反应挤出技术是一种将化学反应与聚合物加工过程一体化的技术 ，主要用于现有聚合物 的功能化 、聚合物的制备 、材料的高性能化改性等领域 ，是高分子材料反应加工学科的重要 组成部分 ，它的发展与挤出机的发展密切相关 。特殊结构的反应式螺杆如图 1-22 所示。

图 1-22   特殊结构的反应式螺杆

    （1） 反应挤出技术的原理  反 应挤出是以螺杆和机筒组成的塑化 挤压系统作为连续反应器 ，将欲反 应的各种原料组分 ，如单体、引发剂、聚合物、助剂等一次或分次由相同的或不同的加料口加入到螺杆中 ，在螺杆的转动下实现 各原料之间的混合 、输送 、塑化 、反应和从口模的挤出过程 。而传统的挤出过程是原料通过 外加热量和螺杆转动过程中施展给物料的剪切摩擦热将其熔融并混合均匀的以物理变化为主 的过程 。反应挤出中存在化学变化 ，如单体之间的缩聚 、加成 、开环形成聚合物的聚合反 应 ，聚合物与单体之间的接枝反应 ，聚合物之间的交联反应等。

      反应挤出是采用挤出机连续完成单体的聚合 ， 以及原有聚合物改性的工艺过程 。它的螺 杆有较长的长径比（ 大约 30 左右）。在螺杆的出料端设计了螺杆反应段（ 又叫接枝段），在 机筒上有多个加料口 。反应挤出的基础物料由加料口加入 ，加料段比普通螺杆的加料段长 些 ，压缩比相对比普通螺杆大些 。机筒的加料段内壁开有几条纵向沟槽 ， 以增加原料的运行 摩擦力 ，方便固体原料在此段的向前输送 。而反应段螺纹最深 ，这样是为了让熔融反应略减 压挤出 ，其他辅料助剂从不同的位置的加料口加入 ，一般由精密齿轮泵定量加入 。物料由螺 杆带动向前运动 ，在不同的位置加入不同的反应助剂 ，在各个位置都有适宜反应工艺的螺杆 结构及机筒温度 ，反应完成后可在指定的位置进行排气 ，然后经过均化 ，挤出造粒或者直接 挤出制品 。这样 ，一台挤出机完成了反应器和成型机的双重功能 ，这是既简单又适用的工艺 过程。

以交联聚乙烯管材生产为例 ，它是采用精密高压齿轮泵 ，把按工艺配比要求的硅烷和助 剂（ 交联剂 、引发剂） 分别直接注入单螺杆挤出机机筒的规定位置 ，而基础原料从料斗加 料段加入 ，在挤出机螺杆完成输送 、分散 、塑化过程的同时完成硅烷的接枝过程，挤出成型 后再进行水交联 ，这种生产方式虽然比较复杂 ，但它的质量稳定可靠 ，使用寿命长 。 目前有 一种一步法的硅烷交联聚乙烯管生产技术 ，成本较低 ，简单适用 。它的特点就是使用混料 机 ，把按照配方要求比例的原料树脂 、硅烷和助剂 ，经过混合后再加入挤出机 ，在挤出过程 中完成了硅烷的接枝 。一步法完成交联聚乙烯管的生产线 ，在我国得到广泛应用 ，但它的质 量略差一点 。另外 ，韩国过氧化物交联聚乙烯（ PEXa） 管材的连续高压冲击法生产技术在 我国也有大量应用。

