第三节 冲击式混合头

冲击式混合头是伴随高活性原料快速反应铸模成型-RIM(reaction injection moulding) 工艺而发展起来的混合元件。它具备以下优点：

（1）具有足够流动压力的各组分物料流，通过尺寸较小的喷嘴将物料在高速流动下喷出并相互撞击，从而产生良好的混合效果。

（2）冲击式混合装置设计精密，没有机械搅拌所产生的密封问题，同时它还具有自清洁功能，无需使用清洗溶剂。

（3）混合头控制机构高效、精密，各组分物料进入混合头的开启、关闭的切换动作快捷，同步，超前、滞后的误差极小，同时在切换时无压力尖峰脉冲。

（4）适应范围广，使用寿命长。

一、冲击式混合原理

和传统机械式搅拌方式完全不同，冲击式混合头无需任何机械搅拌装置，它是由具有能量的物料粒子以极高的流速通过喷嘴，使各组分物料微量相互碰撞，摆脱其相互连接的黏附力，并在惯性力的作用下使微粒的压力能转化为动能，在高速撞击下重新组合（图3-6），即发生化学反应。这种能量的转换可以通过在混合头中物料温度上升的测量得到佐证（图3-7）。使用适当的测温装备测出因能量转换使物料混合后的温度升高约7℃。

根据对混合头设计大量的基础研究得知，要想获得良好的冲击混合效果，混合物流体系的流动必须达到紊流状态，并且其产生紊流的雷诺数Re必须大于临界雷诺数Rc，同时指出：在Re＞Rc=50～200的紊流条件下，冲击混合的效果最好。

根据实验测定，不同喷嘴形状、配置位置，混合头会产生不同的雷诺数Re（图3-8）。

在图3-8（a）中，喷嘴为圆柱形，两个喷嘴的入口精确地设在同一水平中心线上，测得的雷诺值Re＞100。该种喷嘴配置所需的临界雷诺值Rc最低，变动范围是50～100。喷嘴的尺寸设计，Re只要大于100即可获得良好混合所需的紊流状态。

在图3-8（b）中，两个喷嘴的断面也为圆形，但喷嘴以向上倾斜方式设置，其中心线与混合室轴线相交呈一定角度，从俯视图上看，两个喷嘴的中心线是对齐的。这类混合头的临界雷诺数Rc最大，范围是150～200，但在喷嘴设计时其雷诺值必须大于200才能达到要求的紊流状态。

在图3-8（c）中，两个喷嘴的断面为窄缝形状，两个喷嘴的入口虽然处在混合室的同一水平面上，但却位于圆形混合室的对应的切线处，这样两组分进入混合室不能产生直接的相对冲击混合，物料进入混合室后将产生漩涡式流动。这类形式的混合头，其临界雷诺数为150。

从以上3种喷嘴形式和配置方式比较可知，临界雷诺值Rc最低的是图3-8的（a）形，即两个喷嘴呈圆柱形，并以对称水平配置最好。因此，目前冲击式混合头的喷嘴基本为圆柱形或圆锥形，并以精确水平配置。根据基础测定，圆锥形喷嘴的混合效果优于圆柱形喷嘴。图3-9为高压冲击混合原理示意图。

