張國強，張學峰，龔少立

（天華化工機械及自動化研究設計院，甘肅 蘭州730060）

0 前言

三聚氰胺是一種用途廣泛的基本有機化工中間產(chǎn)品。三聚氰胺與甲醛混合后經(jīng)過發(fā)泡反應可以制成三聚氰胺泡沫，這種泡沫不易燃，耐水、耐熱、耐老化、耐電弧、耐化學腐蝕，有良好的絕緣性能、光澤度和力學性能。作為性能優(yōu)良的阻燃材料，三聚氰胺泡沫塑料不僅應用于建材、汽車等的裝飾，還廣泛應用于航空航天、國防等軍工行業(yè)，例如，航天飛機、軍用艦艇的吸音阻燃［1］。長期以來，三聚氰胺泡沫塑料的生產(chǎn)技術及產(chǎn)品被德國及日本企業(yè)所壟斷，國內(nèi)市場上的三聚氰胺泡沫塑料價格昂貴。因此，實現(xiàn)三聚氰胺泡沫塑料生產(chǎn)技術的國產(chǎn)化勢在必行。

目前，國內(nèi)少數(shù)科研單位和企業(yè)經(jīng)過攻關，在實驗室中實現(xiàn)了三聚氰胺泡沫塑料的生產(chǎn)，但是由于反應物樹脂黏度高、反應放熱量大、反應時間短且要求反應過程連續(xù)進行等原因，無法實現(xiàn)工業(yè)放大，嚴重阻礙了三聚氰胺泡沫塑料的國產(chǎn)化。

針對三聚氰胺泡沫塑料反應的特點及工藝要求，我單位開發(fā)出了適用于該反應的反應型雙螺桿擠出機，本文將介紹三聚氰胺泡沫塑料反應型雙螺桿擠出機的設計過程。

1 設計條件

1．1 反應體系的狀態(tài)

20℃下樹脂的黏度為450 Pa·s；

45℃及1個大氣壓下樹脂的密度為1．33 g／cm3；

常溫常壓下甲醛溶液的密度為0．82 g／cm3；

助劑外觀：乳濁液；

腐蝕性：弱酸。

1．2 反應工藝流程及工藝要求

圖1給出了三聚氰胺泡沫塑料的反應工藝流程簡圖。單體經(jīng)過預聚合得到溫度為70℃的三聚氰胺預聚體，在進行反應之前需要將其溫度降至30℃以下，與按比例加入的甲醛溶液混合，發(fā)生強放熱反應后進入下游發(fā)泡裝置進行發(fā)泡。

工藝控制要點為：

（1）加入甲醛后發(fā)生強放熱反應，要求控制體系溫度不超過50℃；

（2）加入甲醛后，反應體系在反應器中的停留時間不超過40 s；

（3）機頭的擠出壓力不小于2 MPa；

（4）目標產(chǎn)量范圍300～500 kg／h。

圖1 三聚氰胺泡沫塑料的反應工藝流程Fig．1 Processing flowfor melamine foams

2 反應擠出流程設計

針對三聚氰胺甲醛泡沫塑料的工藝過程及工藝控制要求設計的反應擠出工藝流程如圖2所示。預聚釜內(nèi)維持溫度為70℃。來自各預聚釜的預聚體經(jīng)由單螺桿擠出機輸送至中間儲罐混勻，在此過程中，不斷地對樹脂進行降溫。從中間儲罐出來的樹脂經(jīng)由計量加料系統(tǒng)喂入反應型雙螺桿擠出機，此時物料進一步冷卻至反應所需溫度（30℃）。待擠出機中樹脂穩(wěn)定輸送后，將甲醛溶液按比例加入雙螺桿擠出機與樹脂進行反應，并及時移除反應熱。反應完成后的物料經(jīng)由片材擠出模頭擠出成片，再進入微波發(fā)泡裝置發(fā)泡，最后經(jīng)過一系列后處理就得到了三聚氰胺泡沫塑料。

圖2 三聚氰胺泡沫塑料的反應擠出發(fā)泡流程Fig．2 Processing flowfor reaction extrusing of melamine foams

3 反應型雙螺桿擠出機的設計

3．1 螺桿直徑的確定

螺桿直徑是雙螺桿擠出機最基本的尺寸之一。產(chǎn)量按500 kg／h考慮，螺桿導程取該產(chǎn)量范圍內(nèi)同向雙螺桿擠出機常用螺紋元件導程的平均值，計算得到導程為64 mm。螺槽的有效面積（A）由式（1）給出［1］。

