反應擠出技術是一種將化學反應與聚合物加工過程一體化的技術 ，主要用于現有聚合物 的功能化 、聚合物的制備 、材料的高性能化改性等領域 ，是高分子材料反應加工學科的重要 組成部分 ，它的發(fā)展與擠出機的發(fā)展密切相關 。特殊結構的反應式螺桿如圖 1-22 所示。

圖 1-22   特殊結構的反應式螺桿

    （1） 反應擠出技術的原理  反 應擠出是以螺桿和機筒組成的塑化 擠壓系統(tǒng)作為連續(xù)反應器 ，將欲反 應的各種原料組分 ，如單體、引發(fā)劑、聚合物、助劑等一次或分次由相同的或不同的加料口加入到螺桿中 ，在螺桿的轉動下實現 各原料之間的混合 、輸送 、塑化 、反應和從口模的擠出過程 。而傳統(tǒng)的擠出過程是原料通過 外加熱量和螺桿轉動過程中施展給物料的剪切摩擦熱將其熔融并混合均勻的以物理變化為主 的過程 。反應擠出中存在化學變化 ，如單體之間的縮聚 、加成 、開環(huán)形成聚合物的聚合反 應 ，聚合物與單體之間的接枝反應 ，聚合物之間的交聯反應等。

      反應擠出是采用擠出機連續(xù)完成單體的聚合 ， 以及原有聚合物改性的工藝過程 。它的螺 桿有較長的長徑比（ 大約 30 左右）。在螺桿的出料端設計了螺桿反應段（ 又叫接枝段），在 機筒上有多個加料口 。反應擠出的基礎物料由加料口加入 ，加料段比普通螺桿的加料段長 些 ，壓縮比相對比普通螺桿大些 。機筒的加料段內壁開有幾條縱向溝槽 ， 以增加原料的運行 摩擦力 ，方便固體原料在此段的向前輸送 。而反應段螺紋最深 ，這樣是為了讓熔融反應略減 壓擠出 ，其他輔料助劑從不同的位置的加料口加入 ，一般由精密齒輪泵定量加入 。物料由螺 桿帶動向前運動 ，在不同的位置加入不同的反應助劑 ，在各個位置都有適宜反應工藝的螺桿 結構及機筒溫度 ，反應完成后可在指定的位置進行排氣 ，然后經過均化 ，擠出造粒或者直接 擠出制品 。這樣 ，一臺擠出機完成了反應器和成型機的雙重功能 ，這是既簡單又適用的工藝 過程。

以交聯聚乙烯管材生產為例 ，它是采用精密高壓齒輪泵 ，把按工藝配比要求的硅烷和助 劑（ 交聯劑 、引發(fā)劑） 分別直接注入單螺桿擠出機機筒的規(guī)定位置 ，而基礎原料從料斗加 料段加入 ，在擠出機螺桿完成輸送 、分散 、塑化過程的同時完成硅烷的接枝過程，擠出成型 后再進行水交聯 ，這種生產方式雖然比較復雜 ，但它的質量穩(wěn)定可靠 ，使用壽命長 。 目前有 一種一步法的硅烷交聯聚乙烯管生產技術 ，成本較低 ，簡單適用 。它的特點就是使用混料 機 ，把按照配方要求比例的原料樹脂 、硅烷和助劑 ，經過混合后再加入擠出機 ，在擠出過程 中完成了硅烷的接枝 。一步法完成交聯聚乙烯管的生產線 ，在我國得到廣泛應用 ，但它的質 量略差一點 。另外 ，韓國過氧化物交聯聚乙烯（ PEXa） 管材的連續(xù)高壓沖擊法生產技術在 我國也有大量應用。

