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(hù)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(kuò)散和氣泡破裂進(jìn)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(kuò)散來實現(xiàn),通常需要很長的時間,而且是加工前進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)

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

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1 排氣單螺桿擠出機(jī)

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(jī)頭

排氣單螺桿擠出機(jī)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(jìn)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(fù)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(jī)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(jī)進(jìn)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(jìn)了排氣效果,從而使同向雙螺桿擠出機(jī)比排氣單螺桿擠出機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)

對于異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī),嚙合型擠出機(jī)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(jī)由于軸向敞開,可以用于脫揮。
多螺桿擠出機(jī)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(jìn)到滿意的結(jié)束階段。

2 單螺桿擠出機(jī)脫揮機(jī)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(jī)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(jī)工作特性曲線

圖3為排氣式單螺桿擠出機(jī)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(jī)頭特性曲線,與機(jī)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(jī)頭特性曲線。Q1、Q2與K線的交點C為排氣擠出機(jī)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(jī)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(jī)頭壓力控制在Pc點。當(dāng)機(jī)頭壓力較大,如圖中Pa,機(jī)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(jī)頭壓力為Pb小于Pc時,其機(jī)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(jī)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(kuò)散,考慮了粘附在機(jī)筒內(nèi)壁上的聚合物熔膜以及在螺桿推進(jìn)面一側(cè)的熔池內(nèi)的擴(kuò)散。在那時還無法得到苯乙烯在聚苯乙烯中的精確擴(kuò)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(kuò)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(rèn)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(rèn)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(jī)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(kuò)散模型認(rèn)為脫揮速率受到揮發(fā)分在聚合物熔體中擴(kuò)散的限制;經(jīng)驗?zāi)Ｐ驼J(rèn)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(kuò)散模型計算得到的擴(kuò)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(jī)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(kuò)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(kuò)散系數(shù)與上述從分子擴(kuò)散機(jī)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(jī)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(rèn)為氣泡傳遞在整個脫揮機(jī)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(kuò)散過程,而氮氣作用下的脫揮才是一個無氣泡僅靠分子擴(kuò)散的傳質(zhì)過程。在此認(rèn)識的基礎(chǔ)上,建立了比較完善的單螺桿擠出機(jī)擴(kuò)散脫揮模型。

3 雙螺桿擠出機(jī)脫揮機(jī)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(jī)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(jī)不同于單螺桿排氣擠出機(jī),大多采用計量加料,雙螺桿擠出機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)有多個工作點,這一點與單螺桿擠出機(jī)很不一樣。

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5 排氣雙螺桿擠出機(jī)工作特性曲線

在同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)中,機(jī)頭至排氣口間的第二計量段的作用是向機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)脫揮時采用的分子擴(kuò)散模型基礎(chǔ)上建立了嚙合型同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)內(nèi)的脫揮過程,得到了與Latinen提出的單螺桿擠出機(jī)模型并列的分子擴(kuò)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(dá)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(jī)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(jī)模擬了單螺桿以及雙螺桿擠出機(jī)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(jī)的流動特征與質(zhì)量傳遞模型聯(lián)系起來討論了分子擴(kuò)散控制的脫揮過程。他認(rèn)為機(jī)筒壁面上物料的混合效率低,從而忽略機(jī)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(jī)。B.Poltersdorf也結(jié)合擠出機(jī)內(nèi)的流動特征對異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的擴(kuò)散脫揮進(jìn)行了理論研究。

當(dāng)螺桿擠出機(jī)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(jī),這樣可以減少真空泵的負(fù)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(jìn)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(jī)進(jìn)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(kuò)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(jī)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(jī)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(jī)進(jìn)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(jìn)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(kuò)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(jī)器的最佳工況,即穩(wěn)定擠出、排氣口不冒料時達(dá)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(jī)排氣口冒料的研究進(jìn)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(jìn)行定量描述,且排氣擠出機(jī)脫揮理論的研究大多局限于單螺桿擠出機(jī),Lindt& Foster的大量工作使得異向旋轉(zhuǎn)非嚙合雙螺桿擠出機(jī)的脫揮理論較同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)脫揮理論完善。對于同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī),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(jī)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(jī)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(jī)的起泡控制脫揮和擴(kuò)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(jī)中的非牛頓流體三維流動,得到了物料在雙螺桿擠出機(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)筒設(shè)定溫度是雙螺桿擠出機(jī)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(kuò)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(jìn)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。