反应挤出工艺的过程和原理

按照反应工程理论，任何反应器内的实际过程，既包含基本的化学反应过程，同时也伴随着众多的传热、传质、流动等物理传递过程，这些因素相互影响渗透，共同决定着最终的反应结果。对于反应挤出机而言，流变性、热传递和化学反应对反应结果起着关键作用，同时它们之间也是相互联系、相互影响的，决定着挤出机的性能和最终产品的质量。从化学反应的观点出发，反应挤出就是要使聚合物与反应性添加物在挤出设备中的停留时间之内，能有效地发生所期望的化学反应，并得到所需要的反应结果。然而由于反应挤出过程是连续的，物料在此过程的停留时间有限，高黏度引起的介质混合困难与系统向外的传热很差等局限性，使反应挤出过程对工艺条件要求比较严格。具体要求是高效率的混合功能，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，强输送能力和强剪切功能。

（一）高效率的混合功能

混合是反应挤出过程成败的关键。反应挤出不同于一般的挤出过程，它往往要对黏度差异较大的物料进行混合，混合难度大。而在反应挤出中，各组分之间的混合程度对反应速度和生成物质量有非常重要的影响，只有当各组分混合均匀时，才能在短时间内达到充分反应，并使反应产物趋于一致。因此要求挤出机有更好的混合性能。总的要求是挤出机应有良好的分布混合和分散混合能力，应有良好的径向混合（即在垂直于挤出方向的截面内各点的混合均匀）和纵向混合（即在垂直于挤出方向的不同截面内的混合应均匀），应有良好的宏观混合和良好的微观混合。

混合作用又可分为分散混合和分布混合。分散混合是借助作用于界面上聚合物熔体的应力打碎分散相的过程，应力由移动面（螺杆）传给熔体，当分散相是固体时，应力主要用来克服内聚力；当分散相是液体时（如另一种聚合物熔体），应力需要克服界面张力，因此高剪切力通常是成功地进行分散混合的必要条件。

反应挤出机除了应有良好的分散混合能力外，尤其应能提供良好的分布混合。由于反应挤出过程不同于一般挤出过程，它要使不同高黏度的物料之间发生混合，这样，分布混合起支配作用，即挤出机尤其应能提供良好的分布混合。根据混合理论，分布混合中，各组分只有空间位置的变化，其混合程度可用界面增长来度量，而影响界面增长的关键变量是应变和界面相对剪切方向的取向。增加剪切速率，可以增加应变，增加界面增长。但剪切速率的增加主要靠提高螺杆转数，而螺杆转数的增加会影响物料在挤出机内的停留时间，进而会影响反应的完成程度，因而应尽量通过使各组分之间的界面相对于剪切方向不断重新取向来提高界面的增长率。用这种方法，可使混合效率呈指数函数增长，而与应变速率无关，甚至可以在低的螺杆速度下进行反应挤出而获得良好质量的反应物。

（二）高效率的脱挥功能

在反应挤出中，聚合物熔体内常伴随一些挥发性组分（如残余气体、挥发性的低分子副产物或未反应的低分子添加剂、水等）产生，要使反应挤出过程稳定进行和完成，挤出机应具备良好的排气、脱水功能，能有效地将挥发组分从熔体中排除。这就要求在反应挤出机上设置排气段（脱挥区）而使其具有脱挥功能。在达到所要求的反应程度后，需要脱除的挥发性组分随物料进入脱挥区。为了提高脱挥效率，常将排气段螺杆的螺距加大，降低填充程度，从而提供足够大的自由体积空间。在排气段的机筒上，开有排气口，通过排气口抽真空加速排除挥发性组分。如果反应挤出过程要求设备具有非常高的脱挥能力，则可设置多个脱挥区，进行分段脱挥。排气段的位置设置是否合适，会直接影响排气操作的成功与否。应当避免非熔融物料或凝固的聚合物堵塞排气口，从而影响正常的排气操作，致使挥发性组分难以除去。在任何反应性挤出加工中，必须通过有效的脱挥作用和抽真空来成功地除去副产品和无用、有害的气体。

（三）高效率的向外排热功能

反应挤出过程一般要在一定的温度范围内进行。在反应过程中，一方面不同阶段反应本身要放热或吸热；另一方面，高黏度物料间的相对剪切运动会产生黏性耗散热，即由作用于塑化挤压系统的机械功转换而产生的。同时，由于黏性聚合物的热传递系数非常低，导热性差，不利于反应体系的温度控制。如果能及时将反应体系的热量排放出去或者向其输入热量，使反应体系处于热平衡状态，那么反应才能顺利、平衡地进行。(www.xing528.com)

由以上分析，在反应挤出中，热量的输入一般不是太大的问题，热量还可通过外加热输入，但热量的排出是一个严重的问题，因为大多数的聚合物反应是放热的。为了顺利地导出热量，因此就要求挤出机有较好的热交换能力，如较大的热传递面积和传热系数；严格的温控过程和较高的温控精度。在某些情况下，蒸发和除掉反应副产品也可以帮助维持在控制的温度下进行反应。

（四）合理的停留时间

螺杆挤出机作为反应器，化学反应发生在挤出机的螺杆、机筒里，这就意味着聚合物进行的化学反应时间有限和空间有限。为在挤出过程中使反应充分进行，挤出操作应保证足够的反应空间、适宜的停留时间及停留时间分布。反应空间主要取决于反应器的几何结构设计。而停留时间除了与反应空间有关外，还与容积挤出量有关。

物料在挤出机内的停留时间和停留时间分布对反应挤出过程有着决定性的影响。停留时间要适当，过短，反应不充分进行；过长，又易引起物料降解。因此在能够充分反应的前提下，要尽量缩短物料在挤出机内的停留时间。停留时间分布也是影响反应质量的重要因素，只有所有物料在挤出机中的停留时间大致相等时，反应物质量才能均匀稳定。

实践表明，挤出机合适的反应时间是几秒到大约20min的范围，超出这个时间范围，从技术上讲，加工工艺或许是可行的，但从经济上来讲或许就不合适了。好在螺杆挤出机反应效率高，在传统的间歇式反应釜里聚合物反应需要超过4h，而在双螺杆挤出机里也许只需要10min左右，聚合加工即进行完毕。

（五）强输送能力和强剪切功能

反应挤出时，参与反应的物料黏度往往较大，物料的流动阻力大，要使物料从机头挤出，就要求挤出机具备较强的输送能力，能够连续而稳定地将物料向机头推进，并在排料段建立足够高的压力，以便将物料由机头挤出，进行造粒子或直接成型。同时强烈的剪切作用有助于化学反应的进行。