擠出工藝漫談之脫揮

2017-05-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在擠出成型過程中,由于所使用的物料往往夾帶空氣、水分、剩余單體、低聚物等等揮發(fā)分,如不排除,則會形成氣泡、孔隙、疤痕等等,影響到制品的質(zhì)量。而且現(xiàn)今因為環(huán)境保護和食品包裝的需求,制品中殘余單體的含量要求越來越嚴(yán)格,有些甚至要求降到幾個ppm。聚合物脫揮即是這種從聚合物體系中脫除低分子量組分的工藝過程,是聚合物擠出加工中經(jīng)常被低估但卻是非常重要的一個環(huán)節(jié)。

聚合物脫揮有三個基本操作單元,即界面產(chǎn)生、界面質(zhì)量傳遞和界面更新。通過薄膜形成和氣泡的長大來產(chǎn)生界面、通過擴散和氣泡破裂進行質(zhì)量傳遞、通過對流混合更新界面,是一個非常復(fù)雜的物理過程。

可以將揮發(fā)分從固態(tài)聚合物中移除,這主要是依靠擴散來實現(xiàn),通常需要很長的時間,而且是加工前進行分批處理,常用設(shè)備有加熱的流化床或旋轉(zhuǎn)的真空腔室。易吸濕的聚合物,如尼龍或PET通常采用這種方式。對于少量的干燥或空氣移除,也可以使用直接跟擠出機相連的真空加料斗。然而,從聚合物熔體中脫除揮發(fā)分是一個更廣泛應(yīng)用的方法。螺桿擠出機由于其連續(xù)工作方式以及可以提供高的表面更新、均勻剪切和好的橫向混合而廣泛應(yīng)用于聚合物熔體脫揮。

1 脫揮用螺桿擠出機

在種類繁多的擠出機家族里用于工業(yè)脫揮的有單螺桿擠出機、嚙合型同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機、多螺桿擠出機以及非嚙合型異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機。

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1 排氣單螺桿擠出機

a—加料段;b—壓縮段;c—第一計量段;d—阻尼段;

e—排氣段;f—壓縮段;g—第二計量段;h—閥,i—機頭

排氣單螺桿擠出機在第一計量段與第二計量段之間加入了一段排氣段。排氣段螺槽加深從而使自由容積加大,熔體進入排氣段螺槽中處于非充滿狀態(tài),形成脫揮的自由表面,當(dāng)物料壓力驟然降至零或負壓,并在螺桿的攪拌下,熔體中含有的水分、低分子易揮發(fā)物得以脫出。若要用真空排氣,則需要采用淺螺槽在上下游形成熔體封閉。為防止排氣口溢料確保穩(wěn)定擠出,在設(shè)計的時候要注意上下游兩級計量段的泵送能力的平衡。由于單螺桿擠出機在排氣區(qū)的表面更新作用弱,因而排氣效果較差,適用于一些揮發(fā)分含量較低的場合。
很早以前,就有建議用同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機進行脫揮。由于兩根螺桿的相互嚙合,在嚙合處對物料的剪切過程使物料的表層得到不斷的更新,增進了排氣效果,從而使同向雙螺桿擠出機比排氣單螺桿擠出機具有更好的排氣性能。在排氣段采用大導(dǎo)程的螺紋輸送元件,與第一計量段之間通常用環(huán)壩或反螺紋元件建壓。越過環(huán)壩的熔體進入排氣段,壓力釋放,揮發(fā)分得以逸出。由于同向雙螺桿擠出機其螺槽縱向敞開,因而第二計量段中未充滿區(qū)域都將參加脫揮。由于同向雙螺桿擠出機的主要目的是混合和造粒,從上游工序來的物料其揮發(fā)分通常由效率高的閃蒸罐脫除,物料中揮發(fā)分含量通常低于10%。

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2 帶排氣口的同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機

對于異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機,嚙合型擠出機不適于用于脫揮,因為其軸向封閉,C型室完全封閉、相互隔離,揮發(fā)分不能逸出,但非嚙合異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機由于軸向敞開,可以用于脫揮。
多螺桿擠出機由于多根螺桿旋轉(zhuǎn),相互作用,從而有很高的表面更新能力,適于脫揮,尤其適于那些需要長停留時間的化學(xué)反應(yīng)擠出,如縮聚反應(yīng),或者用于物理移除反應(yīng)副產(chǎn)品以將反應(yīng)推進到滿意的結(jié)束階段。

