CN102300689A

CN102300689A - 用于在复合材料的制造中控制质量的方法和设备

Info

Publication number: CN102300689A
Application number: CN2010800060642A
Authority: CN
Inventors: L·莱赫蒂宁; R·拉克索宁; P·佩尔托拉
Original assignee: UPM Kymmene Oy
Current assignee: UPM Kymmene Oy
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2011-12-28
Also published as: EP2391489A4; US20110278754A1; WO2010086509A1; FI20095082A7; FI20095082A0; EP2391489A1; FI20095082L

Abstract

本发明涉及用于在复合材料的制造中控制质量的方法和设备，该复合材料包含纤维基材料和聚合物基材料，其中制造包括由原料混合物形成附聚物的混合过程(1)。根据本发明，观测混合过程中的变量的组合，其中变量选自力矩、电流消耗、时间、声音、温度及其组合，并且基于得到的观测结果(6、7)控制混合过程以及形成的附聚物的质量。

Description

用于在复合材料的制造中控制质量的方法和设备

发明领域

本发明涉及如权利要求1的前序中所限定的方法，并且涉及权利要求13的前序中所限定的设备，所述方法和设备用于在复合材料的制造中控制质量。

发明背景

由现有技术已知的是将固体原料供给至制造过程和/或在实际处理之前将其预处理的不同方法和设备。在使用大量固体原料的过程中，观测原料的质量是有问题的。在大多数分析方法中，样品量如此小以至于不能得到原料实际质量的可靠信息。另外，在其制造期间观测中间产物的质量是有问题的。已知的是，仅通过确定完成的中间产物的性质得到中间产物的质量信息。

没有工业应用用于观测在复合材料的制造中使用的原料的质量和在预处理中形成的中间产物诸如附聚物(agglomerate)的质量。

关于固体原料尤其是回收型原料(recycling based raw stocks)使用的问题，是其不均匀性以及因此与复合材料产品的制造过程相关的大的质量变化。

由参考文件WO 2007056839已知的是由木质纤维素纤维、聚丙烯和马来酸化聚丙烯制造复合材料的方法。该制造方法包括机械预混合，其中预混合原料组合物一定时间，直到通过机械混合的剪切力达到期望的温度。该过程或产品性质没有基于温度的观测进行控制。

发明目标

本发明的目标是公开新型的且可靠的用于与复合材料制造相关监测和控制质量的方法和设备。

发明简述

根据本发明的方法和设备以在权利要求书中提供的内容为特征。

本发明基于用于在复合材料的制造中控制质量和尤其用于在复合材料的制造中监测质量的方法，该复合材料包括纤维基材料和聚合物基材料，其中制造包括混合过程，优选地作为预处理过程，以由原料混合物形成附聚物。根据本发明，观测混合过程中的变量的组合，其中变量选自力矩、电流消耗、时间、声音、温度及其不同组合，并且基于得到的观测结果例如操作员的测量或者观测结果控制混合过程以及形成的附聚物的质量，以提供具有良好质量的附聚物。

在一个实施方式中，测量力矩，以该力矩为基础，作为时间的函数，观测电流消耗，优选地以安培计。在一个实施方式中，测量温度，并且作为时间的函数观测温度变化。在一个实施方式中，基于操作员的听觉感知，观测声音。在一个实施方式中，观测作为时间函数的电流消耗和温度、以及声音。在一个实施方式中，作为温度的函数观测电流消耗。

在该文中，原料混合物指可以包含一种或者更多种原料或者一种或者更多种原料材料例如回收材料的混合物。另外，原料混合物可以包含添加剂、另外的材料和/或另外的塑料。原料指至少一种原料或者许多不同原料的混合物。原料可以是任何原料或者原料材料，其包括纤维基成分，例如木纤维、稻草、芦苇，或者亚麻基成分或者其他植物纤维基成分和/或聚合物基成分诸如塑料基成分。木纤维基材料可以是纸基材料。原料的纤维基材料可以包含木质材料和/或无木质材料，例如化学纸浆基纸或者纸纤维或者纯化学纸浆纤维。

