第三節 沖擊式混合頭

沖擊式混合頭是伴隨高活性原料快速反應鑄模成型-RIM(reaction injection moulding) 工藝而發展起來的混合元件。它具備以下優點：

（1）具有足夠流動壓力的各組分物料流，通過尺寸較小的噴嘴將物料在高速流動下噴出并相互撞擊，從而產生良好的混合效果。

（2）沖擊式混合裝置設計精密，沒有機械攪拌所產生的密封問題，同時它還具有自清潔功能，無需使用清洗溶劑。

（3）混合頭控制機構高效、精密，各組分物料進入混合頭的開啟、關閉的切換動作快捷，同步，超前、滯后的誤差極小，同時在切換時無壓力尖峰脈沖。

（4）適應范圍廣，使用壽命長。

一、沖擊式混合原理

和傳統機械式攪拌方式完全不同，沖擊式混合頭無需任何機械攪拌裝置，它是由具有能量的物料粒子以極高的流速通過噴嘴，使各組分物料微量相互碰撞，擺脫其相互連接的黏附力，并在慣性力的作用下使微粒的壓力能轉化為動能，在高速撞擊下重新組合（圖3-6），即發生化學反應。這種能量的轉換可以通過在混合頭中物料溫度上升的測量得到佐證（圖3-7）。使用適當的測溫裝備測出因能量轉換使物料混合后的溫度升高約7℃。

根據對混合頭設計大量的基礎研究得知，要想獲得良好的沖擊混合效果，混合物流體系的流動必須達到紊流狀態，并且其產生紊流的雷諾數Re必須大于臨界雷諾數Rc，同時指出：在Re＞Rc=50～200的紊流條件下，沖擊混合的效果最好。

根據實驗測定，不同噴嘴形狀、配置位置，混合頭會產生不同的雷諾數Re（圖3-8）。

在圖3-8（a）中，噴嘴為圓柱形，兩個噴嘴的入口精確地設在同一水平中心線上，測得的雷諾值Re＞100。該種噴嘴配置所需的臨界雷諾值Rc最低，變動范圍是50～100。噴嘴的尺寸設計，Re只要大于100即可獲得良好混合所需的紊流狀態。

在圖3-8（b）中，兩個噴嘴的斷面也為圓形，但噴嘴以向上傾斜方式設置，其中心線與混合室軸線相交呈一定角度，從俯視圖上看，兩個噴嘴的中心線是對齊的。這類混合頭的臨界雷諾數Rc最大，范圍是150～200，但在噴嘴設計時其雷諾值必須大于200才能達到要求的紊流狀態。

在圖3-8（c）中，兩個噴嘴的斷面為窄縫形狀，兩個噴嘴的入口雖然處在混合室的同一水平面上，但卻位于圓形混合室的對應的切線處，這樣兩組分進入混合室不能產生直接的相對沖擊混合，物料進入混合室后將產生漩渦式流動。這類形式的混合頭，其臨界雷諾數為150。

從以上3種噴嘴形式和配置方式比較可知，臨界雷諾值Rc最低的是圖3-8的（a）形，即兩個噴嘴呈圓柱形，并以對稱水平配置最好。因此，目前沖擊式混合頭的噴嘴基本為圓柱形或圓錐形，并以精確水平配置。根據基礎測定，圓錐形噴嘴的混合效果優于圓柱形噴嘴。圖3-9為高壓沖擊混合原理示意圖。