式中Q——產(chǎn)量，kg／h

T——導程，mm

n——轉(zhuǎn)速，r／min

ρs——物料密度，g／cm3

η——填充系數(shù)

由于樹脂黏度和甲醛溶液黏度相差較大，因此要使反應體系達到良好的傳質(zhì)效果，雙螺桿反應器的螺桿轉(zhuǎn)速n應在100 r／min以上，由于螺桿轉(zhuǎn)速較高，螺桿的填充系數(shù)η取0．3。根據(jù)式（1）計算出螺槽的有效面積A為3263×10－6m2。

根據(jù)反應型雙螺桿擠出機的設計經(jīng)驗，強調(diào)快速均化混合且要求停留時間較短的反應擠出機的槽徑比約為1．3∶1～1．5∶1，產(chǎn)量為300～500 kg／h的同向雙螺桿擠出機其螺桿直徑約為60～90 mm。將螺桿直徑按2 mm遞增，按所確定的槽徑比畫出該范圍內(nèi)的螺桿截面圖，計算出螺槽有效面積A，最終確定螺桿直徑為78 mm。

3．2 雙螺桿反應器螺桿長徑比的確定

根據(jù)三聚氰胺泡沫塑料的反應擠出工藝流程，在加入甲醛溶液之前，要保證樹脂在雙螺桿擠出機內(nèi)穩(wěn)定連續(xù)地輸送。因此，在加入甲醛溶液前要使用阻尼元件形成連續(xù)的物料密封，根據(jù)螺桿的導程和經(jīng)驗需要約8個長徑比。而加入甲醛溶液后需要精確控制反應的停留時間，因此需要通過計算得出反應區(qū)段的長度。反應體系在反應型雙螺桿擠出機中的停留時間（τ）可由式（2）給出［2］，其中螺旋角由式（3）給出。

式中D——螺桿外徑，mm

h——槽深，mm

φ——螺旋角，°

Ni——反應區(qū)所需要的導程數(shù)

t——反應區(qū)的螺紋元件導程，mm

對于螺桿直徑78 mm的雙螺桿反應器其導程通常為56 mm。計算得cosφ＝0．9748。由式（2）計算得反應停留時間τ為30 s時：Ni＝29；反應區(qū)螺桿總長為L＝29×56＝1624 mm；反應區(qū)的螺桿長徑比L／D＝1624／78＝21；故反應型雙螺桿擠出機的總螺桿長徑比為8＋21＝29。由于積木式雙螺桿擠出機的長徑比通常選擇為4的倍數(shù)，因此最終確定其長徑比為28。

3．3 反應器驅(qū)動功率的確定

采用實驗的方式確定反應型雙螺桿擠出機的驅(qū)動功率。在螺桿直徑為58 mm的雙螺桿擠出機上進行三聚氰胺泡沫塑料的反應擠出，產(chǎn)量為150 kg／h，螺桿轉(zhuǎn)速100 r／min，測得主電機（直流電機）調(diào)速器交流側(cè)的實際功率為12．9 k W。由上述實驗數(shù)據(jù)可得出三聚氰胺樹脂的單產(chǎn)功率消耗為0．086 k W·h／kg。因此，產(chǎn)量為500 kg／h時，需要消耗功率約為43 k W。

由上可知，選用45 k W即可保證正常生產(chǎn)，但是考慮到停機后停留在螺桿中的樹脂會因為溫度降低而變硬，再次啟動將需要消耗較大的能量，因此最終確定選用55 k W的電機作為雙螺桿反應器的主驅(qū)動電機。

3．4 反應體系溫度的控制

反應型雙螺桿擠出機的傳熱效率通常大于1674．4 kJ／（m2·h·℃）［1］，遠 高 于 釜 式 反 應 器。 因此，反應型雙螺桿擠出機能將強放熱反應產(chǎn)生的反應熱及時移出反應體系，不會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。但為了保證系統(tǒng)的可靠、防止發(fā)生過度反應造成三聚氰胺泡沫塑料過脆，仍需采取以下方案控制體系溫度：

