合的反應(yīng)器)的熔融聚合物的場(chǎng)合和/或沒(méi)有傳統(tǒng)上向其供給聚合物粒料的擠出機(jī)的場(chǎng)合。
背景技術(shù)：
塑料熔融工藝使用一個(gè)或多個(gè)螺桿迫使塑料小球進(jìn)入擠出機(jī)的料筒內(nèi)，料筒已加熱到所需的熔化溫度。塑料小球穿過(guò)料筒時(shí)會(huì)逐漸熔化。塑料熔融工藝高度依賴于將松散材料連貫一致供入進(jìn)料口內(nèi)，以保持連貫一致的輸出。連貫一致的輸出對(duì)于保證連貫一致的成品性能(例如大小、強(qiáng)度和外觀)是必要的。在工藝的熔化階段之前和期間混合的原材料、填料和包括染色劑在內(nèi)的添加劑決定了成品的性能。添加劑(例如顏料、染料、阻燃劑、抗菌劑)經(jīng)常添加到擠出和注射成型工藝中，以改變材料的物理和化學(xué)性能，使材料更加滿足需要。所有的塑料熔融工藝都具有多種控制措施，這些控制措施形成進(jìn)料裝置的或長(zhǎng)或短的反饋回路，以實(shí)現(xiàn)和維持正確的比例輸出。從各種工藝制造的粉末、顆粒、小球、不規(guī)則的厚塊和不規(guī)則的薄片形式的松散材料被輸送到擠出機(jī)或注射成型機(jī)。在輸送到擠出機(jī)或注射成型機(jī)的進(jìn)料口之前，這些材料通常混合并保持在料斗或各種尺寸的材料線中。通常，這些材料通過(guò)重力進(jìn)料到加工過(guò)程，材料首先進(jìn)料到螺桿，在擠出機(jī)的該階段，螺桿用作將材料輸送到加工過(guò)程的用熱和壓力來(lái)熔化并混合材料的階段的輸送機(jī)。在材料通過(guò)重力不能連貫一致進(jìn)料的情況下，尤其是當(dāng)存在片狀或不規(guī)則形狀的材料時(shí)，使用例如填塞喂料機(jī)或填充機(jī)等機(jī)械裝置來(lái)試圖實(shí)現(xiàn)材料的連貫一致進(jìn)料。在松散材料流被引入到螺桿之前，可以將干粉、粒狀和液體形式的添加劑添加到松散材料流中。在這種情況下，材料供料器可以是螺旋供料器、盤(pán)式或輪式供料器、皮帶、振動(dòng)供料器，在液體添加劑的情況下材料供料器可以是簡(jiǎn)單的計(jì)時(shí)器和泵。通過(guò)在松散材料流被引入到螺桿之前將這些材料添加到松散材料流中，會(huì)生成一定數(shù)量的如下材料:該材料在輸送時(shí)可能已經(jīng)具有正確的比例，但正確的比例只是針對(duì)加工過(guò)程而言的，與加工過(guò)程的輸出時(shí)產(chǎn)生的材料的比例無(wú)關(guān)。另一種用于在材料中添加添加劑的方法是直接向設(shè)備的料筒中噴射液體添加劑。但是，這種方法所涉及的啟動(dòng)協(xié)議很復(fù)雜，出現(xiàn)問(wèn)題后恢復(fù)也極其困難。此外，由于上述問(wèn)題，在該方法中產(chǎn)生的廢料量大幅地增加。由一個(gè)或多個(gè)螺桿處理過(guò)的材料的最終形式是粘性液態(tài)熔融物，該熔融物將被機(jī)器進(jìn)一步處理，以產(chǎn)生最終的形狀或形式。該最終的形狀的范圍從制造纖維、股線和擠出的形狀到各種形式的注射成型產(chǎn)品。生產(chǎn)該熔融物的工藝需要大量的材料、時(shí)間和精力。在保持與材料成精確比例和與加工過(guò)程的輸出成正確比例地將聚合物流與添加劑充分混合、分散或攙和的同時(shí)，在最后可能的時(shí)刻將貴重的添加劑加入到加工過(guò)程中，此時(shí)存在的是天然效率。此外，對(duì)制造商而言，開(kāi)發(fā)一致大小、形狀、熔融指數(shù)、密度和顏色的原料變得越來(lái)越難，因?yàn)樵谑彤a(chǎn)品的價(jià)值越來(lái)越高的世界里，原材料變得更加昂貴，原料變得更貴重。對(duì)材料改性劑的要求還復(fù)雜了采購(gòu)過(guò)程，并且常常會(huì)大大提高已經(jīng)供不應(yīng)求的材料的成本。與在不需要較高規(guī)格材料的地方使用較高規(guī)格材料相比，可取的是引入添加劑并且更重要的是能夠向加工過(guò)程提供液體添加劑。液體添加劑能夠在加工過(guò)程中選擇內(nèi)含物和比例，以最大限度地降低成本。這樣，向加工過(guò)程中輸入的材料取決于成品的要求，而不是取決于較高規(guī)格的材料的可獲得性，這顯著地降低了成本。因?yàn)橐后w可以在高溫和高壓下泵送，所以液體添加劑噴射還使得加工過(guò)程的輸出具有很短的控制回路。松散材料的進(jìn)料不連貫一致還導(dǎo)致加工過(guò)程不連貫一致且效率低，改變了擠出產(chǎn)品的大小及其可變的物理和外觀性能。在加工過(guò)程的最后時(shí)刻引入添加劑保證了相對(duì)于工藝條件(高溫和高壓)正確的比例，固體供料器是不能做到這一點(diǎn)的。此外，復(fù)雜的泵送系統(tǒng)允許在加工過(guò)程中混合的材料的量非常小，從而導(dǎo)致較少的材料參與顏色改變和實(shí)時(shí)地對(duì)在加工過(guò)程中的變化產(chǎn)生更迅速的反應(yīng)。隨著加工過(guò)程輸出的改變，添加劑的引入幾乎同時(shí)按比例地改變，從而防止因添加劑的配量過(guò)高或過(guò)低而產(chǎn)生的問(wèn)題。下面的參考文獻(xiàn)涉及多種著色塑料成型設(shè)備和系統(tǒng)，其公開(kāi)內(nèi)容將通過(guò)引用全文并入本文。美國(guó)專利N0.5486327公開(kāi)了一種向螺桿型機(jī)構(gòu)的料筒內(nèi)引入液體添加劑的方案，該螺桿型機(jī)構(gòu)用于將固體材料轉(zhuǎn)化為熔融材料。但是，該方法在接近進(jìn)料口處引入添加齊U，從而導(dǎo)致了與較便宜的原材料相關(guān)聯(lián)的次料和密度變化不一致的輸入變量。