聚氨酯喷涂成型设备有低压喷涂设备和高压喷涂设备两类。
低压喷涂是利用压缩空气将物料雾化,喷射到物件表面进行成型。气压可根据物料流量、物料黏度的不同而变化,一般控制在0.7~1.2MPa。气压太低,物料混合不佳,雾化效果差,表面不平整。气压太高,吹力大,容易造成物料吹散,损失严重。低压喷涂设备分别由甲组分与乙组分的原料桶、溶剂桶、低压计量泵、喷枪以及空压机等组成。
喷涂前,首先将喷涂机两个组分的原料桶升温至所需温度,例如甲组分60~70℃,乙组分80℃,在设备上设定好工艺参数,将原料装入原料桶中。调节两个组分体积比在规定误差范围内,并再重复两次,从而保证原料配比的准确性。喷涂时,将原料管连接到喷枪上,调节系统压力至平衡状态,启动喷枪控制开关,试喷几次,即可开始喷涂。喷涂结束后,应先停泵,让空气和溶剂将喷枪内残留物料吹净,迅速打开喷枪,用清洗剂清洗。
高压喷涂是对低压喷涂工艺的一种改进,喷涂压力一般大于10MPa。它是将处于高压下的物料突然减压雾化喷射到施工表面,雾化粒子细,飞散物料损失少,环境污染大大减少。但高压喷涂设备价格较高,而且要求物料黏度低,两组分物料黏度差别要小。而低压喷涂无此严格要求。
一台喷涂机主要组成结构包括料罐、泵、混合枪头、液压系统、恒温系统、控制系统以及辅助系统等。
(1)物料贮存、配制及恒温系统
物料贮罐多采用带有搅拌,并有夹套或盘管恒温装置的反应釜,材质多为不锈钢。若使用碳钢反应釜,则应在内表面采用化学镀、金属或塑料喷涂或刷防腐涂料等方法,镀上不与多元醇和异氰酸酯组分反应并能抵抗其侵蚀的防锈层。高压喷涂机的随机工作贮罐一般都比较小,多在300~500L之间,用于直接向计量泵供料。大多数生产厂家都使用配制好的组合聚醚,因此不再需要在生产现场配料。若生产者需要自己配制多元醇及异氰酸酯组分,则应另设较大的配料釜,搅拌配制均匀后向高压喷涂机工作料罐供料。为了能保证连续生产并保持料液的温度恒定,工作料罐除配有独立的恒温系统外,一般配备液面控制自动补料设备,及时从原料桶或配制釜中少量多次补充原料,保持工作料罐液面稳定并经常处于满罐状态,从而保证料液温度波动小,稳定在工艺要求的范围内。在高压喷涂机中需使用耐压0.4~0.6MPa的压力罐。以干燥的氮气或空气加压向计量泵供料。若需要另加辅助发泡剂,则应根据选用的辅助发泡剂品种,确定对料罐的相应要求。一般发泡设备中都配有单独的恒温系统,可以独立制冷或加热,用水作传热介质,并通过冷热水系统与物料贮罐结合起来成为独立的恒温调节体系,除工作料罐的夹套或盘管外,通常在回流管路中还装有热交换器,以强化对物料温度的控制,保证生产过程中物料温度的稳定。
(2)计量系统
通常高压喷涂机使用双组分原料体系,使用两台计量泵,一台用来计量输送异氰酸酯,一台用来输送多元醇与匀泡剂、催化剂等助剂的混合料。为了满足产品的特殊需要,有时需要第三组分及更多的组分,可单独配置添加剂(如发泡剂等)专用泵、色浆专用泵、填料专用泵等。高压喷涂机所使用的计量泵一般是齿轮泵、环形活塞泵、多柱塞计量泵,多柱塞计量泵的最大工作压力可达30MPa,在高压喷涂机中,各计量泵的实际工作压力一般是4~15MPa。
(3)混合系统
因为混合是聚氨酯加工中非常重要的一道工序,混合头是反应物料汇集并混合溶解或均匀分散的地方,混合好的物料也由混合头注入模具成型,所以通常把混合头看成是机械的心脏,聚氨酯工艺的大量研究工作主要致力于混合技术的开发。
