1.平行雙螺桿反應擠出機及其工作特點

    反應擠出是連續(xù)地將單體進行聚合以及對現(xiàn)有聚合物進行改性的工藝方法.其最大特點是將傳統(tǒng)上分開操作的聚合物合成,改性和加工成型等聯(lián)合為一個整體工藝過程。反應擠出中存在著顯著的化學變化，如單體之間的縮聚、加成、開環(huán)形成聚合物的聚合反應，聚合物與單體之間的接枝反應，以及聚合物之間的交聯(lián)反應等。

    反應擠出的機筒一般延軸向根據需要設置多處加料口，各種反應物，包括聚合物和單體，以及催化劑、引發(fā)劑等物料可以根據各種化學反應自身的規(guī)律，沿螺桿的軸向按一定程序和最合適的方式分步加入，以達到控制化學反應按預定的順序和方向進行。反應擠出的這些特點，是反應擠出通常需要采用較大長徑比的平行雙螺桿擠出機的主要原因。

    例如在聚甲醛的反應擠出中，最重要的一種是“本體動態(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、聚合反應而最終生成聚甲醛產品，整個聚合反應過程會釋放大量的反應熱，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為放熱反應，在機筒內部開環(huán)結構的冷卻系統(tǒng)中運行的冷卻水對反應本體起到非常重要的溫度調節(jié)作用。共聚單體在反應擠出機內需要經過好幾個混合，熔融，脫氣，再混合等階段，如果溫度控制不當，就會造成單體反應出問題，影響到聚合物的質量，嚴重的甚至會導致相變的混亂，擠出機因劇烈振動而不得不停止工作。在大多數反應擠出中，一個共同特點是物料在相對比較大的長徑比反應區(qū)間，反應物處于液態(tài)或熔融狀態(tài)，當料流在從液相向固相轉變而形成原始聚合物的整個相變過程中，其體積迅速膨大，而完成這個相變的區(qū)段長度卻相對極短。

    2.平行雙螺桿反應擠出機的機筒螺桿工況條件的研討

    無論是單螺桿擠出機，或是雙螺桿擠出機，其螺桿均懸臂安裝于擠出機的機筒中，螺桿在旋轉狀態(tài)下將物料推向出料口。料流在整個輸送的過程中，不斷地接受由機筒孔壁傳遞的熱能，同時也不斷地獲得因受螺棱剪切作用而得到的剪切熱。在這二個熱能的作用下，高分子材料迅速地或被塑化，或被反應。所有針對擠出機機筒螺桿工況條件的分析，我們均離不開對這個高分子材料在擠出機內被塑化，被反應的基本狀況的分析。

    既然螺桿懸臂安裝于擠出機的機筒中，那么螺桿的擠出段螺棱表面金屬材料與機筒內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。例如機筒和螺桿均采用滲氮鋼的材料制造，而且經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“匹配磨損”情況的嚴重性在大型擠出機中表現(xiàn)得之所以更為突出，是因為螺桿自身較大的重量，例如外徑為217毫米，長徑比達33的螺桿，其重量約1.4噸。這個大型的重達1.4噸的螺桿之相當的質量，隨著螺桿的旋轉而不斷地以螺棱表面金屬材料摩擦機筒內孔表面金屬的形式，不斷地威脅著擠出機的使用壽命。

    討論雙螺桿擠出機的機筒螺桿工況，我們還不能或視的另外一個重要因素是，與普通單螺桿擠出機的螺桿相比較，雙螺桿擠出機的螺桿為組合形式，物料的輸送，即這個扭矩的傳遞是依靠直徑相對較小的芯軸。由于芯軸的直徑有限，因此其強度有限，螺桿工作狀態(tài)的非直線性顯得更為嚴重。這個非直線工作的螺桿在聚甲醛反應擠出機的液相反應區(qū)間幾乎在“掃膛”機筒內孔壁，金屬材料之間的“匹配”摩擦劇烈程度是相當異乎尋常的。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”，這樣還能夠適當減輕這個“匹配”摩擦的矛盾。然而在共聚反應擠出中，往往缺少這個“自懸于中”的物料的保護，聚合機內部的這個“匹配磨損”現(xiàn)象比普通配混擠出就顯得更為嚴峻。

    相對于機筒內壁，因為螺桿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。當擠出機的核心部件之機筒螺桿均采取同種滲氮鋼材料制造，并且表面都是經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，一旦這個有限的硬化層被突破，機筒內孔表面及螺桿的螺棱表面的“磨損減量”將明顯加快，擠出機在一個相當短的時間內即產量迅速下降，反應擠出過程的溫度在短期內即變得難以控制。

    我們討論共聚反應擠出與配混改性擠出的工況條件之不同點，還必須側重提到溫度控制在不同擠出機上的重要性。由于共聚單體在反應擠出中的放熱，在經過混合，熔融，脫氣，再混合等反應過程中時，整個連續(xù)共聚合反應鏈對溫度相當敏感，達到33長徑比的擠出機各工作區(qū)段對溫度要求非常嚴格，處于相變的二個相鄰區(qū)段的工作溫差甚至可以達到70℃以上。如果機筒螺桿磨損嚴重，機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，料流在擠出機內部將表現(xiàn)得相當無序，混亂而不穩(wěn)定，所有上述提到的聚合過程嚴格的溫控要求將無法實現(xiàn)。當溫度越來越難以控制，作為反應擠出機的最終產物之聚合物的達標質量就將完全失控。

    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，那么擠出機在正常運行狀態(tài)下就存在著第二類磨損，即螺桿對料流的“剪切磨損”。這個“剪切磨損”的程度除了與料流中的增強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。由于共聚反應擠出中，料流中一般沒有或很少有額外的增強劑和填充劑的加入，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，反應擠出機中的螺桿“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，或反應放熱的過程中會釋放出一定的腐蝕氣體，該腐蝕氣氛會腐蝕擠出機的機筒和螺桿，這是我們分析機筒螺桿工況條件的一個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)反應擠出中，基本不存在揮發(fā)性腐蝕氣體的逸出，因此機筒螺桿工作表面的被腐蝕可以不作工況條件的深入討論。

(來自:上海原元康機械設備有限公司)