同向雙螺桿擠出機在聚合物脫揮中的應用研究

賈朝陽，張小瑩，梁曉剛

（天華化工機械及自動化研究設計院，甘肅 蘭 州730060）

同向雙螺桿擠出機在聚合物脫揮中的應用研究

賈朝陽，張小瑩，梁曉剛

（天華化工機械及自動化研究設計院，甘肅 蘭 州730060）

綜述了聚合物脫揮設備的分類和基本情況，并著重介紹了雙螺桿擠出機在聚合物脫揮領域中的應用、優點、國內外發展概況及發展趨勢等，同時在大量工業化應用的基礎上提出了切實可行的同向雙螺桿擠出機脫揮工藝，并詳細分析了同向雙螺桿擠出機主要零部件的設計要求和設計方法。

同向雙螺桿擠出機；聚合物；脫揮

0 前言

聚合物通常也稱高分子聚合物，是指由成百上千個原子彼此以共價鍵結合形成的、相對分子質量特別大的、具有重復結構單元的有機化合物，其相對分子質量一般在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、性能優良、適應性強、材料來源豐富而被廣泛應用于工業、農業、建筑、醫藥、食品、通訊、軍事和交通等多個領域。

工業上生產合成高分子聚合物的最主要的兩個步驟是聚合反應和聚合后處理，根據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在聚合物脫揮中的應用。脫揮作為聚合物生產過程中的一個主要工序，其主要作用是從聚合物體系中分離低相對分子質量的組分，這些低相對分子質量組分主要包括：未反應的單體、溶劑、水以及各種聚合副產物，通常被稱為“揮發分”[1]。這些揮發分往往對人體和環境有害，因此通過脫揮后將這些揮發分集中處理，能夠使得聚合物材料在滿足使用性能要求的同時滿足健康與環保的要求。

1 國內外研究概況

工業上常用的脫揮裝置可分為非旋轉（靜態）式脫揮裝置和旋轉式脫揮裝置兩大類。非旋轉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，旋轉式脫揮裝置主要包括單螺桿脫揮擠出機、嚙合型同向雙螺桿脫揮擠出機和非嚙合異向雙螺桿脫揮擠出機等，如圖1所示。

聚合物脫揮有3個基本操作單元：界面的產生、界面的質量傳遞和界面的更新。現在國內外常用的聚合物脫揮裝置主要是非旋轉式的脫揮裝置，其脫揮過程中界面的質量傳遞能力和更新能力都較差，因此要達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常成為聚合物合成過程中能耗最大的單元設備。此外，非旋轉式的脫揮裝置由于自身結構的限制在處理高黏度物料時更顯得捉襟見肘。旋轉式脫揮裝置在聚合物脫揮的3個基本操作單元都有著傳統非旋轉式脫揮裝置無法比擬的優勢。它通過薄膜的形成和氣泡的長大來產生界面，通過擴散和氣泡破裂進行質量傳遞，通過對流混合更新界面，因此不但能以最少的能量達到脫揮目的，而且可以減少聚合物在脫揮裝置中的停留時間，減少材料的熱降解和老化。此外旋轉式脫揮裝置在完成脫揮過程后可以直接將熔融態的物料進行擠壓造粒，減少聚合物在后處理過程中的受熱時間，從而低了聚合物生產能耗，提高了聚合物的品質[1]。

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

在聚合物脫揮領域，以美國和德國為代表的工業發達國家從事該項技術的研究較早，經過多年的研究和發展，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，采用螺桿擠出機的脫揮工藝具有流程短、脫揮效率高、可以強制進料、溫度壓力易于控制、設備維修費用低、能耗低、避免了產品的污染等眾多的優點，是目前聚合物脫揮的最先進的工藝。

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

（1）NFM公司生產的異向非嚙合型雙螺桿擠出機[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）。其主要特點是對物料的適應性較強、脫揮效果好、物料的停留時間較長。由于其螺桿的構型原因當采用熔體齒輪泵進行建壓造粒時螺桿容易發生向前竄動的現象。

（2）W＆P公司生產的同向雙螺桿擠出機[1]通常只能處理固含量高于30%的膠液，如圖2所示。該擠出機具有全嚙合自清理的結構特點，因此能夠提供的停留時間較短、脫揮能力較弱，但其卻擅長處理高黏度物料的脫揮，且出料品質較為均一。此外積木式的螺桿及筒體設計使得其具有調整手段多、對物料的適應性較強等優點。