美國(guó)專利N0.5439623提供了一種用于控制以多股的形式向切割機(jī)引入添加劑的方法。該方法利用每進(jìn)料間隔每股的進(jìn)料量、速度和增量位置來(lái)獲得所需的添加劑量。但是，該方法不使用邏輯控制的方法來(lái)根據(jù)擠出機(jī)的輸出按比例注入添加劑。因此，需要一種引入添加劑的方法，該方法可向塑料熔融工藝中提供連貫一致的、成比例的添加劑，同時(shí)降低成本和提高效率。從下面的詳細(xì)描述可以看出本發(fā)明的其它適用性范圍。但是，應(yīng)當(dāng)理解的是，有關(guān)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述和具體實(shí)例僅僅是示例性的，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很明顯，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可做出各種變化和修改。

發(fā)明內(nèi)容
本文中公開(kāi)了作為說(shuō)明性實(shí)例的實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，公開(kāi)了一種在塑料加工期間(例如塑料熔融工藝期間)輸送添加劑的方法。該方法包括:在控制回路中建立組件網(wǎng)絡(luò)，該控制回路使用反饋方法來(lái)驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)泵。所述反饋方法包括:從與塑料加工裝置(例如熔塑機(jī))相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)傳感器向控制器發(fā)送至少一個(gè)信號(hào)；從所述控制器向所述至少一個(gè)泵發(fā)送一個(gè)或多個(gè)信號(hào)；監(jiān)測(cè)所述至少一個(gè)泵的壓力和檢測(cè)噴嘴閥的位置；以及向所述噴嘴閥發(fā)送一個(gè)或多個(gè)信號(hào)，以指示所述噴嘴閥打開(kāi)或關(guān)閉。在另一個(gè)實(shí)施例中，公開(kāi)了一種用于保持將成比例的添加劑輸送到塑料加工裝置(例如熔融機(jī))中的方法。該方法包括:根據(jù)熔融機(jī)的電流強(qiáng)度和相關(guān)聯(lián)的泵的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)建立比例；對(duì)具有各種階梯斜率多個(gè)區(qū)域進(jìn)行編程，所述區(qū)域由所述熔融機(jī)內(nèi)的具體條件的限定；根據(jù)相應(yīng)的區(qū)域?qū)ο蛩鏊芰霞庸ぱb置的添加劑輸送進(jìn)行編程，以保持成比例地輸送添加劑。在另一個(gè)實(shí)施例中，公開(kāi)了一種用于在塑料加工中精確引入添加劑的添加劑輸送系統(tǒng)，所述塑料加工例如是塑料熔融工藝。所述添加劑輸送系統(tǒng)包括:與塑料加工裝置相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)傳感器，所述塑料加工裝置例如是熔融裝置；高壓噴嘴控制器；至少一個(gè)泵；以及高壓噴嘴。所述添加劑輸送系統(tǒng)包括邏輯控制回路，所述邏輯控制回路使用反饋邏輯方法來(lái)驅(qū)動(dòng)所述至少一個(gè)泵和噴嘴閥。在另一個(gè)實(shí)施例中，公開(kāi)了一種用于在塑料加工(例如塑料熔融工藝)中在下游輸送添加劑的高壓噴嘴。該高壓噴嘴包括:長(zhǎng)度在約3英寸和5英寸之間的通道，以促進(jìn)在混合熔體/固體環(huán)境中的下游噴射；雙重密封系統(tǒng)，其包括外密封件和內(nèi)密封件；高壓管；和防止噴嘴的熱量積聚的冷卻機(jī)構(gòu)。作為另外一種選擇，該高壓噴嘴可包括用于熔體注入的短通道，這類高壓噴嘴用在計(jì)量段和靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的混合之前的擠出機(jī)螺桿后段。從后面的詳細(xì)描述中可以看出本發(fā)明其它應(yīng)用范圍。但是，應(yīng)當(dāng)理解的是，用于解釋本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述和具體實(shí)例僅僅是示例性的，因?yàn)閷?duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)可以做出各種改變和修改。


本發(fā)明在于裝置的各個(gè)部分的構(gòu)造、布局和組合，在下面的詳細(xì)描述、權(quán)利要求書(shū)和附圖中更詳細(xì)地示出了本發(fā)明的目的，在附圖中:圖1是在添加劑注入系統(tǒng)的定制模型的示意圖；圖2是與用戶當(dāng)前的擠出機(jī)一起使用添加劑注入系統(tǒng)的方法的示意圖；圖3是高壓噴嘴的橫截面視圖；圖4是高壓噴嘴控制器的輸入和輸出的一個(gè)實(shí)例；和圖5是邏輯控制的添加劑注入系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明包括添加劑輸送系統(tǒng)，該添加劑輸送系統(tǒng)用于將液體添加劑按比例添加到塑料熔融工藝中。該方法采用短的控制回路系統(tǒng)，該控制回路系統(tǒng)的控制器可提供指令和反饋信號(hào)來(lái)控制和管理該系統(tǒng)。添加劑輸送系統(tǒng)是用戶特定的，因此，它可以自定義地設(shè)計(jì)以滿足特定的需求。雖然本文中的系統(tǒng)是參考塑化擠出機(jī)來(lái)進(jìn)行描述和示出的，但應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明也可適用于用于熔化和排出材料的其他類型的裝置?