1.平行雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)及其工作特點(diǎn)
????反應(yīng)擠出是連續(xù)地將單體進(jìn)行聚合以及對(duì)現(xiàn)有聚合物進(jìn)行改性的工藝方法.其最大特點(diǎn)是將傳統(tǒng)上分開操作的聚合物合成,改性和加工成型等聯(lián)合為一個(gè)整體工藝過程。反應(yīng)擠出中存在著顯著的化學(xué)變化，如單體之間的縮聚、加成、開環(huán)形成聚合物的聚合反應(yīng)，聚合物與單體之間的接枝反應(yīng)，以及聚合物之間的交聯(lián)反應(yīng)等。
????反應(yīng)擠出的機(jī)筒一般延軸向根據(jù)需要設(shè)置多處加料口，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。反應(yīng)擠出的這些特點(diǎn)，是反應(yīng)擠出通常需要采用較大長徑比的平行雙螺桿擠出機(jī)的主要原因。
????例如在聚甲醛的反應(yīng)擠出中，最重要的一種是“本體動(dòng)態(tài)連續(xù)共聚合”方式，即聚合單體三聚甲醛、二氧五環(huán)、丁縮醛和催化劑混合、聚合反應(yīng)而最終生成聚甲醛產(chǎn)品，整個(gè)聚合反應(yīng)過程會(huì)釋放大量的反應(yīng)熱，并伴隨有料流由液態(tài)到固態(tài)的相變。由于聚甲醛的聚合反應(yīng)為放熱反應(yīng)，在機(jī)筒內(nèi)部開環(huán)結(jié)構(gòu)的冷卻系統(tǒng)中運(yùn)行的冷卻水對(duì)反應(yīng)本體起到非常重要的溫度調(diào)節(jié)作用。共聚單體在反應(yīng)擠出機(jī)內(nèi)需要經(jīng)過好幾個(gè)混合，熔融，脫氣，再混合等階段，如果溫度控制不當(dāng)，就會(huì)造成單體反應(yīng)出問題，影響到聚合物的質(zhì)量，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致相變的混亂，擠出機(jī)因劇烈振動(dòng)而不得不停止工作。在大多數(shù)反應(yīng)擠出中，一個(gè)共同特點(diǎn)是物料在相對(duì)比較大的長徑比反應(yīng)區(qū)間，反應(yīng)物處于液態(tài)或熔融狀態(tài)，當(dāng)料流在從液相向固相轉(zhuǎn)變而形成原始聚合物的整個(gè)相變過程中，其體積迅速膨大，而完成這個(gè)相變的區(qū)段長度卻相對(duì)極短。
????2.平行雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)的機(jī)筒螺桿工況條件的研討
????無論是單螺桿擠出機(jī)，或是雙螺桿擠出機(jī)，其螺桿均懸臂安裝于擠出機(jī)的機(jī)筒中，螺桿在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下將物料推向出料口。料流在整個(gè)輸送的過程中，不斷地接受由機(jī)筒孔壁傳遞的熱能，同時(shí)也不斷地獲得因受螺棱剪切作用而得到的剪切熱。在這二個(gè)熱能的作用下，高分子材料迅速地或被塑化，或被反應(yīng)。所有針對(duì)擠出機(jī)機(jī)筒螺桿工況條件的分析，我們均離不開對(duì)這個(gè)高分子材料在擠出機(jī)內(nèi)被塑化，被反應(yīng)的基本狀況的分析。
????既然螺桿懸臂安裝于擠出機(jī)的機(jī)筒中，那么螺桿的擠出段螺棱表面金屬材料與機(jī)筒內(nèi)壁金屬材料之間就一定存在二者之間的“接觸磨損”，或可稱之為“匹配磨損”。眾所周知的是，同種金屬材料之間的“接觸磨損”，或可稱之謂雙向匹配“摩擦副”是最糟糕的。例如機(jī)筒和螺桿均采用滲氮鋼的材料制造，而且經(jīng)過相同的氮化處理工藝手段，其量化的“匹配磨損速率”顯然最糟糕(見右上圖)。
????這個(gè)“匹配磨損”情況的嚴(yán)重性在大型擠出機(jī)中表現(xiàn)得之所以更為突出，是因?yàn)槁輻U自身較大的重量，例如外徑為217毫米，長徑比達(dá)33的螺桿，其重量約1.4噸。這個(gè)大型的重達(dá)1.4噸的螺桿之相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量，隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)而不斷地以螺棱表面金屬材料摩擦機(jī)筒內(nèi)孔表面金屬的形式，不斷地威脅著擠出機(jī)的使用壽命。
