1.2.6　捏合/挤出设备

高黏度流体、软固体的混合和均质化,依靠搅拌作用不容易使剪切有效地传递到全流场,因此还需要将混合机械分散布置,也借助物料拉伸、折叠等机械性质的操作才能实现,与依赖剪切、湍流、尾迹、旋涡的低黏度流体混合迥然不同。混合效果主要从分布混合、分散混合两方面来评价。

捏合特别指软固体的混合,也包括混合物料之一为固体的混合操作,如生橡胶与硫黄粉末间的混合,这是橡胶硫化工艺必经的操作。橡胶的改性也涉及与填料炭黑、白炭黑的混合。捏合机可分为卧式和立式两种类型。卧式捏合机中桨叶水平安置,两端双支承;立式捏合机中桨叶则垂直悬臂安装。卧式捏合机用两个S形桨叶,两桨异速、平行,间距小,可对物料同时进行周向和轴向混捏(怀特,2010)。立式捏合机(图1.28)两螺旋桨轴线均偏离混合釜中心线一定距离,实心桨的偏心距小于空心桨的偏心距,实心桨和空心桨以相同的角速度ωz逆向自转,两螺旋桨同时以ωg公转,达到使设备内部能均匀地受到期望的剪切与混合的目的(杨明金,2009)。

图1.28　立式捏合机的实心桨叶及空心桨叶

挤出机是捏合机械的一种,也具有能处理高黏度熔融物、具有高剪切混合的优势,所以广泛用于高分子材料的注塑成型,也作为连续流动反应器用于高分子的聚合反应、共混物的反应性增容以及聚合物降解与接枝等领域。挤出机一般长径比大,有多个加料口,螺杆结构多种多样。作为反应器,它必须保证物料混合的均匀性,并提供适宜的反应条件。

单螺杆挤出机是塑料成型加工应用最广泛的设备。它结构简单、操作方便。其主要功能是输送物料,但分散、混合能力弱。针对分散与分布两种混合机理,相继开发了多种强化混合效果的新型螺杆(螺杆段):如屏障型螺杆、分流型螺杆、变流道型螺杆等。屏障型螺杆是以普通螺杆为主体,在螺杆的一定轴向位置上设置屏障段,物料通过时遭受强剪切,强化了混合(图1.29)。单螺杆挤出机的机筒也可以有结构改变,与螺杆配合起强化混合的作用。

图1.29　单螺杆挤出机

双螺杆挤出机克服了单螺杆挤出机不适于加工粉状料和糊状料、混炼效果差、生产效率低等缺点,在塑料的混炼、脱水、脱挥、造粒、挤出成型、反应挤出、聚合物共混等方面得到了广泛应用。双螺杆挤出机有平行双螺杆和锥型双螺杆的区分,两螺杆又分为同向旋转与反向旋转两种(图1.30)。在双螺杆挤出机中的捏合区会出现流体的明显拉伸,拉伸混合可达到比剪切混合更好的分散效果。

图1.30　同向旋转和反向旋转的双螺杆设计

挤出机也属于管式设备,因此希望轴向没有返混,而横向则要求良好的混合、参数的径向梯度小。停留时间分布是研究挤出机的重要分析工具,它指示了挤出机内流动的理想程度,为认识流场、分析操作提供了数据基础。停留时间分布的方差越小,流型越接近活塞流,横向混合的效果越好。停留时间分布也可以从实验和数值模拟两个方面来研究。从20世纪80年代至今,螺杆挤出机中停留时间分布及其混合特性的研究一直不断(Rauwendaal C,1981;唐豪,2014;Tang H,2016)。

螺杆挤出机实验研究手段中,直接测量有可视化方法、颜色示踪法、测量速度场分布等,间接方法有测量压力分布、RTD(停留时间分布)、反应性流体法等。其中的反应性流体法是指输入两种反应性流体,反应物必须达到分子水平接触才能发生反应,如果反应是快反应,反应时间项可以忽略不计,最终产物的收率就仅取决于挤出机内物料的接触面积及时间,反应产物的分布就是混合历史的反映。

高黏度流体的混合习惯上用分散混合(dispersive mixing)、分布混合(distributive mixing)与层状混合(laminar mixing)三种机理来描述。分散混合是指物料受机械应力,引起物料破裂、变形,而尺度逐渐减小的过程。分布混合是通过外剪切应力使材料中不同组成的原料分布均一化,但不改变原料颗粒大小的过程。层状混合是指流体在剪切、拉伸、挤压作用下变细变长,然后断裂的过程,主要是通过剪切实现的。物料的高黏度特性决定了混合不可能通过湍流或涡流扩散来实现,分子扩散也可忽略不计。