，F(xiàn)在參考附圖進(jìn)行說(shuō)明，附圖僅用于展示示例性的實(shí)施例，而不是用于限制要求保護(hù)的主題，圖1示出了一個(gè)模型，該模型用于評(píng)估消費(fèi)者需求，合理地定制添加劑輸送系統(tǒng)，以達(dá)到其最高和首選功能。在一個(gè)實(shí)施例中，一旦消費(fèi)者確定了對(duì)液體添加劑注入系統(tǒng)中的需要，則第一步需要通過(guò)執(zhí)行制造過(guò)程分析來(lái)評(píng)估用戶的產(chǎn)品要求11。對(duì)客戶或制造商的當(dāng)前擠出系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估和成本估算13。按照消費(fèi)者期望的特性開(kāi)發(fā)液體添加劑15，評(píng)估潛在的注入口的位置和環(huán)境17。在此過(guò)程中，根據(jù)注入的位置使用不同的材料。例如，如果注入發(fā)生在進(jìn)料口內(nèi)，則添加劑以丸劑、片劑、再研磨厚塊和細(xì)料的形式添加；如果注入發(fā)生在加料段，則添加劑將以丸劑、細(xì)料、片劑或再研磨厚塊和薄的熔融膜的形式注入；如果注入發(fā)生在計(jì)量段，添加劑將以熔體的形式注入。需要指出的是，如果注入發(fā)生在混合螺桿的下游處，那么可取的是采用空腔傳送混合器(CTM)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已公知的，CTM包括緊密配合的轉(zhuǎn)模和定模，轉(zhuǎn)模和定模的表面上形成有相間交錯(cuò)排列的半球形空腔，以形成連續(xù)的螺旋路徑，流體成分在該螺旋路徑中經(jīng)歷一系列的切割、折疊和扭曲變形。這有利于將低粘度液體混合成大量的高粘度流體。一旦確定了注入位置的位置19，就可以選擇溶液20。測(cè)試和評(píng)估添加劑與該溶液混合的能力21。然后可以設(shè)計(jì)和制造噴嘴組件、安全系統(tǒng)、混合系統(tǒng)和控制器系統(tǒng)25。開(kāi)發(fā)具有由用戶的特定需求而確定的精確功能的自定義程序和控制機(jī)構(gòu)27。一旦組裝和測(cè)試完添加劑輸送系統(tǒng)29，則潛在的購(gòu)買(mǎi)者可能使用設(shè)備作為試驗(yàn)裝置來(lái)試用系統(tǒng)31，從而該用戶能評(píng)估該過(guò)程中的添加劑和設(shè)備33。假設(shè)客戶對(duì)試驗(yàn)裝置很滿意，那么就可在客戶期望的位置安裝系統(tǒng)35。作為另外一種選擇，如果消費(fèi)者不需要定制的功能，或者用戶可以從功能菜單選擇所需的預(yù)編程功能，那么可使用默認(rèn)設(shè)置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程。功能菜單包括向用戶提出問(wèn)題的一組屏幕信息，以便用戶指出哪些組件已安裝到機(jī)器上。例如，如果消費(fèi)者既不具有計(jì)量泵也不具有預(yù)加壓泵，那么不包括在系統(tǒng)中的預(yù)加壓泵將被取消選擇。此編程步驟也可經(jīng)由尋找連接的部件并能夠檢測(cè)連接的部件的PLC自動(dòng)完成。圖2表示利用用戶當(dāng)前的擠出機(jī)41來(lái)實(shí)施添加劑輸送系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。該系統(tǒng)包括:一個(gè)或多個(gè)泵45、46，建立各種控制回路的傳感器和控制器43。擠出機(jī)41上的傳感器為高壓噴嘴控制器43提供反饋，高壓噴嘴控制器43反過(guò)來(lái)又輸出信號(hào)，這些信號(hào)可以啟動(dòng)系統(tǒng)、停止系統(tǒng)和/或向上和向下地改變系統(tǒng)的輸出。一般來(lái)說(shuō)，高壓噴嘴控制器43確定噴嘴閥49何時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉，從而保持向擠出機(jī)的熔體中適當(dāng)和成比例地輸送添加劑。優(yōu)選的是，添加劑輸送系統(tǒng)的一個(gè)示例性實(shí)施例包括:高壓噴嘴，其適用于在擠出機(jī)料筒的下游輸送添加劑。圖3顯示了高壓噴嘴的一個(gè)實(shí)施例，其中高壓噴嘴可用于液體添加劑的成比例注入。高壓噴嘴與傳統(tǒng)的噴嘴不同之處在于，高壓噴嘴能夠在擠出機(jī)料筒的下游遠(yuǎn)離進(jìn)料口處進(jìn)行注入。注入位置在進(jìn)料口的下游是優(yōu)選的，因?yàn)檫@有利于在擠出過(guò)程中把添加劑的添加推延到最后可能的時(shí)刻，同時(shí)還允許有足夠的時(shí)間進(jìn)行充分的混合，從而保證了與輸出成精確比例地輸送添加劑。如果添加劑在松散材料被引入螺桿之前與松散材料混合，那么在松散材料被引入螺桿時(shí)曾經(jīng)很準(zhǔn)確的比例，最后可能因?yàn)閴毫Φ淖兓淖兞溯敵龅乃俣群蛿?shù)量而變成不準(zhǔn)確的。另外，在下游直接注入到料筒內(nèi)允許添加對(duì)大氣化學(xué)性敏感的材料。優(yōu)選的是，注入位置位于進(jìn)料口下游且與進(jìn)料口的距離大于約2螺棱，更優(yōu)選的是，注入位置位于進(jìn)料口下游且與進(jìn)料口的距離大于約3螺棱。通常情況下，添加劑在進(jìn)料口的上游、在接近進(jìn)料口的位置或在進(jìn)料口內(nèi)注入。對(duì)于這樣的注入，通常使用不帶閥的噴嘴。如果注入到螺桿的加料段，那么本發(fā)明的高壓噴嘴的通道長(zhǎng)度/流道至成品距離(land length)優(yōu)選為約3英寸至5英寸，更優(yōu)選為約3.5英寸至4.5英寸，最優(yōu)選為約4英寸。