在给定的喷嘴尺寸、位置配置和操作条件下，计算物料的雷诺数Re，可以判断混合状态的优劣。相关计算如下。

1．混合头喷嘴的流量

混合头物料注射喷嘴通过能力Q(kg/s) 的设计按式（3-1）计算。

　（3-1）

式中，V为物料流速，m/s；α为喷嘴设计中的收缩系数（contrction factor）；A为喷嘴的截面积，m²；ρ为流体物料的密度，kg/m³。

喷嘴出口的平均流速V(m/s) 可根据伯努利（Bernoulli）方程求得。

　（3-2）

式中，β为摩擦系数；g为重力加速度（g=9.81m/s²）；Δp为喷嘴前后的压力差（p₁?p₂，kgf/m²）。

将式（3-2）代入式（3-1），圆形喷嘴的流量为Q(m³/s)；

　（3-3）

式中，d为喷嘴直径，m；k为喷嘴系数，k=α?β=0.7～0.8。

公式（3-3）是计算的基本方程，根据设计工艺条件，可由此推导出喷嘴直径、喷嘴前后压力差和喷嘴系数。通常圆柱形喷嘴系数k的近似值为0.7～0.8。

2．黏度

液体原料的黏度常测定其动力黏度u，一般以泊（P）或厘泊（cP）表示，其相互关系如下：

1cP=1×10^?2P=1mPa·s

另外，运动黏度v=u/ρ，单位为m²/s。式中ρ为密度，kg/m³。

运动黏度表述了在液体中剪切应力对剪切变形的比例。

3．雷诺数（Re）

雷诺数是无量纲数值，它表示一种流体的惯性力与黏性力之比。当雷诺数（Re）大于临界雷诺值Rc时，流体的惯性力超过黏性力，流体呈紊流状态。

当喷嘴孔为圆形时，其雷诺数可由下列公式表述：

将公式（3-3）代入上式，可得到Re的另一种表达方式：

为了使液体物料获得良好的混合效果，混合体系的雷诺值必须超过临界雷诺值达到紊流状态。如图3-8所示，在混合头上不同形状的喷嘴和位置配置的设计，所表现出的雷诺值是不一样的。

两种液体物料以高能量流速喷入混合室时，根据物料的黏度、密度、质量、运动速度等因素进行适当调整，若使喷出的两股物料流的冲击混合区正处于混合室的中心位置，其两股物流的动能必须相等，动能平衡关系如下：

E_A=E_B

即　

E_A、E_B分别为两股物流的动能；m_A、m_B分别为两股物流的质量；V_A、V_B分别为两股物流的速度。

物料进入混合室的动能大小会对主混合区的位置产生一定的影响，见图3-10。

图3-10（a）表示两股液体物料进入混合室的动能相等，冲击混合区正处于混合室的中心，混合效果良好。在图3-10（b）中，进入混合室的B组分的动能大于A组分动能，使得冲击混合区偏向混合室中心线的左侧，混合效果较差。当出现这种情况时，就应该对喷嘴直径、注射压力、流量等在设计上或工艺上做适当调整，以确保物料达到良好的混合效果。

为确保混合头具有优异的冲击混合效率，在设计上通常采用圆锥形喷嘴，两个物流的喷嘴位置配置在同一水平线的相等位置上，以便使进入混合头的两股物流的动能相等。如果需要添加第三组分（如色浆等助剂）时，其第三组分物料喷嘴的设计也必须与主料喷嘴处在同一水平面上或稍稍偏向主喷嘴上方。这是由于第三助剂组分通常加入量相对要小得多，一般需要更高的输入能量，依靠流场创造的紊乱状态使第三组分能有效地进入混合室，并获得良好的混合效果（图3-11）。

二、冲击式混合头的类型

混合头是目前高压发泡机的关键部件，各设备制造厂家都将它作为该设备的核心技术，且多列入专利保护范围。随着基础研究的深入、设计理念的进化、制造工艺的进步以及生产产品多样性的要求，混合头的形式多种多样，其基本类型大致有以下几种。

作为著名聚氨酯机械制造商之一的Hennecke公司，是把冲击混合技术应用于混合头开发的公司之一。它使用发动机注射柴油用并带有弹簧的喷嘴装置，将其设置在混合室的相对处，当喷嘴打开时，两种液体物料在压力下相对喷出，冲击混合，为提高混合效果及背压，混合室内设置有内置物。混合操作完成后，利用溶剂和压缩空气清洗混合室（图3-12）。这种混合头除了喷嘴外，其他多表现出低压机混合头的特征，存在着残存物料清洗等问题。