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

目前這兩類設備在脫揮領域仍處于并行發展的狀態，但在國內引進的設備中，NFM公司的異向非嚙合型雙螺桿擠出機占據了絕對的優勢。

國內以天華化工機械及自動化研究設計院（以下簡稱天華院）為代表的少數幾個企業自20世紀90年代初期就開始從事同向雙螺桿擠出機脫揮工藝及設備的開發研究，并取得了階段性的成功，但在工業化應用方面的業績卻屈指可數。

2 同向雙螺桿擠出機脫揮工藝介紹

在同向雙螺桿擠出機脫揮工藝中，由于其全嚙合自清理的結構特點使得其能夠提供的停留時間較短，因此其僅適合處理固含量較高的物料。一般情況下，聚合后的膠液通過膠液輸送泵輸送至預熱器進行預加熱，然后進入閃蒸罐，在閃蒸罐內進行減壓閃蒸，而后經膠液計量泵進行計量后送入脫揮型雙螺桿擠出機，通過擠出機的多個脫揮口脫除揮發分。揮發分含量小于規定值的聚合物熔體從模具擠出，并通過切粒系統切成一定形狀的粒子，然后經顆粒后處理系統（離心干燥、振動篩和摻混等）處理后被輸送至計量包裝系統。

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

3 脫揮型同向雙螺桿擠出機設計要點

與用于聚合物混煉、增強和填充等的常規雙螺桿擠出機相比，應用于脫揮領域的同向雙螺桿擠出機在螺桿長徑比、螺桿及筒體組合、筒體開口數量、后排氣和溶劑脫除系統等方面有著明顯的區別，具體分析如下：

3.1 螺桿長徑比

螺桿長徑比作為雙螺桿擠出機的一個關鍵技術參數，是脫揮型雙螺桿擠出機設計過程中應最先根據物料的性能而確定的技術參數[3]，其大小直接影響物料在機筒中的停留時間，影響物料與機筒之間的換熱，最終影響揮發分的脫除效率和擠出制品的性能[4]。

在聚合物脫揮過程中，要想使得揮發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分的氣化點。而在擠出機的設計中，對擠出機筒體中膠液的加熱是一個間接過程，加熱器固定于機筒的外側，加熱時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。為了達到足夠的加熱效果，就要求物料在擠出機筒體中必須有一定的停留時間。螺桿轉速是影響停留時間的主要因素，但其也同時影響到擠出機的產量，所以根據工藝要求確定好產量、螺桿轉速和作業溫度之后，要想保證較長的停留時間，擠出機的長徑比就必須足夠大。當然過大的長徑比會給擠出機的加工安裝帶來很多麻煩，綜合考慮，脫揮型同向雙螺桿擠出機的螺桿長徑比一般選擇為48∶1～64∶1。

3.2 螺桿及筒體組合

螺桿是脫揮型擠出機最核心的工作部件，整根螺桿采用積木式組合結構，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成。其組合的合理與否直接決定了物料的停留時間是否足夠長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，兩根螺桿同向旋轉，物料在其中實現相互傳遞和輸送，產生分布混合和分散混合，使物料的表面不斷更新，同時大量的低分子揮發物通過脫揮口脫除。在物料傳遞和輸送過程中還會發生剪切作用并產生大量的摩擦熱，摩擦熱的多少與物料的黏度等參數有關，一般物料黏度越大，產生的摩擦熱也愈多，這些摩擦熱為脫揮提供了熱源，提高了脫揮效率。

在設計中，雙螺桿擠出機的筒體設計為積木式結構，其主要優點如下：

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

（2）可以根據不同的作業要求對筒體的排列順序進行調整或局部更換，增強設備適應能力；

（3）將筒體設計為分段式結構，可以大大降低設備的加工難度；

（4）當筒體局部磨損時，可以分段更換，降低維護成本。

3.3 筒體開口數量

脫除揮發分作為脫揮型雙螺桿擠出機的主要任務，要實現該目標，除了設備具有較長的長徑比、合理的螺桿及筒體組合、合理的操作工藝參數（溫度、轉速等）之外，筒體的開口位置和數量也是該類擠出機設計的一個關鍵環節。開口的位置和數量必須經過合理的工藝計算之后才可確定，開口數量太少會造成已脫離膠液的揮發分不能被及時地從擠出機中脫除，導致揮發分再次溶解到聚合物膠液中，影響脫揮效率；若開口數量太多，盡管揮發分可以及時地被脫除，但會極大地減少筒體的換熱面積，降低筒體換熱能力，從而降低整個擠出機的脫揮能力。此外，隨著脫揮過程的不斷進行，聚合物膠液的固含量會越來越高，需要脫除的揮發分會越來越少，脫出的難度會越來越大。因此建議固含量低于70%的膠液所對應的筒體需采用經特殊設計的大長排氣口，采用正壓脫揮（可以在換熱器之后安裝引風機）；對于固含量高于70%的膠液所對應的筒體，采用常規的圓開口即可，此時隨著固含量的增大，膠液黏度會越來越大，揮發分脫除時需克服更大的來自于膠液的吸附力，因此該段必須采用真空排氣的方式。

