(1)反应挤出的要求反应挤出过程对条件要求比较严格,具体要求是:优良的混合。足够的反应空间、恰当的停留时间及停留时间分布、良好的温控、能脱去反应过程所产生的水分和气体、连续而稳定的挤出能力、能在挤出过程的不同阶段加入其他组分等。这些要求都是为了使反应迅速、充分、稳定和高效。
(2)反应挤出过程反应挤出过程包括加料、混合、反应、挥发分的脱除物料输送与排出等几个阶段。
①加料 反应挤出过程中液态单体、固体粉末、玻璃纤维等物料应在挤出机的低压区加入。固态粉料一般可在下游位置使用双螺杆侧喂料机进行喂料。液态添加剂很容易使颗粒打滑,使粉料在喂料口处结块。因此,大部分液态物料都在塑化段的下游注人。如果液态物料的添加量很大,则可以在沿程不同的部位分批添加。玻璃纤维或具有很强研磨性的填料可在第一段聚合物基体熔融之后,在其下游加入。聚合物熔体对填料和纤维的包裹不仅可最大限度地减轻其对机器的磨损,而且可避免玻璃纤维的断裂。
②混合 反应挤出过程不同于一般的挤出过程,它要使不同高低黏度的物料之间发生混合。混合也是反应挤出过程的关键,各组分间的混合状态的优劣决定反应速率和反应物的质量。反应挤出过程要求有良好的分散混合和分布混合能力;适当的剪切,以使聚合物分散和细化并产生变形,增加各组分间的接触界面;使聚合物分子链“解缠”,发生相对位移,使大分子活化,使某些链段断裂形成大分子自由基,为反应创造条件。
③反应 为了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。但若以Q表示反应挤出加工过程的容积流率,t表示物料在挤出机内的平均停留时间(平均反应时间),f表示容积充满系数,则反应空间V可粗略用下式表达:V=Qt/f
停留时间除了与反应空间有关外,还与容积流率与容积充满系数有关。一般来说,对所期望的容积流率Q、V就成为设计变量,因此增加V就成为增加停留时间的关键。对螺杆类挤出机来说,当其直径已定后,V就取决于长径比和螺杆结构。因此,物料要有适当的停留时间是对反应挤出机的基本要求:停留时间过短,反应不完全;过长,也会影响反应物性能且所有物料在挤出机中的停留时间应大致相等,使反应均匀、稳定。
当反应进行时,不同阶段可能是吸热或放热。这就要求挤出机及时提供热量和把热量导出。因此,反应挤出机应有较大的传热面积和传热系数,并配以精密的温度控制系统。对于大型的反应挤出机,更需要强化传热与温控。
④挥发分的脱除 反应挤出过程往往伴随有水分和气体产生,应及时排除,否则会影响反应过程的进行和完成。这就要求在反应挤出机上设置专门的排气段(脱挥区)。在达到所要求的反应程度后,需要脱除的挥发性的低分子副产物或未反应的低分子添加剂随物料进入脱挥区。为了有效地排气(脱挥发分),常将排气段螺杆的螺距加大(一般为1D~2D),降低填充程度,使排气区呈缺料状态,从而形成足够大的排气表面积。在排气段的机筒上,开有排气口。该排气口可直接与真空系统相连。假如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。
⑤输送物料和排出物料的能力 由于参与反应的物料黏度都比较大,要毫无困难地、连续而稳定地通过挤出机输送,这就要求挤出机的排出段能建立足够高的压力,以便将物料由机头挤出,进行造粒或直接成型出制品。螺杆末端部位的结构,在很大程度上决定物料的流动速度与排料压力。如小螺旋角能够提高压力流量,小螺距元件有利于获得高压状态,反螺纹(即左螺旋元件)可用来限制物料流动,并产生逆向料流和增大填充率。