郑州沃华 | 浅谈高聚物在线动态混合技术及核心装备

高分子材料合成和加工大部分是在熔体状态下进行的，还有一部分是在溶液状态生产，比如化纤行业中的产量最大的PET、PA、PBT、PLA以及树脂行业PS/HIPS、ABS、PC、PBS等是在高粘度熔体状态下生产加工，而再生纤维素如粘胶纤维是在溶液状态下加工的。随着高分子材料的应用越来越广泛，生产加工流程向大产能、连续化、自动化方向发展。
虽然规模化装置生产成本低、产品质量优异，具有相当大的竞争优势，但又存在产品结构相似、互相竞争的局面；而且大部分单一高分子材料的性能不能满足终端产品的要求，需要添加其它的组分来改进高分子材料的性能。通常，添加的组分要与高分子基体材料混合均匀，以实现材料结构的均匀性和性能的同一性。能否在这类大型装置上开发高附加值、功能性品种是亟待解决的问题。
混合技术及装备就是针对各种状态的物料实现定比例混合功能的生产工艺，本文只关注高分子材料生产过程的混合技术，其它物料的混合技术不做讨论。
现有应用于高分子材料工业的混合技术有三类：反应釜机械搅拌、螺杆挤出机混合和在线混合。

01

反应釜机械搅拌

图1 反应釜机械搅拌

通常，最少有一种组分是液态，其他组分定量加入，在反应器内通过搅拌达到混合均匀。这种混合方式适用于物料粘度不太高的工况，一般用于原料段的各组分添加，可用于间歇式生产，或者通过连续计量添加实现连续生产。大部分搅拌设备起到混合的作用，各组分可能是物理混合，也可以参与聚合反应。

02

螺杆挤出机混合

图2 螺杆挤出混合方式

螺杆挤出，特别是啮合型双螺杆挤出机，可以实现多组分的混合，有些螺杆头部配置了混炼段，也是为了提高物料的混合均匀性。螺杆挤出一般适用于两种或者以上的塑料粒子（固态），通过重量计量的方式喂入螺杆挤出机，在螺杆内实现物料的混合。
螺杆挤出适用于聚合物的粒子（切片）与其他改性组分的混合成型加工，一般用于各种高分子加工成型，其应用极为广泛，工艺也相对成熟。其主要缺点是，需要将聚合物材料加工成粒子（切片），并经挤出机重新加热熔融，能耗较高。

03

在线混合

在聚合物熔体流动状态下，将两种以上的高粘度液态物料在物料输送管路中实现混合的设备，称之为在线混合设备。可分为静态混合器和动态混合器两种，亦有企业将二者结合使用。

静态混合器

图3 静态混合器原理图

静态混合器可以安装于聚合物熔体管道中，或者螺杆挤出机出口端，通过多段折流来实现物料的混合。静态混合器已经有成熟的商品供应，从很小产量的挤出系统，到大型化纤生产装置都有成熟的静态混合器商品供应。
静态混合器的主要缺点，由于采用多级折流来实现混合，为了实现更好的混合效果，就需要增加混合的级数，造成静态混合器长径比相对较长，结构比较大，管道阻力大，需要高的泵送压力。同时，管程长，内部存在一定的死角，聚合物容易变性，对物料的品质造成负面影响。