在給定的噴嘴尺寸、位置配置和操作條件下，計算物料的雷諾數Re，可以判斷混合狀態的優劣。相關計算如下。

1．混合頭噴嘴的流量

混合頭物料注射噴嘴通過能力Q(kg/s) 的設計按式（3-1）計算。

　（3-1）

式中，V為物料流速，m/s；α為噴嘴設計中的收縮系數（contrction factor）；A為噴嘴的截面積，m²；ρ為流體物料的密度，kg/m³。

噴嘴出口的平均流速V(m/s) 可根據伯努利（Bernoulli）方程求得。

　（3-2）

式中，β為摩擦系數；g為重力加速度（g=9.81m/s²）；Δp為噴嘴前后的壓力差（p₁?p₂，kgf/m²）。

將式（3-2）代入式（3-1），圓形噴嘴的流量為Q(m³/s)；

　（3-3）

式中，d為噴嘴直徑，m；k為噴嘴系數，k=α?β=0.7～0.8。

公式（3-3）是計算的基本方程，根據設計工藝條件，可由此推導出噴嘴直徑、噴嘴前后壓力差和噴嘴系數。通常圓柱形噴嘴系數k的近似值為0.7～0.8。

2．黏度

液體原料的黏度常測定其動力黏度u，一般以泊（P）或厘泊（cP）表示，其相互關系如下：

1cP=1×10^?2P=1mPa·s

另外，運動黏度v=u/ρ，單位為m²/s。式中ρ為密度，kg/m³。

運動黏度表述了在液體中剪切應力對剪切變形的比例。

3．雷諾數（Re）

雷諾數是無量綱數值，它表示一種流體的慣性力與黏性力之比。當雷諾數（Re）大于臨界雷諾值Rc時，流體的慣性力超過黏性力，流體呈紊流狀態。

當噴嘴孔為圓形時，其雷諾數可由下列公式表述：

將公式（3-3）代入上式，可得到Re的另一種表達方式：

為了使液體物料獲得良好的混合效果，混合體系的雷諾值必須超過臨界雷諾值達到紊流狀態。如圖3-8所示，在混合頭上不同形狀的噴嘴和位置配置的設計，所表現出的雷諾值是不一樣的。

兩種液體物料以高能量流速噴入混合室時，根據物料的黏度、密度、質量、運動速度等因素進行適當調整，若使噴出的兩股物料流的沖擊混合區正處于混合室的中心位置，其兩股物流的動能必須相等，動能平衡關系如下：

E_A=E_B

即　

E_A、E_B分別為兩股物流的動能；m_A、m_B分別為兩股物流的質量；V_A、V_B分別為兩股物流的速度。

物料進入混合室的動能大小會對主混合區的位置產生一定的影響，見圖3-10。

圖3-10（a）表示兩股液體物料進入混合室的動能相等，沖擊混合區正處于混合室的中心，混合效果良好。在圖3-10（b）中，進入混合室的B組分的動能大于A組分動能，使得沖擊混合區偏向混合室中心線的左側，混合效果較差。當出現這種情況時，就應該對噴嘴直徑、注射壓力、流量等在設計上或工藝上做適當調整，以確保物料達到良好的混合效果。

為確保混合頭具有優異的沖擊混合效率，在設計上通常采用圓錐形噴嘴，兩個物流的噴嘴位置配置在同一水平線的相等位置上，以便使進入混合頭的兩股物流的動能相等。如果需要添加第三組分（如色漿等助劑）時，其第三組分物料噴嘴的設計也必須與主料噴嘴處在同一水平面上或稍稍偏向主噴嘴上方。這是由于第三助劑組分通常加入量相對要小得多，一般需要更高的輸入能量，依靠流場創造的紊亂狀態使第三組分能有效地進入混合室，并獲得良好的混合效果（圖3-11）。

二、沖擊式混合頭的類型

混合頭是目前高壓發泡機的關鍵部件，各設備制造廠家都將它作為該設備的核心技術，且多列入專利保護范圍。隨著基礎研究的深入、設計理念的進化、制造工藝的進步以及生產產品多樣性的要求，混合頭的形式多種多樣，其基本類型大致有以下幾種。

作為著名聚氨酯機械制造商之一的Hennecke公司，是把沖擊混合技術應用于混合頭開發的公司之一。它使用發動機注射柴油用并帶有彈簧的噴嘴裝置，將其設置在混合室的相對處，當噴嘴打開時，兩種液體物料在壓力下相對噴出，沖擊混合，為提高混合效果及背壓，混合室內設置有內置物。混合操作完成后，利用溶劑和壓縮空氣清洗混合室（圖3-12）。這種混合頭除了噴嘴外，其他多表現出低壓機混合頭的特征，存在著殘存物料清洗等問題。

在初期高壓混合頭的開發中，除了研究沖擊混合理論和實施工藝技術外，尚存在殘存物料的清洗、物料注入、關閉的速度及同步性等。早期典型的高壓混合頭如圖3-13所示。

沖擊混合頭要想獲得良好的混合，兩個高壓液體物料流必須同時經過各自噴嘴，相向沖撞，這就要求兩個注射噴嘴必須同步打開，同步關閉。否則就會造成其中一個組分的超前或滯后。初期也曾采用被動的設計方法，即在混合頭和模具之間設置一個后混合室，并設有小的輔助腔室，用于捕集超前的、未混合好的物料（圖3-14）。雖然這是一種被動式設計，但在當時也能有效地保證產品的質量。為消除物料組分超前、滯后現象，也曾采用三通閥式的設計，如圖3-15所示。