（2） 反应挤出技术的特点

         1） 反应挤出技术的优点。

① 可根据需要设置多个加料口 ，根据化学反应的自然规律 ，按一定程序和最合适的方 式分步加入 ，可以控制化学反应按设定的顺序和方向进行。

② 可以精确控制反应温度 ，通过沿螺杆轴向梯度分布温度来控制反应进行的方向 、速 度和程度 ， 以减少副反应的发生。

③ 螺杆挤出机的混合能力很强 ，提高了反应物料体系的混合均匀程度。

④ 通过调整螺杆转速和几何结构 ，可控制反应物料的停留时间和停留时间分布 。反应 挤出比较适合反应速度较快的化学反应。

⑤ 副反应较少 ，选择性较好。

⑥ 螺杆挤出机不但是反应器 ，又是产品成型设备 ，从而使生产工艺过程达到了工序少、 流程短 、能耗低 、成本低 、生产效率高。

2） 反应挤出技术的缺点。

① 技术难度大。

② 难以观察检测。

③ 技术含量高。

3） 反应挤出设备 。反应螺杆挤出机应具有能高效混合 、脱挥 、向外排热功能和合理的 物料停留时间。

       ① 单螺杆反应挤出机 。单螺杆反应挤出机的混炼效果及容量不及双螺杆反应挤出机， 但其设备设计制造容易 、操作简单 、价格低廉 ，适合小工厂生产 ，在我国被广泛应用 。而新  型单螺杆反应挤出机效果更好 ，如屏障型螺杆 、销钉型螺杆 、分布螺杆及配置静态混合器的  单螺杆反应挤出机 。普通三段式单螺杆（ 见图 1-23a） 挤出机不能满足反应挤出的需要 。通  过对传统的三段式单螺杆挤出机进行设计改造 ，在螺杆上加设了反应段 。反应段的螺槽比均  化段要深 ，这样就增加了熔体的停留时间 ，提高了原料的反应程度 。 四段式螺杆如图 1-23b  所示。

图 1-23   三段式螺杆和四段式螺杆

      ② 双螺杆反应挤出机 。 由于双螺杆反应挤出机具有较强的混合、排气与脱挥能力 ， 较长的停留时间，较窄的停留时间分布以及自洁  性好 、挤出量大 、能量消耗小等特点， 目前已被广泛用于反应挤出技术 。其中脱挥分段位置和长度是双螺杆反应挤出机的关键。

      按螺杆旋向 ，双螺杆反应挤出机可分为同向旋转和异向旋转两类 ， 图 1-24a 所示为同向旋转 ， 图 1-24b 所示为异向旋转。 目前 ，聚合反应挤出机用双螺杆挤出机多为全啮合式双螺杆挤出机 ，而且同向旋转啮合式平  行双螺杆挤出机较多。  

啮合型同向旋转双螺杆挤出机的螺杆之间径向间隙小，螺棱宽度远小于螺槽宽度 。工作 时两螺杆同向旋转 ， 由于没有啮合型异向旋转双螺杆挤出机的压延效应引起的径向力 ， 因此可以在高速下运转，产生较高的剪切速率而获得良好的分布混合性能 。啮合区内不同螺杆的 螺棱与螺槽相互刮擦，对螺杆表面起到机械清理作用 ，使挤出机具有优越的自洁性能以及较窄的停留时间分布 。此外 ，较高的转速还可以提高挤出机的生产力。

图 1-24    同向旋转与异向旋转双螺杆示意图

一般可以将机筒分为 5 ～6 个区段 。典型双螺杆挤出机工艺参数为螺杆转速小于 400r/ min ，螺杆直径为 20 ～30mm ，L/D = 30 ，物料平均停留时间为 1 ～2min ，其中螺杆转速是反 应挤出的重要工艺条件。

③ 电磁动态多阶多螺杆反应挤出机 。电磁动态多阶多螺杆反应挤出机是华南理工大学  的专利产品 。该挤出机将挤压装置放在电动机转子的内腔中 ，改变了传统挤出机由电动机驱  动 ，带传动或齿轮传动 ，螺杆和机筒挤出成型的模式 。该挤出机将电动机 、减速器 、螺杆、 机筒等结合在一起 ，省去了中间传动环节 ，通过能量直接转换实现了机 、电 、磁一起化。

图 1-25 所示为电磁动态多阶多螺杆反应挤出机结构 。 由于挤出机利用转子的转动 ，谐  波振动或强制振动 ，将电磁功率直接转换为热能 、压力能及动能 ，完成物料的输送 、混合、 反应 、脱挥 、塑化 、挤出成型 ，这样将电磁场引起的机械振动场引入到聚合物反应挤出全过程 ，实现了挤出机直接电磁换能和物料动态反应挤出的过程。

图 1-25    电磁动态多阶多螺杆反应挤出机结构

        电磁动态多阶多螺杆反应挤出机的每一阶均有独立的驱动系统和加热冷却系统 。第一阶  为多螺杆挤出机 ， 聚合物由于主 、副螺杆的相  互啮合产生捏合挤压与混合 ， 同时在振动力场  作用下 ，啮合区间隙随时间周期性变化 ，经定  量加料系统进入的物料被螺杆间的运动拉入压  延间隙 ，实现动态压延混合 ，而且瞬时变化的  剪切速率和压力产生耗散热能 ， 因此物料被快  速熔融和混炼 ，各组分之间的相互扩散加强，

      参与反应的物质充分均匀混合 ，反应进行得更加彻底 。第二阶为单螺杆挤出机 ，在振动力场 作用下使聚合物进一步熔融和塑化 ，实现低温挤出 。通过调节各阶的转速 、温度 、压力 、频 率和振幅 ，可以达到控制化学反应过程 、反应产物结构与性能的目的 ，突破了预聚物或聚合 物混合混炼过程及停留时间分布不可控的难点 ，解决了振动力场作用下聚合物反应加工过程 中的质量 、动量及能量传递的平衡问题 ，实现了反应产物产量与质量的良好协同 ，从而得到 性能更加优异的制品。

