雙螺桿擠出機(jī)在高比例溶劑POE脫揮及擠壓造粒中的應(yīng)用

徐 斌，陳志強(qiáng)，陳燕飛，馬 寧

（江蘇越升科技股份有限公司，南京 211103）

0 前言

POE是由乙烯和高碳α?烯烴（1?丁烯、1?乙烯、1?辛烯）在茂金屬催化劑作用下聚合而成的聚烯烴熱塑性彈性體，具有優(yōu)異的耐老化、耐紫外光性、良好的力學(xué)性能和加工流變性能。其與聚烯烴親和性好、低溫韌性突出、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)使其在聚烯烴的增韌改性、醫(yī)用包裝材料、汽車(chē)配件線束、電線和電纜等方面得到了極為廣泛的應(yīng)用。通常POE聚合采用高濃度溶劑工藝，而POE成品的溶劑參與含量對(duì)于POE的最終應(yīng)用至關(guān)重要，尤其是在太陽(yáng)能行業(yè)中作為角膜和其他光學(xué)應(yīng)用場(chǎng)合。因此，對(duì)于POE聚合過(guò)程后的造粒工序而言，必須具有穩(wěn)定高效的溶劑脫揮功能，才有可能將POE擠出造粒產(chǎn)品的溶劑殘余含量控制到工藝要求的水平，POE的產(chǎn)品品質(zhì)和性能才能得到保證。

如何配置大型POE脫揮造粒系統(tǒng)極其重要，目前大多數(shù)POE生產(chǎn)采用了大型雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行脫揮擠出，并已得到明確的驗(yàn)證。與傳統(tǒng)的造粒上游閃蒸工藝相比，具有明顯的更高的效率、脫揮效果更為穩(wěn)定、流程短、效率高、投資少等特點(diǎn)。與下游干燥烘箱進(jìn)行干燥脫揮的技術(shù)路線相比，也具備能耗低、長(zhǎng)期運(yùn)行成本低的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可完全避免造粒后的二次干燥脫揮可能導(dǎo)致的熱降解現(xiàn)象。

與傳統(tǒng)單螺桿擠出機(jī)相比，雙螺桿擠出機(jī)由于具有優(yōu)異的混煉性能、排氣性能、高速高效等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高分子材料的上下游加工，包括粉體造粒、改性加工以及各種成型擠出加工等。圖1為不同分類的擠出機(jī)。其中擠出機(jī)的螺桿結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)方向都有區(qū)別，對(duì)高分子材料進(jìn)行加工過(guò)程中也具有不同的工作原理和特點(diǎn)，針對(duì)不同的高分子材料以及加工工藝條件，不同的結(jié)構(gòu)和旋向的擠出機(jī)各具優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1 擠出機(jī)分類Fig.1 Classification of the extruders

基于催化劑專利保護(hù)、國(guó)外技術(shù)封鎖等種種原因，國(guó)內(nèi)POE生產(chǎn)能力仍較弱，處于起步階段。但近年來(lái)國(guó)內(nèi)一大批優(yōu)秀企業(yè)加大POE自主研發(fā)進(jìn)程，相繼進(jìn)行了POE的中試試驗(yàn)，在POE脫揮和擠壓造粒工段，南京越升擠出機(jī)械有限公司已完成高效脫揮試驗(yàn)，得出了寶貴的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并探索出了“可控分步脫揮工藝”技術(shù)。此外基于自身多來(lái)年中大型混煉造粒機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)，已完成大型POE脫揮機(jī)組的技術(shù)方案設(shè)計(jì)，助力POE自主國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

1 高比例溶劑POE脫揮試驗(yàn)

南京越升擠出機(jī)械有限公司具有豐富的雙螺桿擠出機(jī)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，包括各種高分子材料的改性加工，應(yīng)用材料基本覆蓋絕大部分的各類高分子材料；以及在反應(yīng)擠出和脫揮應(yīng)用方面，包括各類溶劑脫揮、單體殘余脫揮或者反應(yīng)副產(chǎn)物的脫除。利用公司自身試驗(yàn)平臺(tái)，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了高比例溶劑POE脫揮過(guò)程中的“可控分步脫揮工藝”技術(shù)。

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

雙螺桿擠出機(jī)，SAT40，螺桿直徑40 mm，長(zhǎng)徑比（L/D）40，真空排氣口3個(gè)，真空系統(tǒng)2套，設(shè)備控制方式采用工控機(jī)；脫揮試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。

圖2 脫揮試驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Test platform of devolatilization

1.2 試驗(yàn)原料

POE（6502，溶體流動(dòng)速率45 g/10 min，美國(guó)?？松梨诠荆?溶劑，POE含量25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），溶劑含量75%，試驗(yàn)原料狀態(tài)如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)原料狀態(tài)Fig.3 State of the test material

1.3 試驗(yàn)工藝

工藝設(shè)置1（高比例溶劑脫揮）：溫度55～90℃，轉(zhuǎn)速20～55 r/min，處理量20～30 kg/h，試驗(yàn)結(jié)果溶劑殘余量1.5%；

工藝設(shè)置2（殘余溶劑脫揮）：溫度：120～150℃，轉(zhuǎn)速20～35 r/min，處理量5～10 kg/h，試驗(yàn)結(jié)果溶劑殘余量50～100 ppm。

1.4 試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析

自由脫揮段：高比例溶劑物料在進(jìn)入擠出機(jī)后，隨著溫度的升高，溶劑開(kāi)始?xì)饣?，物料體系進(jìn)入發(fā)泡階段，體積膨脹，通過(guò)擠出機(jī)螺桿設(shè)計(jì)需配置大自由體積螺桿元件，同時(shí)通過(guò)控制溶液體系的溫度和脫揮壓力，并通過(guò)螺桿旋轉(zhuǎn)施加快速有效的溶液表面更新，迅速且在可控條件下開(kāi)始溶劑脫除（圖4）。

