CN109228003A - 一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置及方法。该装置由挤出混炼单元、超临界流体注入单元、静态混合单元、齿轮泵、熔体冷却器、挤出模头、水下切粒系统等组成。其中，挤出混炼单元的主体为双螺杆挤出机，其螺杆与料筒均配有专门的温度控制单元，料筒设有两个注气孔；在挤出混炼单元的下游设有静态混合单元，以增强混炼效果；在静态混合单元的下游设有齿轮泵，以调控系统压力；在齿轮泵的下游连接了熔体冷却器，以调控系统温度。本发明的优点在于：工艺稳定，生产效率高，制得的聚合物泡沫珠粒密度低、结构均匀。

Description

一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠 粒的装置及方法

技术领域

本发明属于塑料成形加工技术领域，特别是涉及一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置及方法。

背景技术

聚合物泡沫珠粒是一种以聚合物为基体，通过发泡制得的具有多孔结构的珠粒状物质。通过蒸汽模塑成型或粘结成型，聚合物泡沫珠粒可被加工成具有一定几何结构的块状泡沫产品，具有节材、质轻、吸能、比强度高、比表面积大、隔热、消声等特性，被广泛应用在包装、建筑、交通运输、运动器材等领域。当前，聚合物泡沫珠粒主要通过釜压发泡法制备。釜压发泡法的工艺控制相对简单，但其生产效率较低，工艺不稳定，产品均匀性差，且其生产过程存在一定安全隐患。与釜压发泡法相比，挤出发泡法制备聚合物泡沫珠粒，具有成型效率高、自动化程度高、设计柔性高、产品结构均匀一致等明显优势，是未来聚合物泡沫珠粒制备技术的一个重要发展方向。目前，现有的聚合物泡沫珠粒用发泡挤出系统尚不成熟，挤出发泡制备的聚合物泡沫珠粒的发泡倍率较小、密度较高，同时仅适用于一些可发性较好的聚合物材料，例如聚苯乙烯。因此，市场迫切需要开发一种系统稳定、工艺可靠、适应性强的发泡挤出装置和方法，以实现低密度聚合物泡沫珠粒的高效制备。

中国专利CN 103709726 B公开了一种挤出发泡热塑性聚氨酯弹性体珠粒及其制备方法。该方法主要涉及一种发泡材料配方及其配套的发泡方法。材料配方主要包含100重量份热塑性聚氨酯、0.01～0.5重量份发泡成核剂、0.01～0.2重量份抗氧剂以及1～40重量份超临界流体发泡剂。发泡方法主要包括如下步骤：首先，将上述材料配方中的各种材料混合均匀；然后，将混合后的材料投入挤出机造粒得到适合于发泡的粒子；最后，将上述粒子投入发泡专用挤出机发泡。该专利未涉及用于制备聚合物泡沫珠粒的专用挤出发泡系统或装置，并且该方法采用的发泡剂为超临界二氧化碳。

中国专利CN 104385479 A公开了一种连续挤出发泡制备TPU发泡珠粒的方法。该方法包括如下步骤：1)把TPU颗粒与有机修饰的无机纳米颗粒混合，将混合后的TPU颗粒加入第一挤出机的料筒，经螺杆加热使TPU颗粒熔成聚合物熔体，在第一挤出机的末端注入超临界流体，使超临界流体与聚合物熔体混合；2)将混合后的聚合物/高压流体熔体经熔体泵注入第二挤出机，并逐渐降低第二挤出机加热区的温度，得到冷却的、混合均匀的聚合物/超临界流体熔体；③将聚合物/超临界流体熔体从第二挤出机口模挤出，经水下环切制得TPU发泡粒子。该方法同样未涉及用于制备聚合物泡沫珠粒的专用挤出发泡系统或装置，并且该方法采用单一超临界流体作为发泡剂。

