反应挤出原理ppt课件学生拷贝版

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 反应挤出概述,本科生专业选修课反应挤出原理,主要参考书,反应挤出原理与实践，马里诺.赞索斯 著，化学工业出版社，2019。,高分子材料的反应加工，殷敬华等著，科学出版社，2019。,第一章 反应挤出概述本科生专业选修课反应挤出原理主要参考,1,本章内容,反应挤出的定义和过程,反应挤出原理,反应挤出的特点,反应挤出设备,反应挤出的应用,反应挤出的发展,本章内容反应挤出的定义和过程,2,反应挤出的定义及过程,反应挤出(reactive extrusion)是指在聚合物和/或可聚合单体的连续挤出过程中完成一系列化学反应的操作过程。,具有利用挤出机处理高粘度聚合物的独特功能，对挤出机螺杆料筒上的各个区域进行独立的,温度控制,、,物料停留时间控制,和,剪切强度控制,。,使物料在各个区域传输过程中完成固体输送、增压熔融、物料混合、熔体加压、化学反应、排除副产物和未反应单体、熔体输送和泵出成型等一系列化工基本单元操作。,目前反应挤出技术已经广泛应用于聚合物降解、接枝、本体聚合、交联及反应性共混等方面,在聚合物制备、功能化及高性能化学改性等领域发挥了重要作用,是高分子材料反应加工学科的重要组成部分。,反应挤出的定义及过程反应挤出(reactive extrus,3,聚合物在反应过程或者在聚合物合成过程中反应体系的粘度往往越来越高。,实践证明，当聚合物粘度在101000Pas时，聚合物原料在传统反应器中已不能进行聚合反应，需要进行稀释以降低其粘度。,反应挤出却可以在此高粘度下实现聚合反应。,螺杆和料筒组成的塑化挤出系统能将聚合物熔融后降低粘度，并利用螺杆转动使之混合均匀，从而把聚合物的化学反应与挤出加工有机地结合成一个完整连续的过程。,反应挤出的定义及过程,聚合物在反应过程或者在聚合物合成过程中反应体系的粘度往往越来,4,反应挤出技术的发展过程,反应挤出是20世纪60年代后期才兴起的一种新技术，因其能使聚合物多样化、功能化、生产连续化、工艺操作简单经济而越来越受到重视。,1965年Dow公司发表了聚乙烯(PE)与丙烯酸(AA)反应挤出的专利。,1966年，单螺杆挤出机反应挤出得到可控降解PP。,1967 年起，埃克森公司就开始利用挤出机结构进行熔融相化学反应的研究和商业应用。,1971年Kow dski研究了反应挤出PP降解与O,2,的关系。,反应挤出技术的发展过程反应挤出是20世纪60年代后期才兴起的,5,反应挤出原理,反应挤出是以螺杆和料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，在螺杆转动下实现各原料之间的混合、输送、塑化、反应和从口模挤出的过程。,传统挤出过程一般以聚合物为原料,通过外加热量和螺杆转动过程中施加给物料的剪切摩擦热将其熔融并混合均匀，然后经口模挤出、模具造型、脱模冷却后得到制品。其挤出过程是物料由固态(结晶态或玻璃态)液态(粘流态)固态(结晶态或玻璃态)的以物理变化为主的过程。,而反应挤出中存在着显著的化学变化，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。,反应挤出原理反应挤出是以螺杆和料筒组成的塑化挤压系统作为连续,6,反应挤出原理,按照反应工程理论，任何反应器内的实际过程，既包含着基本的化学反应过程，同时也伴随着众多的传热、传质、流动等物理传递过程。,聚合反应的本质规律是由反应物自身的属性决定的，并不因上述物理过程的存在而改变。但是传递过程之所以对反应结果产生影响，是因其改变了聚合“微元”场所的条件。,不同类型的反应器具有不同的传递过程特点，但并不影响聚合反应的动力学微分表达式，所改变的只是微分方程的边界条件，进而影响到最终的反应积分结果。