在一个实施方式中，将至少一种原料供给至混合过程，优选地预处理原料并且形成附聚物。在本发明的一个实施方式中，主要地供给固体原料至混合过程。

在本发明的一个实施方式中，供给另外的材料、添加剂和/或另外的塑料至混合过程。另外的材料、添加剂和/或另外的塑料可以每一个单独(as a separate)供给或者全部作为组合进料供给至混合过程，或者在混合过程之前其可以与特定的原料进料组合。

优选地，复合材料的制造包括混合过程，其中优选地，将原料或者多种原料与任选的添加剂、另外的塑料和/或另外的材料混合成为均匀的原料混合物。在一个实施方式中，混合过程包括加热部件。在一个实施方式中，混合过程包括加热部件和冷却部件，这两个部件优选地位于原料流的运动方向，使得冷却部件在加热部件之后。

在一个优选的混合过程中，加热材料混合物，通常至大约200℃的温度，由此至少部分地熔化材料混合物包含的塑料以至于形成附聚物。加热之后，冷却混合物，优选地冷却至低于大约70℃的温度。混合过程优选地包括如整合在一个装置中的加热和冷却部件。在一个实施方式中，混合过程是热-冷混合过程。在一个实施方式中，通过传导热空气至加热部件将加热部件加热。

在本发明的一个实施方式中，在混合过程的加热部件中观测混合过程的变量。

在本发明的一个实施方式中，该方法用于监测原料混合物的质量。

在一个实施方式中，将回收材料作为至少一种原料供给至混合过程。在一个实施方式中，将粘性层压废料作为至少一种原料供给至混合过程。在一个优选的实施方式中，供给至混合过程的原料主要由粘性层压废料组成。在一个实施方式中，原料包含至少一种粘性层压废料成分。在一个实施方式中，原料包含超过一种的粘性层压废料成分。

在一个实施方式中，粘性层压废料包含粘合剂材料，在该粘合剂材料上提供胶层，并且适合在胶层上作为保护片的是剥离材料，该剥离材料在粘性物体的应用位置处可被容易地剥离。在一个优选的实施方式中，粘合剂材料和/或剥离材料包含木纤维基成分和/或塑料或者聚合物基成分或者其他有机成分。同样地，不同无机材料的使用是可能的。在一个实施方式中，粘合剂和/或剥离材料是木纤维基纸、纸板或类似物。在一个实施方式中，木纤维基纸、纸板或类似物包含塑料或者聚合物基材料，或者用塑料或者聚合物基材料进行处理。在一个实施方式中，粘合剂和/或剥离材料可以基本上由塑料或者聚合物基材料形成。在一个实施方式中，剥离材料主要由包含例如聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯或其混合物的塑料基材料形成。在一个实施方式中，剥离材料包含硅氧烷基成分，诸如硅化材料例如硅化膜材料。在一个实施方式中，用硅氧烷基材料或者化合物涂布剥离材料。

在一个实施方式中，完成的粘性层压产品，由其和/或其制造产生的废料材料可被用于复合材料的制造中。另外，来自生产的废料材料和来自粘性层压产品的升级步骤或者最终用途应用的回收材料可被使用。在一个实施方式中，粘性层压废料来自粘性层压件生产——该生产主要产生生产废弃废料(reject waste)、从卷切割的边缘修整废料和卷残料(rollends)；来自粘性层压件印刷工厂——该工厂主要产生卷残料和由冲切张贴物(stickers)和标签留下的粘合剂材料以及废弃废料；和/或来自粘性层压材料最终用户消费者，该消费者将印刷的张贴物和标签或者类似物粘贴在产品上。来自最终用户的废料主要是来自完成产品的剥离材料、卷残料和废料。

