三聚氰胺泡沫雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)設(shè)計(jì)

張國強(qiáng)，張學(xué)峰，龔少立

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)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(jī)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(yīng)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(xué)腐蝕，有良好的絕緣性能、光澤度和力學(xué)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(yīng)用于建材、汽車等的裝飾，還廣泛應(yīng)用于航空航天、國防等軍工行業(yè)，例如，航天飛機(jī)、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(shù)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(jià)格昂貴。因此，實(shí)現(xiàn)三聚氰胺泡沫塑料生產(chǎn)技術(shù)的國產(chǎn)化勢(shì)在必行。

目前，國內(nèi)少數(shù)科研單位和企業(yè)經(jīng)過攻關(guān)，在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了三聚氰胺泡沫塑料的生產(chǎn)，但是由于反應(yīng)物樹脂黏度高、反應(yīng)放熱量大、反應(yīng)時(shí)間短且要求反應(yīng)過程連續(xù)進(jìn)行等原因，無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)放大，嚴(yán)重阻礙了三聚氰胺泡沫塑料的國產(chǎn)化。

針對(duì)三聚氰胺泡沫塑料反應(yīng)的特點(diǎn)及工藝要求，我單位開發(fā)出了適用于該反應(yīng)的反應(yīng)型雙螺桿擠出機(jī)，本文將介紹三聚氰胺泡沫塑料反應(yīng)型雙螺桿擠出機(jī)的設(shè)計(jì)過程。

1 設(shè)計(jì)條件

1．1 反應(yīng)體系的狀態(tài)

20℃下樹脂的黏度為450 Pa·s；

45℃及1個(gè)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(yīng)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(yīng)工藝流程簡圖。單體經(jīng)過預(yù)聚合得到溫度為70℃的三聚氰胺預(yù)聚體，在進(jìn)行反應(yīng)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(qiáng)放熱反應(yīng)后進(jìn)入下游發(fā)泡裝置進(jìn)行發(fā)泡。

工藝控制要點(diǎn)為：

（1）加入甲醛后發(fā)生強(qiáng)放熱反應(yīng)，要求控制體系溫度不超過50℃；

（2）加入甲醛后，反應(yīng)體系在反應(yīng)器中的停留時(shí)間不超過40 s；

（3）機(jī)頭的擠出壓力不小于2 MPa；

（4）目標(biāo)產(chǎn)量范圍300～500 kg／h。

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

2 反應(yīng)擠出流程設(shè)計(jì)

針對(duì)三聚氰胺甲醛泡沫塑料的工藝過程及工藝控制要求設(shè)計(jì)的反應(yīng)擠出工藝流程如圖2所示。預(yù)聚釜內(nèi)維持溫度為70℃。來自各預(yù)聚釜的預(yù)聚體經(jīng)由單螺桿擠出機(jī)輸送至中間儲(chǔ)罐混勻，在此過程中，不斷地對(duì)樹脂進(jìn)行降溫。從中間儲(chǔ)罐出來的樹脂經(jīng)由計(jì)量加料系統(tǒng)喂入反應(yīng)型雙螺桿擠出機(jī)，此時(shí)物料進(jìn)一步冷卻至反應(yīng)所需溫度（30℃）。待擠出機(jī)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(jī)與樹脂進(jìn)行反應(yīng)，并及時(shí)移除反應(yīng)熱。反應(yīng)完成后的物料經(jīng)由片材擠出模頭擠出成片，再進(jìn)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(yīng)擠出發(fā)泡流程Fig．2 Processing flowfor reaction extrusing of melamine foams

3 反應(yīng)型雙螺桿擠出機(jī)的設(shè)計(jì)

3．1 螺桿直徑的確定

螺桿直徑是雙螺桿擠出機(jī)最基本的尺寸之一。產(chǎn)量按500 kg／h考慮，螺桿導(dǎo)程取該產(chǎn)量范圍內(nèi)同向雙螺桿擠出機(jī)常用螺紋元件導(dǎo)程的平均值，計(jì)算得到導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)體系達(dá)到良好的傳質(zhì)效果，雙螺桿反應(yīng)器的螺桿轉(zhuǎn)速n應(yīng)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(jì)算出螺槽的有效面積A為3263×10－6m2。

根據(jù)反應(yīng)型雙螺桿擠出機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)快速均化混合且要求停留時(shí)間較短的反應(yīng)擠出機(jī)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(jī)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(jì)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(yīng)器螺桿長徑比的確定

