賈朝陽(yáng)，張小瑩，梁曉剛

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭 州730060）

同向雙螺桿擠出機(jī)在聚合物脫揮中的應(yīng)用研究

賈朝陽(yáng)，張小瑩，梁曉剛

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭 州730060）

綜述了聚合物脫揮設(shè)備的分類和基本情況，并著重介紹了雙螺桿擠出機(jī)在聚合物脫揮領(lǐng)域中的應(yīng)用、優(yōu)點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及發(fā)展趨勢(shì)等，同時(shí)在大量工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)上提出了切實(shí)可行的同向雙螺桿擠出機(jī)脫揮工藝，并詳細(xì)分析了同向雙螺桿擠出機(jī)主要零部件的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)方法。

同向雙螺桿擠出機(jī)；聚合物；脫揮

0 前言

聚合物通常也稱高分子聚合物，是指由成百上千個(gè)原子彼此以共價(jià)鍵結(jié)合形成的、相對(duì)分子質(zhì)量特別大的、具有重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的有機(jī)化合物，其相對(duì)分子質(zhì)量一般在10000以上。聚合物主要分為天然高分子聚合物和合成高分子聚合物兩類，天然高分子聚合物主要包括：天然橡膠、淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)和蠶絲等，合成高分子聚合物主要包括塑料、合成橡膠、合成纖維、涂料和粘接劑等。聚合物是一種非常重要的非金屬材料，特別是合成高分子聚合物，由于其品種齊全、性能優(yōu)良、適應(yīng)性強(qiáng)、材料來(lái)源豐富而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、醫(yī)藥、食品、通訊、軍事和交通等多個(gè)領(lǐng)域。

工業(yè)上生產(chǎn)合成高分子聚合物的最主要的兩個(gè)步驟是聚合反應(yīng)和聚合后處理，根據(jù)聚合物種類和合成工藝的不同，聚合后處理可以是脫揮、干燥、鈍化和造粒等。本文主要論述雙螺桿擠出機(jī)在聚合物脫揮中的應(yīng)用。脫揮作為聚合物生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)主要工序，其主要作用是從聚合物體系中分離低相對(duì)分子質(zhì)量的組分，這些低相對(duì)分子質(zhì)量組分主要包括：未反應(yīng)的單體、溶劑、水以及各種聚合副產(chǎn)物，通常被稱為“揮發(fā)分”[1]。這些揮發(fā)分往往對(duì)人體和環(huán)境有害，因此通過(guò)脫揮后將這些揮發(fā)分集中處理，能夠使得聚合物材料在滿足使用性能要求的同時(shí)滿足健康與環(huán)保的要求。

1 國(guó)內(nèi)外研究概況

工業(yè)上常用的脫揮裝置可分為非旋轉(zhuǎn)（靜態(tài)）式脫揮裝置和旋轉(zhuǎn)式脫揮裝置兩大類。非旋轉(zhuǎn)式脫揮裝置主要包括閃蒸器、噴淋式脫揮器、落條式脫揮器和薄膜脫揮器等，旋轉(zhuǎn)式脫揮裝置主要包括單螺桿脫揮擠出機(jī)、嚙合型同向雙螺桿脫揮擠出機(jī)和非嚙合異向雙螺桿脫揮擠出機(jī)等，如圖1所示。

聚合物脫揮有3個(gè)基本操作單元：界面的產(chǎn)生、界面的質(zhì)量傳遞和界面的更新。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外常用的聚合物脫揮裝置主要是非旋轉(zhuǎn)式的脫揮裝置，其脫揮過(guò)程中界面的質(zhì)量傳遞能力和更新能力都較差，因此要達(dá)到要求的脫揮效果往往需要輸入大量能量，這使得這類脫揮裝置經(jīng)常成為聚合物合成過(guò)程中能耗最大的單元設(shè)備。此外，非旋轉(zhuǎn)式的脫揮裝置由于自身結(jié)構(gòu)的限制在處理高黏度物料時(shí)更顯得捉襟見(jiàn)肘。旋轉(zhuǎn)式脫揮裝置在聚合物脫揮的3個(gè)基本操作單元都有著傳統(tǒng)非旋轉(zhuǎn)式脫揮裝置無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。它通過(guò)薄膜的形成和氣泡的長(zhǎng)大來(lái)產(chǎn)生界面，通過(guò)擴(kuò)散和氣泡破裂進(jìn)行質(zhì)量傳遞，通過(guò)對(duì)流混合更新界面，因此不但能以最少的能量達(dá)到脫揮目的，而且可以減少聚合物在脫揮裝置中的停留時(shí)間，減少材料的熱降解和老化。此外旋轉(zhuǎn)式脫揮裝置在完成脫揮過(guò)程后可以直接將熔融態(tài)的物料進(jìn)行擠壓造粒，減少聚合物在后處理過(guò)程中的受熱時(shí)間，從而低了聚合物生產(chǎn)能耗，提高了聚合物的品質(zhì)[1]。

