雙螺桿擠出機在高比例溶劑POE脫揮及擠壓造粒中的應用

徐 斌，陳志強，陳燕飛，馬 寧

（江蘇越升科技股份有限公司，南京 211103）

0 前言

POE是由乙烯和高碳α?烯烴（1?丁烯、1?乙烯、1?辛烯）在茂金屬催化劑作用下聚合而成的聚烯烴熱塑性彈性體，具有優異的耐老化、耐紫外光性、良好的力學性能和加工流變性能。其與聚烯烴親和性好、低溫韌性突出、性價比高等優點使其在聚烯烴的增韌改性、醫用包裝材料、汽車配件線束、電線和電纜等方面得到了極為廣泛的應用。通常POE聚合采用高濃度溶劑工藝，而POE成品的溶劑參與含量對于POE的最終應用至關重要，尤其是在太陽能行業中作為角膜和其他光學應用場合。因此，對于POE聚合過程后的造粒工序而言，必須具有穩定高效的溶劑脫揮功能，才有可能將POE擠出造粒產品的溶劑殘余含量控制到工藝要求的水平，POE的產品品質和性能才能得到保證。

如何配置大型POE脫揮造粒系統極其重要，目前大多數POE生產采用了大型雙螺桿擠出機進行脫揮擠出，并已得到明確的驗證。與傳統的造粒上游閃蒸工藝相比，具有明顯的更高的效率、脫揮效果更為穩定、流程短、效率高、投資少等特點。與下游干燥烘箱進行干燥脫揮的技術路線相比，也具備能耗低、長期運行成本低的優勢，同時可完全避免造粒后的二次干燥脫揮可能導致的熱降解現象。

與傳統單螺桿擠出機相比，雙螺桿擠出機由于具有優異的混煉性能、排氣性能、高速高效等特點，已經廣泛應用于高分子材料的上下游加工，包括粉體造粒、改性加工以及各種成型擠出加工等。圖1為不同分類的擠出機。其中擠出機的螺桿結構和旋轉方向都有區別，對高分子材料進行加工過程中也具有不同的工作原理和特點，針對不同的高分子材料以及加工工藝條件，不同的結構和旋向的擠出機各具優缺點。

圖1 擠出機分類Fig.1 Classification of the extruders

基于催化劑專利保護、國外技術封鎖等種種原因，國內POE生產能力仍較弱，處于起步階段。但近年來國內一大批優秀企業加大POE自主研發進程，相繼進行了POE的中試試驗，在POE脫揮和擠壓造粒工段，南京越升擠出機械有限公司已完成高效脫揮試驗，得出了寶貴的經驗數據，并探索出了“可控分步脫揮工藝”技術。此外基于自身多來年中大型混煉造粒機組的經驗，已完成大型POE脫揮機組的技術方案設計，助力POE自主國產化進程。

1 高比例溶劑POE脫揮試驗

南京越升擠出機械有限公司具有豐富的雙螺桿擠出機應用經驗，包括各種高分子材料的改性加工，應用材料基本覆蓋絕大部分的各類高分子材料；以及在反應擠出和脫揮應用方面，包括各類溶劑脫揮、單體殘余脫揮或者反應副產物的脫除。利用公司自身試驗平臺，利用試驗數據驗證了高比例溶劑POE脫揮過程中的“可控分步脫揮工藝”技術。

1.1 試驗平臺

雙螺桿擠出機，SAT40，螺桿直徑40 mm，長徑比（L/D）40，真空排氣口3個，真空系統2套，設備控制方式采用工控機；脫揮試驗平臺如圖2所示。

圖2 脫揮試驗平臺Fig.2 Test platform of devolatilization

1.2 試驗原料

POE（6502，溶體流動速率45 g/10 min，美國埃克森美孚公司）+溶劑，POE含量25%（質量分數，下同），溶劑含量75%，試驗原料狀態如圖3所示。

圖3 試驗原料狀態Fig.3 State of the test material

1.3 試驗工藝

工藝設置1（高比例溶劑脫揮）：溫度55～90℃，轉速20～55 r/min，處理量20～30 kg/h，試驗結果溶劑殘余量1.5%；

工藝設置2（殘余溶劑脫揮）：溫度：120～150℃，轉速20～35 r/min，處理量5～10 kg/h，試驗結果溶劑殘余量50～100 ppm。

1.4 試驗過程和結果分析

自由脫揮段：高比例溶劑物料在進入擠出機后，隨著溫度的升高，溶劑開始氣化，物料體系進入發泡階段，體積膨脹，通過擠出機螺桿設計需配置大自由體積螺桿元件，同時通過控制溶液體系的溫度和脫揮壓力，并通過螺桿旋轉施加快速有效的溶液表面更新，迅速且在可控條件下開始溶劑脫除（圖4）。