3.4 筒體后排氣系統

筒體后排氣技術是由美國WE（Welding Engineering）公司首先開發出來的一項技術，最早應用于高抗沖透明丁苯橡膠的脫揮擠出過程中，其目的是為了提高溶劑（環己烷）的脫除效率。在雙螺桿擠出機脫揮工藝中，為了提高設備的脫揮效率，一般在膠液進入擠出機之前都需進行預熱，預熱溫度一般略高于揮發分的蒸發溫度，也就意味著此時膠液會具有一定的壓力。隨后膠液通過管路直接泵送至擠出機筒體中，進入擠出機筒體后，由于瞬時的空間擴大，壓力急速減小，揮發分得以快速閃蒸。為了能夠及時脫除該部分經閃蒸脫除的氣態揮發分，在加料口的后方（靠近傳動系統的一側）設計了專門的后排氣系統，后排氣系統一般采用正壓脫揮。

3.5 筒體加熱系統

不同組分的聚合物膠液都必須在一定的溫度范圍內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段產生物料分解，流動性急速降低，嚴重時容易憋停螺桿；溫度太低又無法在較短的時間內提供脫揮所需的熱量，嚴重影響脫揮效率，因此必須對其溫度進行控制。筒體作為物料混合和輸送的載體，對物料的溫度控制起著至關重要的作用，因此可以通過控制筒體溫度來控制物料的作業溫度。

一般情況下，物料在擠出過程中，加料之前所需的熱量完全由加熱器或導熱油提供。加料之后脫揮過程中所需的熱量分兩種情況：對于固含量高于70%的膠液所對應的螺桿區段，絕大部分熱量來源于物料剪切過程中產生的熱量，多余的剪切熱則需由水冷卻系統及時撤走；對于固含量低于70%的膠液所對應的螺桿區段，熱量則需完全由加熱系統提供。由于在擠出過程中，大量的揮發分從脫揮口脫除時會在短時間內帶走極大的熱量，致使筒體內膠液的溫度急劇下降，為了保證后續脫揮工作的正常進行，需要快速給物料補充熱量，因此該區段加熱系統的設計就顯得尤為重要。對于工業化機型，為了保證加熱系統有較高的加熱速率，在固含量小于70%的膠液所對應的筒體區段，建議加熱器采用鑄鐵或電磁加熱器，常規的鑄鋁加熱器由于單位面積的功率較小無法滿足使用要求。

3.6 其他

（1）在脫揮過程中對于固含量高于90%以上的膠液，殘余揮發分的脫除將異常困難，必要時可在筒體上設計汽提口，連續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，有利于將揮發分從聚合物溶液中置換出來[1]。

（2）脫揮過程中，聚合物膠液中的溶劑如甲醇、環己烷等多數均屬于易燃、易爆、易揮發的物質，因此設計中均應考慮嚴格的防爆措施。要求主電機、計量泵、真空泵、水泵、風機、加熱器、熱電偶、報警器、接線盒等均應采用相應級別的防爆產品，電儀控制柜則應放置在密閉的操作室內，無需防爆。

4 結語

同向雙螺桿擠出機在聚合物脫揮中的成功應用，有效地解決了高黏度物料的脫揮難題。國內在該技術領域的研究起步較晚，雖然目前國內已經有少量的成功應用，但是缺乏系統全面的理論和實驗研究。由于這類脫揮裝置中物料的運動以及揮發分脫除的過程十分復雜，因此目前尚缺少相應的數學模型，這嚴重制約了該項技術的發展。然而同向雙螺桿擠出機在聚合物脫揮方面，特別是在高黏度膠液脫揮方面具有無與倫比的優勢，是未來高黏度膠液脫揮的主要研究方向，因此有必要通過大量的理論和實驗研究盡快提高我國脫揮型同向雙螺桿擠出機的技術水平，提高已有的工業化機型的運轉穩定性，盡快達到和超過國際先進技術水平。

[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：化學工業出版社，2005：1－3，237－261.

[2] NFM Welding Engineers Inc.NFM Plastic Devolatilization[DB/OL].[2012－04－29].http：//www.nfm.net＼app＿plastic＿devo.html.

[3] 賈朝陽.一步法型材混煉擠出設備及工藝技術研究[D].西安：西安交通大學能源與動力工程學院，2009.

[4] 潘志榮，劉光知.高聚物配混機械的近期發展[J].中國塑料，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

聯系人，jiazhaoyang＠126.com