在一个实施方式中，粘性层压废料可以包含可变数量的不同的粘性层压废料成分，诸如粘合剂材料、胶和剥离材料。胶优选地可被提供在粘合剂材料和/或剥离材料中。

在一个实施方式中，特种回收纸，其不被通常的回收纸接受并且其也可包含胶，诸如不同的目录、电话簿或类似物，可被作为至少一种原料使用。

在一个实施方式中，优选地提供期望颗粒尺寸的原料，例如切成期望的颗粒尺寸。在一个实施方式中，原料的颗粒尺寸优选地在1和10mm之间。

该方法在监测和调节混合过程形成的附聚物的质量中使用。在优选的实施方式中，目标是在混合过程中提供尽可能均匀的附聚物。另一目标是在混合过程中提供大小尽可能相等的附聚物，其中颗粒尺寸优选地在1和20mm之间。在该情况中，附聚物颗粒均匀地流动，并且不发生分离，例如在运输期间。具体地在附聚物的制造期间控制附聚物的质量和混合过程。本发明的主要目标是一次形成有效组合物中良好质量的附聚物，用于适当的进一步应用。在该情况中，没有发生附聚物的不必要形成。附聚物质量的观测与待供给原料的质量控制同时进行。通过混合过程的过程变量，在混合过程中已经可观测对附聚物的质量起作用的因素，诸如原料的供给和组成、另外的材料和/或另外的塑料，由此可以足够早地得到关于调节该过程以形成具有期望性质的附聚物的指导(direction)信息。

如果在混合过程中太早或者太快地熔化塑料或者如果原料混合物包含不期望的成分，那么混合过程和进一步过程是有问题的。当太早或者太快地熔化塑料时，由混合过程的电流消耗可注意到该情况。在这种情况中，可知原料混合物包括不期望的成分。

在一个实施方式中，原料混合物的有问题的成分，即有问题的塑料是聚乙烯。聚乙烯可以与供给至混合过程的原料例如粘性层压废料混合，或者与供给的另外的塑料例如回收塑料混合。考虑待形成的复合材料，聚乙烯在相对低的温度下迅速熔化，并且具有弱的和不期望的质量性质。与例如PET或者聚丙烯相比，聚乙烯在更低的温度下熔化。

在一个实施方式中，有问题的塑料是聚丙烯，其通常仅大量时引起问题。

另外，如果原料混合物包含太大量的在处理温度熔化的塑料，那么复合材料原料的混合过程是有问题的。在这种情况中，对于混合，容易产生太大的附聚物。在混合过程中，探测太大的附聚物或者其太大的量，优选地随着声音升高听到，例如咔嗒声。

另外，太快的温度变化，例如温度升高，表明在原料中在处理温度下熔化的过多量的塑料和在处理温度下太快地熔化的塑料，例如聚乙烯。

在本发明的一个实施方式中，通过调节混合过程的控制参数，诸如原料、另外的材料、另外的塑料和/或添加剂的供给，或者其他合适的控制参数，控制混合过程以提供良好质量的附聚物。在一个实施方式中，通过调节待供给的原料、另外的材料和/或另外的塑料的量控制混合过程。在一个实施方式中，通过调节原料的供给控制混合过程。在一个实施方式中，通过选择待供给的原料控制混合过程。

在本发明的一个实施方式中，通过调节另外的材料至混合过程的供给控制混合过程，另外的材料选自纤维材料、有机填料、无机填料、粉状加固物(reinforceement)、粉状添加剂、滑石、木纤维、化学纸浆纤维、纸及其组合。在一个实施方式中，增加另外的材料的供给。在可选的实施方式中，减少另外的材料的供给。

在本发明的一个实施方式中，通过调节另外的塑料至混合过程的供给控制混合过程。在一个实施方式中，减少待供给的另外的塑料的量。在可选的实施方式中，增加待供给的另外的塑料的量。新的和/或回收的塑料可作为另外的塑料使用。可以使用或者不使用另外的塑料制造复合材料。在一个实施方式中，与例如作为另外的塑料的聚烯烃、聚丙烯、聚乙烯(HDPE、LDPE)或者其他合适的塑料或其混合物混合的粘性层压废料材料，被用作原料以制造木复合材料。

在本发明的一个实施方式中，通过停止至少一种原料的供给或者停止混合过程控制混合过程。如果通过观测过程变量探测到原料混合物或者附聚物的质量不适当，那么如果期望的话，可以停止混合过程。在一个实施方式中，可以引导废弃的原料至另一制造过程或者返回至复合材料的制造，例如作为另一原料的一部分。