通道長(zhǎng)度/流道至成品距離可能是至關(guān)重要的，這主要是因?yàn)樵谙掠沃苯酉蛉垠w中注入的壓力比在上游接近進(jìn)料口的位置注入的壓力高。根據(jù)本發(fā)明的高壓噴嘴具有硬化的噴嘴前端部和硬化的噴嘴閥銷，其中，所述噴嘴前端部由硬質(zhì)工具鋼(例如D-2)制成。此外，該噴嘴優(yōu)選包括能夠檢測(cè)噴嘴閥位置的線性位置指示器。高壓噴嘴能夠承受高的壓強(qiáng)。優(yōu)選是，高壓噴嘴包括大約2英寸的缸體51和高壓鋼管57。高壓鋼管是能承受4000至7000psi的壓強(qiáng)的管。但是，更優(yōu)選是，高壓鋼管是能承受5000psi的壓強(qiáng)的管。這種承受高壓強(qiáng)的能力可以產(chǎn)生數(shù)千磅每平方英寸(psi)的壓強(qiáng)。優(yōu)選的是，所述噴嘴將產(chǎn)生8000至12000psi的壓強(qiáng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述噴嘴將產(chǎn)生IOOOOpsi的壓強(qiáng)。更優(yōu)選的是，高壓噴嘴具有密封系統(tǒng)，該密封系統(tǒng)包括:雙密封件59和由至少一個(gè)O形環(huán)61與多個(gè)四邊形密封件形成的組合，以便更好地防止發(fā)生典型噴嘴遇到的泄漏問(wèn)題。添加劑通過(guò)位于噴嘴的側(cè)面上的開(kāi)口流入噴嘴，通過(guò)高壓管57并流出噴嘴。密封系統(tǒng)的存在減少了添加劑的泄漏量。高壓噴嘴還可包括冷卻塊53，以便控制噴嘴63的溫度。由于噴嘴緊靠料筒加熱帶，所以噴嘴會(huì)積聚大量的熱，因此，必須冷卻噴嘴以防止噴嘴損壞。此外，如果積聚了過(guò)多的熱量，那么氣缸的操作會(huì)變得不穩(wěn)定，并且密封件可能會(huì)不再正常起作用。在一個(gè)實(shí)施例中，冷卻塊51可圍繞噴嘴的料筒布置。通過(guò)使各種溫度的水流過(guò)冷卻塊的來(lái)調(diào)節(jié)冷卻塊的溫度。在另一實(shí)施例中，可用冷凍的銅線圈包裹噴嘴，以將噴嘴保持在較低的溫度。在又一個(gè)實(shí)施例中，使用包括隔熱套或織物隔熱體的熱屏蔽罩，其中，隔熱套可彎曲成成形泡沫。也可以用風(fēng)扇吹噴嘴，以便進(jìn)一步冷卻噴嘴。優(yōu)選的是，高壓噴嘴控制器是一個(gè)可編程邏輯控制器(PLC)，其中，用戶可以輸入自定義的值和設(shè)置。正如在本領(lǐng)域中已公知的，PLC是可編程的計(jì)算機(jī)，其用于真實(shí)世界過(guò)程的自動(dòng)化，專用于實(shí)時(shí)的多輸入和輸出管理，以便在有限的時(shí)間內(nèi)對(duì)輸入條件產(chǎn)生反應(yīng)。PLC是帶有模塊化的或集成的輸入/輸出電路的基于微處理器的設(shè)備，其根據(jù)存儲(chǔ)在微處理器的由電池供電的RAM存儲(chǔ)器中的由用戶創(chuàng)建的邏輯程序，監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)連接的“傳感器”輸入的狀態(tài)和控制附連的輸出“致動(dòng)器”(電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器、電磁閥、指示燈/顯示器、速度傳動(dòng)裝置、閥等)。一般都在個(gè)人電腦上的特殊應(yīng)用軟件中編寫(xiě)PLC程序，然后將PLC程序通過(guò)定制的電纜下載到PLC上。程序通常存儲(chǔ)在PLC中的由電池供電的RAM或其他的非易失性存儲(chǔ)器中。PLC與專用裝置的不同之處在于，PLC能夠根據(jù)用戶的特定要求編程并且能夠類似電話或計(jì)算機(jī)那樣與網(wǎng)絡(luò)對(duì)接。PLC允許將更多的繼電器分成允許進(jìn)行更多的邏輯的小組件，以便更好地控制系統(tǒng)。高壓噴嘴控制器優(yōu)選包括用于多個(gè)模擬控制回路的邏輯。另夕卜，高壓噴嘴控制器還可包括人機(jī)界面(HMI)，例如鍵盤(pán)或PC類型的工作站，以提供通信鏈路，從而協(xié)調(diào)各種子系統(tǒng)。PLC的特點(diǎn)是能夠根據(jù)模擬輸入來(lái)調(diào)整模擬輸出。在一個(gè)實(shí)施例中，高壓噴嘴控制器監(jiān)視的模擬信號(hào)包括:由向其它泵進(jìn)行供給的一個(gè)泵經(jīng)受的壓力；在泵的下游但在噴嘴閥之前的壓力；擠出機(jī)的料筒頭處的熔體的壓力；和擠出機(jī)的輸出。通常根據(jù)螺桿的RPM或螺桿驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電流強(qiáng)度來(lái)監(jiān)視擠出機(jī)的輸出。圖4顯示了高壓噴嘴控制器的一個(gè)實(shí)施例的輸入和輸出的實(shí)例。擠出機(jī)71向噴嘴控制器73報(bào)告電流強(qiáng)度72和其他的過(guò)程輸出74，噴嘴控制器73又輸出75 —個(gè)或多個(gè)大量的可能信號(hào)。作為示例性實(shí)施例的實(shí)例，該控制器可以發(fā)出報(bào)警信號(hào)77，可以打開(kāi)或關(guān)閉噴嘴閥79、81，和/或可以傳遞注入系統(tǒng)已準(zhǔn)備好83。噴嘴控制器73還可以監(jiān)視擠出機(jī)71的輸入，例如系統(tǒng)是否已啟動(dòng)85以及螺桿是否旋轉(zhuǎn)87。本領(lǐng)域的許多從業(yè)者把擠出機(jī)的RPM作為他們的擠出機(jī)輸出的主要指標(biāo)。簡(jiǎn)化的工藝假定擠出機(jī)每轉(zhuǎn)的輸出是恒定的。