（2） 反應擠出技術的特點

         1） 反應擠出技術的優(yōu)點。

① 可根據需要設置多個加料口 ，根據化學反應的自然規(guī)律 ，按一定程序和最合適的方 式分步加入 ，可以控制化學反應按設定的順序和方向進行。

② 可以精確控制反應溫度 ，通過沿螺桿軸向梯度分布溫度來控制反應進行的方向 、速 度和程度 ， 以減少副反應的發(fā)生。

③ 螺桿擠出機的混合能力很強 ，提高了反應物料體系的混合均勻程度。

④ 通過調整螺桿轉速和幾何結構 ，可控制反應物料的停留時間和停留時間分布 。反應 擠出比較適合反應速度較快的化學反應。

⑤ 副反應較少 ，選擇性較好。

⑥ 螺桿擠出機不但是反應器 ，又是產品成型設備 ，從而使生產工藝過程達到了工序少、 流程短 、能耗低 、成本低 、生產效率高。

2） 反應擠出技術的缺點。

① 技術難度大。

② 難以觀察檢測。

③ 技術含量高。

3） 反應擠出設備 。反應螺桿擠出機應具有能高效混合 、脫揮 、向外排熱功能和合理的 物料停留時間。

       ① 單螺桿反應擠出機 。單螺桿反應擠出機的混煉效果及容量不及雙螺桿反應擠出機， 但其設備設計制造容易 、操作簡單 、價格低廉 ，適合小工廠生產 ，在我國被廣泛應用 。而新  型單螺桿反應擠出機效果更好 ，如屏障型螺桿 、銷釘型螺桿 、分布螺桿及配置靜態(tài)混合器的  單螺桿反應擠出機 。普通三段式單螺桿（ 見圖 1-23a） 擠出機不能滿足反應擠出的需要 。通  過對傳統(tǒng)的三段式單螺桿擠出機進行設計改造 ，在螺桿上加設了反應段 。反應段的螺槽比均  化段要深 ，這樣就增加了熔體的停留時間 ，提高了原料的反應程度 。 四段式螺桿如圖 1-23b  所示。

圖 1-23   三段式螺桿和四段式螺桿

      ② 雙螺桿反應擠出機 。 由于雙螺桿反應擠出機具有較強的混合、排氣與脫揮能力 ， 較長的停留時間，較窄的停留時間分布以及自潔  性好 、擠出量大 、能量消耗小等特點， 目前已被廣泛用于反應擠出技術 。其中脫揮分段位置和長度是雙螺桿反應擠出機的關鍵。

      按螺桿旋向 ，雙螺桿反應擠出機可分為同向旋轉和異向旋轉兩類 ， 圖 1-24a 所示為同向旋轉 ， 圖 1-24b 所示為異向旋轉。 目前 ，聚合反應擠出機用雙螺桿擠出機多為全嚙合式雙螺桿擠出機 ，而且同向旋轉嚙合式平  行雙螺桿擠出機較多。  

嚙合型同向旋轉雙螺桿擠出機的螺桿之間徑向間隙小，螺棱寬度遠小于螺槽寬度 。工作 時兩螺桿同向旋轉 ， 由于沒有嚙合型異向旋轉雙螺桿擠出機的壓延效應引起的徑向力 ， 因此可以在高速下運轉，產生較高的剪切速率而獲得良好的分布混合性能 。嚙合區(qū)內不同螺桿的 螺棱與螺槽相互刮擦，對螺桿表面起到機械清理作用 ，使擠出機具有優(yōu)越的自潔性能以及較窄的停留時間分布 。此外 ，較高的轉速還可以提高擠出機的生產力。

圖 1-24    同向旋轉與異向旋轉雙螺桿示意圖

一般可以將機筒分為 5 ～6 個區(qū)段 。典型雙螺桿擠出機工藝參數為螺桿轉速小于 400r/ min ，螺桿直徑為 20 ～30mm ，L/D = 30 ，物料平均停留時間為 1 ～2min ，其中螺桿轉速是反 應擠出的重要工藝條件。

③ 電磁動態(tài)多階多螺桿反應擠出機 。電磁動態(tài)多階多螺桿反應擠出機是華南理工大學  的專利產品 。該擠出機將擠壓裝置放在電動機轉子的內腔中 ，改變了傳統(tǒng)擠出機由電動機驅  動 ，帶傳動或齒輪傳動 ，螺桿和機筒擠出成型的模式 。該擠出機將電動機 、減速器 、螺桿、 機筒等結合在一起 ，省去了中間傳動環(huán)節(jié) ，通過能量直接轉換實現了機 、電 、磁一起化。