在一个实施方式中，如果电流消耗和/或温度异常快地升高，那么根据情况，通过停止至少一种原料的供给、停止混合过程、增加另外的材料的供给和/或减少另外的塑料的任选供给，控制混合过程。

在一个实施方式中，如果从混合过程听到的声音变得更大或者咔嗒声升高，那么根据情况，通过停止至少一种原料的供给、停止混合过程、增加另外的材料的供给和/或减少另外的塑料的任选供给，控制混合过程。

在本发明的一个实施方式中，通过在混合过程中调节混合器的旋转速度控制混合过程。

在一个优选的实施方式中，在预处理过程诸如混合过程中，供给用于复合材料的至少部分的添加剂、另外的材料和/或另外的塑料至原料混合物。在一个实施方式中，在添加剂中，例如润滑剂、阻燃剂和助粘剂可被加至混合过程。

另外，本发明基于用于与复合材料的制造相关控制质量的设备，该复合材料包含纤维基材料和聚合物基材料。设备包括由原料混合物形成附聚物的混合装置，该原料混合物优选地主要由固体原料和固体的另外材料和/或另外的塑料组成。另外，该设备包括至少一个供给至少一种原料至混合装置的供给工具。根据本发明，该设备包括至少一个观测混合过程变量组合的观测工具，其中变量选自力矩、电流消耗、时间、声音、温度及其不同组合，和基于得到的观测结果控制混合过程和形成的附聚物的质量的控制单元。

在一个实施方式中，该设备包括加热部件和冷却部件。

在一个实施方式中，观测工具基本上设置在加热部件内。在一个实施方式中，观测工具是测量传感器。

在本发明的一个实施方式中，该设备包括至少一个主要地将固体原料供给至混合装置的供给工具。

在本发明的一个实施方式中，该设备包括至少一个将添加剂、另外的材料和/或另外的塑料供给至混合装置的供给工具。

在一个实施方式中，也可使用手动控制工具诸如不同的可手动调节的调节工具作为控制单元。

在本发明的一个实施方式中，控制单元包括接收来自至少一个观测工具的信号的接收工具；形成控制信号并且发出警报的计算工具，和传输在计算工具中形成的控制信号的控制信号传输工具。

在本发明的一个实施方式中，控制单元被布置来调节原料、另外的材料、另外的塑料和/或添加剂的供给。

在本发明的一个实施方式中，控制单元被布置来停止混合过程。在一个实施方式中，控制单元被布置来调节混合装置中的混合器的旋转速度。

在一个实施方式中，该设备包括用于从过程除去废弃原料的工具。

与现有技术相比，根据本发明的方法和设备提供相当多的优势。

由于本发明，提供了用于监测原料混合物的质量以及过程中形成的附聚物的质量的质量控制手段。由于本发明，与现有技术的分析方法相比，得到原料质量的真实信息。另外，由于本发明，可以以可靠的方式观测提供的附聚物的质量。另外，可以观测并调节混合过程，或者如果原料混合物和形成的附聚物的质量不适当，那么通过根据本发明的方法可以停止混合过程。

通过本发明，实现了在混合过程期间监测和控制质量的可工业应用的、容易的、快速的和有用的方式。

附图简述

图1以简化的示意图提供根据本发明的一种设备，和

图2提供根据本发明一种应用的作为温度函数的电流消耗。

发明详述

在下列部分中，参考附图1和2，更加详细地描述本发明。

图1以简化的示意图提供在复合材料的制造中使用的一种混合装置。混合装置是所谓的热-冷混合装置(1)，其包括加热部件(2)和冷却部件(3)。包含纸基材料和塑料基材料的切碎的粘性层压废料作为原料(5)通过原料供给工具(5a)被供给至混合装置的加热部件(2)，并且通过设置在加热部件内并装配有混合发动机(15)的混合器(12)搅拌。安装在混合装置的加热部件(2)内的是温度传感器(6)，以及安装在混合发动机(15)内的是传感器(7)，其测量与发动机的力矩和/或电流消耗相关的变量。通过听音，观测混合装置产生的声音，并且可以测量用于混合的时间。混合器也被安装在混合装置的冷却部件(3)内，但是为清楚的目的未在图中示出。