2 單螺桿擠出機脫揮機理的發(fā)展

2.1 工作特性

有很長一段時間,從業(yè)者僅關(guān)注排氣單螺桿擠出機的產(chǎn)量平衡問題,討論穩(wěn)定擠出和排氣口不冒料的各種影響因素以及提高排氣效率的措施。

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3 排氣單螺桿擠出機工作特性曲線

圖3為排氣式單螺桿擠出機在一定螺桿轉(zhuǎn)速NR下的工作特性曲線。Q1為第一計量段的理論特性曲線,因第一計量段末的壓力為零,其輸送能力是一個定值,因此特性曲線Q1平行于橫坐標(biāo);Q2是第二計量段的工作特性曲線,它是螺桿端部壓力的函數(shù);K線為機頭特性曲線,與機頭流道幾何尺寸有關(guān),K1、K、K2分別為具有高、中、低阻力的機頭特性曲線。Q1、Q2與K線的交點C為排氣擠出機的最佳工作點,C點所對應(yīng)的壓力Pc稱為最佳工作壓力。

要使擠出機正常工作,即順利排氣和穩(wěn)定擠出,最理想的狀態(tài)是將機頭壓力控制在Pc點。當(dāng)機頭壓力較大,如圖中Pa,機頭特性曲線K1與Q2交于a點,這時所對應(yīng)的生產(chǎn)能力Qa小于Q1,即第二計量段的輸送能力比第一計量段的小,從而使得由第一計量段輸送來的剩余物料滯留在排氣段,將排氣口堵死或溢出,即出現(xiàn)“冒料”。當(dāng)機頭壓力為Pb小于Pc時,其機頭特性曲線K2與Q2交于b點,第二計量段的輸送能力Qb大于第一計量段的輸送能力Q1,這時第一計量段送來的物料不能完全充滿第二計量段,就會出現(xiàn)擠出不穩(wěn)定現(xiàn)象,影響產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 定量研究

G. A. Latinen是第一個定量研究脫揮的人,在1962年用排氣單螺桿擠出機將少量苯乙烯從聚苯乙烯中脫出。他假定脫揮僅僅是由于揮發(fā)分分子向聚合物—蒸氣界面的擴散,考慮了粘附在機筒內(nèi)壁上的聚合物熔膜以及在螺桿推進面一側(cè)的熔池內(nèi)的擴散。在那時還無法得到苯乙烯在聚苯乙烯中的精確擴散系數(shù),只能根據(jù)實驗數(shù)據(jù)從數(shù)學(xué)模型中計算得到,他得到的擴散系數(shù)值至少比現(xiàn)在測得的值大兩個數(shù)量級。他也感到這些值太高了,并認為誤差來自于模型沒有考慮熔體表面的不平整度,因為他認為揮發(fā)分含量太低不可能形成氣泡。

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4 單螺桿擠出機中形成的滾動熔池和熔膜

Coughlin & Canevari在1969年也提出了兩個描述螺桿擠出過程中脫揮的模型:擴散模型認為脫揮速率受到揮發(fā)分在聚合物熔體中擴散的限制;經(jīng)驗?zāi)Ｐ驼J為聚合物—蒸氣界面的傳質(zhì)阻力是限制脫揮速率的因素。通過實驗用擴散模型計算得到的擴散系數(shù)比實際測得的大幾個數(shù)量級。氣泡形成的可能性再次被提出,但沒有證實它的存在。G.W. Roberts考慮熔池內(nèi)的環(huán)流以及螺棱的不斷運動造成的表面更新,提出了新的排氣擠出機脫揮模型。他采用Coughlin& Canevari的實驗數(shù)據(jù),找到了對模型的部分支持,但按其模型計算得出的擴散系數(shù)也比實際測得的大許多。

1983年,J.A. Biesenberger等通過大量的實驗和理論研究,闡明了實際擴散系數(shù)與上述從分子擴散機理模型得到的計算值間的差異。他們發(fā)現(xiàn)在單螺桿擠出機中,真空下的脫揮效率比在氮氣作用的一個大氣壓下要高一些,因而認為氣泡傳遞在整個脫揮機理中擔(dān)任重要角色,并且真空下的脫揮不是一個簡單的分子擴散過程,而氮氣作用下的脫揮才是一個無氣泡僅靠分子擴散的傳質(zhì)過程。在此認識的基礎(chǔ)上,建立了比較完善的單螺桿擠出機擴散脫揮模型。