這通常在未經(jīng)最大輸出優(yōu)化或“未滿負(fù)荷運(yùn)行”的系統(tǒng)中是最準(zhǔn)確的。隨著接近負(fù)荷極限，RPM和輸出之間的關(guān)系會(huì)變化。因此，示例性實(shí)施例中的添加劑輸送系統(tǒng)主要是一個(gè)壓力反饋系統(tǒng)，其中，壓力傳感器監(jiān)測(cè)擠出機(jī)的輸出處的壓力，以便調(diào)節(jié)添加劑的輸入。但是，通常來(lái)說(shuō)，只靠壓力仍然是不夠的，因?yàn)閴毫赡軐?dǎo)致不成比例的結(jié)果。因此，優(yōu)選的是采用一種通過(guò)包括電流強(qiáng)度測(cè)量值來(lái)維持添加劑輸入和擠出機(jī)輸出之間的比例性的方法。電動(dòng)機(jī)的電流強(qiáng)度一般是工藝輸出的最直接的相關(guān)指標(biāo)。理論上講，隨著系統(tǒng)的優(yōu)化，可以推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型以將添加劑輸送系統(tǒng)的輸出與擠出機(jī)的輸出進(jìn)行關(guān)聯(lián)。但是，過(guò)于簡(jiǎn)化的算法不允許對(duì)輸入的復(fù)合變化進(jìn)行補(bǔ)償。本實(shí)施例采用了三個(gè)區(qū)域，包括:接近最優(yōu)區(qū)域的范圍，低于最優(yōu)區(qū)域的有限范圍，和高于最優(yōu)區(qū)域的范圍。但是，也以為此目的確定無(wú)限數(shù)量的區(qū)域。為了實(shí)施用于維持添加劑輸入和擠出機(jī)輸出之間的比例性的電流強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)，添加劑輸送系統(tǒng)可包括連接到擠出機(jī)的電流強(qiáng)度跟蹤裝置，以從擠出機(jī)向高壓噴嘴控制器提供電流反饋。優(yōu)選的是，添加劑輸送系統(tǒng)包括高壓計(jì)量泵和高壓線路/閥傳感器，以便跟蹤擠出機(jī)的輸出以確保添加劑的輸送保持與輸出成比例。正如在本領(lǐng)域中已公知的，計(jì)量泵是具有可控的排出流量的低容量泵。高壓計(jì)量泵優(yōu)選的是能夠承受約3000psi的壓強(qiáng)。該系統(tǒng)可以使用各種類型的泵(包括活塞泵、齒輪泵和螺桿泵)，并可以包括多個(gè)泵。該系統(tǒng)還可包括預(yù)加壓泵，該預(yù)加壓泵與高壓計(jì)量泵串聯(lián)以使系統(tǒng)的加壓能力加倍。該預(yù)加壓泵也優(yōu)選具有約3000psi的加壓能力；因此，所有的泵加在一起可以有至少6000psi的持續(xù)加壓能力。還以串聯(lián)多個(gè)低壓泵以提高整體的加壓能力。例如，三個(gè)IOOOpsi的計(jì)量泵與一個(gè)3000psi的預(yù)加壓泵串聯(lián)在一起,形成6000psi的總加壓能力。當(dāng)使用預(yù)加壓泵時(shí)，在預(yù)加壓泵的下游側(cè)放置壓力傳感器以檢測(cè)該預(yù)加壓壓泵中的壓力。在預(yù)加壓泵達(dá)到其壓力設(shè)定值后，高壓泵才會(huì)啟動(dòng)。雙連泵組件(計(jì)量泵和預(yù)加壓泵)是非常重要的，因?yàn)樗鼤?huì)保持第二個(gè)(計(jì)量)泵的穩(wěn)定的排出壓力，這直接關(guān)系到保持穩(wěn)定的輸出。高壓噴嘴控制器通常是一個(gè)邏輯/順序控制器，該邏輯/順序控制器接收各種模擬信號(hào)，然后通過(guò)模擬信號(hào)或直接驅(qū)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)高壓計(jì)量泵和/或預(yù)加壓泵(如果包括的話)。圖5表示的是控制邏輯添加劑注入系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例。一旦噴嘴控制器的電源接通91，該噴嘴控制器可以手動(dòng)切換到0PEN93，READY，或任何其他顯示標(biāo)記。一旦收到切換到OPEN的命令93，噴嘴閥會(huì)自動(dòng)打開(kāi)95，以允許添加劑流入擠出機(jī)料筒。這會(huì)向擠出機(jī)操作站97發(fā)送例如指示燈、文本消息等警報(bào)，表明工藝已經(jīng)開(kāi)始。如果噴嘴控制器沒(méi)有切換到OPEN，那么關(guān)閉噴嘴閥99并向擠出機(jī)操作站發(fā)送噴嘴關(guān)閉的信號(hào)，并且產(chǎn)生指示噴嘴關(guān)閉的警報(bào)101。高壓噴嘴控制器也以設(shè)置為AUT0103，當(dāng)控制器通電時(shí)，它會(huì)向擠出機(jī)操作站105自動(dòng)發(fā)送綠色的“READY”指示燈。作為另外一種選擇，控制器必須在收到三個(gè)信號(hào)之后才觸發(fā)綠色的“READY”指示燈。第一個(gè)信號(hào)表示該系統(tǒng)被激活并且開(kāi)始授權(quán)動(dòng)作107。第二個(gè)信號(hào)包括兩個(gè)指示器:許可指示器和螺桿指示器109。許可指示器顯示擠出機(jī)是否可操作和系統(tǒng)中是否存在適當(dāng)?shù)牟牧?，螺桿指示器確認(rèn)螺桿是否轉(zhuǎn)動(dòng)。許可指示器和螺桿指示器對(duì)觸發(fā)第二個(gè)信號(hào)都是必要的。第三個(gè)信號(hào)是電流強(qiáng)度信號(hào)111，其指示電流或從擠出機(jī)排出的材料的流量。如果高壓噴嘴控制器沒(méi)有收到三個(gè)必要的信號(hào)中的任何一個(gè)信號(hào)，那么噴嘴控制器將不會(huì)啟動(dòng)綠色的“READY”指示燈，將一直等到收到這樣的信號(hào)為止108。
