聚甲基丙烯酸甲酯雙螺桿擠出機設計

王英 ，張磊 ，李海明

(1. 天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060，2. 中國石化儀征化纖有限責任公司，江蘇 儀征 211900)

聚甲基丙烯酸甲酯由甲基丙烯酸甲酯經加聚反應而生成的高分子化合物，簡稱為PMMA。由單體聚合而成的無色透明的固體，通常將其叫做有機玻璃。質量較輕，不容易破碎，具有較強的透光性，較為良好的穩定性，被廣泛應用到現代各個領域當中，如醫療器械、透鏡等，對現代社會發展具有重要意義。

現代工業領域，對PMMA 制造時，技術方法有很多，其中，較為常見的有三種，一是懸浮聚合，二是溶液聚合，最后為本體聚合[1]。對于第三種技術來說，技術性最高，需要的技術手段較為復雜，此技術難以掌握，所以，大部分企業均采用前兩種技術生產PMMA。由于懸浮聚合只適合于多品種、小批量生產，針對本項目連續規模化生產的需求，故我們采用溶液聚合。

結合本項目PMMA 生產的實際需要和我們單位在脫揮機方面的經驗，我們采用異向旋轉非嚙合雙螺桿擠出機作為脫揮主設備。

1 聚甲基丙烯酸甲酯的工藝流程

甲基丙烯酸甲酯(MMA) 等原料單體及溶劑在聚合工序進行反應聚合，得到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，經聚合釜出料后，混合物料由熔體泵連續送入脫揮預熱器，在壓力調節閥的控制下送入雙螺桿擠出機脫揮設備來脫除未反應單體及溶劑。溶劑含量小于0.2% 的PMMA 從模頭擠出，經水冷、切粒、干燥和手動包裝，完成生產目標。雙螺桿擠出機排氣口與真空系統相連，閃蒸出的單體及溶劑經冷凝器冷卻回收。圖1 為PMMA 生產工藝流程圖。

2 PMMA 脫揮擠出設備關鍵零部件的開發設計

針對生產技術的需求，對擠出機設計時，應選擇出合理的參數，具體來說，如下所示：螺桿直徑：62 mm ；長徑比：60:1 ；運行額定功率：75 kW ；螺桿最大轉速：300 r/min。

2.1 脫揮口機真空度的設計

將所有物料混合到一起后，應采取特定的方式，定量脫除混合物中的MMA 與甲苯對于這一過程來說，設計內容非常的復雜。脫揮設備設計前，應針對生產需求，予以其合理的操作工藝參數，其中包括：最佳的長徑比，最優化的螺桿組合以及筒體合理的加熱冷卻系統等。在設計脫揮設備時，需要針對實際情況，結合相應的實際經驗以及合理的工藝計算，確定出開口的位置以及合理的開口數量。若開口較少，將會降低脫除速度，導致揮發分無法第一時間脫除。反之，若開口較多，則需要占用較大的加熱面積，則會減少加熱器的數量，導致加熱面積不足熱量不夠，難以起到預期的脫揮效果。

根據聚甲基丙烯酸甲酯脫揮的工藝條件確定擠出機的長徑比為60:1，筒體設為9 節，具體如圖2。PMMA 生產時，從首節筒體的末端加入至擠出機內，這時，由于空間瞬間的變大，導致壓力大幅度降低，使液態物質轉變成氣態，并由脫揮口排出。一般情況下，后排氣可以出去30%～60% 的溶劑[2]。對于第3、5 節筒體來說，相對較為特殊，開口非常的大（L/D=8:1），較大的開口面積使得物料有更大暴露面積，有利于溶劑的脫除，同時可以降低脫揮時的氣流速度，使得膠液不被吸出。第7 節為中開口脫揮筒體，由于此處揮發分含量已不到1%，絕大多數揮發分包裹在樹脂熔體中，較難脫除，為此在該排氣口靠近傳動箱一側我們預開有注水口，目的是讓揮發分和水形成共沸物，降低其沸點，使得脫揮更充分。

各脫揮口具有不同的功能，因此對應的操作參數也是不同的。對于脫揮口，真空度是最主要的操作參數，如果真空度過低，對揮發分的驅動力不足，將導致揮發分無法被全部脫出；相反如果真空度過高，物料和揮發分會被一同脫出[3]。

圖1 PMMA 生產工藝流程

圖2 筒體組合

2.2 螺桿設計

在擠出機中，螺桿為非常關鍵的一部分，直接關系到整個設備的運行效果。選擇螺桿時，以花鍵芯軸為中心，通過積木搭建的方式，安裝功能不同的螺紋元件而形成的。該元件組合是否優化合理直接影響了物料的停留時間以及筒體相互間的換熱效果，從而對最終的脫揮效果起著舉足輕重的作用。正常運行時，兩根螺桿的方向正好相反，一方面對物料進行混合，另一方面將其進行輸送，同時，在產生揮發物后，能夠第一時間將其排出。整個過程當中，由于發生剪切作用還會有大量的摩擦熱產生，摩擦熱產生的多少，則受到物料粘度等因素的影響，通常來說，粘度越高，摩擦熱的產生也越多，正是這些摩擦熱的存在，為脫揮過程提供了一定的熱量，加快了脫揮效率。

本項目的脫揮擠出機為異向非嚙合型雙螺桿擠出機。在機筒內分別有主螺桿和副螺桿，其旋轉方向相反并螺紋不嚙合( 見圖3)。物料在A 區不斷更新表面,被充分混合；在B 區被擠壓向前推進[4]。

根據物料的性能和工藝要求，可調整和變化雙螺桿的設計。從圖4 看出，2 個螺桿上的螺紋相互交錯且相同旋轉，這有利于物料的分布混合。從圖5 看出，2 個螺桿上的螺紋相對，這有利于物料向前推進，但不利于物料的塑化。

圖3 雙螺桿在機筒內的工作方式示意圖

圖4 具有混合作用的部件

圖5 具有輸送作用的部件

螺桿的設計主要是通過不同的部件組合方式以及改變螺桿直徑、螺旋線的角度、螺紋厚度等, 使擠出機的不同部位產生不同的溫度和壓力, 從而推動物料向前, 脫除溶劑。

因為在擠出機的末端物料黏度很大, 同時, 如果此時壓力過高, 由于阻力較大，不易向前輸送, 所以設計了單個輸送型螺桿( 見圖6)。單螺桿設計可降低壓力, 防止這一現象發生。單螺桿不僅在部件設計上具有靈活性和多變性, 而且通過調整2 個螺桿的螺紋位置( 相對或交錯) 組合出不同功能的螺桿。

圖6 單個螺桿輸送示意圖

3 結論

(1) 采用脫揮型異向非嚙合雙螺桿擠出機進行聚甲基丙烯酸甲酯脫揮擠出，整個工藝過程合理，基本可以實現聚甲基丙烯酸甲酯的連續生產。

(2) 采用本脫揮型異向非嚙合雙螺桿擠出機進行聚甲基丙烯酸甲酯脫揮擠出，能夠穩定地生產出揮發分＜0.2% 的產品。