在初期高压混合头的开发中，除了研究冲击混合理论和实施工艺技术外，尚存在残存物料的清洗、物料注入、关闭的速度及同步性等。早期典型的高压混合头如图3-13所示。

冲击混合头要想获得良好的混合，两个高压液体物料流必须同时经过各自喷嘴，相向冲撞，这就要求两个注射喷嘴必须同步打开，同步关闭。否则就会造成其中一个组分的超前或滞后。初期也曾采用被动的设计方法，即在混合头和模具之间设置一个后混合室，并设有小的辅助腔室，用于捕集超前的、未混合好的物料（图3-14）。虽然这是一种被动式设计，但在当时也能有效地保证产品的质量。为消除物料组分超前、滞后现象，也曾采用三通阀式的设计，如图3-15所示。

德国Hennecke公司早期开发的ML型高压机混合头（图3-16）就是使用传统清洁方式的高压冲击式混合头。

在该种混合头两侧的相对位置上设有两个物料注射装置，利用液压油控制其中的小活塞作前后运动，当小活塞后退时，两组分物料从喷嘴中高压喷出，物料在狭小的混合室中进行撞击混合，经缓冲后进入输出管流出；在两侧物料注射装置的液压油作用下，两侧的小活塞向内运动时，前端的锥体将喷嘴堵住，物料沿打开的回流口流回工作釜，进行循环。而混合室内残留的物料仍然借鉴了低压机使用压缩空气冲洗的原理和设计，使用精密的程序控制装备，在物料完成冲击混合，注射喷嘴关闭的同时，利用压缩空气提升混合头上方活塞，并输入0.1～0.15MPa的压缩空气吹洗混合头。

这种混合头重量相对较轻，可以根据不同生产条件要求调节输出管的长度和直径。这种混合头常用于夹芯板材、管道保温和其他硬泡制品的生产。早期的混合头存在使用空气吹洗设计和制造等缺陷。

在混合头的研发中，自清洁柱塞的出现无疑是设计的一大飞跃。在圆柱形混合室的上方的同轴线上设有圆柱形自清洁柱塞，其外径与混合室内径紧密配合。在混合室两侧设有物料进出口，而在清洁柱塞两侧，与物流进出口相应位置上开有一对凹槽（图3-17）。

在液压油的作用下，清洁柱塞向下处于关闭状态时，混合头没有混合区，两个输入的液体物料分别经过清洁柱塞两侧的凹槽返回进入循环管线；当需要进行混合注射时，液压油驱动清洁柱塞向上移动，在柱塞前端，两侧物料喷嘴的圆筒处形成一个混合区，高压物料经喷嘴喷出、冲击、混合、吐出；注射完毕后，清洁柱塞在液压控制下迅速向下移动关闭两侧物料进口，使物料经柱塞凹槽进入循环系统，同时将混合室中的残留物料全部推出混合头，完成自动自清洗功能。

该类混合头结构简单、紧凑，清洁柱塞的设计奠定了自清洁式混合头的基础。但是，清洁柱塞与混合室内径的配合要求十分严密、精细，过紧柱塞运动困难，不仅能量消耗大，而且使用寿命短；配合间隙过大，会产生内漏，或造成两个物料组分接触、反应、固结，使清洁柱塞无法动作。为此，在设计和制造中必须提高柱塞和混合室的配合精度，提高制造材料的表面硬度。有的设计则在清洁柱塞的两个凹槽之间增设附加沟槽，以减少两组分因内漏产生反应粘接，但即使如此，当清洁柱塞前缘通过物料进口喷嘴的瞬间，也会使物料产生瞬间偏转和压力波动，影响物料混合质量。为此，对清洁柱塞冲程时间的要求一般都在0.05～0.1s之间。

为适应制造聚氨酯泡沫体有时需要添加少量空气作为辅助发泡之用，在这类混合头设计的基础上，还设计出可注入空气的混合头（图3-18）。

第三代高压机混合头的设计特点是将清洁柱塞的运动与物料进料喷嘴的开启-闭合的两个功能分开设计、制造，极大地提高了混合头设计自由度，同时制造难度却大幅度降低。在这类混合头中，清洁柱塞和两个物料喷嘴的开启、闭合动作分别由精密的电子装备控制、驱动。当注射时，清洁柱塞快速提起，同时物料进口锥形阀后移，喷嘴打开，高压物料喷出混合。注射动作完成后，在电子装备的精确控制下，驱动锥形阀快速关闭，清洁柱塞下移，将混合室中的残留物料推出（图3-19）。