中国专利CN 106541508 A公开了一种吸热型发泡剂结合超临界氮气制备发泡珠粒的方法。该方法的主要步骤包括：1)把热塑性聚氨酯颗粒与吸热型化学发泡剂及成核剂混合，然后加入单螺杆挤出机料筒，经挤出机加热塑化为聚合物熔体，同时在挤出机第四区注入超临界氮气与聚合物熔体混合；2)混合物进入带有温控系统的第五、第六区混合降温得到冷却的、混合均匀的聚合物；3)将混合物从挤出机口模挤出，并经水下环切制得自结皮热塑性聚氨酯发泡珠粒。该方法也没有涉及用于制备聚合物泡沫珠粒的专用挤出发泡系统或装置，并且其涉及的发泡剂为化学发泡剂与超临界氮气的复合发泡剂。

当前通过挤出发泡法制备聚合物泡沫珠粒存在的主要问题包括：1)缺少成熟稳定的专用挤出发泡系统和装备；2)工艺方法不稳定，生产效率低，对不同聚合物材料的适应性差；3)制备的聚合物泡沫珠粒存在密度高、发泡倍率小、开孔率高等问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置及方法，该挤出发泡系统与装置可制备低密度、泡孔均匀、闭孔率高的聚合物泡沫珠粒，能够适用多种常见的聚合物材料，同时具有稳定可靠、生产效率高、成本低等突出优势。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置，包括：双螺杆挤出机，超临界流体注入系统I、II，静态混合器，齿轮泵，熔体冷却器，挤出模头，水下切粒系统；其特征在于，所述双螺杆挤出机、静态混合器、齿轮泵、熔体冷却器、挤出模头、水下切粒系统依次相连，所述双螺杆挤出机的料筒上设置有两个注气孔，所述注气孔分别与超临界流体注入系统I、II相连。

与单螺杆挤压机相比，双螺杆挤压机混炼效果好、挤压比高，且具有更高的产能，因此，本申请中选择双螺杆挤压机作为挤压设备。但研究发现：双螺杆挤压机建压能力较差，在后续挤出发泡时，由于压力较高，常常导致双螺杆挤压机因压力过高而停机。为了克服这一问题，本申请系统研究了超临界混合流体挤出发泡过程中，压力条件对聚合物泡沫珠粒密度、均匀性和孔隙率的影响，经过大规模实验摸索发现：通过分段建压的方式既保证了足够的压力以维持熔体中能够溶解足够多的二氧化碳，又不会由于压力变化较大，导致双螺杆挤压机因压力过高而停机，从而使制备出的聚合物泡沫珠粒具有密度低、泡孔均匀、闭孔率高的优点。

为了实现上述分段建压和控压的目的，本申请中在双螺杆挤出机和挤出模头之间增设静态混合器、齿轮泵、熔体冷却器，以逐级增加设备压力。

在一些实施例中，为了制备出的聚合物泡沫珠粒具有密度低、泡孔均匀、闭孔率高的特点，本申请的加料顺序：本申请先注入二氧化碳，再注入氮气，其中，二氧化碳主要是促进熔体的生长，氮气主要用于成核。

在一些实施例中，所述静态混合器的内部设有分流模块、混合模块以及汇流模块。

在一些实施例中，所述熔体冷却器由交替排布的熔体流动微细管道和温控流体介质流动微细管道组成。

在一些实施例中，所述料筒上设置由加热冷却装置和温控器。

在一些实施例中，所述超临界流体注入系统I或II由储藏罐、流体调压计量泵和管道连接而成。

在一些实施例中，所述两个注气孔与挤出机料筒上料斗的距离分别为5～15倍螺杆直径和10～25倍螺杆直径。

在一些实施例中，所述水下切粒系统由冷却水循环装置、水下切粒电机、水下切粒刀具、烘干装置及管道连接而成。

本发明还提供了一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的方法，包括：

1)聚合物原料经双螺杆挤出机料斗加入料筒，在高温料筒的热与螺杆剪切作用下，聚合物原料逐渐塑化熔融，同时被逐渐输送至挤出机出口；在输送过程中，聚合物熔体依次与注入料筒的超临界流体I、超临界流体II混合；