在收到三個(gè)信號(hào)中的每一個(gè)信號(hào)后，高壓噴嘴控制器向擠出機(jī)操作站發(fā)送綠色指示燈，根據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)造和壓力，擠出機(jī)操作站開(kāi)始啟動(dòng)預(yù)加壓泵113或高壓計(jì)量泵115。高壓噴嘴控制器從噴嘴上游和下游的壓力傳感器接收信號(hào)，然后指示高壓泵或預(yù)加壓泵開(kāi)始向高壓噴嘴泵送添加劑。高壓計(jì)量泵受控于擠出機(jī)的輸出，并且被驅(qū)動(dòng)以便與擠出機(jī)的輸出相匹配并保持?jǐn)D出機(jī)的壓力。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括串聯(lián)的預(yù)加壓泵和高壓計(jì)量泵。還可以使用額外的系統(tǒng)來(lái)監(jiān)視在供給系統(tǒng)中是否存在足夠的液體產(chǎn)物。如果液體產(chǎn)物不足，那么這種系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并且預(yù)加壓泵將不會(huì)啟動(dòng)。當(dāng)接收到三個(gè)強(qiáng)制性信號(hào)107、109、111和表明在供給系統(tǒng)中有足夠的液體產(chǎn)物的信號(hào)后，高壓噴嘴控制器將啟動(dòng)預(yù)加壓泵，并監(jiān)視其變化的壓力113。如果預(yù)加壓泵未能達(dá)到預(yù)定的壓力，那么預(yù)加壓力傳感器117將向高壓噴嘴控制器提供輸入信號(hào)(模擬或數(shù)字信號(hào))。根據(jù)編程的算法，高壓噴嘴控制器將提高或降低預(yù)加壓泵的速度，以保持在計(jì)量泵(123)的入口處具有所需的預(yù)加壓壓力。當(dāng)達(dá)到指定的壓力并同時(shí)保持足夠的液體產(chǎn)物水平時(shí)，高壓噴嘴控制器將向高壓計(jì)量泵發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，并且高壓噴嘴控制器將監(jiān)測(cè)泵的壓力115。當(dāng)達(dá)到指定的噴嘴壓力時(shí)，噴嘴將打開(kāi)，將添加劑噴射到擠出機(jī)119中。如果沒(méi)有達(dá)到指定的壓力，那么高壓線路/閥傳感器121使高壓計(jì)量泵125加速，直至達(dá)到指定的壓力為止。在其指示閥門(mén)打開(kāi)之前，高壓噴嘴控制器將保證添加劑的壓力高于熔體的壓力。高壓噴嘴控制器通過(guò)在監(jiān)測(cè)擠出機(jī)的電流強(qiáng)度的同時(shí)控制泵的每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)，來(lái)維持壓力關(guān)系。要建立這樣的關(guān)系，應(yīng)作為設(shè)置條件的一部分來(lái)校準(zhǔn)系統(tǒng)，以便告知控制器每分鐘每轉(zhuǎn)的輸出應(yīng)該是多少。然后，將電流強(qiáng)度輸入與輸出進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以建立系統(tǒng)設(shè)置。這種校準(zhǔn)通常通過(guò)手動(dòng)校準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行；但是，也以自動(dòng)執(zhí)行這種校準(zhǔn)。高壓噴嘴控制器監(jiān)視擠出機(jī)的壓力，并且保證噴嘴閥的壓力大于擠出機(jī)中的熔體的壓力。這個(gè)過(guò)程發(fā)生在三個(gè)不同的步驟中。首先，擠出機(jī)向控制器發(fā)送許可信號(hào)，以表明擠出機(jī)是運(yùn)行的。然后，控制器使泵運(yùn)轉(zhuǎn)以在系統(tǒng)中建立壓力。一旦壓力達(dá)到并超過(guò)閾值，熔體壓力閥打開(kāi)。然后，通過(guò)高壓泵的RPM來(lái)保持該壓力。隨著擠出機(jī)速度減慢，安培數(shù)將下降，這會(huì)減少高壓計(jì)量泵的輸出(RPM)，直到安培數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定的值為止。每個(gè)擠出機(jī)都是不同的；因此，需要為每個(gè)應(yīng)用確定安全的最小操作壓力。由于工藝輸入材料會(huì)因正常和不正常的原因(如密度或形狀的變化)而有所不同，所以擠出機(jī)的輸出可能會(huì)改變。將擠出機(jī)的輸出與輸送到工藝中的液體輸出進(jìn)行配比，就能開(kāi)發(fā)出帶有各種斜率的可編程區(qū)域，以便更精確地配比添加劑和聚合物。這些區(qū)域由擠出機(jī)內(nèi)的具體條件限定，并且這些區(qū)域是輸入的液體和熔體壓力、擠出機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的RMP和電流強(qiáng)度的組合。例如，當(dāng)擠出機(jī)RPM保持穩(wěn)定、熔體壓力和安培數(shù)下降時(shí)，可以將添加劑的泵送速率的具體減少編程為與這種改變成比例，以確保正確的比例并防止發(fā)生不成比例的情況。如圖5所示，如果噴嘴的壓力達(dá)到指定的清理警告水平131，則高壓噴嘴控制器會(huì)啟動(dòng)清理行程，以減輕噴嘴的堵塞133。根據(jù)需要，高壓噴嘴控制器將啟動(dòng)盡可能多的清理行程以清除任何障礙物。如果噴嘴壓力達(dá)到指定的尖峰壓力135，則高壓噴嘴控制器將停止預(yù)加壓泵和/或計(jì)量泵137，啟動(dòng)表明噴嘴關(guān)閉的紅色報(bào)警燈139，并關(guān)閉噴嘴閥141?！