1.2.6　捏合/擠出設(shè)備

高黏度流體、軟固體的混合和均質(zhì)化,依靠攪拌作用不容易使剪切有效地傳遞到全流場(chǎng),因此還需要將混合機(jī)械分散布置,也借助物料拉伸、折疊等機(jī)械性質(zhì)的操作才能實(shí)現(xiàn),與依賴剪切、湍流、尾跡、旋渦的低黏度流體混合迥然不同。混合效果主要從分布混合、分散混合兩方面來評(píng)價(jià)。

捏合特別指軟固體的混合,也包括混合物料之一為固體的混合操作,如生橡膠與硫黃粉末間的混合,這是橡膠硫化工藝必經(jīng)的操作。橡膠的改性也涉及與填料炭黑、白炭黑的混合。捏合機(jī)可分為臥式和立式兩種類型。臥式捏合機(jī)中槳葉水平安置,兩端雙支承;立式捏合機(jī)中槳葉則垂直懸臂安裝。臥式捏合機(jī)用兩個(gè)S形槳葉,兩槳異速、平行,間距小,可對(duì)物料同時(shí)進(jìn)行周向和軸向混捏(懷特,2010)。立式捏合機(jī)(圖1.28)兩螺旋槳軸線均偏離混合釜中心線一定距離,實(shí)心槳的偏心距小于空心槳的偏心距,實(shí)心槳和空心槳以相同的角速度ωz逆向自轉(zhuǎn),兩螺旋槳同時(shí)以ωg公轉(zhuǎn),達(dá)到使設(shè)備內(nèi)部能均勻地受到期望的剪切與混合的目的(楊明金,2009)。

圖1.28　立式捏合機(jī)的實(shí)心槳葉及空心槳葉

擠出機(jī)是捏合機(jī)械的一種,也具有能處理高黏度熔融物、具有高剪切混合的優(yōu)勢(shì),所以廣泛用于高分子材料的注塑成型,也作為連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器用于高分子的聚合反應(yīng)、共混物的反應(yīng)性增容以及聚合物降解與接枝等領(lǐng)域。擠出機(jī)一般長(zhǎng)徑比大,有多個(gè)加料口,螺桿結(jié)構(gòu)多種多樣。作為反應(yīng)器,它必須保證物料混合的均勻性,并提供適宜的反應(yīng)條件。

單螺桿擠出機(jī)是塑料成型加工應(yīng)用最廣泛的設(shè)備。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。其主要功能是輸送物料,但分散、混合能力弱。針對(duì)分散與分布兩種混合機(jī)理,相繼開發(fā)了多種強(qiáng)化混合效果的新型螺桿(螺桿段):如屏障型螺桿、分流型螺桿、變流道型螺桿等。屏障型螺桿是以普通螺桿為主體,在螺桿的一定軸向位置上設(shè)置屏障段,物料通過時(shí)遭受強(qiáng)剪切,強(qiáng)化了混合(圖1.29)。單螺桿擠出機(jī)的機(jī)筒也可以有結(jié)構(gòu)改變,與螺桿配合起強(qiáng)化混合的作用。

圖1.29　單螺桿擠出機(jī)

雙螺桿擠出機(jī)克服了單螺桿擠出機(jī)不適于加工粉狀料和糊狀料、混煉效果差、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn),在塑料的混煉、脫水、脫揮、造粒、擠出成型、反應(yīng)擠出、聚合物共混等方面得到了廣泛應(yīng)用。雙螺桿擠出機(jī)有平行雙螺桿和錐型雙螺桿的區(qū)分,兩螺桿又分為同向旋轉(zhuǎn)與反向旋轉(zhuǎn)兩種(圖1.30)。在雙螺桿擠出機(jī)中的捏合區(qū)會(huì)出現(xiàn)流體的明顯拉伸,拉伸混合可達(dá)到比剪切混合更好的分散效果。

圖1.30　同向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿設(shè)計(jì)

擠出機(jī)也屬于管式設(shè)備,因此希望軸向沒有返混,而橫向則要求良好的混合、參數(shù)的徑向梯度小。停留時(shí)間分布是研究擠出機(jī)的重要分析工具,它指示了擠出機(jī)內(nèi)流動(dòng)的理想程度,為認(rèn)識(shí)流場(chǎng)、分析操作提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。停留時(shí)間分布的方差越小,流型越接近活塞流,橫向混合的效果越好。停留時(shí)間分布也可以從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)方面來研究。從20世紀(jì)80年代至今,螺桿擠出機(jī)中停留時(shí)間分布及其混合特性的研究一直不斷(Rauwendaal C,1981;唐豪,2014;Tang H,2016)。

螺桿擠出機(jī)實(shí)驗(yàn)研究手段中,直接測(cè)量有可視化方法、顏色示蹤法、測(cè)量速度場(chǎng)分布等,間接方法有測(cè)量壓力分布、RTD(停留時(shí)間分布)、反應(yīng)性流體法等。其中的反應(yīng)性流體法是指輸入兩種反應(yīng)性流體,反應(yīng)物必須達(dá)到分子水平接觸才能發(fā)生反應(yīng),如果反應(yīng)是快反應(yīng),反應(yīng)時(shí)間項(xiàng)可以忽略不計(jì),最終產(chǎn)物的收率就僅取決于擠出機(jī)內(nèi)物料的接觸面積及時(shí)間,反應(yīng)產(chǎn)物的分布就是混合歷史的反映。

高黏度流體的混合習(xí)慣上用分散混合(dispersive mixing)、分布混合(distributive mixing)與層狀混合(laminar mixing)三種機(jī)理來描述。分散混合是指物料受機(jī)械應(yīng)力,引起物料破裂、變形,而尺度逐漸減小的過程。分布混合是通過外剪切應(yīng)力使材料中不同組成的原料分布均一化,但不改變?cè)项w粒大小的過程。層狀混合是指流體在剪切、拉伸、擠壓作用下變細(xì)變長(zhǎng),然后斷裂的過程,主要是通過剪切實(shí)現(xiàn)的。物料的高黏度特性決定了混合不可能通過湍流或渦流擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn),分子擴(kuò)散也可忽略不計(jì)。