,反应挤出原理按照反应工程理论，任何反应器内的实际过程，既包含,7,对于反应挤出机而言，流变性、热传递和化学反应对反应结果起着关键作用，同时它们之间也是相互联系、相互影响的.,流变性、热传递和化学反应的关系,对于反应挤出机而言，流变性、热传递和化学反应对反应结果起着关,8,反应挤出的特点,螺杆挤出机可根据需要设置多处加料口，根据各种化学反应自身的规律，沿螺杆的轴向按一定程序和最合适的方式,分步加入物料,，可以,控制化学反应,按预定的顺序和方向进行。,可以,精确控制反应,温度，并可根据化学反应本身的特点和规律，通过温度沿螺杆轴向的分布和分布梯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。,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。,反应挤出的优点：,反应挤出的特点螺杆挤出机可根据需要设置多处加料口，根据各种,9,通过调整螺杆转速和螺杆的几何结构,可以,控制反应物料的停留时间和停留时间分布,。反应挤出比较适合于反应速度较快的化学反应。,副反应较少,选择性较好。,螺杆挤出机,既是反应器,又是制品成型设备,从而使生产工艺过程做到了工序少、流程短、能耗低、成本低、生产效率高。,反应挤出的优点：,通过调整螺杆转速和螺杆的几何结构,可以控制反应物料的停留时,10,反应挤出的缺点：,技术难度大。不但要进行配方和工艺条件的研究,而且要针对不同的反应设计所需的新型反应挤出机，研发资金投入大，时间长。,难以观察检测。物料在挤出机中始终处于动态、封闭的高温、高压环境中，难以观察、检测物料的反应程度;物料停留时间较短，一般只有几分钟时间，因而要求所要进行的反应必须快速完成。,技术含量高。反应挤出技术涉及到聚合物材料、化学工程、聚合反应工程、橡塑机械、聚合物成型加工、机械加工、电子等诸多学科，需较长时间的研究和多方合作才能取得成果。,反应挤出的缺点：技术难度大。不但要进行配方和工艺条件的研究,11,反应挤出设备,用于反应挤出的设备主要是,反应挤出机,。,反应挤出机的设计制造是反应挤出技术的关键和基础。不同的化学反应需要使用不同的反应挤出机。用于反应挤出的挤出机一般是经过专门有针对性的设计制造的,而不是像共混所用的挤出机是通用的。,反应挤出对所使用的反应挤出机有如下要求：,1）能为物料提供足够的熔化时间、反应时间,并有足够的时间在除杂段对产品进行纯化处理,即要求反应挤出机要有较大的长径比。,2）物料的停留时间分布要窄,在保证化学反应充分完成的前提下,要防止部分物料因停留时间长而引起降解、交联等其他副反应。,反应挤出设备用于反应挤出的设备主要是反应挤出机。,12,3）优秀的排气性能,因为在反应挤出过程中,加入的反应单体不可能完全参加反应,而要脱除那些未反应的单体、反应生成的小分子副产物、物料中夹杂的挥发性组分等,往往要求高真空度下短时间内迅速完成,但同时又不会引起反应挤出机冒料。,4）螺杆对物料具有强输送能力和强剪切功能。由于反应混合物熔化后粘度差别大,混合输送相对困难,因而螺杆的输送能力要强化,强烈的剪切可以有助于化学反应进行。,5）良好的热传递功能。由于反应挤出过程中，特别是本体聚合过程中，释放的反应热必须尽快排出反应体系，因而要求挤出料筒具有良好的冷却功能。,反应挤出对所使用的反应挤出机的要求：,3）优秀的排气性能,因为在反应挤出过程中,加入的反应单体,13,反应挤出机的主要类型及特点,反应挤出机有,单螺杆型,和,双螺杆型,各具特点而都得到普遍应用。,单螺杆型具有设计制造相对容易、物料停留时间适宜、造价低等特点,但其混合能力、排气能力、运输能力和热交换能力都不够理想，同时物料在单螺杆挤出机内的停留时间分布较宽。,双螺杆型分为啮合型和非啮合型、同向型和异向型,具有剪切混合功能强、自洁性好、物料停留时间分布窄等优点,同时模块化的双螺杆挤出机可根据需要随意设置加料口和排气口,工艺控制灵活，但造价高、设计制造困难、物料停留时间短、研发投入大。,反应挤出机的主要类型及特点反应挤出机有单螺杆型和双螺杆型,14,双螺杆挤出机形式多样，两根螺杆的,啮合程度,和,旋转方向,决定了它的几何特性和工作特性。