圖1 聚合物脫揮設(shè)備分類Fig.1 Classification of polymer devolatilization equipment

在聚合物脫揮領(lǐng)域，以美國(guó)和德國(guó)為代表的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家從事該項(xiàng)技術(shù)的研究較早，經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，目前已淘汰了60年代的落條式脫揮和狹縫式脫揮工藝，取而代之的是采用螺桿擠出機(jī)直接脫揮并造粒的工藝。與落條式脫揮及狹縫式脫揮工藝相比，采用螺桿擠出機(jī)的脫揮工藝具有流程短、脫揮效率高、可以強(qiáng)制進(jìn)料、溫度壓力易于控制、設(shè)備維修費(fèi)用低、能耗低、避免了產(chǎn)品的污染等眾多的優(yōu)點(diǎn)，是目前聚合物脫揮的最先進(jìn)的工藝。

國(guó)際上在螺桿擠出機(jī)脫揮工藝和設(shè)備研究方面較為成功的企業(yè)主要有美國(guó)NFM公司（前WE公司）和德國(guó)W ＆P公司。NFM公司主要生產(chǎn)異向非嚙合型雙螺桿擠出機(jī)，W ＆P公司主要生產(chǎn)脫揮型同向嚙合型雙螺桿擠出機(jī)。二者在技術(shù)上均較為成熟，占據(jù)了全球80%以上的市場(chǎng)份額。這兩種類型的雙螺桿擠出機(jī)在聚合物脫揮擠出方面都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，具體如下：

（1）NFM公司生產(chǎn)的異向非嚙合型雙螺桿擠出機(jī)[2]通常可處理固含量高于15%的膠液。其螺桿直徑范圍為20～254mm（0.8～10英寸）。其主要特點(diǎn)是對(duì)物料的適應(yīng)性較強(qiáng)、脫揮效果好、物料的停留時(shí)間較長(zhǎng)。由于其螺桿的構(gòu)型原因當(dāng)采用熔體齒輪泵進(jìn)行建壓造粒時(shí)螺桿容易發(fā)生向前竄動(dòng)的現(xiàn)象。

（2）W＆P公司生產(chǎn)的同向雙螺桿擠出機(jī)[1]通常只能處理固含量高于30%的膠液，如圖2所示。該擠出機(jī)具有全嚙合自清理的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此能夠提供的停留時(shí)間較短、脫揮能力較弱，但其卻擅長(zhǎng)處理高黏度物料的脫揮，且出料品質(zhì)較為均一。此外積木式的螺桿及筒體設(shè)計(jì)使得其具有調(diào)整手段多、對(duì)物料的適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 科貝隆W ＆P公司同向嚙合型雙螺桿擠出機(jī)脫揮工藝流程圖Fig.2 Devolatilization flow diagram of co－rotating intermeshing twin screw extruder made by Coperion W ＆P

目前這兩類設(shè)備在脫揮領(lǐng)域仍處于并行發(fā)展的狀態(tài)，但在國(guó)內(nèi)引進(jìn)的設(shè)備中，NFM公司的異向非嚙合型雙螺桿擠出機(jī)占據(jù)了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)以天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院（以下簡(jiǎn)稱天華院）為代表的少數(shù)幾個(gè)企業(yè)自20世紀(jì)90年代初期就開始從事同向雙螺桿擠出機(jī)脫揮工藝及設(shè)備的開發(fā)研究，并取得了階段性的成功，但在工業(yè)化應(yīng)用方面的業(yè)績(jī)卻屈指可數(shù)。