圖4 自由脫揮段Fig.4 Free devolatilization section

低真空脫揮段：通過自由脫揮以后的溶液，溶劑含量大幅下降，此時允許體系溫度提升，降低體系黏度，便于確保高表面更新效果，同時施加一定的真空度，快速脫揮，此階段的脫揮過程也是在可控條件下進行（圖5）。

圖5 低真空脫揮段Fig.5 Low vacuum devolatilization section

低溫高真空脫揮：隨體系中溶劑殘留逐步降低，體系黏度也逐步提高，提升真空度并適當提高體系溫度，保持發泡過程可控條件下，施加較高真空進行脫揮（圖6）。

圖6 低溫高真空脫揮Fig.6 Low temperature and high vacuum devolatilization

高溫高真空氣提脫揮：在溶劑含量降低至1%～2%左右的條件下，溶劑就不容易被脫除，此時需要繼續提升熔體溫度，降低體系黏度，同時施加極限真空度，通過高效的螺桿表面更新和輔助氣體脫揮措施，分布將殘余溶劑脫除到50～100 ppm（圖7～8）。

圖7 高溫高真空氣提脫揮Fig.7 High temperature and high vacuum air lift and devolatilization

圖8 低溶劑含量POEFig.8 POE with low solvent content

通過本試驗可得出結論，對于高溶劑比例POE體系的脫揮擠出，通過“可控分步脫揮工藝”技術，可以通過雙螺桿擠出機將50%～75%的溶劑直接脫除到50～200 ppm。

2 大型POE脫揮機組關鍵點

針對高產量的大型裝置，根據上述“可控分步脫揮工藝”技術，同時結合不同雙螺桿擠出機的特點和優勢，制備專用于高比例溶劑脫揮擠出機組。大型POE脫揮機組技術點如下：

2.1 擠出機的高效拉伸效應

雙螺桿擠出機必須采用大自由容積的螺桿組合進行高比例溶劑的脫揮，根據熔體流動模型計算，高效的拉伸效應大大有助于溶劑的析出和初步發泡效應。為此，基于流體模型和多場協同擠出理論，開發出基于雙螺桿的高效拉伸流動螺桿元件，并經過試驗平臺驗證，大大提高了高比例溶劑的析出速度。

2.2 高效的熔體表面更新

流體在雙螺桿擠出機內流動時，高效的熔體表面更新是高比例溶劑可以析出的前提，否則將成為制約溶劑析出的關鍵因素。由于高溶劑比例的POE體系在流動時，整體黏度較低，體系對析出氣體的包裹性較差，即使在微弱真空的條件下，如控制不好，依然會造成熔體體系被抽出的現象。所有熔體的高效更新至關重要，合理的螺桿元件設計和排列組合可以有效改善熔體表面更新速度。

2.3 進料口特殊的閃蒸原理進料

高比例溶劑下的POE體系通過特殊的閃蒸模式進料，可以有效地在高壓環境至低壓環境的轉變過程中加速溶劑的析出，同時配合合理的排氣處理，在進料的同時對高比例溶劑即進行1次有效的脫除，大大降低后續脫揮的處理量，減小后續脫揮過程中造成冒料等現象，對機組的穩定生產有極大的幫助。

2.4 高溫低含量溶劑脫揮

在POE脫揮試驗中可以得出結論，高比例溶劑脫揮階段，溶劑含量可由75%脫除至1.5%，基本“可控分步脫揮工藝”技術，將1.5%的溶劑含量脫除至50～200 ppm時，必須是熔體體系處于高溫高真空的條件下，且真空度必須保證在極限真空的條件下。此時，如何保證物料體系處于極限真空下將成為低含量溶劑脫揮的關鍵。

2.5 可控真空度

在分布脫揮的過程中，除去螺桿組合排列的影響，可控的真空度也是脫揮過程中的關鍵，必須依靠于合理的真空度控制方式，可以將真空度控制在理想的區間內，以保證合理的脫氣量以及真空口處物料不會出現冒料的現象。

2.6 氣提工藝

為得到高品質POE制品，氣體工藝在POE脫揮過程中是必不可少的，合理的氣體工藝將大大提升溶劑以及低分子物的脫除。氣體工藝不僅可以加速溶劑的剝離，同時亦可有效降低熔體的溫度，改善制品的表觀和性能。

3 結論

（1）通過本次試驗得出了高比例溶劑脫揮過程中“可控分布脫揮工藝”技術，實現了高比例溶劑脫除的技術工藝路線；

（2）POE原料中含有75%溶劑的條件下，利用雙螺桿擠出機可脫揮至50～200 ppm。