聚合物加工进展.doc
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1、 聚合物加工进展姓名 方嫃嫃 专业 材料科学与工程 学号 2013132一、研究背景传统的聚合物工业生产中,聚合物材料的制备和加工成型是两个截然不同的工艺过程,这导致了聚合物制品生产工艺流程长、能耗高、环境污染严重,从而增加了制造成本。随着现代工业的发展,对于聚合物的性能要求越来越高,单纯依靠合成新聚合物或者简单的机械共混已不能满足需要,故具有两者优点的反应挤出加工是一门新兴的边缘科学,是一种将化学反应与聚合物加工过程一体化的技术。这门新兴的科学既需要具备传统的聚合物学科知道和化学工程基础,又要求对传统学科有更深的理解和发展。聚合物反应加工分为两部分,即反应挤出和反应注射成型。目前同内外研究与
2、开发的热点集中在反应挤出领域。 1 反应挤出概述 所谓反应挤出, 是把挤出机作为连续化的微背混式柱塞流反应器, 使欲反应的混合物在熔融挤出过程中同时完成指定的化学反应。 具体地讲,它具有利用挤出机处理高粘度聚合物的独特功能,对挤出机螺杆料筒上的各个区域进行独立的温度控制、物料停留时间控制和剪切强度控制,使物料在各个区域传输过程中完成固体输送、增压熔融、物料混合、熔体加压、化学反应、排除副产物和未反应单体、熔体输送和泵出成型等一系列化工基本单元操作,因此它是理想的高粘度聚合物熔融态反应方法。2 反应挤出的发展史 反应挤出是 20 世纪 60 年代后期才兴起的一种新技术,因其能使聚合物多样化、功能
3、化、生产连续化、工艺操作简单经济而越来越受到重视。1965 年 Dow 公司发表了聚乙烯(PE)与丙烯酸(AA)反应挤出的专利,1966 的英国人用单螺杆挤出机反应挤出的专利,1966 年英国人用单螺杆挤出机反应挤出得到可控降解 PP。1967 年起,埃克森公司就开始利用挤出机结构进行熔融相化学反应的研究和商业应用,1971 年 Kow dski 研究了反应挤出 PP 降解与 O2 的关系。到 20 世纪 80 年代,反应挤出广泛用于聚合物共混改性,BASF、Dow、Monsanto、Du-Pont 等多家公司已发表了多篇这方面的专利。我国的反应挤出加工技术起步较晚。近年来, 国内外的工业实验
4、室和挤出机公司对于聚合物反应挤出加工改性的研究一直非常活跃,并且内容相当广泛。 3 反应挤出的原理及优缺点 反应挤出是以螺杆和料筒组成的塑化挤压系统作为连续反应器, 将欲反应的各种原料组分, 如单体、引发剂、聚合物、助剂等一次或分次由相同的或不同的加料口加入到螺杆中,在螺杆转动下实现各原料之间的混合、输送、塑化、反应和从口模挤出的过程。传统挤出过程一般以聚合物为原料,通过外加热量和螺杆转动过程中施加给物料的剪切摩擦热将其熔融并混合均匀,然后经口模挤出、模具造型、脱模冷却后得到制品。其挤出过程是物料由固态(结晶态或玻璃态)液态(粘流态)固态(结晶态或玻璃态) 的以物理变化为主的过程。而反应挤出中
5、存在着化学变化,如单体之间的缩聚、加成、开环形成聚合物的聚合反应,聚合物与单体之间的接枝反应,聚合物之间的交联反应等。 聚合物在反应过程或者在聚合物合成过程中反应体系的粘度往往越来越高。 实践证明,当聚合物粘度在 10-1000Pas 时,聚合物原料在传统反应器中已不能进行聚合反应,需要进行稀释以降低其粘度。反应挤出却可以在此高粘度下实现聚合反应。其主要原因为螺杆和料筒组成的塑化挤出系统能将聚合物熔融后降低粘度,并利用螺杆转动使之混合均匀,从而把聚合物的化学反应与挤出加工有机地结合成一个完整连续的过程。 反应挤出具有很多优点,如:螺杆挤出机可根据需要设置多处加料口,根据各种化学反应自向的规律,