,大体上，根据螺杆的啮合程度和旋转方向,用于反应挤出的双螺杆挤出机主要有以下三种形式:,非啮合型异向旋转挤出机,、,紧密啮合型异向旋转挤出机,和,紧密啮合型同向旋转挤出机,.,双螺杆挤出机的结构与性能特点,双螺杆挤出机形式多样，两根螺杆的啮合程度和旋转方向决定了它的,15,不同结构的双螺杆反应挤出机性能比较,不同结构的双螺杆反应挤出机性能比较,16,反应挤出的应用,目前反应挤出技术已经广泛应用于聚合物降解、接枝、本体聚合、交联及反应性共混等方面。,在聚合物制备、功能化及高性能化学改性等领域发挥了重要作用。,是高分子材料反应加工学科的重要组成部分。,反应挤出的应用目前反应挤出技术已经广泛应用于聚合物降解、接枝,17,聚烯烃的接枝反应挤出,以聚丙烯和聚乙烯为代表的聚烯烃是用途广泛的通用塑料，具有产量大、价格低、耐水、耐化学药品、成型工艺好等优点。但由于它们是非极性材料，与其他聚合物或填料共混时，界面作用力差。同时，它们的熔点低，热变形温度低，尺寸稳定性不好，给实际应用带来限制。,通过与极性不饱和单体进行接枝，在聚烯烃分子链上引入极性基团，可以改善其性能上的不足，同时又增加新的性质，是一种简单有效的聚烯烃改性方法。,聚烯烃接枝改性方法主要有:溶液接枝、熔融接枝、固相接枝、辐射接枝、悬浮接枝等。,熔融接枝主要是在挤出机和密炼机中进行。挤出机中的熔融接枝不仅能灵活设计具有特性的高分子材料，而且无溶剂回收，减少设备费用，可以方便、经济地在聚合物分子链上接枝不同的官能团，改善原有聚合物的染色性、吸湿性、粘接性、反应活性及与其它聚合物的相容性等，从而开发性能更优的高分子材料。,聚烯烃的接枝反应挤出以聚丙烯和聚乙烯为代表的聚烯烃是用途广泛,18,接枝反应挤出的单体,反应挤出中,聚烯烃接枝的单体主要有,酸性官能团单体,、,碱性官能团单体,和其它单体。,酸性官能团单体主要有:马来酸酐(MAH)、丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸(MA)、富马酸(FA)、衣康酸(IA)、异氰酸酯等。,碱性官能团单体主要有:甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、唑啉基化合物等。,还有官能化过氧化物、不饱和硅烷、苯乙烯(St)等。,接枝反应挤出的单体反应挤出中,聚烯烃接枝的单体主要有酸性官能,19,挤出机中聚烯烃接枝采用的引发剂一般与其有较好的热力学亲合性，并且分解温度适宜于反应挤出加热过程。,接枝和副反应之间的竞争在很大程度上依赖于引发剂种类和浓度。,引发剂在聚合物和单体中的反应活性和溶解性对接枝反应和转化率有很大影响。引发剂和单体亲和性越大，接枝效率越低。,挤出机中物料停留时间一般为几分钟，因此要求引发剂在加工温度范围内，半衰期应该比挤出机中物料停留时间短，一般为0.22min。,反应挤出中使用的引发剂通常为过氧化物,常用的包括过氧化二异丙苯(DCP),过氧化苯甲酰(BPO)和叔丁基类过氧化物。,接枝反应挤出的引发剂,挤出机中聚烯烃接枝采用的引发剂一般与其有较好的热力学亲合性，,20,反应挤出过程中，影响接枝率的主要因素有：单体和引发剂种类、用量、可溶性，反应温度，加工条件(螺杆转速及构造、挤出产量、停留时间等)，加料顺序等。,高加工温度可能导致聚烯烃降解，降低引发剂半衰期，影响反应速度。,物料在挤出机中停留时间过短，不利于接枝反应进行，而停留时间过长，会引起聚烯烃的降解等副反应。,为使单体和引发剂与聚烯烃有效混合，挤出机一般要求具有较强的混合段，螺杆的设计使聚合物与单体及引发剂和其它助剂有最大的接触表面。,影响接枝反应挤出的因素,反应挤出过程中，影响接枝率的主要因素有：单体和引发剂种类、用,21,本体聚合挤出,采用反应挤出技术进行本体聚合可分为,缩聚反应,和,加聚反应,两大类。,缩聚反应的实例有:聚醚酰亚胺、聚酯、尼龙等。,加聚反应的实例有:聚氨酯、聚酰胺、聚丙烯酸酯及相关共聚物、聚烯烃、聚硅氧烷、聚环氧化物和聚甲醛等。,本体聚合挤出采用反应挤出技术进行本体聚合可分为缩聚反应和加聚,22,