2)将步骤1)形成的熔体/超临界流体混合物由挤出机料筒进入静态混合器，在静态混合器中熔体与超临界流体进一步混合；随后，混合物进入齿轮泵，以调定上游混合物压力；接着，混合物流入熔体冷却器，以调定混合物的温度；最后，混合物经由挤出口模进入水下切粒系统，在由挤出口模流出时，混合物因压力下降而发泡，在发泡过程中，挤出物被水下切粒机切割成珠粒状，并由冷却水循环系统输送至干燥器，经干燥后，即获得低密度的聚合物泡沫珠粒。

在一些实施例中，所述超临界流体I或II的储藏罐的容量为50-500升，储藏罐的耐压大于15兆帕；

在一些实施例中，所述超临界流体I或II的调压计量泵的耐压大于20兆帕，流量计量精度小于0.1ml/min，允许的流量范围为5～200ml/min；所述调压计量泵配有流体温度控制装置，温度调控范围为-20～100℃，温度控制精度为±1℃；

在一些实施例中，所述齿轮泵的耐压大于20兆帕，压力调节范围为5～18兆帕；

在一些实施例中，所述熔体冷却器的许用流量为0.1～20千克/小时，温度均匀性为±2.5℃；

在一些实施例中，所述挤出口模包含1～100个挤出孔，孔径范围为0.5～5mm；所述挤出口模配有温度控制单元，温度调控范围为80～240℃，温度控制精度为±2.0℃；

在一些实施例中，所述水下切粒系统的冷却水温度调节范围为10～90℃，温度调控精度为±3.0℃；冷却水压力调节范围为0.1～2.5兆帕，压力调节精度为±0.05兆帕。

在一些实施例中，所述聚合物为热塑性聚氨酯(TPU)、聚醚嵌段酰胺(PEBA)、聚烯烃热塑性弹性体(TPO)、热塑性聚酯弹性体(TPEE)、聚丙烯(PP)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、尼龙(PA)或丙烯晴–丁二烯–苯乙烯共聚物(ABS)中的至少一种。

本发明的有益效果

(1)基于本发明的装备和方法，发泡产品的发泡倍率可以提高50％以上，发泡产品的密度可以降低50％以上，发泡产品具有更细腻、更均匀、更规整、更高孔隙率的泡孔结构，并且闭孔率高达85％以上。

(2)本发明的装备具有更稳定、更可靠、更高效、更精准等特点，能够实现泡沫产品结构的大范围精准调控。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明提供的一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置示意图。

图2是实施例1中采用本发明提供的装置和方法制备的热塑性聚氨酯泡沫珠粒。

图3是实施例2中采用本发明提供的装置和方法制备的聚丙烯泡沫珠粒。

图4是实施例3中采用本发明提供的装置和方法制备的聚乳酸泡沫珠粒。

其中，储藏罐I1、挤出机电机2、流体计量泵I 3、加料斗4、料筒5、双螺杆6、流体计量泵II 7、静态混合器8、储藏罐II9、齿轮泵10、熔体冷却器11、挤出口模12、压力监控单元13、冷却水循环装置14、管道15、管道16、水下切粒刀具17、烘干装置18、水下切粒电机19、管道20、导管21、聚合物泡沫珠粒22、螺杆温控器23、料筒温控器24、料筒加热元件25。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置及方法，该装置由挤出混炼单元、超临界流体注入单元、静态混合单元、齿轮泵、熔体冷却器、挤出模头、水下切粒系统等组成。其中，挤出混炼单元、静态混合单元、齿轮泵、熔体冷却器、挤出模头、水下切粒系统等依次串接在一起，超临界流体注入单元通过管道与挤出混炼单元料筒上的注气孔连接在一起。

进一步地，所述的一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置，所述挤出混炼单元的主体为双螺杆挤出机；螺杆的长径比为40～60；双螺杆挤出机的料筒上依次设有2个注气孔，2个注气孔与挤出机料筒上料斗的距离分别为5～15倍螺杆直径和10～25倍螺杆直径；双螺杆挤出机的螺杆内部设有温度控制管道，管道与螺杆温度控制器相连，可以精确控制螺杆温度；双螺杆挤出机料筒的外部设有加热冷却单元，加热冷却单元与料筒温度控制器相连，能够实现料筒温度的精确控制。