为适应转台式载模器RIM工艺侧位注射要求，Hennecke公司的MS型混合头（图3-20）就是这类混合头的典型。其混合室与清洁柱塞同处在一个轴线上，物料直接喷射至混合室中心区后注射到模腔中，为避免高速物料进入模腔产生飞溅，在模具上，物料进入的流道上设计了一些减速、缓冲的措施，如流道折射、扁向等。根据所注射产品的重量、产量等工艺要求，这类混合头的清洁柱塞直径范围在5～25mm左右，在特殊情况下其直径可达3.5mm。

在聚氨酯应用领域日益扩大的情况下，随着对高压机冲击混合头认识的不断深化、研究的不断深入，许多聚氨酯专业设备制造公司相继推出一些先进的混合头，其中以混合室变径、二次混合、物料流向偏转、节流等最有代表性。

为提高混合效果，一些公司在混合头的混合室上做了有益的、成功的探索。Hennecke公司设计的MQ型混合头（图3-21）将两个或多个物料喷嘴注射器水平装配在以清洁柱塞为轴线的混合室上，在狭小的物料冲击混合区的下方设置了一个可左右调节的滑阀，可以使混合区下方出现一个变径平台，冲击混合的物料经过突出平台，改变了混合室出口管直径，使物流变径进入凹处，形成二次涡流，即产生二次混合效果，然后进入大口径输出管，这样使得高能量的混合物流经过两次偏转，降低流速后流出。当混合程序完成后，滑阀在自动仪表控制下，由液压驱动复位使混合室仍成为圆筒状，清洁柱塞在液压驱动下快速下移，将混合室中残留物料推出，完成清洁动作。该混合头可以设计成两组分、四组分、六组分等多组分形式，侧位注射器的切换速度极快，能在十分之几秒中完成注射、关闭动作，适用于多组分物料的高压冲击混合（图3-21）。

目前，新开发的L型混合头代表了高压机冲击混合头的流行趋势。该类混合头主要为两组分或三组分物料冲击混合设计。其可调节式的物料注射喷嘴，以倾斜方式装配在横向的小型柱塞体上。在注射体上开有精细沟槽，它可以控制物料是进入循环状态还是进入混合状态。在浇注准备状态时，柱塞处在前位，柱塞上的沟槽与物料的进出口联通，物料由可调式喷嘴进入，经由小柱塞体上的沟槽进入物料循环系统。在执行浇注指令时，小柱塞迅速后退，关闭物料循环系统，并在后退的小柱塞前端让出一个体积很小的混合区，组分物料从可调式注射器喷嘴中喷出，进行高压冲击混合，混合物流直角90°转向进入环形减压室，并节流、减速进入输出管吐出，而不会产生任何飞溅现象。纵向的输出管不仅装配有清洁柱塞，同时还装配有可调节的节流套筒。当混合完成后，横向小柱塞快速前推关闭物料进口，使物料进入循环系统，同时将小混合室中的物料推入纵向输出管，然后经由纵向的清洁柱塞向下运动，将残留物料全部推出输出管。该混合头把混合及循环动作集中在小的横向柱塞体上，能实现小于0.5s的动作快速切换。可调式注射喷嘴可根据生产实际需要进行选配，操作和维修都比较方便；这种混合头压力损失和能量损耗小，通过精确的程序控制和精湛的制造工艺，横向混合区和纵向输出管的自清洁功能良好，虽然其混合室的体积只有MQ型混合室的三分之一，但混合效率高，注射重现性优良。在设计上还借鉴了MQ型混合头节流、变径的思路，在物料的横向和纵向流道上设计了可调式滑动套筒，使物流变速提高了混合效率，并在物料流动的冲击、折射、变径、变速的过程中有效地减少了物料铸模时的飞溅现象。这种由德国Hennecke公司率先推出的MX型混合头（图3-22）可广泛用于冷熟化软质泡沫，硬质、半硬质自结皮泡沫，吸能泡沫，填充泡沫的生产；同时，也适用于戊烷发泡体系。