3 雙螺桿擠出機脫揮機理的發(fā)展

3.1 工作特性

單、雙螺桿多階一線式排氣擠出機出現(xiàn)排氣口溢料的根本原因是螺桿各階輸送能力不平衡。供料方式上,雙螺桿擠出機不同于單螺桿排氣擠出機,大多采用計量加料,雙螺桿擠出機的產(chǎn)量等于加料量,加料量的多少是一個獨立的、可以直接控制的工藝參數(shù)。當(dāng)加料量在各階輸送能力許用范圍內(nèi)增大時,如圖5中由Qm增大到Qm,b,機頭壓力由Pm增大至Pb,這時,第二計量段的有效充滿長度由Lf加長Lf,b;而當(dāng)加料量減少到Qm,a時,機頭壓力也相應(yīng)降低到Pa,第二計量段的有效充滿長度縮短Lf,a。因而對于雙螺桿擠出機來說,螺桿特性曲線不只是受螺桿幾何參數(shù)和物料粘度影響,而且還與螺桿有效充滿長度有關(guān)。在相同螺桿轉(zhuǎn)速下,只要是饑餓喂料而未發(fā)生溢流時,由于螺桿有效充滿長度變化,相對于加料量總能找到一個工作點,即在一個螺桿轉(zhuǎn)速下,雙螺桿擠出機有多個工作點,這一點與單螺桿擠出機很不一樣。

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5 排氣雙螺桿擠出機工作特性曲線

在同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機中,機頭至排氣口間的第二計量段的作用是向機頭提供均勻的高壓熔體。當(dāng)?shù)诙嬃慷屋斔湍芰π∮?/span>Qm時,會使得Lf大于第二計量段設(shè)計長度,排氣口處螺槽充滿物料,造成排氣口溢料。再則,由于機筒的排氣段開有排氣口,使得排氣段螺桿喪失了一部分熔體輸送能力,若排氣段螺桿幾何參數(shù)設(shè)計不當(dāng),機筒開口過大會導(dǎo)致排氣段熔體輸送能力低于Qm,盡管滿足了第二計量段輸送能力大于Qm的條件,排氣口仍將出現(xiàn)溢料現(xiàn)象。

3.2 定量研究

對于雙螺桿擠出機脫揮的定量研究開展得較晚。D. B. Todd于1974年在Latinen研究單螺桿擠出機脫揮時采用的分子擴散模型基礎(chǔ)上建立了嚙合型同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機脫揮模型,討論了軸向混合對脫揮的影響。H.Werner對雙螺桿擠出機中影響排氣效率的各因素做了簡要的論述,給出了許多從商業(yè)加工中得到的典型數(shù)據(jù)。G.P. Collins等用傳遞單元長度來分析雙螺桿擠出機的脫揮和衡量操作單元的脫揮效率,研究了氮氣作用下高聚物在同向雙螺桿擠出機內(nèi)的脫揮過程,得到了與Latinen提出的單螺桿擠出機模型并列的分子擴散模型,提出用液相質(zhì)量傳遞系數(shù)來表示脫揮速率,并用滲透模型得出了質(zhì)量傳遞系數(shù)的表達式,但其實驗測得的質(zhì)量傳遞系數(shù)約為用數(shù)學(xué)模型計算的三分之一,這是因為其計算用的機筒和螺桿內(nèi)表面積之和明顯大于實際有效的質(zhì)量傳遞面積。針對這一問題,H.P. Han等用特制實驗機模擬了單螺桿以及雙螺桿擠出機C型室內(nèi)部分充滿時脫揮的流動形態(tài)。R.M. Secor將同向雙螺桿擠出機的流動特征與質(zhì)量傳遞模型聯(lián)系起來討論了分子擴散控制的脫揮過程。他認為機筒壁面上物料的混合效率低,從而忽略機筒壁面的傳質(zhì),而用滲透模型反映熔池內(nèi)傳質(zhì)過程,但該模型僅適合于實驗所用的特殊擠出機。B.Poltersdorf也結(jié)合擠出機內(nèi)的流動特征對異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機的擴散脫揮進行了理論研究。