2 同向雙螺桿擠出機(jī)脫揮工藝介紹

在同向雙螺桿擠出機(jī)脫揮工藝中，由于其全嚙合自清理的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得其能夠提供的停留時(shí)間較短，因此其僅適合處理固含量較高的物料。一般情況下，聚合后的膠液通過(guò)膠液輸送泵輸送至預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)加熱，然后進(jìn)入閃蒸罐，在閃蒸罐內(nèi)進(jìn)行減壓閃蒸，而后經(jīng)膠液計(jì)量泵進(jìn)行計(jì)量后送入脫揮型雙螺桿擠出機(jī)，通過(guò)擠出機(jī)的多個(gè)脫揮口脫除揮發(fā)分。揮發(fā)分含量小于規(guī)定值的聚合物熔體從模具擠出，并通過(guò)切粒系統(tǒng)切成一定形狀的粒子，然后經(jīng)顆粒后處理系統(tǒng)（離心干燥、振動(dòng)篩和摻混等）處理后被輸送至計(jì)量包裝系統(tǒng)。

圖3 同向雙螺桿擠出機(jī)脫揮工藝示意圖Fig.3 Devolatilization flow diagram of co－rotating twin screw extruder

3 脫揮型同向雙螺桿擠出機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

與用于聚合物混煉、增強(qiáng)和填充等的常規(guī)雙螺桿擠出機(jī)相比，應(yīng)用于脫揮領(lǐng)域的同向雙螺桿擠出機(jī)在螺桿長(zhǎng)徑比、螺桿及筒體組合、筒體開口數(shù)量、后排氣和溶劑脫除系統(tǒng)等方面有著明顯的區(qū)別，具體分析如下：

3.1 螺桿長(zhǎng)徑比

螺桿長(zhǎng)徑比作為雙螺桿擠出機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，是脫揮型雙螺桿擠出機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)最先根據(jù)物料的性能而確定的技術(shù)參數(shù)[3]，其大小直接影響物料在機(jī)筒中的停留時(shí)間，影響物料與機(jī)筒之間的換熱，最終影響揮發(fā)分的脫除效率和擠出制品的性能[4]。

在聚合物脫揮過(guò)程中，要想使得揮發(fā)分能夠順利從聚合物膠液中脫除，首先必須提供足夠的熱量使得膠液的溫度高于揮發(fā)分的氣化點(diǎn)。而在擠出機(jī)的設(shè)計(jì)中，對(duì)擠出機(jī)筒體中膠液的加熱是一個(gè)間接過(guò)程，加熱器固定于機(jī)筒的外側(cè)，加熱時(shí)筒體受熱后再將熱量傳遞給筒體中的膠液，因此加熱效率肯定比直接加熱低。為了達(dá)到足夠的加熱效果，就要求物料在擠出機(jī)筒體中必須有一定的停留時(shí)間。螺桿轉(zhuǎn)速是影響停留時(shí)間的主要因素，但其也同時(shí)影響到擠出機(jī)的產(chǎn)量，所以根據(jù)工藝要求確定好產(chǎn)量、螺桿轉(zhuǎn)速和作業(yè)溫度之后，要想保證較長(zhǎng)的停留時(shí)間，擠出機(jī)的長(zhǎng)徑比就必須足夠大。當(dāng)然過(guò)大的長(zhǎng)徑比會(huì)給擠出機(jī)的加工安裝帶來(lái)很多麻煩，綜合考慮，脫揮型同向雙螺桿擠出機(jī)的螺桿長(zhǎng)徑比一般選擇為48∶1～64∶1。

3.2 螺桿及筒體組合

螺桿是脫揮型擠出機(jī)最核心的工作部件，整根螺桿采用積木式組合結(jié)構(gòu)，由具有各種不同功能的螺桿元件串在兩根花鍵芯軸上而構(gòu)成。其組合的合理與否直接決定了物料的停留時(shí)間是否足夠長(zhǎng)以及物料與筒體間的換熱效果是否良好，從而影響最終的脫揮效果。正常工作時(shí)，兩根螺桿同向旋轉(zhuǎn)，物料在其中實(shí)現(xiàn)相互傳遞和輸送，產(chǎn)生分布混合和分散混合，使物料的表面不斷更新，同時(shí)大量的低分子揮發(fā)物通過(guò)脫揮口脫除。在物料傳遞和輸送過(guò)程中還會(huì)發(fā)生剪切作用并產(chǎn)生大量的摩擦熱，摩擦熱的多少與物料的黏度等參數(shù)有關(guān)，一般物料黏度越大，產(chǎn)生的摩擦熱也愈多，這些摩擦熱為脫揮提供了熱源，提高了脫揮效率。

在設(shè)計(jì)中，雙螺桿擠出機(jī)的筒體設(shè)計(jì)為積木式結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）可以很方便地根據(jù)各段筒體所處的不同功能區(qū)段設(shè)定不同溫度，增強(qiáng)操作靈活性；