德國Hennecke公司早期開發的ML型高壓機混合頭（圖3-16）就是使用傳統清潔方式的高壓沖擊式混合頭。

在該種混合頭兩側的相對位置上設有兩個物料注射裝置，利用液壓油控制其中的小活塞作前后運動，當小活塞后退時，兩組分物料從噴嘴中高壓噴出，物料在狹小的混合室中進行撞擊混合，經緩沖后進入輸出管流出；在兩側物料注射裝置的液壓油作用下，兩側的小活塞向內運動時，前端的錐體將噴嘴堵住，物料沿打開的回流口流回工作釜，進行循環。而混合室內殘留的物料仍然借鑒了低壓機使用壓縮空氣沖洗的原理和設計，使用精密的程序控制裝備，在物料完成沖擊混合，注射噴嘴關閉的同時，利用壓縮空氣提升混合頭上方活塞，并輸入0.1～0.15MPa的壓縮空氣吹洗混合頭。

這種混合頭重量相對較輕，可以根據不同生產條件要求調節輸出管的長度和直徑。這種混合頭常用于夾芯板材、管道保溫和其他硬泡制品的生產。早期的混合頭存在使用空氣吹洗設計和制造等缺陷。

在混合頭的研發中，自清潔柱塞的出現無疑是設計的一大飛躍。在圓柱形混合室的上方的同軸線上設有圓柱形自清潔柱塞，其外徑與混合室內徑緊密配合。在混合室兩側設有物料進出口，而在清潔柱塞兩側，與物流進出口相應位置上開有一對凹槽（圖3-17）。

在液壓油的作用下，清潔柱塞向下處于關閉狀態時，混合頭沒有混合區，兩個輸入的液體物料分別經過清潔柱塞兩側的凹槽返回進入循環管線；當需要進行混合注射時，液壓油驅動清潔柱塞向上移動，在柱塞前端，兩側物料噴嘴的圓筒處形成一個混合區，高壓物料經噴嘴噴出、沖擊、混合、吐出；注射完畢后，清潔柱塞在液壓控制下迅速向下移動關閉兩側物料進口，使物料經柱塞凹槽進入循環系統，同時將混合室中的殘留物料全部推出混合頭，完成自動自清洗功能。

該類混合頭結構簡單、緊湊，清潔柱塞的設計奠定了自清潔式混合頭的基礎。但是，清潔柱塞與混合室內徑的配合要求十分嚴密、精細，過緊柱塞運動困難，不僅能量消耗大，而且使用壽命短；配合間隙過大，會產生內漏，或造成兩個物料組分接觸、反應、固結，使清潔柱塞無法動作。為此，在設計和制造中必須提高柱塞和混合室的配合精度，提高制造材料的表面硬度。有的設計則在清潔柱塞的兩個凹槽之間增設附加溝槽，以減少兩組分因內漏產生反應粘接，但即使如此，當清潔柱塞前緣通過物料進口噴嘴的瞬間，也會使物料產生瞬間偏轉和壓力波動，影響物料混合質量。為此，對清潔柱塞沖程時間的要求一般都在0.05～0.1s之間。

為適應制造聚氨酯泡沫體有時需要添加少量空氣作為輔助發泡之用，在這類混合頭設計的基礎上，還設計出可注入空氣的混合頭（圖3-18）。

第三代高壓機混合頭的設計特點是將清潔柱塞的運動與物料進料噴嘴的開啟-閉合的兩個功能分開設計、制造，極大地提高了混合頭設計自由度，同時制造難度卻大幅度降低。在這類混合頭中，清潔柱塞和兩個物料噴嘴的開啟、閉合動作分別由精密的電子裝備控制、驅動。當注射時，清潔柱塞快速提起，同時物料進口錐形閥后移，噴嘴打開，高壓物料噴出混合。注射動作完成后，在電子裝備的精確控制下，驅動錐形閥快速關閉，清潔柱塞下移，將混合室中的殘留物料推出（圖3-19）。

