聚合反应挤出设备及其应用

介绍了聚合反应挤出的基本原理以及相关设备的特点和应用。

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聚合反应挤出设备及其应用章小敏张才忠谢光辉(山东大学材料科学与：院，程学济南 2 0 6 ) 5 0 2摘要：重点描述了聚合反应挤出设备的类型与特点，进而介绍了聚合反应挤出设备的应用概况。

关键词：聚合反应，反应挤出，螺杆挤出机

Equ p e ta d t pl a i n a tv t uso i m n n I sAp i to i Re c i eEx r i n c n Pr c s e o l m e i a i n o e s sf rPo y r z toZ HANG X a mi, i o n ZHANG Caz o g XI u n h i ih n, E G a g u

( c o l f a r l S i c& E g er g S a d n nv r t J a 5 0 2 S h o o t i s c n e M e a e n i ei, h n o g i s y i n 0 6 ) n n U e i, n 2Ab t c: h p n h r ce s c f h q i me t i e ci ee t s n p o e s sfr oy rz t nwe e sr t T et ea d c a a tr t s ee u p n s n r a t xr i rc s e lme i i r a y i i ot v u o op aoman yd s r e . n e sa p iai nwa to u e r f . i l e c b d a dt n i p l t si r d e d b il i h t c o n ey

K ywod: oy r a o ecin Re cieetu in S rw xr d r e rs P lme i t nrat, a t xrso, ce e t e zi o v u

1引言

料的均匀混合与输送、反应过程中产生的大量反应热、小分子或挥发性组分的排除、完成反应所需

聚合反应挤出技术是以螺杆挤出机为化学反

应器，使单体、引发剂或助剂在少量溶剂或无溶剂条件下发生聚合反应，生成高聚物并连续挤出的一

的足够的停留时间以及挤出效率、成本等问题。因此，要求螺杆挤出机具有较大的长径比(一般 L / D可达 6 ) O、精确的计量与温控装置以及合理的螺杆元件组合。 如图 1所示，挤出机的螺杆通常由数段各式

种新技术。通过螺杆的转动使各物料混合均匀，

并实现输送、熔融、塑化、反应以及挤出成型等一系列过程，将化学反应与挤出成型有机地结合为体

,从而省去了中间产品的再熔融过程，具有高一

各样的螺纹块或捏合块套在芯轴上组合而成，可以针对不同工艺要求进行排列组合，也町以根据不同聚合反应的特点选用不同类型的挤出机[而 2 J。其中最主要的因素是停留时间与反应速度之间的匹配关系以及挤出机对反应产物的可加工性。

速、节能、环保等优点【 1]。

在聚合反应挤出技术中，、单双螺杆挤出机均可，也有专门设计制造的反应挤出机。无论哪种类型的挤出机，都必须考虑聚合反应挤出过程中物

镬匦器？

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L竺上2聚合反应挤出设备

— J上图 1典型螺杆组合示意图闭

21单螺杆反应挤出机 .单螺杆反应挤出机的设计制造容易、操作简单、价格低廉，适合于小型低投入生产，但其强化

剪切效果、排气、输送和热交换能力都不够理想， 具有一定的局限性。 从 20 0 1年开始由王益龙等人设计制造的 6、、0型单螺杆反应挤出机已投入生产线使 58 9 0

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用 1。而吴大鸣等人报道的四段式单螺杆挤出机， 除了类似传统的三段式单螺杆挤出机 (加料段、熔融段、均化段 ),外还增加了反应段，采用了较深的反应段螺槽。了混炼元件，加设并优化了螺杆结构HI。

异向型等两类，如图 2所示I而异向型又分为啮 I .、合异向与非啮合异向等两种。目前，聚合反应挤出 用双螺杆挤出机多为全啮合式双螺杆挤出机， 且以同向啮合型平行双螺杆挤 m机为最多。啮合型同向旋转双螺杆挤出机的螺杆之间径

与传统的段式单螺杆挤出机相比， 明显地延22双螺杆反应挤机 .

长了熔融物料的停留时间，大大提高了挤出产量。由于双螺杆挤出机具有较强的混合性能、排气与脱挥能力、较长的停留时问、较窄的停留时间

向间隙很小，螺棱宽度远小于螺槽宽度。工作时两螺杆同向旋转，F于没有啮合型异向旋转双螺杆} 1挤出机的压延效应引起的径向力，因此可以在高速下运转，产生较高的剪切速率而获得良好的分布混合性能。啮合区内不同螺杆的螺棱与螺槽相互刮擦，对螺杆表面起到机械清理作用，使挤出机具有优越的自洁性能以及较窄的停留时间分布。

分布以及自洁性好、挤出量大、能量消耗少等特

点，目前已被广泛用于反应挤出技术。

按螺杆旋向，双螺杆挤出机可分为同向型和A—A

A

B

() a同向旋转双螺杆

( )向旋转双螺杆 h异

图 2啮合同向、向双螺杆示意图1异 2]

此外，较高的转速还可以提高挤出机的生产能力。 2 . 3专门设计制造的反应型挤出机 2 0世纪 8 0年代中期，国内开始将振动力场

甲基丙烯酸甲酯 (M A)自由基聚合、 PM的尼龙 6 ( A )离子型聚合，有聚对苯二甲酸乙二醇 P 6的还酯 ( E )缩聚反应、苯乙烯的阴离子或自由 PT的聚

引入聚合反应挤出过程，以达到控制聚合反应生成物的凝聚态结构与性能的目的。例如华南理工大学瞿金平开发的电磁动态多螺杆反应挤出机，

基聚合等I 。采用双螺杆聚合反应挤m工艺，在具备螺杆挤出机的混合效率高、散热快、反应时间短等优点的同时，还大大缩短了生产周期，降低了成本，而且高聚物产品的性能也得到较大提高。例