（2）可以根據(jù)不同的作業(yè)要求對(duì)筒體的排列順序進(jìn)行調(diào)整或局部更換，增強(qiáng)設(shè)備適應(yīng)能力；

（3）將筒體設(shè)計(jì)為分段式結(jié)構(gòu)，可以大大降低設(shè)備的加工難度；

（4）當(dāng)筒體局部磨損時(shí)，可以分段更換，降低維護(hù)成本。

3.3 筒體開口數(shù)量

脫除揮發(fā)分作為脫揮型雙螺桿擠出機(jī)的主要任務(wù)，要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，除了設(shè)備具有較長(zhǎng)的長(zhǎng)徑比、合理的螺桿及筒體組合、合理的操作工藝參數(shù)（溫度、轉(zhuǎn)速等）之外，筒體的開口位置和數(shù)量也是該類擠出機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。開口的位置和數(shù)量必須經(jīng)過(guò)合理的工藝計(jì)算之后才可確定，開口數(shù)量太少會(huì)造成已脫離膠液的揮發(fā)分不能被及時(shí)地從擠出機(jī)中脫除，導(dǎo)致?lián)]發(fā)分再次溶解到聚合物膠液中，影響脫揮效率；若開口數(shù)量太多，盡管揮發(fā)分可以及時(shí)地被脫除，但會(huì)極大地減少筒體的換熱面積，降低筒體換熱能力，從而降低整個(gè)擠出機(jī)的脫揮能力。此外，隨著脫揮過(guò)程的不斷進(jìn)行，聚合物膠液的固含量會(huì)越來(lái)越高，需要脫除的揮發(fā)分會(huì)越來(lái)越少，脫出的難度會(huì)越來(lái)越大。因此建議固含量低于70%的膠液所對(duì)應(yīng)的筒體需采用經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的大長(zhǎng)排氣口，采用正壓脫揮（可以在換熱器之后安裝引風(fēng)機(jī)）；對(duì)于固含量高于70%的膠液所對(duì)應(yīng)的筒體，采用常規(guī)的圓開口即可，此時(shí)隨著固含量的增大，膠液黏度會(huì)越來(lái)越大，揮發(fā)分脫除時(shí)需克服更大的來(lái)自于膠液的吸附力，因此該段必須采用真空排氣的方式。

3.4 筒體后排氣系統(tǒng)

筒體后排氣技術(shù)是由美國(guó)WE（Welding Engineering）公司首先開發(fā)出來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)，最早應(yīng)用于高抗沖透明丁苯橡膠的脫揮擠出過(guò)程中，其目的是為了提高溶劑（環(huán)己烷）的脫除效率。在雙螺桿擠出機(jī)脫揮工藝中，為了提高設(shè)備的脫揮效率，一般在膠液進(jìn)入擠出機(jī)之前都需進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度一般略高于揮發(fā)分的蒸發(fā)溫度，也就意味著此時(shí)膠液會(huì)具有一定的壓力。隨后膠液通過(guò)管路直接泵送至擠出機(jī)筒體中，進(jìn)入擠出機(jī)筒體后，由于瞬時(shí)的空間擴(kuò)大，壓力急速減小，揮發(fā)分得以快速閃蒸。為了能夠及時(shí)脫除該部分經(jīng)閃蒸脫除的氣態(tài)揮發(fā)分，在加料口的后方（靠近傳動(dòng)系統(tǒng)的一側(cè)）設(shè)計(jì)了專門的后排氣系統(tǒng)，后排氣系統(tǒng)一般采用正壓脫揮。

3.5 筒體加熱系統(tǒng)

不同組分的聚合物膠液都必須在一定的溫度范圍內(nèi)才能完成混合和脫揮，溫度太高容易在固含量較高的螺桿區(qū)段產(chǎn)生物料分解，流動(dòng)性急速降低，嚴(yán)重時(shí)容易憋停螺桿；溫度太低又無(wú)法在較短的時(shí)間內(nèi)提供脫揮所需的熱量，嚴(yán)重影響脫揮效率，因此必須對(duì)其溫度進(jìn)行控制。筒體作為物料混合和輸送的載體，對(duì)物料的溫度控制起著至關(guān)重要的作用，因此可以通過(guò)控制筒體溫度來(lái)控制物料的作業(yè)溫度。