圖 1-25 所示為電磁動態(tài)多階多螺桿反應擠出機結構 。 由于擠出機利用轉子的轉動 ，諧  波振動或強制振動 ，將電磁功率直接轉換為熱能 、壓力能及動能 ，完成物料的輸送 、混合、 反應 、脫揮 、塑化 、擠出成型 ，這樣將電磁場引起的機械振動場引入到聚合物反應擠出全過程 ，實現了擠出機直接電磁換能和物料動態(tài)反應擠出的過程。

圖 1-25    電磁動態(tài)多階多螺桿反應擠出機結構

        電磁動態(tài)多階多螺桿反應擠出機的每一階均有獨立的驅動系統(tǒng)和加熱冷卻系統(tǒng) 。第一階  為多螺桿擠出機 ， 聚合物由于主 、副螺桿的相  互嚙合產生捏合擠壓與混合 ， 同時在振動力場  作用下 ，嚙合區(qū)間隙隨時間周期性變化 ，經定  量加料系統(tǒng)進入的物料被螺桿間的運動拉入壓  延間隙 ，實現動態(tài)壓延混合 ，而且瞬時變化的  剪切速率和壓力產生耗散熱能 ， 因此物料被快  速熔融和混煉 ，各組分之間的相互擴散加強，

      參與反應的物質充分均勻混合 ，反應進行得更加徹底 。第二階為單螺桿擠出機 ，在振動力場 作用下使聚合物進一步熔融和塑化 ，實現低溫擠出 。通過調節(jié)各階的轉速 、溫度 、壓力 、頻 率和振幅 ，可以達到控制化學反應過程 、反應產物結構與性能的目的 ，突破了預聚物或聚合 物混合混煉過程及停留時間分布不可控的難點 ，解決了振動力場作用下聚合物反應加工過程 中的質量 、動量及能量傳遞的平衡問題 ，實現了反應產物產量與質量的良好協同 ，從而得到 性能更加優(yōu)異的制品。

      反應擠出的類型有本體聚合 、接枝反應 、鏈接共聚物形成反應 、偶聯交聯反應 、可控降 解反應 、聚合物—功能化基團反應。

      用反應擠出技術從原料樹脂生產廠的立場出發(fā) ，可開發(fā)出高功能 、高性能的原材料 ，特別是共聚及動態(tài)加硫方法 ，材料設計的自由度大 ，可與小批量 、多品種生產對應 。從加工產  品的生產廠立場出發(fā) ，可提高產品的附加值 ，可生產高價的改性樹脂 ， 降低成本節(jié)省費用。 可使單體到聚合物的連續(xù)合成或改性工藝過程直接一體化 ，省略了中間體的再加熱熔融 ，實  現生產高速化 、節(jié)能 、節(jié)省時間的目的 。 由于反應擠出無溶劑化 ，可根本解決因殘留溶劑而  降低產品質量的問題。

      反應擠出技術主要用在聚合反應 、改性反應 、相熔化反應等。

1. 5. 3   精密擠出技術

精密擠出的產品有極高的附加值和利潤 ，它是高效率 、高質量的生產方式 。例如光導纖  維 、醫(yī)用導管等產品的直徑都有嚴格要求 ，擠出系統(tǒng)要配置精密齒輪熔體泵 ， 以確保熔體擠  出流量和壓力的穩(wěn)定 。同時還要配置在線壁厚和直徑測量裝置 ， 以實測顯示數據為依據 ，對  擠出機螺桿轉速和牽引速度實現閉環(huán)控制 。精密擠出對溫度的控制要求精度達到 ± 1℃ ,  對  真空度的穩(wěn)定性要求也非常高 。精密擠出的管材壁厚誤差可控制在 2% 以下 ，而通常的擠出  管材壁厚誤差一般為 10% 。精密擠出主要用在醫(yī)用導管的生產上 ，而醫(yī)用導管主要應用在  心臟內外科 、腦系科 、泌尿科 、婦科 、兒科所使用的各種介入導管 ， 以及各種插管 、一次性  注射輸液管等 ，是一種發(fā)展迅速 、消耗量大 、技術要求高的大批量一次性使用產品 。為實現  擠出過程的精密化 ，必須建立具有精密計量 、塑化 、成型 、控制等功能的精密擠出成型系  統(tǒng) 。一方面 ，應用精密擠出成型可以顯著提高產品的精度和質量 ，滿足高速包覆電線電纜、 精密醫(yī)用軟管 、雙向拉伸薄膜 、復合共擠薄膜等高精密度的高新技術產品的生產要求 。另一  方面 ，通過精密擠出成型技術可提高產品壁厚的均勻性 ，保證產品的合格率 ，減少樹脂的浪  費 ，降低生產成本 ，增加生產收益 。 由于產品質量的提高 ，更容易實現自動流水線生產。