根據(jù)三聚氰胺泡沫塑料的反應(yīng)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(jī)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(dǎo)程和經(jīng)驗(yàn)需要約8個(gè)長徑比。而加入甲醛溶液后需要精確控制反應(yīng)的停留時(shí)間，因此需要通過計(jì)算得出反應(yīng)區(qū)段的長度。反應(yīng)體系在反應(yīng)型雙螺桿擠出機(jī)中的停留時(shí)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(yīng)區(qū)所需要的導(dǎo)程數(shù)

t——反應(yīng)區(qū)的螺紋元件導(dǎo)程，mm

對(duì)于螺桿直徑78 mm的雙螺桿反應(yīng)器其導(dǎo)程通常為56 mm。計(jì)算得cosφ＝0．9748。由式（2）計(jì)算得反應(yīng)停留時(shí)間τ為30 s時(shí)：Ni＝29；反應(yīng)區(qū)螺桿總長為L＝29×56＝1624 mm；反應(yīng)區(qū)的螺桿長徑比L／D＝1624／78＝21；故反應(yīng)型雙螺桿擠出機(jī)的總螺桿長徑比為8＋21＝29。由于積木式雙螺桿擠出機(jī)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(yīng)器驅(qū)動(dòng)功率的確定

采用實(shí)驗(yàn)的方式確定反應(yīng)型雙螺桿擠出機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率。在螺桿直徑為58 mm的雙螺桿擠出機(jī)上進(jìn)行三聚氰胺泡沫塑料的反應(yīng)擠出，產(chǎn)量為150 kg／h，螺桿轉(zhuǎn)速100 r／min，測(cè)得主電機(jī)（直流電機(jī)）調(diào)速器交流側(cè)的實(shí)際功率為12．9 k W。由上述實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(jī)后停留在螺桿中的樹脂會(huì)因?yàn)闇囟冉档投冇玻俅螁?dòng)將需要消耗較大的能量，因此最終確定選用55 k W的電機(jī)作為雙螺桿反應(yīng)器的主驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3．4 反應(yīng)體系溫度的控制

反應(yīng)型雙螺桿擠出機(jī)的傳熱效率通常大于1674．4 kJ／（m2·h·℃）［1］，遠(yuǎn) 高 于 釜 式 反 應(yīng) 器。 因此，反應(yīng)型雙螺桿擠出機(jī)能將強(qiáng)放熱反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱及時(shí)移出反應(yīng)體系，不會(huì)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(yīng)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(jī)采用夾套冷卻，同時(shí)增大螺桿直徑，使其可以低速運(yùn)行，從而增加樹脂在螺桿中的停留時(shí)間，盡可能地降低樹脂溫度；

（2）中間儲(chǔ)罐增加冷卻夾套，進(jìn)一步降低反應(yīng)前樹脂的溫度；

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

（4）由于反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)不需要加熱，因此將反應(yīng)擠出機(jī)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(jī)夾套冷卻水和筒體內(nèi)水道冷卻水是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，當(dāng)冬季環(huán)境溫度低，設(shè)備停機(jī)后再啟動(dòng)時(shí)，可以在夾套中通熱水，提高擠出機(jī)中樹脂的溫度，減小啟動(dòng)負(fù)荷。

3．5 螺桿組合的設(shè)計(jì)

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

針對(duì)三聚氰胺泡沫塑料反應(yīng)物組分黏度差大，并且反應(yīng)要求快速均化的特點(diǎn)設(shè)計(jì)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(shí)將不斷地經(jīng)歷分流—合流—分流的循環(huán)過程，達(dá)到快速均化的效果。

圖3 反應(yīng)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(shè)計(jì)的三聚氰胺泡沫反應(yīng)擠出機(jī)的螺桿結(jié)構(gòu)圖，在甲醛溶液進(jìn)料口之前采用全嚙合的輸送螺桿元件對(duì)三聚氰胺預(yù)聚體進(jìn)行輸送，在輸送過程中逐漸對(duì)預(yù)聚體進(jìn)行壓縮提高其與反應(yīng)器筒體的接觸面積達(dá)到降低預(yù)聚體溫度的目的，此外通過對(duì)預(yù)聚體的壓縮使其在到達(dá)甲醛進(jìn)料口前在反應(yīng)器中形成動(dòng)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(yù)聚體接觸。甲醛注入口之后的反應(yīng)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(gòu)能在強(qiáng)化物料分散混合的同時(shí)增強(qiáng)物料的軸向分布混合，因此能保證反應(yīng)體系快速均化。此外，這種螺桿結(jié)構(gòu)能提高反應(yīng)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(yīng)熱能更快移出反應(yīng)體系。反應(yīng)區(qū)段結(jié)束后為使用小導(dǎo)程全嚙合元件組成建壓輸送段將反應(yīng)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(gòu)，物料在此段的停留時(shí)間分布很窄，產(chǎn)物的物性波動(dòng)也很小，另外全嚙合的同向旋轉(zhuǎn)螺紋元件有著很強(qiáng)的自清理能力，能快速將物料推送至模頭，防止物料在反應(yīng)器中發(fā)生過度反應(yīng)造成泡沫變脆變硬的不良效果。

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

由于鑄片機(jī)頭對(duì)物料阻力較大，物料在離開口模時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大的壓降，反應(yīng)擠出機(jī)需要較強(qiáng)的建壓能力，為了保證物料的出料壓力不小于2 MPa，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)出的反應(yīng)型雙螺桿擠出機(jī)，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(diǎn)；

（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(jī)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(jī)艙吸聲降噪中應(yīng)用［J］．工程塑料應(yīng)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(yīng)擠出——原理與實(shí)踐［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999：224－235，268．