进一步地，所述的一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置，所述超临界流体注入单元包含两套由储藏罐、流体调压计量泵及连接管道构成的超临界流体注入装置组成；所述储藏罐的容量为50-500升，储藏罐的耐压大于15兆帕；所述流体调压计量泵的耐压大于20兆帕，流量计量精度小于0.1ml/min，允许的流量范围为5～200ml/min；所述流体调压计量泵配有流体温度控制装置，温度调控范围为-20～100℃，温度控制精度为±1℃。

进一步地，所述的一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置，所述静态混合器的内部设有分流模块、混合模块以及汇流模块，通过对聚合物熔体/超临界流体混合物进行分流、切割、移动和混炼，显著改善聚合物熔体/超临界流体混合物的均匀性。

进一步地，所述的一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置，所述齿轮泵的耐压大于20兆帕，压力调节范围为5～18兆帕。

进一步地，所述的一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置，所述熔体冷却器内部包含大量熔体流动微细管道和温控流体介质流动微细管道，通过向温控流体介质流动微细管道中通入一定温度的流体介质，冷却由所述静态混合器流出的聚合物熔体/超临界流体混合物；所述熔体冷却器的许用流量为0.1～20千克/小时，温度均匀性为±2.5℃。

进一步地，所述的一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置，所述挤出口模包含1～100个挤出孔，孔径范围为0.5～5mm；所述挤出口模配有温度控制单元，温度调控范围为80～240℃，温度控制精度为±2.0℃；所述挤出口模设有压力监控单元，可以检测流入其内聚合物熔体/超临界流体混合物的压力。

进一步地，所述的一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置，所述水下切粒系统由冷却水循环装置、水下切粒电机、水下切粒刀具、烘干装置及相互间的连接管道组成；所述水下切粒系统的冷却水温度调节范围为10～90℃，温度调控精度为±3.0℃；冷却水压力调节范围为0.1～2.5兆帕，压力调节精度为±0.05兆帕。

进一步地，一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置及方法，所述方法如下：聚合物原料经双螺杆挤出机料斗加入料筒，在高温料筒的热与螺杆剪切作用下，聚合物原料逐渐塑化熔融，同时被逐渐输送至挤出机出口；在输送过程中，聚合物熔体依次与注入料筒的超临界流体I、超临界流体II混合；然后，熔体/超临界流体混合物由挤出机料筒进入静态混合器，在静态混合器中熔体与超临界流体进一步混合；随后，混合物进入齿轮泵，以调定上游混合物压力；接着，混合物流入熔体冷却器，以调定混合物的温度；最后，混合物经由挤出口模进入水下切粒系统，在由挤出口模流出时，混合物因压力下降而发泡，在发泡过程中，挤出物被水下切粒机切割成珠粒状，并由冷却水循环系统输送至干燥器，经干燥后，最终获得低密度的聚合物泡沫珠粒。

参见附图1，一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置，包括挤出混炼单元、超临界流体注入单元、静态混合单元、齿轮泵、熔体冷却器、挤出模头、水下切粒系统等组成。其中，挤出混炼单元、静态混合单元8、齿轮泵10、熔体冷却器11、挤出模头12、水下切粒系统等依次串接在一起，超临界流体注入单元通过管道与挤出混炼单元料筒上的注气孔连接在一起。

挤出混炼单元的主体为双螺杆挤出机，主要包括挤出机电机2、双螺杆6、料筒5、加料斗4螺杆温控器23、料筒温控器24、料筒加热元件25；螺杆的长径比为40～60；双螺杆挤出机的料筒上依次设有2个注气孔，2个注气孔与挤出机料筒上料斗的距离分别为5～15倍螺杆直径和10～25倍螺杆直径；双螺杆挤出机的螺杆内部设有温度控制管道，管道与螺杆温度控制器相连，可以精确控制螺杆温度；双螺杆挤出机料筒的外部设有加热冷却单元，加热冷却单元与料筒温度控制器相连，能够实现料筒温度的精确控制。