為適應轉臺式載模器RIM工藝側位注射要求，Hennecke公司的MS型混合頭（圖3-20）就是這類混合頭的典型。其混合室與清潔柱塞同處在一個軸線上，物料直接噴射至混合室中心區后注射到模腔中，為避免高速物料進入模腔產生飛濺，在模具上，物料進入的流道上設計了一些減速、緩沖的措施，如流道折射、扁向等。根據所注射產品的重量、產量等工藝要求，這類混合頭的清潔柱塞直徑范圍在5～25mm左右，在特殊情況下其直徑可達3.5mm。

在聚氨酯應用領域日益擴大的情況下，隨著對高壓機沖擊混合頭認識的不斷深化、研究的不斷深入，許多聚氨酯專業設備制造公司相繼推出一些先進的混合頭，其中以混合室變徑、二次混合、物料流向偏轉、節流等最有代表性。

為提高混合效果，一些公司在混合頭的混合室上做了有益的、成功的探索。Hennecke公司設計的MQ型混合頭（圖3-21）將兩個或多個物料噴嘴注射器水平裝配在以清潔柱塞為軸線的混合室上，在狹小的物料沖擊混合區的下方設置了一個可左右調節的滑閥，可以使混合區下方出現一個變徑平臺，沖擊混合的物料經過突出平臺，改變了混合室出口管直徑，使物流變徑進入凹處，形成二次渦流，即產生二次混合效果，然后進入大口徑輸出管，這樣使得高能量的混合物流經過兩次偏轉，降低流速后流出。當混合程序完成后，滑閥在自動儀表控制下，由液壓驅動復位使混合室仍成為圓筒狀，清潔柱塞在液壓驅動下快速下移，將混合室中殘留物料推出，完成清潔動作。該混合頭可以設計成兩組分、四組分、六組分等多組分形式，側位注射器的切換速度極快，能在十分之幾秒中完成注射、關閉動作，適用于多組分物料的高壓沖擊混合（圖3-21）。

目前，新開發的L型混合頭代表了高壓機沖擊混合頭的流行趨勢。該類混合頭主要為兩組分或三組分物料沖擊混合設計。其可調節式的物料注射噴嘴，以傾斜方式裝配在橫向的小型柱塞體上。在注射體上開有精細溝槽，它可以控制物料是進入循環狀態還是進入混合狀態。在澆注準備狀態時，柱塞處在前位，柱塞上的溝槽與物料的進出口聯通，物料由可調式噴嘴進入，經由小柱塞體上的溝槽進入物料循環系統。在執行澆注指令時，小柱塞迅速后退，關閉物料循環系統，并在后退的小柱塞前端讓出一個體積很小的混合區，組分物料從可調式注射器噴嘴中噴出，進行高壓沖擊混合，混合物流直角90°轉向進入環形減壓室，并節流、減速進入輸出管吐出，而不會產生任何飛濺現象。縱向的輸出管不僅裝配有清潔柱塞，同時還裝配有可調節的節流套筒。當混合完成后，橫向小柱塞快速前推關閉物料進口，使物料進入循環系統，同時將小混合室中的物料推入縱向輸出管，然后經由縱向的清潔柱塞向下運動，將殘留物料全部推出輸出管。該混合頭把混合及循環動作集中在小的橫向柱塞體上，能實現小于0.5s的動作快速切換。可調式注射噴嘴可根據生產實際需要進行選配，操作和維修都比較方便；這種混合頭壓力損失和能量損耗小，通過精確的程序控制和精湛的制造工藝，橫向混合區和縱向輸出管的自清潔功能良好，雖然其混合室的體積只有MQ型混合室的三分之一，但混合效率高，注射重現性優良。在設計上還借鑒了MQ型混合頭節流、變徑的思路，在物料的橫向和縱向流道上設計了可調式滑動套筒，使物流變速提高了混合效率，并在物料流動的沖擊、折射、變徑、變速的過程中有效地減少了物料鑄模時的飛濺現象。這種由德國Hennecke公司率先推出的MX型混合頭（圖3-22）可廣泛用于冷熟化軟質泡沫，硬質、半硬質自結皮泡沫，吸能泡沫，填充泡沫的生產；同時，也適用于戊烷發泡體系。