反应挤出过程的分类及特点

（一）通过反应挤出过程进行的反应类型

适于反应挤出并已试验可行的化学反应类型有以下六类。

1.本体聚合

从一种单体、多种单体混合物、低分子量的预聚物或单体与预聚物的混合物出发，通过加聚或缩聚，制备得到高分子量的聚合物。这一类反应加聚实例有聚氨酯、聚酰胺、聚丙烯酸酯和相关共聚物、聚苯乙烯和相关共聚物、聚烯烃、聚硅氧烷、聚环氧化合物、聚甲醛等；缩聚实例有聚醚酰亚胺、聚酯等。

2.接枝反应

在挤出机反应器中发生的接枝包括熔融的聚合物或多种能够在聚合物主链上生成接枝链的单体进行的反应，得到接枝型或共聚型聚合物。如PS—马来酸酐、EVA—丙烯酸、聚烯烃—马来酸酐等。

3．链间形成共聚物反应

由两种或两种以上的聚合物通过离子键或共价键形成无规、接枝或嵌段共聚物的反应。在挤出机反应器中，通过链断裂—再结合的反应过程形成无规或嵌段共聚物，或者一种聚合物的反应性基团与另一种聚合物的反应性基团结合，生成嵌段或接枝共聚物，或者通过共价交联或离子交联的方式形成链间共聚物都是可行的，如PS—聚烯烃。

4．偶联／交联反应

聚合物与多官能团的偶联剂或支化剂反应，使大分子链增长、支化，从而提高了分子量；或聚合物与缩合剂反应，使分子链增长，获得较高的分子量；或聚合物与交联剂反应，通过交联增加熔体黏度。具有能与缩合剂、偶联剂或交联剂发生反应的端基或侧链的聚合物适合参与这样的反应，如尼龙或聚酯等，亚磷酸酯等可以作为缩合剂，而含有环酐、环氧化合物、唑啉、碳化二亚胺和异氰酸酯等的多官能团化合物可作为偶联剂，如PBT—二异氰酸酯—环氧树脂即属于这一类。

5．可控降解反应

控制高分子量的聚合物降解到一定的分子量或控制降解到单体，以满足某些特殊的产品性能。例如，PP－过氧化物通过加热剪切降解达到改善加工性，又如，PET—乙二醇通过降解反应使之适于纺丝。

6．官能化／官能团的改性反应

在聚合物分子骨架、末端、侧链上引进官能化基团或使已存在于聚合物大分子上的官能团发生改性，以满足某种特殊反应的要求。如PO类的卤化以除去副产物，引入氢过氧化物基团，聚酯上的羧酸端基封闭以改善聚酯的热稳定性，侧链上的羧基或酯基热脱水环化，羧酸的中和、不稳定末端基的破坏、稳定剂在聚合物大分子上的结合，在PVC大分子上的置换反应等。

（二）反应挤出的特点

传统的挤出成型过程一般是将聚合物作为原料，由料斗加入螺杆的固体输送区压实，在螺杆转动下依靠螺杆的螺旋作用和物料与料筒内壁的摩擦作用而将物料向前输送，随后在螺杆的熔融区利用料筒壁传来的外加热量和螺杆转动过程中施加给物料的剪切摩擦热而熔融，再在螺杆熔体输送区内使熔融物料进一步均化后输送给机头模具造型后出模冷却定型。这一过程可以简单地看作为物料的固态（结晶态或玻璃态）、液态（黏流态）、固态（结晶态或玻璃态）的物理变化主过程，并可能伴随有少量的化学反应，变化的结果是用模头成型出各种各样、千姿百态的高分子制品。(www.xing528.com)

1．优点

与此过程不同，反应挤出存在化学反应，这些化学反应有单体之间的缩聚、加成、开环得到聚合物的聚合反应，有聚合物与单体之间的接枝反应，有聚合物之间的相互交联反应等。与传统的间歇反应器中进行的化学改性方法相比，反应挤出有很多优点：

（1）适合于高黏度的聚合物熔体聚合。螺杆挤出机的混合能力很强，具有能处理高黏度聚合物的独特功能。聚合物在反应过程或者在聚合物合成过程中，反应体系的黏度往往越来越高。当聚合物黏度在10～10000Pa·s时，聚合物原料在传统反应器中已不能进行聚合反应，需要使用聚合物质量5～20倍的溶剂或稀释剂来降低黏度，改善混合和传递热量才能保证反应进一步持续进行下去。而反应挤出却可以在此高黏度下实现聚合反应。其主要原因是螺杆和料筒组成的塑化挤压系统能将聚合物熔融后降低黏度，利用熔体的横流使聚合物相互混合达到均匀，并提供足够的活化能使物料间的反应得以进行，同时利用新进物料吸收热量和输出物料排除热量的连续化过程来达到热量匹配，利用排气孔使未反应单体和反应副产物逸出。从而把聚合物化学反应与挤出加工有机地结合成一个完整连续的反应性聚合物加工过程。

（2）反应可控性好。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身的规律，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。由于挤出过程连续，使反应过程的精确控制成为可能，如通过改变螺杆转数、加料量和温度条件，可精确控制最佳的反应开始时间和反应终止时间，以减少副反应的发生。通过调整螺杆转速和螺杆的几何结构，可以在一定范围内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。

（3）缩短反应时间，提高生产效率。对同样的反应，与传统的间歇反应器相比反应挤出可大大缩短反应时间，提高生产效率，并由于反应挤出尤其是双螺杆挤出机具有良好的自洁能力，大大缩短物料的停留时间，从而避免聚合物长时间处于高温下导致分解。

（4）生产的灵活性强。反应挤出机所适应的压力和温度范围广，可随时调整螺杆结构和挤出工艺参数，以适应不同的物料体系，因而具有很大的更换产品的灵活性。

（5）环境污染小。不使用溶剂或很少量溶剂，因而可以节省大量溶剂，甚至反应后无须进行溶剂回收，节省了溶剂回收设备，减少对人体和环境的危害。

（6）成本低，产率高。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、消耗小、成本低、生产产率高。

2．缺点

尽管反应挤出技术有很多优点，但也存在以下缺点。

（1）技术难度大。不但要进行配方和工艺条件的研究，而且要针对不同的反应设计所需的新型反应挤出机，研发资金投入大，研发时间长。

（2）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；如果反应超过20min，则用反应挤出技术就已没有意义。

（3）技术含量高。反应挤出技术涉及高分子材料、高分子物理、高分子化学、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、材料等诸多学科，要取得成果需较长时间的研究和多方合作才可达成。

因此，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，在研发阶段困难多，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。