超临界流体注入单元包含两套由储藏罐(储藏罐I1、储藏罐II9)、流体调压计量泵(计量泵I 1、计量泵II 9)及连接管道构成的超临界流体注入装置组成；所述储藏罐的容量为50-500升，储藏罐的耐压大于15兆帕；所述流体调压计量泵的耐压大于20兆帕，流量计量精度小于0.1ml/min，允许的流量范围为5～200ml/min；所述流体调压计量泵配有流体温度控制装置，温度调控范围为-20～100℃，温度控制精度为±1℃。

静态混合器8的内部设有分流模块、混合模块以及汇流模块，通过对聚合物熔体/超临界流体混合物进行分流、切割、移动和混炼，显著改善聚合物熔体/超临界流体混合物的均匀性。

齿轮泵的耐压大于20兆帕，压力调节范围为5～18兆帕。

熔体冷却器11内部包含大量熔体流动微细管道和温控流体介质流动微细管道，通过向温控流体介质流动微细管道中通入一定温度的流体介质，冷却由所述静态混合器流出的聚合物熔体/超临界流体混合物；所述熔体冷却器的许用流量为0.1～20千克/小时，温度均匀性为±2.5℃。

挤出口模12包含1～100个挤出孔，孔径范围为0.5～5mm；所述挤出口模配有温度控制单元，温度调控范围为80～240℃，温度控制精度为±2.0℃；所述挤出口模设有压力监控单元13，可以实时检测流入其内聚合物熔体/超临界流体混合物的压力。

水下切粒系统由冷却水循环装置14、水下切粒电机19、水下切粒刀具17、烘干装置18及相互间的连接管道(管道15、管道16、管道20)组成；所述水下切粒系统的冷却水温度调节范围为10～90℃，温度调控精度为±3.0℃；冷却水压力调节范围为0.1～2.5兆帕，压力调节精度为±0.05兆帕。

典型的加工方法及过程如下：聚合物固体颗粒料由料斗4加入双螺杆共混挤出机；在挤出机电机2的带动下，不停旋转的挤出机双螺杆6将聚合物固体颗粒压缩、剪切，并向前输送；在此过程中，料筒加热元件25产生的热量，经由料筒5，传递至聚合物固体颗粒，从而将聚合物固体颗粒逐渐软化、熔融；同时，储藏罐I 1和储藏II 9中的超临界流体，分别经由流体计量泵I 3和流体计量泵II 7，依次注入料筒5与双螺杆6之间的熔体中，在双螺杆的剪切、搅拌作用下，两种超临界流体与聚合物熔体充分混合；聚合物熔体与超临界流体混合物的温度由螺杆温度控制器23和料筒温度控制器24共同调定；聚合物熔体与超临界流体混合物由挤出机流出后，进入静态混合器8，以进一步增强混合物的均匀性；然后，聚合物熔体与超临界流体混合物流入齿轮泵10，以调定齿轮泵10上游聚合物熔体与超临界流体混合物的压力；聚合物熔体与超临界流体混合物流出齿轮泵后，进入熔体冷却器11，以对聚合物熔体与超临界流体混合物进行均匀冷却，并最终将混合物的温度调定在某一设定水平；然后聚合物熔体与超临界流体混合物进入挤出口模12，在挤出口模12的出口，由于系统压力急剧减小，聚合物熔体与超临界流体混合物将发生相分离而发泡；由挤出口模12挤出的发泡物，在切粒机电机19带动的水下切粒刀具17的切割作用下，被切割成颗粒状；紧接着，在冷却水循环装置14提供的循环水的输运下，经水下切粒刀具17切割得到的颗粒状物质，经管道16被输送至烘干装置18；烘干后，颗粒状物经导管21喷出，从而得到最终的聚合物泡沫珠粒22。

聚合物为热塑性聚氨酯(TPU)、聚醚嵌段酰胺(PEBA)、聚烯烃热塑性弹性体(TPO)、热塑性聚酯弹性体(TPEE)、聚丙烯(PP)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、尼龙(PA)、丙烯晴–丁二烯–苯乙烯共聚物(ABS)等一种或两种及以上的混合物。聚合物数均分子量为10000～5000000。