6、 沿螺杆的轴向将物料按一定程序和最合适的方式分步加入, 可以控制化学反应按预定的顺序和方向进行。 可以精确控制反应温度,并可根据化学反应本身的特点和规律,通过温度沿螺杆轴向的分布和分面梯度来控制反应进行的方向、速度和程度,以减少副反应的发生。螺杆挤出机的混合能力很强,提高了反应物料体系的混合均匀程度。通过调整螺杆转速和螺杆的几何结构,可以控制反应物料的停留时间和停留时间分布。反应挤出比较适合于反应速度较快的化学反应。副反应较少,选择性较好。螺杆挤出机既是反应器,又是制品成型设备,从而使生产工艺过程做到了工序少、流程短、能耗低、成本低、生产效率高。 尽管反应挤出技术有上述优点,但也存在一些缺点,
7、如:技术难度大。不但要进行配方和工艺条件的研究,而且要针对没的反应设计所需的新型反应挤出机,研发资金投入大,时间长。难以观察检测。物料在挤出机中始终处于动态、封闭的高温、高压环境中,难以观察、检测物料的反应程度;物料停留时间较短,一般只有几分钟时间,因而要求所要进行的反应必须快速完成;如果反应时间超过 20min,则用反应挤出技术就没有意义。技术含量高。反应挤出技术涉及到聚合物材料、化学工程、聚合反应工程、橡塑机械、聚合物成型加工、机械加工、电子等诸多学物,需较长时间的研究和多方合作才能取得成果。 综上所述, 反应挤出技术具有研发投入高、 技术含量高、 产品利润高的特点, 虽在研发阶段困难多,
8、但在工业应用上优势明显,正因为如此,它才成为当前国际上的研究热点。2、 反应挤出的设备反应挤出所用设备可以是普通的单螺杆或双螺杆挤出机,也可是是针对某种反应特征而专门设计制备的反应式挤出机。用于聚合物反应挤出的螺杆挤出机应具有以下功能:高效率的混合功能;高效率的脱挥功能;高效率的向外排热功能;合理的物料停留时间。 2.1 单螺杆挤出机 单螺杆挤出机的混炼效果及容量不及双螺杆挤出机, 但其设备价格低、 投资小, 因此应用极为广泛。普通的 3 段式单螺杆挤出机螺杆分为加料段、熔融段和均化段,不能满足反应挤出的需要。吴大鸣等对传统的 3 段式单螺杆挤出机进了设计改造,在螺杆上加设反应段。反应段螺槽比
9、均化段要深,这样就增加了熔体的停留时间,提高了原料的反应程度。 2.2 双螺杆挤出机 双螺杆挤出机具有两大功能,一是以混炼、塑化、改性为主;二是用于反应挤出。双螺杆反应挤出机作为一种连续加工的反应器,初始物料从料斗加入,在螺杆的作用下输送、混合、剪切、反应、传热、脱挥、造粒或模塑成型。双螺杆反应挤出机由于料筒上的 2 个孔相通,物料相互窜流而具有非常优异的分布混合特性。 2.3 螺杆一线式电磁动态塑化挤出机 螺杆一线式电磁动态塑化挤出机是华南理工大学的瞿金平发明的一项专利。 该挤出机的挤压装置放在电机转子的内腔中,改变了传统挤出机由电机驱动、带传动、齿轮传动,螺杆和料筒挤出成型的模式。该挤出机