也连接至混合装置(1)的是监测和控制质量的控制单元(4)。控制单元包含接收来自传感器的信号(13)的接收工具(9)，形成控制信号的计算工具(11)，和传输在控制单元中形成的控制信号(14)的控制信号传输工具(10)。计算工具(11)包含处理来自传感器的信号的算法，以形成控制信号并且基于提供的控制信号发出警报。

另外，混合装置包括工具(8a)，其用于供给另外的塑料、另外的材料和添加剂(8)至具有原料(5)的混合装置。在图中，通过参考数字8表示所有这些上述的成分。在供给至混合装置之前，另外的塑料、另外的材料和添加剂(8)也可被供给至原料(5)以形成原料混合物，在图中用虚线箭头表明该可选方案。

控制单元(4)被布置来基于来自传感器的变量和信号(13)，通过传输控制信号(14)至原料供给工具(5a)以及另外的材料、另外的塑料和添加剂供给工具(8a)，调节原料(5)以及另外的材料、另外的塑料和添加剂(8)的供给。

当装置运转时，观测混合装置的至少一个变量，诸如力矩、电流消耗、加热部件(2)的温度、时间和声音。

根据本发明的设备——其中待观测的变量包括温度和电流消耗——以下列方式运行：

设置在混合装置中的传感器基本上连续地测量该过程。控制单元的计算单元观测作为时间函数的力矩、电流消耗和/或加热部件的温度。另外，控制单元观测总的处理时间。在设定值的过程变量曲线被储存在计算单元中，并且通过计算单元与作为测量和/或计算的结果得到的值比较。例如，如果控制单元探测到温度升高非常快并且其显著与该过程步骤中的正常温度升高曲线偏离，那么控制单元传输过程停止命令并且发出警报。偏离温度曲线的原因通常是原料混合物包含太多熔化太快的聚乙烯。结果，使用的原料混合物被废弃并且被进一步调整。可选地，可以改变原料、另外的材料和/或另外的塑料的供给比例。

如果混合过程的控制单元探测到混合器发动机上的载荷突然增加，那么控制单元给混合器发动机控制命令以降低旋转速度。

可被观测的一个变量是从混合过程听到的声音。如果其升高比通常更大声或者变为咔嗒声，那么操作员停止混合过程。咔嗒声的原因通常是过程中已形成与目标尺寸相比太大的附聚物。附聚物的目标尺寸优选地在1和5mm之间。过大附聚物的生产最通常是由于以下事实：原料混合物相对于其他不熔化的材料包含太多的塑料。塑料产生太大的附聚物，因为其在处理温度下熔化。包含太大的附聚物的原料混合物可以被废弃或者调整——例如通过向原料混合物加入滑石，在该情况中可以减小塑料的比例。代替滑石，例如可以使用其他纤维材料。可选地，通过减少任选供给的另外的塑料的量，也可以调节混合过程，在该情况中也可减小塑料的比例。

实施例1

在该测试中，考察通过根据图1的混合设备附聚物的形成和提供的附聚物的质量。

通过观测过程变量和基于由过程变量得到的观测结果调节混合过程的控制参数，即原料、另外的材料和另外的塑料的供给以及混合器的旋转速度，控制附聚物的质量。待观测的过程变量包括温度和电流消耗。如果必要，可以中断原料、另外的材料和/或另外的塑料的供给。

图2提供在测试中测量的电流消耗，作为温度的函数。得到的过程变量曲线与已知的形成良好质量的附聚物的过程变量曲线比较。基于该比较，调节控制参数至正确的方向以提供具有良好质量的附聚物。以该方式，可以控制原料混合物的组成和形成的附聚物的质量。

