正确使用双螺杆挤出机作反应性加工

正确使用双螺杆挤出机作反应性加工

臧水亮　编译

技术与设备和谐配合,发挥出最佳的效益,这是开发者和设计师所追求的目标。但是,事实上,诸多因素都是在应用过程中才会遇到的,因而使用者的发现和感知就显得十分重要。本文专此述要。

反应性挤出原是一种研制试验性材料的专门技术,仅几年时间,便发展成为制造普通聚合物体系(如聚氨酯)以及这些体系改性(如接枝)的首选生产技术。挤出设备设计的复杂性也随之大大增加。采用反应性挤出技术可以在主要设备中某一单机 元上生产多种产品,这一点对研发生产厂商和财团尤具吸引力。但是,有些要素,应该引起研发者、设计者和使用者的注意。

1　技术要求和机械设计

反应性挤出加工对机械设备有一些特别的要求,一部分必要条件如下:

111　窄的停留时间分布

反应性挤出加工中,通常采用提高温度和增加引发剂的方法来获得所需的状态变化和选择能力。宽的停留时间分布将使产品受热时间过长和有降解的后果。在接枝反应过程中,由于单体聚集在聚合物主链上,故选择能力急剧下降。

112　强制输送

单体和助剂这类稀液体和必须同粘性基质聚合物一起有效地输送到混合 反应区间,物料中液体含量可高达50%,像石英玻璃(熔融硅石)这种低密度填充料也必须强制输送。113　多段挤压加工区

在该区,反应性挤出通常需要3～4个独立的进料段来进行反应和 或排气。挤出机内的这些进料段间必须具有密封,能够承受几百PSig。料筒长度内每根螺杆直径上动态产生的压力降可达到500PSig。

114　单位体积的高扭矩

对许多反应挤出加工的停留时间要求机器在最低的螺杆转速运转和有最大的填充量,挤出机必须产生能满足熔融和混合物料的动力。假如挤出机的扭矩太低,某些加工将不得不采用高的螺杆转速来输送功率。这将提高物料温度、增加停留时间分布曲线的宽度。

115　有效排气

包括产品质量(据FDA)和一般产品处理的发展趋势(据O SHA和DO T)是限制产品中残留的单体和催化剂的含量。为了适应某些物料严格的生产技术条件要求,可能要求采用多级真空段水喷射技术。

同向旋转完全啮合的双螺杆挤出机具有以下特性:机器的输送部件是纵向开放,横向封闭的,这使机器具有窄的停留时间的特性。螺纹的顶部位置可擦净相邻螺纹根部的位置,使物料有自洁的机械性能(图1)。为了加强自洁性能,两根螺杆之间的间隙为

新材料新技术新产品新应用 国外塑料　1999年第17卷第4期

015～210mm ,螺杆元件与机筒内壁的间隙

为011～110mm ,这些间隙与挤出机直径成比例关系。ZSK 型双螺杆挤出机可按三头、二头、高自由空间两头设计(超化合物体系)。在ZSK 系列产品中,高自由空间两头设计不仅为螺杆提供最大的自由空间而且在单位体积上有最高的扭矩

。

图1　螺杆和捏合元件自洁断面图

有两种基本的螺杆元件结构类型。输送元件有不同的螺距,以便在固定的螺杆转速下,能够改变加料量和停留时间。反螺纹(即左螺旋元件)用来限制物料流动,并增大填充量包括100%的逆向料流。如果把反螺旋元件放在混合部件之后,则总的剪切输入量将增加;如果把反螺旋元件放在正向输送元件之后,则产生相对低的剪切密封。这有利于各段间密封进行多级真空排气加工。 混合和扩散可以借助捏合段完成,输送部件上连续变化的螺旋图形在捏合段上间断交错排列。由于保持有啮合曲线,混合元件也呈自洁型,捏合段可制作成不同的宽度和向前、向后或既不向前也不向后的交错角度。螺杆上的元件组合可得到所希望的停留时间分布和剪切曲线(图2)。

116　螺杆元件设计要求的特殊性和特殊功

能

单头螺纹元件用于输送光滑的(含氟聚合物粉料)和低堆积密度的物料(发烟硅石)。它们也能减少螺杆挤压部件的支承长度。这些元件的螺顶大约是宽间距输送元件的5倍左右,这使反向流过螺顶的漏流降至最低,并使元件的输送效能提高,这种元件