动态混合器

为了克服静态混合器在线混合存在的各种弊端，针对一些特殊的工况，近年来，陆续有不同的动态混合设备出现，其基本原理相似。

图4 郑州沃华vowamixer^®动态混合器

目前，市场上定型的动态混合产品供应不多；相对于静态混合，动态混合技术具有更多的优势：⑴混合更充分，折流次数更多；⑵可改变间隙和转速，使得混合的效果和剪切的强度可调整；⑶有动力输入，降低泵送压力；⑷管程短，减少物料积存时间，工艺控制更方便。
高聚物在线动态混合技术及核心装备，是基于在线混合技术的不断增长的需求，其最大的应用场景包括：
1、原液着色纤维原液着色纤维是指在纺丝溶液或熔体中加入着色剂，经纺丝过程得到的有色纤维，也称为无染纤维或纺前染色纤维。原液着色可以省去印染工序，避免产生大量的印染废水，具有突出的环境友好特征。
原液着色纤维在绣花线、缝纫线、车用纺织品、户外纺织品、袜子等产品中用量较大，在工装、窗帘及常规服用纺织品中的应用也日趋广泛。原液着色纤维相关配套产业如颜料、色母粒、加工装备等已实现国产化，具备产业快速发展的基础，并且随着环境资源约束日益严格，原液着色纤维具有广阔的发展空间。
原液着色溶液纺丝技术是将着色剂与纺丝液均匀混合后，在高压作用下将纺丝液通过喷丝板制备出有色纤维。原液着色熔体纺丝技术，在切片纺装置上，通常是将色母粒添加到螺杆挤压机中，与常规切片在挤压机内混合后挤出纺丝。近期开发的新技术是将色母粒熔融后在线添加到常规熔体中进行混合，然后挤出纺丝。在线添加、高效动态混合是制备高品质原液着色纤维的先进技术，这种在线添加方式可以在大容量装置的侧线或单个纺位上实施，装置污染少、颜色更换灵活方便，德国巴马格、吉玛公司等公司开发出此类技术，在聚酯熔体直纺装置的年产千吨到几万吨规模的纺丝侧线上生产出高品质色丝。

图5 原液着色纤维产品（图源网络）
特别重要的是，适合于单工位的小型化的在线着色系统，是原液着色纤维装置开发的重点设备，能够实现一条生产线的多品种，多色彩的生产。理论上，大型连续聚合熔体直纺长丝装置，有多少工位，就可以纺多少种色丝。这将极大提高大型生产装置的柔性制造和个性化定制能力。
原液着色工艺核心技术是在线动态混合技术，其难点在于动态混合器。
2、助剂在线添加聚合物生产流程中助剂添加工艺，通过在熔体管路中直接注入另一种组分，实现聚合物的改性。这种工艺不通过造粒工序，直接做成聚合物改性制品，缩短流程，降低能耗，具有极大的发展空间。
其典型应用：PS熔体终聚釜出料段，增加动态混合器，可以添加荧光剂、阻燃剂等，直接生产PS冰箱板，省去了切片、包装、运输、重熔、挤出等一系列工序，提升了PS生产厂的产品附加值，极大的提升工厂竞争力与盈利能力。
目前，关于此类型的应用，正在不断的开发，预期不久会有突破。

图6 郑州沃华vowamixer^®动态混合器
3、多相在线共混两种以上的聚合物物料，经过在线的混合后注入模头，做成制品，是聚合物生产的常见加工方法，通过增加在线动态的混合设备，可以提升产品品质，得到性能更加优良的制品。

在线动态混合技术在高聚物生产中的应用，相对于目前存有的静态混合技术有着多重的优点和广阔的应用前景。目前，郑州沃华动态混合器已开发三代，并得到市场初步验证，质量提升效果明显。我司研发生产的动态混合器，是通过动子齿和静子齿之间的相对运动来剪切物料，实现物料在极短的管程内，快速、充分、均匀的混合，具有占地面积小，压力损失小，易于维护和清理等优点。
可用于多种物料、聚合物熔体
例如：
PS  HIPS  ABSPET  PA  PP  PEPC  PMMA  POMPLA  PBAT  PBS  PGA等
以及其他高分子材料工业中的原液、溶液、胶液、低聚物、预聚物、热熔胶、沥青、油漆、粘合剂、制药、食品、油脂、燃料、油料、染料、涂料、润滑剂等。
目前我司已经有多条产能1.5-3万吨/年r-PET 在线着色生产线的应用；在制6×5万吨/年ABS生产装置用大规格动态混合器：VDM-DN300-PN42MPa；产能10m³/h，设备重量超10T；
本公司可提供熔体齿轮泵、动态混合器、换网器、控制系统等一体化解决方案。欢迎广大客户前来咨询！

END

VOWA

专业的精密齿轮泵制造商

oooooo

随时欢迎您的莅临参观

点击下方关注我们~