（1）單螺桿擠出機采用夾套冷卻，同時增大螺桿直徑，使其可以低速運行，從而增加樹脂在螺桿中的停留時間，盡可能地降低樹脂溫度；

（2）中間儲罐增加冷卻夾套，進一步降低反應前樹脂的溫度；

（3）采用5℃的低溫冷凍水作為反應型雙螺桿擠出機筒體內(nèi)冷卻水道的冷卻介質(zhì)；

（4）由于反應屬于放熱反應不需要加熱，因此將反應擠出機安裝的加熱器替換為冷卻夾套（外形與加熱器相同），其內(nèi)通5℃的冷凍水，保證在夏季可以隔絕外部環(huán)境熱。此外，由于擠出機夾套冷卻水和筒體內(nèi)水道冷卻水是兩個獨立的系統(tǒng)，當冬季環(huán)境溫度低，設備停機后再啟動時，可以在夾套中通熱水，提高擠出機中樹脂的溫度，減小啟動負荷。

3．5 螺桿組合的設計

反應型同向雙螺桿擠出機的螺桿采用積木式結(jié)構，根據(jù)不同的反應要求及物料、工藝特點選擇不同的功能元件以達到最佳的傳質(zhì)、傳熱效果。

針對三聚氰胺泡沫塑料反應物組分黏度差大，并且反應要求快速均化的特點設計了如圖3所示的專用齒輪型元件和軸向開槽元件，物料在通過這種元件時將不斷地經(jīng)歷分流—合流—分流的循環(huán)過程，達到快速均化的效果。

圖3 反應區(qū)段螺桿中使用的特殊元件Fig．3 Special elements used in reacting zone of the screw

圖4為最終設計的三聚氰胺泡沫反應擠出機的螺桿結(jié)構圖，在甲醛溶液進料口之前采用全嚙合的輸送螺桿元件對三聚氰胺預聚體進行輸送，在輸送過程中逐漸對預聚體進行壓縮提高其與反應器筒體的接觸面積達到降低預聚體溫度的目的，此外通過對預聚體的壓縮使其在到達甲醛進料口前在反應器中形成動態(tài)的物料密封防止加壓注入的甲醛溶液返流并提前與三聚氰胺預聚體接觸。甲醛注入口之后的反應區(qū)段大量使用圖3所示的分流混合元件，這種螺桿結(jié)構能在強化物料分散混合的同時增強物料的軸向分布混合，因此能保證反應體系快速均化。此外，這種螺桿結(jié)構能提高反應區(qū)段的充滿度，增加物料與筒體內(nèi)壁的接觸面積，使得反應熱能更快移出反應體系。反應區(qū)段結(jié)束后為使用小導程全嚙合元件組成建壓輸送段將反應產(chǎn)物穩(wěn)定輸送至發(fā)泡單元。由于采用全螺紋的結(jié)構，物料在此段的停留時間分布很窄，產(chǎn)物的物性波動也很小，另外全嚙合的同向旋轉(zhuǎn)螺紋元件有著很強的自清理能力，能快速將物料推送至模頭，防止物料在反應器中發(fā)生過度反應造成泡沫變脆變硬的不良效果。

圖4 螺桿結(jié)構圖Fig．4 Structure of the screw

由于鑄片機頭對物料阻力較大，物料在離開口模時會產(chǎn)生比較大的壓降，反應擠出機需要較強的建壓能力，為了保證物料的出料壓力不小于2 MPa，設計中不但加長了螺桿的建壓輸送段的長度，而且使用了0．26 mm的小桿筒間隙防止物料因漏流而泄壓。

4 結(jié)論

（1）設計出的反應型雙螺桿擠出機，能滿足三聚氰胺泡沫塑料生產(chǎn)工藝的要求，現(xiàn)場開車一次成功；

（2）連續(xù)生產(chǎn)制得的三聚氰胺泡沫塑料較間歇法產(chǎn)品具有品質(zhì)均一、破孔率低、回彈良好等優(yōu)點；

（3）經(jīng)過工藝優(yōu)化后的高檔三聚氰胺泡沫產(chǎn)品已用于我國某型艦艇的機艙吸音材料，相比之前采用的隔音材料，能降低噪音5%左右。

［1］ 侯培中．三聚氰胺泡沫塑料在船艇機艙吸聲降噪中應用［J］．工程塑料應用，2008，36（8）：48－51．Yuan Gaihong，Hou Peizhong．Application of Melamine Foamin Acoustic Absorption of Military Ship Engine Room［J］．Engineering Plastics Application，2008，36（8）：48－51．

［2］ 馬里諾·贊索斯［美］．反應擠出——原理與實踐［M］．北京：化學工業(yè)出版社，1999：224－235，268．