┙邮盏街甘緣毫σ呀?jīng)達(dá)到合適的水平(如120psi)的信號(hào)，高壓噴嘴控制器就會(huì)發(fā)出信號(hào)來(lái)指示高壓噴嘴打開(kāi)和鎖定，以允許添加劑流入擠出機(jī)的料筒內(nèi)。系統(tǒng)的壓力可能會(huì)經(jīng)歷壓力的上下波動(dòng)；但是，高壓噴嘴不會(huì)重新鎖定和關(guān)閉，除非壓力上升和下降若干次，此時(shí)也將觸發(fā)相關(guān)聯(lián)的報(bào)警器。但是，壓力的快速變化表明系統(tǒng)中有可能存在問(wèn)題，如冷凍或噴嘴堵塞等。因此，壓力的快速變化可以觸發(fā)高壓噴嘴的關(guān)閉。本發(fā)明的一個(gè)方面是:當(dāng)發(fā)生這樣的問(wèn)題時(shí)，擠出機(jī)不停止和關(guān)閉。關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間和費(fèi)用。相反，可以在系統(tǒng)仍然使用時(shí)完成必要的清理或其他工作，以保證適當(dāng)?shù)谋壤３植蛔儭Ｌ砑觿┳⑷胂到y(tǒng)優(yōu)選包括具有多個(gè)報(bào)警條件的報(bào)警系統(tǒng)，以在發(fā)生某些情況時(shí)向用戶發(fā)出指示。優(yōu)選的是，報(bào)警條件包括但不限于:指示高壓噴嘴的閥沒(méi)有完全關(guān)閉或噴嘴堵塞的嗔嘴報(bào)警；檢測(cè)系統(tǒng)中的壓力的壓力報(bào)警；電源報(bào)警；和指不系統(tǒng)中存在充足材料的材料報(bào)警。該報(bào)警系統(tǒng)優(yōu)選包括視覺(jué)、電氣和聲音報(bào)警器。視覺(jué)報(bào)警器包括各種顏色的指示燈，每種顏色的指示燈指示不同的條件。例如，綠色的指示燈可以表示系統(tǒng)通電并準(zhǔn)備啟動(dòng)。紅色的指示燈可以表示系統(tǒng)停機(jī)。閃爍的指示燈可以表示噴嘴堵塞，琥珀色的指示燈可以表示在系統(tǒng)中有充足的材料。指示燈可以疊置安裝在控制器或操作站的底部或者用戶指定的地方。另一種形式的報(bào)警器是聲音報(bào)警器。聲音報(bào)警器包括各種聲音以表示不同的系統(tǒng)條件。此外，報(bào)警器可以是電氣報(bào)警器，其使系統(tǒng)關(guān)閉，直到條件得到評(píng)估為止。在噴嘴堵塞或急劇的壓力變化期間，這尤其重要。雖然具體的實(shí)施例涉及使用擠出機(jī)的塑料加工，但所描述的方法和裝置也可以適用于如下情況，即:不使用擠出機(jī)熔化聚合物，而是將添加劑引入到直接從聚合反應(yīng)器(例如其中進(jìn)行熔融聚合的聚合反應(yīng)器)中得到的熔融塑料中。利用所述的方法和裝置并加以必要的變更，可以在反應(yīng)器的下游引入添加劑。已經(jīng)參考優(yōu)選的實(shí)施例描述了示例性實(shí)施例。顯然，其他人在閱讀和理解前面的詳細(xì)描述后，會(huì)做出多種修改和改變。這些示例性實(shí)施例包括落入后附權(quán)利要求或其等同方案范圍內(nèi)的所有的這類修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種 在塑料加工期間輸送添加劑的方法，其中，所述方法包括: 在控制回路中建立組件網(wǎng)絡(luò)，所述控制回路使用反饋方法來(lái)驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)泵，所述反饋方法包括: 從與塑料加工裝置相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)傳感器向控制器發(fā)送至少一個(gè)信號(hào)； 從所述控制器向所述至少一個(gè)泵發(fā)送一個(gè)或多個(gè)信號(hào)； 監(jiān)測(cè)所述至少一個(gè)泵的壓力和檢測(cè)噴嘴閥的位置；以及 向所述噴嘴閥發(fā)送一個(gè)或多個(gè)信號(hào)，以指示所述噴嘴閥打開(kāi)或關(guān)閉。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中， 所述塑料加工包括塑料熔融工藝。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中， 所述添加劑被輸送到聚合反應(yīng)器的下游，在所述聚合反應(yīng)器中，塑料材料被制成熔融的塑料材料，熔融的塑料材料離開(kāi)所述聚合反應(yīng)器，并且在離開(kāi)所述聚合反應(yīng)器之后，熔融的塑料材料的熔融狀態(tài)至少一直保持到向熔融的塑料材料中輸送添加劑。
4.如以上任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中， 所述控制器是高壓噴嘴控制器。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中， 一旦系統(tǒng)壓力達(dá)到用戶指定的水平并且所述噴嘴閥處于合適的位置，所述噴嘴控制器就向所述噴嘴閥發(fā)出信號(hào)以指示所述噴嘴閥打開(kāi)。
6.如權(quán)利要求4或5所述的方法，其中， 所述噴嘴控制器調(diào)節(jié)通過(guò)所述噴嘴閥的所述添加劑的流量，以使該流量與相關(guān)聯(lián)的擠出機(jī)的輸出相匹配。
7.如以上任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中， 所述噴嘴閥是聞壓噴嘴閥。