图2示出当电流消耗上升太高时，附聚物的尺寸已增长太多，这引起管道系统的堵塞——例如在混合装置之后附聚物的进一步应用中。这样导致原料混合有太多的塑料或者混合有错误类型的塑料的结论。为纠正该问题，可以降低待加入的新的另外塑料的量或者可以减小批量大小。如果电流消耗不升得足够高，那么附聚物尺寸太小，这样妨碍附聚物的进一步应用中的操作。为了纠正，可以升高待加入的新的另外塑料的量或者增加批量大小。在最佳的混合中，附聚物尺寸完全相等并且容易在混合装置中移动。当变量曲线接近最佳曲线时，发现材料比例是正确的。在这种情况中，原料混合物在混合过程中运行良好，并且制备的附聚物产品具有良好质量。

在测试中发现，根据本发明的方法和设备尤其适当地适合用于监测原料混合物和附聚物的质量。该方法容易使用，并且实时地得到结果。

根据本发明的方法和设备适合于不同实施方式，所述实施方式用于与复合材料的制造相关的大多数不同的原料混合物和附聚物的质量控制。

本发明不仅限于上述提及的实施例；而是，在权利要求所限定的本发明思想的范围内许多变型是可能的。

Claims

1.用于在复合材料的制造中控制质量的方法，所述复合材料包含纤维基材料和聚合物基材料，其中所述制造包括由原料混合物形成附聚物的混合过程，其特征在于观测所述混合过程中的变量的组合，其中所述变量选自力矩、电流消耗、时间、声音、温度及其组合，并且基于得到的观测结果控制所述混合过程和形成的所述附聚物的质量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法用于监测原料混合物的质量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于将主要地固体原料供给至所述混合过程。

4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于将另外的材料、添加剂和/或另外的塑料供给至所述混合过程。

5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于将粘性层压废料供给至所述混合过程。

6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于通过调节原料的供给，控制所述混合过程。

7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于通过调节另外的材料的供给，控制所述混合过程。

8.根据权利要求1至7任一项所述的方法，其特征在于通过调节另外的塑料的供给，控制所述混合过程。

9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于通过停止至少一种原料的供给，控制所述混合过程。

10.根据权利要求1至9任一项所述的方法，其特征在于通过停止所述混合过程，控制所述混合过程。

11.根据权利要求1至10任一项所述的方法，其特征在于通过调节混合器的旋转速度，控制所述混合过程。

12.根据权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于在所述混合过程的加热部件中，观测所述混合过程的变量。

13.用于与复合材料的制造相关控制质量的设备，所述复合材料包含纤维基材料和聚合物基材料，其中所述设备包括由原料混合物形成附聚物的混合装置(1)，和至少一个供给至少一种原料(5)至所述混合装置的供给工具(5a)，其特征在于所述设备包括至少一个观测混合过程中的变量的组合的观测工具(6、7)，其中所述变量选自力矩、电流消耗、时间、声音、温度及其组合，和基于得到的观测结果控制所述混合过程和形成的所述附聚物的质量的控制单元(4)。

14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于所述设备包括至少一个将主要地固体原料(5)供给至所述混合装置(1)的供给工具(5a)。

15.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于所述设备包括至少一个将添加剂、另外的材料和/或另外的塑料(8)供给至所述混合装置(1)的供给工具(8a)。

16.根据权利要求13至15任一项所述的设备，其特征在于所述控制单元(4)包括接收来自至少一个观测工具的信号的接收工具(9)，形成控制信号并且发出警报的计算工具(11)，和传输在所述计算工具(11)中形成的所述控制信号的控制信号传输工具(10)。

17.根据权利要求13至16任一项所述的设备，其特征在于所述控制单元(4)被布置来调节原料(5)、另外的材料、另外的塑料和/或添加剂(8)的供给。

18.根据权利要求13至17任一项所述的设备，其特征在于所述控制单元(4)被布置来停止所述混合过程。

19.根据权利要求13至18任一项所述的设备，其特征在于所述控制单元(4)被布置来调节所述混合装置(1)中的混合器(12)的旋转速度。

20.根据权利要求13至19任一项所述的设备，其特征在于所述观测工具是测量传感器(6、7)。