當(dāng)螺桿擠出機應(yīng)用于脫除高濃度的揮發(fā)分或要求最后產(chǎn)品中揮發(fā)分含量非常低的場合時,通常采用多級排氣擠出機,這樣可以減少真空泵的負荷、有效控制氣泡長大和抽真空的速率以防排氣管路堵塞等。D.B. Todd和J. A. Biesenberger進行了這方面的初步研究。Lindt& Foster對帶有多級排氣的非嚙合異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機進行了大量的實驗研究,討論了各排氣段的氣泡控制脫揮質(zhì)量傳遞系數(shù)與轉(zhuǎn)速、產(chǎn)量和溫度的關(guān)系,以及最后一級排氣段的無泡擴散時脫揮效率與停留時間和螺槽充滿程度的影響,指出螺桿以及機頭特性對于螺槽充滿長度和傳質(zhì)面積的計算來說很重要。當(dāng)高聚物熔體沿著擠出機向前輸送而揮發(fā)分含量明顯降低時,他們建立了一個描述料流內(nèi)部從有氣泡到無氣泡轉(zhuǎn)換過程的模型,并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)推算得出了成核速率的經(jīng)驗公式。王寧和等在1994年對多段排氣同向雙螺桿擠出機進行了研究,討論了有排氣口和無排氣口時,與螺桿和排氣口形狀有關(guān)的總體膜界面形狀系數(shù)對于排氣行為的影響,并進一步討論了填充率以及充滿長度對脫揮效率的影響,但其研究主要集中在后一級擴散控制的脫揮過程。還有一些學(xué)者從實際應(yīng)用出發(fā),追求機器的最佳工況,即穩(wěn)定擠出、排氣口不冒料時達到高的排氣效率,如大田佳生在1996年對帶有多段排氣口的同向雙螺桿擠出機排氣口冒料的研究進行了大量的實驗研究和理論計算。這些研究成果對螺紋元件優(yōu)化組合、最佳工藝條件的確定、擠出量的計算具有一定的指導(dǎo)意義。

迄今還沒有合適的理論對氣泡核化、長大、移動和破裂與物性參數(shù)、工藝參數(shù)以及剪切的關(guān)系進行定量描述,且排氣擠出機脫揮理論的研究大多局限于單螺桿擠出機,Lindt& Foster的大量工作使得異向旋轉(zhuǎn)非嚙合雙螺桿擠出機的脫揮理論較同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機脫揮理論完善。對于同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機,由于嚙合區(qū)的存在,螺棱間隙非常小對半無限膜滲透模型影響,螺槽縱向敞開從而計量段中未充滿區(qū)域也將參加脫揮等等這一系列影響,使得同向雙螺桿擠出機脫揮模型的建立更加難。

4、工藝參數(shù)對脫揮效率的影響

筆者曾結(jié)合物料在同向雙螺桿擠出機中的流動特性,利用結(jié)構(gòu)微發(fā)泡中氣泡長大模型,建立了同向雙螺桿擠出機的起泡控制脫揮和擴散控制脫揮的有限膜物理和數(shù)學(xué)模型,采用有限元法分析了擠出機中的非牛頓流體三維流動,得到了物料在雙螺桿擠出機內(nèi)的壓力、速度和粘度分布以及螺桿特性曲線,求得了物料在雙螺桿擠出機內(nèi)的有效充滿長度、用于脫揮的未充滿段長度和脫揮傳質(zhì)面積。經(jīng)過理論與實驗分析,得到如下結(jié)論:

提高螺桿轉(zhuǎn)速,有利于氣泡形成、長大和破裂,有利于降低物料在螺槽中的充滿長度、增強物料質(zhì)量傳遞表面的更新作用,可以提高脫揮效率;但過高的轉(zhuǎn)速,使物料在脫揮段的停留時間急驟減少,脫揮效率反而下降。
主螺桿轉(zhuǎn)速、加料量以及機筒設(shè)定溫度是雙螺桿擠出機脫揮過程的主要影響因素。這些因素的變化又會影響物料溫度、螺槽充滿度、停留時間以及有效充滿長度,從而多方面地影響脫揮。對于特定的工藝和物料體系,有一個最佳工作點,在穩(wěn)定工作的情況下,可以得到最高的脫揮效率。
適當(dāng)降低喂料量可以減少排氣段的充滿率,使脫揮效率提高;但過低的喂料量不僅使擠出量減少并產(chǎn)生波動,而且由于充滿率太低,不足以形成熔池,使起泡脫揮效率下降,因此喂料量必須適中。
提高熔體溫度,使擴散系數(shù)和Henry常數(shù)增大,熔體粘度下降,有利于脫揮過程的進行。
增加物料在脫揮段的停留時間、增加脫揮段長度可以提高脫揮效率,為此在螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以考慮增加排氣段長度和采用多階排氣。