精密擠出生產線的主要特點和應用裝置的配套選擇方法如下。

1） 熔體齒輪泵的穩(wěn)壓系統(tǒng) 。熔體齒輪泵是最有效的穩(wěn)壓裝置 。對尺寸精度要求高的產 品 ，可選擇進口目前國際先進水平的熔體齒輪泵作為穩(wěn)壓裝置 。采用熔體齒輪泵后 ，管材軸 向尺寸的波動可以降低 80% ～90% 。對熱穩(wěn)定性較差的塑料 ，如聚氯乙烯 、聚氨酯等 ，則 不能選擇熔體齒輪泵 ， 以防止加工過程中材料降解 。另外 ， 由于進口熔體齒輪泵的價格較 高 ，所以不能過分依賴進口 。為了解決擠出成型系統(tǒng)的擠出穩(wěn)定性 ，可采用熔體齒輪泵與擠出機串聯使用。

圖 1-26   并聯式穩(wěn)壓裝置

1—擠出機機筒   2—溢流孔   3—穩(wěn)壓螺桿驅動裝置    4—穩(wěn)壓螺桿   5—穩(wěn)壓熔體流道   6—機頭流道   7—壓力傳感器   8—連接螺栓   9—擠出芯軸

2） 并聯式穩(wěn)壓裝置的穩(wěn)壓系統(tǒng) 。如圖 1-26 所示 ，并聯式移動裝置具有結構簡單 、穩(wěn)壓效 果顯著 、造價低廉的優(yōu)點 。可以將管材軸向尺 寸的波動降低 70% 以上 。并聯式穩(wěn)壓裝置對熱 敏性材料同樣不適用 ，加工熱敏性材料的醫(yī)用 導管需要采用其他形式的穩(wěn)壓系統(tǒng) 。并聯式穩(wěn) 壓裝置適合中等精度導管的生產 。采用并聯式 穩(wěn)壓裝置 ，可以消除 83% ～91% 的壓力波動和 擠出流速波動。

3） 錐體座套式壓力控制裝置 。錐體座套式 壓力控制裝置如圖 1-27 所示 。錐形螺桿頭與錐形套筒間形成的熔體流道就像一個閥門 ，螺桿在機械或液壓裝置的推動下進行軸向移動 ，此 時閥門的開度 、螺桿錐形頭部與機筒上的錐形套筒之間的間隙就會改變，使擠出流量得到 控制。

4） 螺釘型閥門裝置 。螺釘型閥門裝置的結構如圖 1-28 所示 ，通過對調節(jié)體的旋入深度的調節(jié) ，可以改變擠出機頭流道阻力的大小 ，達到調節(jié)流量的目的。

圖 1-27   錐體座套式壓力控制裝置                      圖 1-28    螺釘型閥門裝置的結構

5） 多環(huán)活動閥門式穩(wěn)流裝置 。多環(huán)活動閥門式穩(wěn)流裝置的結構如圖 1-29 所示 ，該裝置 的工作原理與錐體座套式壓力控制裝置完全相同 ， 只不過在螺桿頭部開設了若干個環(huán)型槽。 環(huán)型槽與固定在擠出機筒上的環(huán)形座形成了多個閥門。

6） 魚雷頭移動式穩(wěn)流裝置 。魚雷頭移動式穩(wěn)流裝置的結構如圖 1-30 所示 ，可軸向移動 的魚雷頭置于機頭入口處 ， 當擠出機頭內的壓力發(fā)生波動時 ，移動魚雷頭可以改變流道阻力，達到調節(jié)流量的目的。