????討論雙螺桿擠出機(jī)的機(jī)筒螺桿工況，我們還不能或視的另外一個(gè)重要因素是，與普通單螺桿擠出機(jī)的螺桿相比較，雙螺桿擠出機(jī)的螺桿為組合形式，物料的輸送，即這個(gè)扭矩的傳遞是依靠直徑相對(duì)較小的芯軸。由于芯軸的直徑有限，因此其強(qiáng)度有限，螺桿工作狀態(tài)的非直線性顯得更為嚴(yán)重。這個(gè)非直線工作的螺桿在聚甲醛反應(yīng)擠出機(jī)的液相反應(yīng)區(qū)間幾乎在“掃膛”機(jī)筒內(nèi)孔壁，金屬材料之間的“匹配”摩擦劇烈程度是相當(dāng)異乎尋常的。而比較一般的配混改性擠出，由于有粘性較大的高聚合物料包裹于螺桿外圍，使得螺桿在正常工作中往往能夠“自懸于中”，這樣還能夠適當(dāng)減輕這個(gè)“匹配”摩擦的矛盾。然而在共聚反應(yīng)擠出中，往往缺少這個(gè)“自懸于中”的物料的保護(hù)，聚合機(jī)內(nèi)部的這個(gè)“匹配磨損”現(xiàn)象比普通配混擠出就顯得更為嚴(yán)峻。
????相對(duì)于機(jī)筒內(nèi)壁，因?yàn)槁輻U的螺棱表面積要小得多，劇烈的“匹配磨損”所造成的“磨損減量”，在反應(yīng)擠出段的螺棱頂部表現(xiàn)得更為突出，螺桿的螺棱外徑受磨損而迅速明顯變小。當(dāng)擠出機(jī)的核心部件之機(jī)筒螺桿均采取同種滲氮鋼材料制造，并且表面都是經(jīng)過同種的滲氮硬化處理，由于滲氮后的硬化層厚度僅僅為0.40~0.70毫米，一旦這個(gè)有限的硬化層被突破，機(jī)筒內(nèi)孔表面及螺桿的螺棱表面的“磨損減量”將明顯加快，擠出機(jī)在一個(gè)相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)即產(chǎn)量迅速下降，反應(yīng)擠出過程的溫度在短期內(nèi)即變得難以控制。
????我們討論共聚反應(yīng)擠出與配混改性擠出的工況條件之不同點(diǎn)，還必須側(cè)重提到溫度控制在不同擠出機(jī)上的重要性。由于共聚單體在反應(yīng)擠出中的放熱，在經(jīng)過混合，熔融，脫氣，再混合等反應(yīng)過程中時(shí)，整個(gè)連續(xù)共聚合反應(yīng)鏈對(duì)溫度相當(dāng)敏感，達(dá)到33長徑比的擠出機(jī)各工作區(qū)段對(duì)溫度要求非常嚴(yán)格，處于相變的二個(gè)相鄰區(qū)段的工作溫差甚至可以達(dá)到70℃以上。如果機(jī)筒螺桿磨損嚴(yán)重，機(jī)筒和螺桿的螺棱之間的間隙增大到一定程度，在雙螺桿螺棱嚙合程度降低和擠出背壓作用下，料流在擠出機(jī)內(nèi)部將表現(xiàn)得相當(dāng)無序，混亂而不穩(wěn)定，所有上述提到的聚合過程嚴(yán)格的溫控要求將無法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)溫度越來越難以控制，作為反應(yīng)擠出機(jī)的最終產(chǎn)物之聚合物的達(dá)標(biāo)質(zhì)量就將完全失控。
????由于螺桿的螺棱向前推送物料，則表現(xiàn)為其不斷地剪切料流，那么擠出機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)下就存在著第二類磨損，即螺桿對(duì)料流的“剪切磨損”。這個(gè)“剪切磨損”的程度除了與料流中的增強(qiáng)劑和填充劑等添加成份的比例成正比外，還與料流的粘度成正比。由于共聚反應(yīng)擠出中，料流中一般沒有或很少有額外的增強(qiáng)劑和填充劑的加入，但是物料的粘度卻比較高，二者疊加的剪切磨損矛盾與配混改性擠出相比較表現(xiàn)較弱，因此與上述第一類的“匹配磨損”情況相反的是，反應(yīng)擠出機(jī)中的螺桿“剪切磨損”與一般配混改性擠出相比較就顯得不那么突出。
????某些高分子材料在受熱塑化，或反應(yīng)放熱的過程中會(huì)釋放出一定的腐蝕氣體，該腐蝕氣氛會(huì)腐蝕擠出機(jī)的機(jī)筒和螺桿，這是我們分析機(jī)筒螺桿工況條件的一個(gè)不可忽缺的重要因素。值得慶幸的是，例如在聚甲醛的“本體共聚合”連續(xù)反應(yīng)擠出中，基本不存在揮發(fā)性腐蝕氣體的逸出，因此機(jī)筒螺桿工作表面的被腐蝕可以不作工況條件的深入討論。