10、将电机、减速箱、螺杆、料筒等结合在一起,省去了中间传动环节,采用能理直接转换实现了机、电、磁一体化。它将电磁功率直接转化为热能、压力能及动能来完成物料的输送、混合、反应、脱挥、塑化、挤出成型,实现了挤出机电磁能量直接转换和物料动态反应挤出。 螺杆一线式电磁动态塑化挤出机的每一阶均有独立的驱动系统和加热冷却系统。 第一阶为多螺杆挤出机,聚合物由于主、副螺杆的相互啮合产生捏合挤压与混合,同时在振动力场作用下,啮合区间隙随时间周期性变化,经定量加料系统进入的物料被螺杆间的运动拉入压延间隙,实现动态压延混合,而且瞬时变化的剪切速率和压力产生耗散热能,因此物料被快速熔融和混炼,各组分之间的相互扩散加强,
11、参与反应的物质充分均匀混合,反应进行得更加彻底。第二阶为单螺杆挤出机,在振动力场作用下使聚合物进一步熔融和塑化,实现低温挤出。通过调节各阶的转速、温度、压力、频率和振幅,可以达到控制化学反应过程、 反应产物结构与性能的目的, 突破了控制预聚物或聚合物混合混炼过程及停留时间分布不可控的难点, 解决了振动力场作用下聚合物反应加工过程中的质量、 动量及能量传递的平衡问题,实现反应产物产量与质量的良好协同,从而得到性能更加优异的物品。21Conex挤出机Conex挤出机是一种多层结构单机共挤出设备,它是由以瑞士Nextmm公司为首的4家欧洲公司联合开发的,前后用了5年时间,花费近千万美元。Conex挤
12、出技术源白芬兰VTT化工技术公司的一个实验室研究计划。该工艺采用了一系列起着螺杆作用的锥形转子,每一转子内均有一凹槽,每一凹槽内流动着一层树脂,与外部转子表面的凹槽一样,内部凹槽也有一定几何形状,安放在锥度相同的类似机筒的定子中,定子沿机器的平面方向倾斜一角度。转子用来塑化、输送物料并使物料在最低程度上承受热与剪切作用,以减少降解与应力。该设备极适用于加工对热和剪切敏感的树脂,以及像填充聚烯烃和超高分子量聚乙烯之类的材料“。conex挤出机的挤出速度为40一300 kgh,主要取决于所使用的树脂。Ne妣mm公司目前可供具有3个转子6层共挤出的生产线。conex挤出机的主要特点可归纳为J:可配合
13、单层或多层挤出;滞留时间短;可进行快速换色;可通过控制转子和送料螺杆的速度来控制物料的输出量和熔融温度;可调校通道间隙;结构紧凑,节省空间;可使无机物分子取向;对温度敏感的聚合物热应力较小;对固体的剪切率较高;噪声低。此外,这种新型的多层挤出机头不仅能改变对熔体的控制,而且参数调整简便可靠。每个料层的厚度可以由送料速度来控制,也可以用改变流道间隙的方法来调整,并可以通过改变空心套的转速和送料速度来调整熔体的温度和产量。如果送料螺杆的速度不变,空心套的转速增加,则熔体的温度会升高;如果空心套的转速不变,而送料螺杆的速度增加,则熔体温度会降低。22ZX新型挤出机北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所
14、正在设计的zx新型挤出机将是共挤出领域的一次革新。zx新型挤出机是在普通单螺杆挤出机上研究开发的,只用一台机器可同时挤出鼹种相同或不同的物料,可挤出单层或多层制品。当挤出相同物料时,一台挤出机可相当于两台单螺杆挤出机的功效,因此产量和挤出效率大大提高;当挤出不同的物料时,可实现单机双层共挤,从而使共挤机组减少一台主机(节约人民币2030万元)。这种技术不仅投资小、设备占地面积小,而且挤出效率高、操作简单、维修简单。此外,zx新型挤出机使用单机双层共挤复合机头,物料不会从侧面进入,可弥补传统共挤出技术的缺点,如由于分隔器使熔体上形成一些称之为“熔接线”的痕迹问题。该新型挤出机的技术核心是采用嵌套
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