圖 1-29   多環(huán)活動閥門式穩(wěn)流裝置的結構                   圖 1-30    魚雷頭移動式穩(wěn)流裝置的結構

        7） 穩(wěn)壓- 穩(wěn)流型擠出模具 。對熱穩(wěn)定性較差的材料 ，不適于采用熔體齒輪泵和并聯式 穩(wěn)壓系統(tǒng) ，可以采用穩(wěn)壓- 穩(wěn)流型擠出模具 ， 以提高導管軸向尺寸的穩(wěn)定性。

① 阻力可調節(jié)機頭 。擠出流量的波動會引起制品軸向尺寸的波動 ，這種波動可以通過 調節(jié)機頭流道的阻力來加以平衡 。閥式阻力可調節(jié)機頭的結構如圖 1-31 所示。

② 穩(wěn)流調節(jié)式機頭 。穩(wěn)流調節(jié)式機頭的結構如圖 1-32 所示 。其工作原理是當在線測量 儀器測試到擠出流量發(fā)生波動時 ，微處理器就會給伺服電動機發(fā)出動作指令 ，通過傳動系統(tǒng) 驅動阻力調節(jié)環(huán)沿軸向位移 。 由于阻力調節(jié)環(huán)的位移 ，使機頭阻力發(fā)生變化 ，起到了穩(wěn)定擠 出流量的作用。

③ 口模間隙自動調節(jié)機頭 。圖 1-33 所示是一種廣泛使用的熱螺栓式機頭口模調節(jié)裝 置 。其原理是在膨脹螺栓外部設有加熱器 ，螺栓長度隨溫度變化而變化。

圖 1-31    閥式阻力可調節(jié)機頭的結構                             圖 1-32    穩(wěn)流調節(jié)式機頭的結構             圖 1-33   熱螺栓式機頭口模調節(jié)裝置 1—阻流調節(jié)器   2—加熱器    3—膨脹螺栓

8） 失重式計量料斗裝置 。該裝置采用精密失重加料系統(tǒng) ，加料精度可以控制在 ± 1g ， 配合在線壁 厚 、直徑檢測裝置 ，可以實現擠出機螺桿轉速和加料 裝置的閉環(huán)控制。

單螺桿精密擠出機的工作無論多么穩(wěn)定 ， 總會存在波動 ，這種波動可以通過擠出機的控制系統(tǒng)加以調 節(jié) 。如可以將擠出機的實測產量與擠出機的螺桿轉速 或牽引速度形成閉環(huán)，提高擠出制品的軸向尺寸精 度 。但由于擠出制品的產量很難測定，人們開發(fā)出了 失重式計量料斗 ，其結構如圖 1-34 所示 。該料斗較 好地解決了擠出產量的在線測量問題。

圖 1-34   失重式計量料斗結構

      失重式計量料斗上裝有稱重傳感器 ，通過測量單 位時間內料斗重量的減少量 ，可以得到擠出機的即時 產量 。擠出機的 PLC 控制系統(tǒng)可以根據失重式計量料 斗得到的擠出產量 ，實現擠出產量與牽引機轉速的閉 環(huán)控制 。采用失重式計量料斗 ，可對制品的米重進行 精密控制 。在普通生產線擠出工作時 ，牽引機的牽引 速度保持不變 ，制品的米重隨擠出機產量的波動而變化 。制品的米重基本上保持不變 。采用失重式計量料 斗控制擠出制品的米重 ，不但可以提高制品的壁厚均 勻度 ，而且可減少原材料的浪費。

      9） 配備高速帶式牽引機 、高速雙工位自動切換 收卷機 、高速無屑切斷機。

10） 應用統(tǒng)計過程控制系統(tǒng) 。它是根據統(tǒng)計學模型 ，對過程參數進行統(tǒng)計學處理和分析 ，實現對過程精密控制的方法 。該方法是一種基于預先預測過程發(fā)展趨勢的先進控制方 法 ，可比常規(guī)的邏輯程序控制方法大幅提高控制精度 80% 以上。

參考文獻: 《塑料擠出機頭典型結構設計及試模調機經驗匯編》 陳澤成 、陳斌 編著