一般情況下，物料在擠出過(guò)程中，加料之前所需的熱量完全由加熱器或?qū)嵊吞峁＜恿现竺摀]過(guò)程中所需的熱量分兩種情況：對(duì)于固含量高于70%的膠液所對(duì)應(yīng)的螺桿區(qū)段，絕大部分熱量來(lái)源于物料剪切過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，多余的剪切熱則需由水冷卻系統(tǒng)及時(shí)撤走；對(duì)于固含量低于70%的膠液所對(duì)應(yīng)的螺桿區(qū)段，熱量則需完全由加熱系統(tǒng)提供。由于在擠出過(guò)程中，大量的揮發(fā)分從脫揮口脫除時(shí)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)帶走極大的熱量，致使筒體內(nèi)膠液的溫度急劇下降，為了保證后續(xù)脫揮工作的正常進(jìn)行，需要快速給物料補(bǔ)充熱量，因此該區(qū)段加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。對(duì)于工業(yè)化機(jī)型，為了保證加熱系統(tǒng)有較高的加熱速率，在固含量小于70%的膠液所對(duì)應(yīng)的筒體區(qū)段，建議加熱器采用鑄鐵或電磁加熱器，常規(guī)的鑄鋁加熱器由于單位面積的功率較小無(wú)法滿足使用要求。

3.6 其他

（1）在脫揮過(guò)程中對(duì)于固含量高于90%以上的膠液，殘余揮發(fā)分的脫除將異常困難，必要時(shí)可在筒體上設(shè)計(jì)汽提口，連續(xù)注入水蒸氣或惰性氣體，讓其形成共沸物，降低氣相的分壓，增加界面面積，有利于將揮發(fā)分從聚合物溶液中置換出來(lái)[1]。

（2）脫揮過(guò)程中，聚合物膠液中的溶劑如甲醇、環(huán)己烷等多數(shù)均屬于易燃、易爆、易揮發(fā)的物質(zhì)，因此設(shè)計(jì)中均應(yīng)考慮嚴(yán)格的防爆措施。要求主電機(jī)、計(jì)量泵、真空泵、水泵、風(fēng)機(jī)、加熱器、熱電偶、報(bào)警器、接線盒等均應(yīng)采用相應(yīng)級(jí)別的防爆產(chǎn)品，電儀控制柜則應(yīng)放置在密閉的操作室內(nèi)，無(wú)需防爆。

4 結(jié)語(yǔ)

同向雙螺桿擠出機(jī)在聚合物脫揮中的成功應(yīng)用，有效地解決了高黏度物料的脫揮難題。國(guó)內(nèi)在該技術(shù)領(lǐng)域的研究起步較晚，雖然目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有少量的成功應(yīng)用，但是缺乏系統(tǒng)全面的理論和實(shí)驗(yàn)研究。由于這類脫揮裝置中物料的運(yùn)動(dòng)以及揮發(fā)分脫除的過(guò)程十分復(fù)雜，因此目前尚缺少相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，這嚴(yán)重制約了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。然而同向雙螺桿擠出機(jī)在聚合物脫揮方面，特別是在高黏度膠液脫揮方面具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)高黏度膠液脫揮的主要研究方向，因此有必要通過(guò)大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究盡快提高我國(guó)脫揮型同向雙螺桿擠出機(jī)的技術(shù)水平，提高已有的工業(yè)化機(jī)型的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，盡快達(dá)到和超過(guò)國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平。

[1] 奧爾布萊克R J.聚合物脫揮[M].趙旭濤，龔光碧，谷育生，譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：1－3，237－261.

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[3] 賈朝陽(yáng).一步法型材混煉擠出設(shè)備及工藝技術(shù)研究[D].西安：西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，2009.

[4] 潘志榮，劉光知.高聚物配混機(jī)械的近期發(fā)展[J].中國(guó)塑料，2003，17（8）：15－18.Pan Zhirong，Liu Guangzhi.Progress of Compounding Equipment for Polymers[J].China Plastics，2003，17（8）：15－18.

Application of Co－rotating Twin Screw Extruders in Polymer Devolatilization

JIA Zhaoyang，ZHANG Xiaoying，LIANG Xiaogang
（TIANHUA Institute of Chemical Machinery and Automation，Lanzhou 730060，China）

This paper introduced the sort and basic information of polymer devolatilizition equipment，especially the twin screw extruder，its advantages，development，and application in polymer devolatilizition.Based on the industrial practice，the devolatilization technology，the design requirements of co－rotating twin screw extruders and the assessory were introduced.

co－rotating twin screw extruder；polymer；devolatilizition

TQ320.66＋3

B

1001－9278（2012）08－0107－05

2012－05－22

聯(lián)系人，jiazhaoyang＠126.com