熱塑性聚合物的反應擠出與雙螺桿擠出機
發(fā)布時間 : 2018-12-21 瀏覽次數 : 次熱塑性聚合物反應擠出(以下簡稱反應擠出) 是指以螺桿擠出設備為反應器 ,將反應物和完成反應所必需的引發(fā)劑、催化劑等物料在一定反應條件下通過螺桿擠出設備連續(xù)擠出 ,并使之完成預定的化學反應 ,得到相應的聚合物的過程。它通常包括兩類反應 :一是熱塑性聚合物在連續(xù)擠出過程中引入相應的化學反應 ,對聚合物進行化學改性或制備新的聚合物 ;二是單體在連續(xù)擠出過程中發(fā)生聚合反應 ,形成熱塑性聚合物。本文將著重介紹反應擠出的基本原理、反應類型及應用和相關的反應擠出設備。
通過螺桿擠出機反應器進行的反應擠出過程
,不論是單螺桿或雙螺桿擠出機 ,以及其他類型的擠出機 , 其基本步驟是 :反應物
,包括催化劑和引發(fā)劑通過螺桿擠出機尾部和中部的各加料口進入螺筒
,依靠螺桿旋轉產生的剪切和推動作用將物料進行混合分散并向前推進。同時通過螺筒的傳熱作用向反應體系提供反應所需要的熱
,或從反應體系排除反應所產生的熱 ,從而控制反應的開始、進行與終止。最終反應完成后的產物從螺桿擠出機的前部機頭擠出。因此
,這一過程就具有如下特點 :
有關反應擠出的研究在歐、美、日等地區(qū)和國家的工業(yè)實驗室及樹脂和擠出機生產廠家非?；钴S。近 20 年來 ,國外共申報了 1000 多個專利。反應擠出方法已成為對聚合物進行化學改性和開發(fā)新型聚合物材料的主要手段之一。
由于螺桿擠出機筒可延軸向根據需要設置多處加料口 ,所以各種反應物 ,包括聚合物和單體 ,以及催化劑、引發(fā)劑等物料可以根據各種化學反應自身的規(guī)律 ,沿螺桿的軸向按一定程序和最合適的方式分步加入 ,以達到控制化學反應按預定的順序和方向進行。
由于反應擠出過程中的化學反應和采用其他方法進行的化學反應一樣 ,都是在一定溫度條件下進行的。反應的不同階段 ,反應體系可能是吸熱或放熱過程。而螺桿擠出機沿螺桿的軸向上 ,螺筒的加熱或冷卻可以分段進行 ,因此使反應擠出過程中對溫度的分段精確控制成為可能。這樣不僅可依靠溫度精確地控制最佳的反應開始和反應停止的時間 ,還可根據化學反應本身的特點和規(guī)律 ,通過溫度沿螺桿軸向的分布和分布梯度控制反應進行的方向、速度和程度 ,以減少副反應的發(fā)生。
由于螺桿類擠出機 ,特別是雙螺桿擠出機具有很強的混合能力 ,能連續(xù)不斷地更新熔融狀態(tài)不同物料的相界面 ,以及物料與機筒的界面。因此 ,增強了聚合物高粘度體系反應組分間的傳質和擴散 ,從而提高了反應物料體系的混合均勻程度。同時這一混合過程也減小了反應物料體系內部沿螺桿徑向的溫度梯度 ,這樣就使整個反應更均勻 ,更一致。特別是對于某些聚合物化學改性的反應過程來說 ,這類反應往往從反應開始就需要在高粘度聚合物熔體本體條件下進行 ,這時反應擠出方法應是進行這類化學反應的首選。
對螺桿擠出機來說 ,通過調整螺桿轉速和螺桿的幾何結構可以在一定范圍內控制反應物料的停留時間和停留時間分布。螺桿轉速越慢 ,長徑比越大 ,停留時間越長。由于螺桿轉速與剪切速率 ,或者說與混合效果成正比 ,因此不能太慢。同時螺桿長徑比也不可能無限地大。所以 ,反應擠出過程的停留時間一般較短 ,也就是說反應擠出比較適合于反應速度較快的一類化學反應。對于這一點 ,如果從另一個角度來說 , 可以認為 ,對于采用反應擠出方法進行化學改性的聚合物 ,一般熱歷史較短 ,避免了物料長期暴露在高溫下而導致的熱分解。