像标准的双头和三头件一样,具有自洁能力。

图2　各种反应系统的滞留时间分布和曲线图

螺旋混合元件在需要低剪切混合时使用,元件上的缺口降低了输送料效率,因此,需增加压力区的反向混合和填充率。 偏心的三头啮合段,当要求非常有规律的剪切与时间关系时,用偏心三头捏合段,这些捏合段比标准的两头捏合段有更低的压力降,这引起在机筒与捏合段在较高剪切区间看到有更高的流动率。由于机械设计的限制,三头中只有一头可以完全自洁,而其它的两头有正常间隙的3～5倍。

涡轮混合元件可达到高度分散的混合,每个元件有10～25个齿口,可迅速分出流径,这些元件可制成向前、中间或向后的输

W o rld P lastics 17(1999)4 新材料新技术新产品新应用

送方向,在外观上这些元件类似于搅拌器的叶轮。

同向旋转,完全相互啮合的双螺杆挤出机用于反应性挤出已经20多年了,早期的反应产物是过氧化物,降低粘度的聚丙烯和马来酸酐改性聚烯烃等类的简单产品。这些材料中,液体通常只占全部加料量的几百个PPm到百分之几,故不完全的混合和波动不是一个问题。反应一般需要不超过30秒的停留时间,所以适当的生产能力是容易达到的。剩余单体由一单独的真空口排出,从那时起,已开发出更困难的加工用在双螺杆挤出机中。高分子聚合物被接枝到像丁苯像胶(SBR)和EPDM的弹性聚合物上,使用链间共聚物制成相容的但不同类型的聚合物体系。采用单一的ZSK挤出机,可广泛实现聚氨酯类材料的反应,稳定、填充和造粒等操作。

2　温度敏感添加剂的加工

在间歇式加工设备中,温度对聚合物交联添加剂的限制使过程条件更加苛刻。一般情况下,在加入敏感组份之前,必须把反应混合物冷却至临界温度以下,在反应性挤出中,冷却是通过机筒壁的热交换来完成的。如有必要也可通过螺杆表面进行。完全啮合并同向旋转的双螺杆挤出机通过接连物料层具有自清理作用,同时增强了热交换。螺杆结构的设计是为了充分利用其表面积以获得较高度的压料量,足够的停留时间(挤出机L D),在热敏感组分加入之前并能够提供降低熔体温度。在关键地方,安置热电偶以测定熔体温度。

挤出机的初步能量平衡在确定机筒加热和冷却的分布,关键是维持反应面中的作用,如果热传递过程不良,整个生产设备也是不佳。

在实验型挤出机上,试验过程需要相当量的加热或冷却,那么该对能量平衡进行严

格的测试。当然,随着机器尺寸的增大,单位机器体积的传热面积将减小。努力寻找一个不受传热面积控制的方法及过程是极重要的,如果一个过程受挤出机表面积的控制,则按比例地放大成一个较大机器就会变得进退两难。有两种方法可以解决此问题,但每一种都非直接来解决:

(1)以实验型挤出机螺杆转速来运转生产型挤出机以保持同样的剪切速率,这将造成较低的填充率,停留时间将增加,停留时间分布变宽。甚至由于低填充率,平均剪切速率不能与实验型挤出机相比。较低程度的填充率,使得通道顶部变成空的,从而降低了有效传热面积。

(2)以较低的螺杆速度运转生产型挤出机,保持相同的填充率,这要使螺杆速度(即剪切速度)降低至少20%,平均停留时间将增加。改变螺杆设计可以修正停留时间和剪切问题,这需要有一个在生产型机器上试验。

这些问题中最主要的是,一个热传递不足的加工比一个容积不足的加工每磅产品的成本要高。幸运的是,在ZSK型挤出机上传热问题是很难碰到的。后加工可以得到400～500Kcal m2・h r・℃的传热系数,通过改变螺杆结构的设计来控制调整挤出机的时间 温度曲线。其螺杆结构对停留时间的影响在以前已经描述过。图3用一种放射性示踪装置来监视停留时间。#1螺杆设计带有左旋和右旋的啮合块,具有较高程度的填充率和许多的逆混炼,这将导致宽的停留时间分布。#2螺杆设计仅仅使用了输送元件。由于缺少逆混,留时间分布相当窄。第三种螺杆设计带有宽圆盘形的右旋啮合块,其实际倾角较小,因此停留时间比前两种螺杆的要短。每个圆盘的凸出处(顶峰)较宽,故回流减小。 ZSK反应器的积木化设计可以提供灵活的添加热敏成份的位置,注射喷嘴或辅助喂料口可以设计成熔体温度内的下限位置,

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