高压喷涂机的混合系统一般由混合头、混合头支架及运动机构、供料管道等若干部分组成。在高压混合系统中,具有高压势能的物料,在通过喷嘴进入混合头之后急速泄压,势能转换成动能,两组分物料的高速液流急速交汇,充分地分散、混合。根据料流交汇形式的不同,高压混合头主要可分为撞击式和平行流两种形式,其中大部分属于撞击式。由于对于模塑制品要求的日渐提高,高压喷涂设备的物料系统已由直接系统转化为循环系统。一般来说,高压混合头由物料转向元件、物料喷嘴、混合室、混合头清洗元件等若干部分组成。混合头物料转向元件通常是一个液压控制换向的柱塞,用以把物料从循环状态切换到混合状态,完成浇注后再切换回循环状态。在只有一个液压控制柱塞的混合头中,这个柱塞也兼具有混合头清洗元件的作用,在把料液切换成循环状态时,同时完成对混合室的自清洁。混合室是个反应物料汇集混合的地方,混合效果的好坏主要取决于物料在混合室中的分布及流动状态。各物料组分通常以逆流方式注入混合室,通过料流撞击以及在混合室内产生的湍流进行混合。
物料喷嘴是控制物料进入混合室并调节流速及分布状态的注孔装置,主要有柱形及锥形两种形式,一般来说,锥形喷嘴的分散及混合效果要高于柱形喷嘴。撞击混合是利用各组分高速进入混合室的冲击力进行的,在进入混合室的物料喷嘴出口处,物料的线速度需达到约150m/s,为此喷嘴注孔的尺寸要与注料量相匹配。混合室的容积都比较小,一般多在0.1~10cm3之间,减小混合室的容积,可缩短物料到喷嘴的距离,有利于改善和提高混合质量,在混合室的流道中设置节流块或改变物料的流向均可强化料流的扰动,提高混合效果,同时也有利于在混合头喷嘴出口处物料的平稳流出。混合室的清洗最初采用压缩空气,这比较适合于清洗小型的混合头,如混合室容积较大的就难以清洗干净。目前,大多数高压混合头都采用活塞清洗法,用一个配合精密的清洗杆,自浇注完成后,把剩余的物料从混合室及喷嘴中推出去,在由多个活塞控制的混合头中,这一过程是多个活塞互相配合动作的结果。
(4)控制系统
控制系统是发泡过程中各项工艺参数的测定、调整和保证系统,主要控制的工艺条件如下。
①物料温度主要是控制异氰酸酯和多元醇的温度。温度测量可以使用电阻、热电偶或其他各种类型的温度计。温度的控制则依靠冷却或加热介质(如低温水或热水)通过贮罐的盘管或夹套与物料进行热交换,或在物料管道中串接热交换器对物料实行加热或冷却来实现。
②各计量系统工作状况的监控(包括压力、流量的监控及调整)压力通过压力计现场显示,也可通过压力传感器测量,集中到控制盘或程序处理机。压力低于最低工作压力或超过最高工作压力时,一般都设有声、光报警及断流保护等装置。计量泵流量的校验,主要通过称重法标定泵在各种排料压力下的流量与定位游标或转速的相应关系,并用得到的相关曲线或通过计算机找到泵在所需流量时的定位游标位置或相应的转速。高压喷涂机通常使用柱塞计量泵,其流量的确定和调整主要是确定相应的定位游标位置由计算机控制的伺服机构或人工执行。流量可以使用高精度流量计检测。低黏度物料常使用涡轮流量计,高黏度物料常使用齿轮流量计。传感器得到的电倍号,经放大后输入数字显示器或过程控制计算机。由涡轮流量计或齿轮流量计测得的是体积流量。必须进行测量状态下的密度校正,才能得到相应的质量流量。这两类流量计在高压、低压系统中均适用。由混合头注入的空气,通常都使用微型玻璃转子流量计来指示及控制气量。
各组分的化学计量比例按质量份数计算。既然计量装置是以体积流量为基础的,因此为了正确加工,必须知道各化学品的密度。由于密度测量仪器是以物质对射线吸收作用为原理的,可以测定高压下的密度,计算质量比例,以及测量低压下的密度,以获得有关充气方面作用的数据。现代加工工艺的水平是采用闭环电路进行温度控制,尽管测量和限制设定其他参数只是为了发出警报。现代更先进的机械的特点是流量、压力和充气调节装置,构成闭环控制系统。这些装置和微信息处理机结合使用,会进一步改进加工工艺。