采用振动力场作用，使螺杆啮合间隙随着时间周期性变化，进入啮合区的物料也因压延作用而被快速地塑化和混合，加强了各组分之间的相互扩散作用，从而获得性能优异的聚合物制品嘲。

如，双螺杆反应挤尼龙 6的粘度高于传统反应釜生成尼龙 6的粘度近一倍左右，而且反应挤} _ n尼龙 6的强度是传统合成的 10韧性提高两倍 2%,以上 l l I。

目，国内已经开发了动态聚合反应挤出加前【 成套设备并实现了产业化。与以前广泛使用的 舣螺杆挤出机相比，这些设备具有化学反应进程n控、 f反应速率提高、聚合物产品质量较好、能耗

F于在聚合反应挤过程中化学反应、流动} 1

以及传热等过程的相互影响非常复杂，使得对体系的化学反应动力学过程、分子形态演变机理与化学流变等问题的研究成为一个难题。至今，不少国内外学者已经在实验研究的基础上，利用计算机技术开展了聚合反应挤出过程的数学描述与数

低、噪音低等特点，是今后聚合反应挤出设备发展的重要方向。 3聚合反应挤出技术的应用概况

用于反应性挤出的聚合反应主要分为缩聚反

应和加聚反应等两类。目前，用于聚合反应挤出的反应主要有热塑性聚氨酯 (P的加成聚合、 T U)聚

值模拟丁作，对反应挤出过程中聚合物的反应动力学模型、流动模型和

传热模型进行了研究，得到了相应的模型方程 。 (转第 6下 0页 )

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管童∞H

图 2规则 1

图 3规则 2

图 4规则 3

图 5规则 4

菇∞鳍 ∞∞鲭学《 摹兮H 图 7规则 6 图 8规则 7 图 6规则 5

∞图 9规则 8

流网是正确的，则该归约过程会将其化简为一个空网；反之若该网有冲突存在，则不能被完全化简。 5结论参考文献：[] rfwMaae e t olinT e rf wR a— 1Wok o ngm n C ai . h k o e r l t o Wo le c d 1W e: Ht:w mco g n e Mo e. b/ t/ f .r / p/

本文首先给}了将工作流网映射成 Pt网}{ ei r的映射规则，主要针对自由选择扩展 P t网， e i提 r出了一套具有完备性的扩展工作流网化简规则。

[] M Pvndr s T eA pi t n f e i e 2 w a e s t h p la o t t t A l. c i o P rN soW o k o n g me t T e J u a o r u t, y tm n r f w Ma a e n . h o r l fCi i S s l n c s e Sa d

C m u e 19,( ) 16 o p t m, 9 8 8 1: - 6 2 2

[] M Pvnd r l. eict n f rf wnt I 3 W a e As tV r a o k o e .n s i f i o Wo l sP. z ma a d G.B l o d tr,Ap l ain a d T e r f A e n ab,E i s o pi t n h o y o c o

它可以在有限时间内将具有界性和活性的自由选择扩展工作流网化简为只有一个库所和变迁的自闭环网，从而可以快速完成工作流模型的分析与验证。所提出的工作流模型的静态分析方法能够帮助企业在实现经营过程重组实施前进行经营过程模型的正确性分析与验证，从而有效支持企业实施经营过程重组。一

P t es 9 7 v lme 1 4 f e t r oe mp tr c- e r n t 1 9, ou 2 8o cu e N t s n Co ue i i L i Se c p i g r e l g B ri 1 9: 0 n eS r e V ra, e l n n, 9 7 4 7—4 6 2

[】 4邹宇，毅，刘陈佩

文.于图归约法的工作流模型验基证 .机应用 V 12, o, p. 0 6 8计算 o 3N . A r0 3~ 8 . 4 2 8

[ 5儿法]l d i u[ Rd e l Ca eGr h德] i r na u a g V k著王生原等译. 系统过程 P t网——建模、验证与应用. T业出版社， ei r子2 0 .: 0￣ 0 2 0 56 2 0 2 0

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奠鼻一 鼻●一套，妻

(上接第 5 3页 ) 4结束语在置 s e g nd cd bif . essfrp l— h n o ue r l o s o o ey e e y参考文献[] 1钱知勉 .塑料特种成型技术.上海塑料，9 9 6 2: 19, ( )2— O 73 .

m rao ei tn聚合反应挤出技术把聚合反应和高聚 zi物的挤出加工有机地结合在一起，构成一个连续的反应性聚合物加工过程，实现了单体一聚合物一

[】 2郭奕崇，李庆春等.同向双螺杆挤出特点及螺杆组合原则.化工进展， 0 1:— . 20,2 4 7 l 『 3益龙， 3: 1刘安栋.反应挤出技术研究进展.现代塑料加1应用，0 4 1 ( )3— 9二 20,62:53 . 【]鸣， 4吴大龙文保等.四段式单螺杆反虚挤出机的研制.高分子材料科学与程， 0 0 1 ( ) 15 17 2 0,6 3:4— 4 . 『1 5瞿金平 .中同专利， L9 0 3. 9 2 z 2136 9 19 . [ 6同芳，玉玺，]张贾吴莉莉，立佳.安聚合反应挤出过程的数学描述及数值模拟进展.高分子材料科学与工程，20 . 12:3 3 . 0 5 2 ( )3— 6

制品的一体化加工，是目前开发和生产高聚物

制品的最有前景的方法之一。随着反应型挤 H设 j备的不断改进和创新，聚合物产品性能的更加多

样化与功能化，聚合反应挤}技术有着非常大的}{

发展潜力和市场优势。因此，近年来国内外的一些工业实验室和挤}设备制造商在反应挤出领域中 f{ 的研究也愈加活跃。

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