实施例1

装置为如图1所示的“利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置”，原料为热塑性聚氨酯，其熔融指数和密度分别为12g/10min(@220℃/10kg)、1.18g/cm³(@23℃)；超临界流体I为纯度99.9％的二氧化碳，超临界流体II为纯度99.5％的氮气；二氧化碳的注入量为2.5％重量分数，氮气的注入量为0.25％重量分数。

双螺杆挤出机螺杆的直径为80mm，其长径比为40，双螺杆温度设定为180℃；双螺杆挤出机料筒温度从料筒至喷嘴依次设置为60℃–160℃–180℃–200℃–200℃–200℃–200℃–200℃–190℃–180℃–170℃–170℃，螺杆转速为30转/分钟；双螺杆挤出机料筒上两个超临界流体注入口的位置距离料斗的距离分别为5倍螺杆直径和10倍螺杆直径；静态混合器的温度设定为150℃；齿轮泵的控制压力设定为12.5MPa，齿轮泵的温度设定为150℃；熔体冷却器的温度设定为135℃；挤出模头的温度设定为130℃，挤出模头上挤出孔的数量为5，孔径为1mm；水下切粒刀具的转速设为500转/分钟；水下切粒系统提供的冷却水的温度设定为50℃，冷却水的压力设定为0.3MPa。

利用本发明提供的挤出发泡装置和上述工艺参数，制备的聚氨酯泡沫珠粒的发泡倍率为10倍，密度为0.12g/cm³，平均泡孔直径为124μm，附图2给出了聚氨酯泡沫珠粒内部的泡孔结构。

实施例2

装置为如图1所示的“利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置”，原料为高熔体强度聚丙烯，其熔融指数和密度分别为16g/10min(@230℃/2.16kg)、0.90g/cm³(@23℃)；超临界流体I为纯度99.9％的二氧化碳，超临界流体II为纯度99.5％的氮气；二氧化碳的注入量为5.0％重量分数，氮气的注入量为0.32％重量分数。

双螺杆挤出机螺杆的直径为60mm，其长径比为50，双螺杆温度设定为170℃；双螺杆挤出机料筒温度从料筒至喷嘴依次设置为60℃–160℃–180℃–180℃–180℃–180℃–180℃–180℃–180℃–170℃–170℃–170℃，螺杆转速为30转/分钟；双螺杆挤出机料筒上两个超临界流体注入口的位置距离料斗的距离分别为10倍螺杆直径和18倍螺杆直径；静态混合器的温度设定为150℃；齿轮泵的控制压力设定为13.5MPa，齿轮泵的温度设定为145℃；熔体冷却器的温度设定为132℃；挤出模头的温度设定为132℃，挤出模头上挤出孔的数量为18，孔径为2.5mm；水下切粒刀具的转速设为750转/分钟；水下切粒系统提供的冷却水的温度设定为60℃，冷却水的压力设定为0.5MPa。

利用本发明提供的挤出发泡装置和上述工艺参数，制备的聚丙烯泡沫珠粒的发泡倍率为42倍，密度为0.021g/cm³，平均泡孔直径为92μm，附图3给出了聚丙烯泡沫珠粒内部的泡孔结构。

实施例3

装置为如图1所示的“利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置”，原料为高熔体强度聚丙烯，其熔融指数和密度分别为16g/10min(@230℃/2.16kg)、0.90g/cm³(@23℃)；超临界流体I为纯度99.9％的二氧化碳，超临界流体II为纯度99.5％的氮气；二氧化碳的注入量为4.0％重量分数，氮气的注入量为0.2％重量分数。

双螺杆挤出机螺杆的直径为100mm，其长径比为60，双螺杆温度设定为180℃；双螺杆挤出机料筒温度从料筒至喷嘴依次设置为60℃–160℃–180℃–200℃–200℃–200℃–200℃–190℃–190℃–180℃–170℃–170℃，螺杆转速为25转/分钟；双螺杆挤出机料筒上两个超临界流体注入口的位置距离料斗的距离分别为15倍螺杆直径和25倍螺杆直径；静态混合器的温度设定为155℃；齿轮泵的控制压力设定为11.5MPa，齿轮泵的温度设定为140℃；熔体冷却器的温度设定为130℃；挤出模头的温度设定为125℃，挤出模头上挤出孔的数量为30，孔径为3mm；水下切粒刀具的转速设为800转/分钟；水下切粒系统提供的冷却水的温度设定为30℃，冷却水的压力设定为0.7MPa。