      反应挤出的类型有本体聚合 、接枝反应 、链接共聚物形成反应 、偶联交联反应 、可控降 解反应 、聚合物—功能化基团反应。

      用反应挤出技术从原料树脂生产厂的立场出发 ，可开发出高功能 、高性能的原材料 ，特别是共聚及动态加硫方法 ，材料设计的自由度大 ，可与小批量 、多品种生产对应 。从加工产  品的生产厂立场出发 ，可提高产品的附加值 ，可生产高价的改性树脂 ， 降低成本节省费用。 可使单体到聚合物的连续合成或改性工艺过程直接一体化 ，省略了中间体的再加热熔融 ，实  现生产高速化 、节能 、节省时间的目的 。 由于反应挤出无溶剂化 ，可根本解决因残留溶剂而  降低产品质量的问题。

      反应挤出技术主要用在聚合反应 、改性反应 、相熔化反应等。

1. 5. 3   精密挤出技术

精密挤出的产品有极高的附加值和利润 ，它是高效率 、高质量的生产方式 。例如光导纤  维 、医用导管等产品的直径都有严格要求 ，挤出系统要配置精密齿轮熔体泵 ， 以确保熔体挤  出流量和压力的稳定 。同时还要配置在线壁厚和直径测量装置 ， 以实测显示数据为依据 ，对  挤出机螺杆转速和牵引速度实现闭环控制 。精密挤出对温度的控制要求精度达到 ± 1℃ ,  对  真空度的稳定性要求也非常高 。精密挤出的管材壁厚误差可控制在 2% 以下 ，而通常的挤出  管材壁厚误差一般为 10% 。精密挤出主要用在医用导管的生产上 ，而医用导管主要应用在  心脏内外科 、脑系科 、泌尿科 、妇科 、儿科所使用的各种介入导管 ， 以及各种插管 、一次性  注射输液管等 ，是一种发展迅速 、消耗量大 、技术要求高的大批量一次性使用产品 。为实现  挤出过程的精密化 ，必须建立具有精密计量 、塑化 、成型 、控制等功能的精密挤出成型系  统 。一方面 ，应用精密挤出成型可以显著提高产品的精度和质量 ，满足高速包覆电线电缆、 精密医用软管 、双向拉伸薄膜 、复合共挤薄膜等高精密度的高新技术产品的生产要求 。另一  方面 ，通过精密挤出成型技术可提高产品壁厚的均匀性 ，保证产品的合格率 ，减少树脂的浪  费 ，降低生产成本 ，增加生产收益 。 由于产品质量的提高 ，更容易实现自动流水线生产。

精密挤出生产线的主要特点和应用装置的配套选择方法如下。

1） 熔体齿轮泵的稳压系统 。熔体齿轮泵是最有效的稳压装置 。对尺寸精度要求高的产 品 ，可选择进口目前国际先进水平的熔体齿轮泵作为稳压装置 。采用熔体齿轮泵后 ，管材轴 向尺寸的波动可以降低 80% ～90% 。对热稳定性较差的塑料 ，如聚氯乙烯 、聚氨酯等 ，则 不能选择熔体齿轮泵 ， 以防止加工过程中材料降解 。另外 ， 由于进口熔体齿轮泵的价格较 高 ，所以不能过分依赖进口 。为了解决挤出成型系统的挤出稳定性 ，可采用熔体齿轮泵与挤出机串联使用。

图 1-26   并联式稳压装置

1—挤出机机筒   2—溢流孔   3—稳压螺杆驱动装置    4—稳压螺杆   5—稳压熔体流道   6—机头流道   7—压力传感器   8—连接螺栓   9—挤出芯轴

2） 并联式稳压装置的稳压系统 。如图 1-26 所示 ，并联式移动装置具有结构简单 、稳压效 果显著 、造价低廉的优点 。可以将管材轴向尺 寸的波动降低 70% 以上 。并联式稳压装置对热 敏性材料同样不适用 ，加工热敏性材料的医用 导管需要采用其他形式的稳压系统 。并联式稳 压装置适合中等精度导管的生产 。采用并联式 稳压装置 ，可以消除 83% ～91% 的压力波动和 挤出流速波动。