圖4 自由脫揮段Fig.4 Free devolatilization section

低真空脫揮段：通過(guò)自由脫揮以后的溶液，溶劑含量大幅下降，此時(shí)允許體系溫度提升，降低體系黏度，便于確保高表面更新效果，同時(shí)施加一定的真空度，快速脫揮，此階段的脫揮過(guò)程也是在可控條件下進(jìn)行（圖5）。

圖5 低真空脫揮段Fig.5 Low vacuum devolatilization section

低溫高真空脫揮：隨體系中溶劑殘留逐步降低，體系黏度也逐步提高，提升真空度并適當(dāng)提高體系溫度，保持發(fā)泡過(guò)程可控條件下，施加較高真空進(jìn)行脫揮（圖6）。

圖6 低溫高真空脫揮Fig.6 Low temperature and high vacuum devolatilization

高溫高真空氣提脫揮：在溶劑含量降低至1%～2%左右的條件下，溶劑就不容易被脫除，此時(shí)需要繼續(xù)提升熔體溫度，降低體系黏度，同時(shí)施加極限真空度，通過(guò)高效的螺桿表面更新和輔助氣體脫揮措施，分布將殘余溶劑脫除到50～100 ppm（圖7～8）。

圖7 高溫高真空氣提脫揮Fig.7 High temperature and high vacuum air lift and devolatilization

圖8 低溶劑含量POEFig.8 POE with low solvent content

通過(guò)本試驗(yàn)可得出結(jié)論，對(duì)于高溶劑比例POE體系的脫揮擠出，通過(guò)“可控分步脫揮工藝”技術(shù)，可以通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)將50%～75%的溶劑直接脫除到50～200 ppm。

2 大型POE脫揮機(jī)組關(guān)鍵點(diǎn)

針對(duì)高產(chǎn)量的大型裝置，根據(jù)上述“可控分步脫揮工藝”技術(shù)，同時(shí)結(jié)合不同雙螺桿擠出機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，制備專用于高比例溶劑脫揮擠出機(jī)組。大型POE脫揮機(jī)組技術(shù)點(diǎn)如下：

2.1 擠出機(jī)的高效拉伸效應(yīng)

雙螺桿擠出機(jī)必須采用大自由容積的螺桿組合進(jìn)行高比例溶劑的脫揮，根據(jù)熔體流動(dòng)模型計(jì)算，高效的拉伸效應(yīng)大大有助于溶劑的析出和初步發(fā)泡效應(yīng)。為此，基于流體模型和多場(chǎng)協(xié)同擠出理論，開(kāi)發(fā)出基于雙螺桿的高效拉伸流動(dòng)螺桿元件，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證，大大提高了高比例溶劑的析出速度。

2.2 高效的熔體表面更新

流體在雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)流動(dòng)時(shí)，高效的熔體表面更新是高比例溶劑可以析出的前提，否則將成為制約溶劑析出的關(guān)鍵因素。由于高溶劑比例的POE體系在流動(dòng)時(shí)，整體黏度較低，體系對(duì)析出氣體的包裹性較差，即使在微弱真空的條件下，如控制不好，依然會(huì)造成熔體體系被抽出的現(xiàn)象。所有熔體的高效更新至關(guān)重要，合理的螺桿元件設(shè)計(jì)和排列組合可以有效改善熔體表面更新速度。

2.3 進(jìn)料口特殊的閃蒸原理進(jìn)料

高比例溶劑下的POE體系通過(guò)特殊的閃蒸模式進(jìn)料，可以有效地在高壓環(huán)境至低壓環(huán)境的轉(zhuǎn)變過(guò)程中加速溶劑的析出，同時(shí)配合合理的排氣處理，在進(jìn)料的同時(shí)對(duì)高比例溶劑即進(jìn)行1次有效的脫除，大大降低后續(xù)脫揮的處理量，減小后續(xù)脫揮過(guò)程中造成冒料等現(xiàn)象，對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定生產(chǎn)有極大的幫助。

2.4 高溫低含量溶劑脫揮

在POE脫揮試驗(yàn)中可以得出結(jié)論，高比例溶劑脫揮階段，溶劑含量可由75%脫除至1.5%，基本“可控分步脫揮工藝”技術(shù)，將1.5%的溶劑含量脫除至50～200 ppm時(shí)，必須是熔體體系處于高溫高真空的條件下，且真空度必須保證在極限真空的條件下。此時(shí)，如何保證物料體系處于極限真空下將成為低含量溶劑脫揮的關(guān)鍵。

2.5 可控真空度

在分布脫揮的過(guò)程中，除去螺桿組合排列的影響，可控的真空度也是脫揮過(guò)程中的關(guān)鍵，必須依靠于合理的真空度控制方式，可以將真空度控制在理想的區(qū)間內(nèi)，以保證合理的脫氣量以及真空口處物料不會(huì)出現(xiàn)冒料的現(xiàn)象。

2.6 氣提工藝

為得到高品質(zhì)POE制品，氣體工藝在POE脫揮過(guò)程中是必不可少的，合理的氣體工藝將大大提升溶劑以及低分子物的脫除。氣體工藝不僅可以加速溶劑的剝離，同時(shí)亦可有效降低熔體的溫度，改善制品的表觀和性能。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)本次試驗(yàn)得出了高比例溶劑脫揮過(guò)程中“可控分布脫揮工藝”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高比例溶劑脫除的技術(shù)工藝路線；

（2）POE原料中含有75%溶劑的條件下，利用雙螺桿擠出機(jī)可脫揮至50～200 ppm。