熱塑性聚合物的反應(yīng)擠出與雙螺桿擠出機(jī)
發(fā)布時(shí)間 : 2018-12-21 瀏覽次數(shù) : 次熱塑性聚合物反應(yīng)擠出(以下簡(jiǎn)稱反應(yīng)擠出) 是指以螺桿擠出設(shè)備為反應(yīng)器 ,將反應(yīng)物和完成反應(yīng)所必需的引發(fā)劑、催化劑等物料在一定反應(yīng)條件下通過螺桿擠出設(shè)備連續(xù)擠出 ,并使之完成預(yù)定的化學(xué)反應(yīng) ,得到相應(yīng)的聚合物的過程。它通常包括兩類反應(yīng) :一是熱塑性聚合物在連續(xù)擠出過程中引入相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng) ,對(duì)聚合物進(jìn)行化學(xué)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(yīng) ,形成熱塑性聚合物。本文將著重介紹反應(yīng)擠出的基本原理、反應(yīng)類型及應(yīng)用和相關(guān)的反應(yīng)擠出設(shè)備。
通過螺桿擠出機(jī)反應(yīng)器進(jìn)行的反應(yīng)擠出過程
,不論是單螺桿或雙螺桿擠出機(jī) ,以及其他類型的擠出機(jī) , 其基本步驟是 :反應(yīng)物
,包括催化劑和引發(fā)劑通過螺桿擠出機(jī)尾部和中部的各加料口進(jìn)入螺筒
,依靠螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切和推動(dòng)作用將物料進(jìn)行混合分散并向前推進(jìn)。同時(shí)通過螺筒的傳熱作用向反應(yīng)體系提供反應(yīng)所需要的熱
,或從反應(yīng)體系排除反應(yīng)所產(chǎn)生的熱 ,從而控制反應(yīng)的開始、進(jìn)行與終止。最終反應(yīng)完成后的產(chǎn)物從螺桿擠出機(jī)的前部機(jī)頭擠出。因此
,這一過程就具有如下特點(diǎn) :
有關(guān)反應(yīng)擠出的研究在歐、美、日等地區(qū)和國家的工業(yè)實(shí)驗(yàn)室及樹脂和擠出機(jī)生產(chǎn)廠家非?；钴S。近 20 年來 ,國外共申報(bào)了 1000 多個(gè)專利。反應(yīng)擠出方法已成為對(duì)聚合物進(jìn)行化學(xué)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(jī)筒可延軸向根據(jù)需要設(shè)置多處加料口 ,所以各種反應(yīng)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(jù)各種化學(xué)反應(yīng)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(dá)到控制化學(xué)反應(yīng)按預(yù)定的順序和方向進(jìn)行。
由于反應(yīng)擠出過程中的化學(xué)反應(yīng)和采用其他方法進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)一樣 ,都是在一定溫度條件下進(jìn)行的。反應(yīng)的不同階段 ,反應(yīng)體系可能是吸熱或放熱過程。而螺桿擠出機(jī)沿螺桿的軸向上 ,螺筒的加熱或冷卻可以分段進(jìn)行 ,因此使反應(yīng)擠出過程中對(duì)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(yīng)開始和反應(yīng)停止的時(shí)間 ,還可根據(jù)化學(xué)反應(yīng)本身的特點(diǎn)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(yīng)進(jìn)行的方向、速度和程度 ,以減少副反應(yīng)的發(fā)生。
由于螺桿類擠出機(jī) ,特別是雙螺桿擠出機(jī)具有很強(qiáng)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(jī)筒的界面。因此 ,增強(qiáng)了聚合物高粘度體系反應(yīng)組分間的傳質(zhì)和擴(kuò)散 ,從而提高了反應(yīng)物料體系的混合均勻程度。同時(shí)這一混合過程也減小了反應(yīng)物料體系內(nèi)部沿螺桿徑向的溫度梯度 ,這樣就使整個(gè)反應(yīng)更均勻 ,更一致。特別是對(duì)于某些聚合物化學(xué)改性的反應(yīng)過程來說 ,這類反應(yīng)往往從反應(yīng)開始就需要在高粘度聚合物熔體本體條件下進(jìn)行 ,這時(shí)反應(yīng)擠出方法應(yīng)是進(jìn)行這類化學(xué)反應(yīng)的首選。
對(duì)螺桿擠出機(jī)來說 ,通過調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)速和螺桿的幾何結(jié)構(gòu)可以在一定范圍內(nèi)控制反應(yīng)物料的停留時(shí)間和停留時(shí)間分布。螺桿轉(zhuǎn)速越慢 ,長徑比越大 ,停留時(shí)間越長。由于螺桿轉(zhuǎn)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(shí)螺桿長徑比也不可能無限地大。所以 ,反應(yīng)擠出過程的停留時(shí)間一般較短 ,也就是說反應(yīng)擠出比較適合于反應(yīng)速度較快的一類化學(xué)反應(yīng)。對(duì)于這一點(diǎn) ,如果從另一個(gè)角度來說 , 可以認(rèn)為 ,對(duì)于采用反應(yīng)擠出方法進(jìn)行化學(xué)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(dǎo)致的熱分解。