利用本发明提供的挤出发泡装置和上述工艺参数，制备的聚丙烯泡沫珠粒的发泡倍率为40倍，密度为0.031g/cm³，平均泡孔直径为74μm，附图4给出了聚丙烯泡沫珠粒内部的泡孔结构。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的装置，其特征在于，包括：双螺杆挤出机，超临界流体注入系统I、II，静态混合器，齿轮泵，熔体冷却器，挤出模头，水下切粒系统；其特征在于，所述双螺杆挤出机、静态混合器、齿轮泵、熔体冷却器、挤出模头、水下切粒系统依次相连，所述双螺杆挤出机的料筒上设置有两个注气孔，所述注气孔分别与超临界流体注入系统I、II相连。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述静态混合器的内部设有分流模块、混合模块以及汇流模块。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述熔体冷却器由交替排布的熔体流动微细管道和温控流体介质流动微细管道组成。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述料筒上设置由加热冷却装置和温控器。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超临界流体注入系统I或II由储藏罐、流体调压计量泵和管道连接而成。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个注气孔与挤出机料筒上料斗的距离分别为5～15倍螺杆直径和10～25倍螺杆直径。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水下切粒系统由冷却水循环装置、水下切粒电机、水下切粒刀具、烘干装置及管道连接而成。

8.一种利用超临界混合流体挤出发泡制备低密度聚合物泡沫珠粒的方法，其特征在于，包括：

1)聚合物原料经双螺杆挤出机料斗加入料筒，在高温料筒的热与螺杆剪切作用下，聚合物原料逐渐塑化熔融，同时被逐渐输送至挤出机出口；在输送过程中，聚合物熔体依次与注入料筒的超临界流体I、超临界流体II混合；

2)将步骤1)形成的熔体/超临界流体混合物由挤出机料筒进入静态混合器，在静态混合器中熔体与超临界流体进一步混合；随后，混合物进入齿轮泵，以调定上游混合物压力；接着，混合物流入熔体冷却器，以调定混合物的温度；最后，混合物经由挤出口模进入水下切粒系统，在由挤出口模流出时，混合物因压力下降而发泡，在发泡过程中，挤出物被水下切粒机切割成珠粒状，并由冷却水循环系统输送至干燥器，经干燥后，即获得低密度的聚合物泡沫珠粒。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述超临界流体I或II的储藏罐的容量为50-500升，储藏罐的耐压大于15兆帕；

或所述超临界流体I或II的调压计量泵的耐压大于20兆帕，流量计量精度小于0.1ml/min，允许的流量范围为5～200ml/min；所述调压计量泵配有流体温度控制装置，温度调控范围为-20～100℃，温度控制精度为±1℃；

或所述齿轮泵的耐压大于20兆帕，压力调节范围为5～18兆帕；

或所述熔体冷却器的许用流量为0.1～20千克/小时，温度均匀性为±2.5℃；

或所述挤出口模包含1～100个挤出孔，孔径范围为0.5～5mm；所述挤出口模配有温度控制单元，温度调控范围为80～240℃，温度控制精度为±2.0℃；

或所述水下切粒系统的冷却水温度调节范围为10～90℃，温度调控精度为±3.0℃；冷却水压力调节范围为0.1～2.5兆帕，压力调节精度为±0.05兆帕。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述聚合物为热塑性聚氨酯(TPU)、聚醚嵌段酰胺(PEBA)、聚烯烃热塑性弹性体(TPO)、热塑性聚酯弹性体(TPEE)、聚丙烯(PP)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、尼龙(PA)或丙烯晴–丁二烯–苯乙烯共聚物(ABS)中的至少一种。