3） 锥体座套式压力控制装置 。锥体座套式 压力控制装置如图 1-27 所示 。锥形螺杆头与锥形套筒间形成的熔体流道就像一个阀门 ，螺杆在机械或液压装置的推动下进行轴向移动 ，此 时阀门的开度 、螺杆锥形头部与机筒上的锥形套筒之间的间隙就会改变，使挤出流量得到 控制。

4） 螺钉型阀门装置 。螺钉型阀门装置的结构如图 1-28 所示 ，通过对调节体的旋入深度的调节 ，可以改变挤出机头流道阻力的大小 ，达到调节流量的目的。

图 1-27   锥体座套式压力控制装置                      图 1-28    螺钉型阀门装置的结构

5） 多环活动阀门式稳流装置 。多环活动阀门式稳流装置的结构如图 1-29 所示 ，该装置 的工作原理与锥体座套式压力控制装置完全相同 ， 只不过在螺杆头部开设了若干个环型槽。 环型槽与固定在挤出机筒上的环形座形成了多个阀门。

6） 鱼雷头移动式稳流装置 。鱼雷头移动式稳流装置的结构如图 1-30 所示 ，可轴向移动 的鱼雷头置于机头入口处 ， 当挤出机头内的压力发生波动时 ，移动鱼雷头可以改变流道阻力，达到调节流量的目的。

图 1-29   多环活动阀门式稳流装置的结构                   图 1-30    鱼雷头移动式稳流装置的结构

        7） 稳压- 稳流型挤出模具 。对热稳定性较差的材料 ，不适于采用熔体齿轮泵和并联式 稳压系统 ，可以采用稳压- 稳流型挤出模具 ， 以提高导管轴向尺寸的稳定性。

① 阻力可调节机头 。挤出流量的波动会引起制品轴向尺寸的波动 ，这种波动可以通过 调节机头流道的阻力来加以平衡 。阀式阻力可调节机头的结构如图 1-31 所示。

② 稳流调节式机头 。稳流调节式机头的结构如图 1-32 所示 。其工作原理是当在线测量 仪器测试到挤出流量发生波动时 ，微处理器就会给伺服电动机发出动作指令 ，通过传动系统 驱动阻力调节环沿轴向位移 。 由于阻力调节环的位移 ，使机头阻力发生变化 ，起到了稳定挤 出流量的作用。

③ 口模间隙自动调节机头 。图 1-33 所示是一种广泛使用的热螺栓式机头口模调节装 置 。其原理是在膨胀螺栓外部设有加热器 ，螺栓长度随温度变化而变化。

图 1-31    阀式阻力可调节机头的结构                             图 1-32    稳流调节式机头的结构             图 1-33   热螺栓式机头口模调节装置 1—阻流调节器   2—加热器    3—膨胀螺栓

8） 失重式计量料斗装置 。该装置采用精密失重加料系统 ，加料精度可以控制在 ± 1g ， 配合在线壁 厚 、直径检测装置 ，可以实现挤出机螺杆转速和加料 装置的闭环控制。

单螺杆精密挤出机的工作无论多么稳定 ， 总会存在波动 ，这种波动可以通过挤出机的控制系统加以调 节 。如可以将挤出机的实测产量与挤出机的螺杆转速 或牵引速度形成闭环，提高挤出制品的轴向尺寸精 度 。但由于挤出制品的产量很难测定，人们开发出了 失重式计量料斗 ，其结构如图 1-34 所示 。该料斗较 好地解决了挤出产量的在线测量问题。

图 1-34   失重式计量料斗结构

      失重式计量料斗上装有称重传感器 ，通过测量单 位时间内料斗重量的减少量 ，可以得到挤出机的即时 产量 。挤出机的 PLC 控制系统可以根据失重式计量料 斗得到的挤出产量 ，实现挤出产量与牵引机转速的闭 环控制 。采用失重式计量料斗 ，可对制品的米重进行 精密控制 。在普通生产线挤出工作时 ，牵引机的牵引 速度保持不变 ，制品的米重随挤出机产量的波动而变化 。制品的米重基本上保持不变 。采用失重式计量料 斗控制挤出制品的米重 ，不但可以提高制品的壁厚均 匀度 ，而且可减少原材料的浪费。

      9） 配备高速带式牵引机 、高速双工位自动切换 收卷机 、高速无屑切断机。

10） 应用统计过程控制系统 。它是根据统计学模型 ，对过程参数进行统计学处理和分析 ，实现对过程精密控制的方法 。该方法是一种基于预先预测过程发展趋势的先进控制方 法 ，可比常规的逻辑程序控制方法大幅提高控制精度 80% 以上。

参考文献: 《塑料挤出机头典型结构设计及试模调机经验汇编》 陈泽成 、陈斌 编著