8.如以上任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中， 所述至少一個(gè)或多個(gè)泵包括高壓計(jì)量泵。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中， 所述至少一個(gè)或多個(gè)泵包括與所述高壓計(jì)量泵串聯(lián)的預(yù)加壓泵控制器。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中， 在壓力高于3000psi時(shí)，除了使用所述高壓計(jì)量泵之外，還要使用所述預(yù)加壓泵。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中， 所述預(yù)加壓泵與所述高壓計(jì)量泵共同具有約6000psi的加壓能力。
12.如以上任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中， 所述輸入信號(hào)包括如下信號(hào)中的一個(gè)或多個(gè)信號(hào):授權(quán)動(dòng)作的至少一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，至少一個(gè)電源指示信號(hào)，指示擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)的至少一個(gè)信號(hào)；指示清理行程和反堵塞行程中至少一種行程的至少一個(gè)信號(hào)；以及指示流量的至少一個(gè)電流強(qiáng)度信號(hào)。
13.一種用于在塑料加工中精確引入添加劑的添加劑輸送系統(tǒng)，所述塑料加工例如是塑料熔融工藝，所述添加劑輸送系統(tǒng)包括: 與塑料加工裝置相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)傳感器，所述塑料加工裝置例如是熔融裝置； 高壓噴嘴控制器；至少一個(gè)泵；以及 高壓噴嘴， 其中，所述添加劑輸送系統(tǒng)包括邏輯控制回路，所述邏輯控制回路適于使用反饋邏輯方法來(lái)驅(qū)動(dòng)所述至少一個(gè)泵和噴嘴閥。
14.一種用于在塑料加工中在下游輸送添加劑的高壓噴嘴，所述高壓噴嘴包括: 促進(jìn)下游噴射的長(zhǎng)度在約3英寸至5英寸之間的通道； 具有外密封件和內(nèi)密封件的雙重密封系統(tǒng)； 高壓管；以及 防止噴嘴的熱量積聚的冷卻機(jī)構(gòu)。
15.如權(quán)利要求14所述的高壓噴嘴，其中， 所述雙重密封系統(tǒng)還包括組合壓蓋密封和唇部密封系統(tǒng)。
16.如權(quán)利要求14或15所述的高壓噴嘴，其中， 所述高壓管是鋼管。
17.如權(quán)利要求16所述的高壓噴嘴，其中， 所述高壓鋼管能承受約4000至7000psi的壓力。
18.如權(quán)利要求14-17中任一項(xiàng)所述的高壓噴嘴，其中， 所述冷卻機(jī)構(gòu)具有調(diào)溫冷卻塊。
19.如權(quán)利要求14-18中任一項(xiàng)所述的高壓噴嘴，其中，所述冷卻機(jī)構(gòu)具有:包裹在所述高壓噴嘴周圍的至少一個(gè)銅線圈，熱屏蔽罩和風(fēng)扇。
20.如權(quán)利要求14-19中任一項(xiàng)所述的高壓噴嘴，其中， 所述添加劑注入發(fā)生在進(jìn)料口下游的距離進(jìn)料口大于2螺棱的位置。
21.如權(quán)利要求14-20中任一項(xiàng)所述的高壓噴嘴，其中， 所述通道的長(zhǎng)度約為4英寸。
22.—種向塑料加工裝置中成比例地輸送添加劑的方法，所述塑料加工裝置例如是熔融機(jī)，所述方法包括: 根據(jù)例如是熔融機(jī)的塑料加工裝置的電流強(qiáng)度和相關(guān)聯(lián)的泵的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)建立比例； 對(duì)具有各種階梯斜率的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行編程，所述區(qū)域由例如是熔融機(jī)的所述塑料加工裝置內(nèi)的具體條件限定； 以及 根據(jù)所述區(qū)域?qū)ο蚶缡侨廴跈C(jī)的所述塑料加工裝置的添加劑輸送進(jìn)行編程，以保持成比例地輸送添加劑。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種在塑料加工期間輸送添加劑的方法。所述方法包括在控制回路中建立組件網(wǎng)絡(luò)，所述控制回路使用反饋方法來(lái)驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)泵(46)，從而能夠在難以控制的環(huán)境里連續(xù)穩(wěn)定地按比例輸送添加劑。所述反饋方法包括從與熔塑機(jī)相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)傳感器向控制器(43)發(fā)送至少一個(gè)信號(hào)；從所述控制器向所述至少一個(gè)泵(46)發(fā)送一個(gè)或多個(gè)信號(hào)；監(jiān)測(cè)所述至少一個(gè)泵(46)的壓力和檢測(cè)噴嘴閥(49)的位置；以及向所述噴嘴閥(49)發(fā)送一個(gè)或多個(gè)信號(hào)，以指示所述噴嘴閥(49)打開(kāi)或關(guān)閉。
文檔編號(hào)B29C47/92GK103140342SQ201180042749
公開(kāi)日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2011年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月8日
發(fā)明者邁克爾·D·西伊 申請(qǐng)人:嘉洛斯控股有限公司