三聚氰胺泡沫双螺杆反应挤出机设计

张国强，张学峰，龚少立

（天华化工机械及自动化研究设计院，甘肃 兰州730060）

0 前言

三聚氰胺是一种用途广泛的基本有机化工中间产品。三聚氰胺与甲醛混合后经过发泡反应可以制成三聚氰胺泡沫，这种泡沫不易燃，耐水、耐热、耐老化、耐电弧、耐化学腐蚀，有良好的绝缘性能、光泽度和力学性能。作为性能优良的阻燃材料，三聚氰胺泡沫塑料不仅应用于建材、汽车等的装饰，还广泛应用于航空航天、国防等军工行业，例如，航天飞机、军用舰艇的吸音阻燃［1］。长期以来，三聚氰胺泡沫塑料的生产技术及产品被德国及日本企业所垄断，国内市场上的三聚氰胺泡沫塑料价格昂贵。因此，实现三聚氰胺泡沫塑料生产技术的国产化势在必行。

目前，国内少数科研单位和企业经过攻关，在实验室中实现了三聚氰胺泡沫塑料的生产，但是由于反应物树脂黏度高、反应放热量大、反应时间短且要求反应过程连续进行等原因，无法实现工业放大，严重阻碍了三聚氰胺泡沫塑料的国产化。

针对三聚氰胺泡沫塑料反应的特点及工艺要求，我单位开发出了适用于该反应的反应型双螺杆挤出机，本文将介绍三聚氰胺泡沫塑料反应型双螺杆挤出机的设计过程。

1 设计条件

1．1 反应体系的状态

20℃下树脂的黏度为450 Pa·s；

45℃及1个大气压下树脂的密度为1．33 g／cm3；

常温常压下甲醛溶液的密度为0．82 g／cm3；

助剂外观：乳浊液；

腐蚀性：弱酸。

1．2 反应工艺流程及工艺要求

图1给出了三聚氰胺泡沫塑料的反应工艺流程简图。单体经过预聚合得到温度为70℃的三聚氰胺预聚体，在进行反应之前需要将其温度降至30℃以下，与按比例加入的甲醛溶液混合，发生强放热反应后进入下游发泡装置进行发泡。

工艺控制要点为：

（1）加入甲醛后发生强放热反应，要求控制体系温度不超过50℃；

（2）加入甲醛后，反应体系在反应器中的停留时间不超过40 s；

（3）机头的挤出压力不小于2 MPa；

（4）目标产量范围300～500 kg／h。

图1 三聚氰胺泡沫塑料的反应工艺流程Fig．1 Processing flowfor melamine foams

2 反应挤出流程设计

针对三聚氰胺甲醛泡沫塑料的工艺过程及工艺控制要求设计的反应挤出工艺流程如图2所示。预聚釜内维持温度为70℃。来自各预聚釜的预聚体经由单螺杆挤出机输送至中间储罐混匀，在此过程中，不断地对树脂进行降温。从中间储罐出来的树脂经由计量加料系统喂入反应型双螺杆挤出机，此时物料进一步冷却至反应所需温度（30℃）。待挤出机中树脂稳定输送后，将甲醛溶液按比例加入双螺杆挤出机与树脂进行反应，并及时移除反应热。反应完成后的物料经由片材挤出模头挤出成片，再进入微波发泡装置发泡，最后经过一系列后处理就得到了三聚氰胺泡沫塑料。

图2 三聚氰胺泡沫塑料的反应挤出发泡流程Fig．2 Processing flowfor reaction extrusing of melamine foams

3 反应型双螺杆挤出机的设计

3．1 螺杆直径的确定

螺杆直径是双螺杆挤出机最基本的尺寸之一。产量按500 kg／h考虑，螺杆导程取该产量范围内同向双螺杆挤出机常用螺纹元件导程的平均值，计算得到导程为64 mm。螺槽的有效面积（A）由式（1）给出［1］。

式中Q——产量，kg／h

T——导程，mm

n——转速，r／min

ρs——物料密度，g／cm3

η——填充系数

由于树脂黏度和甲醛溶液黏度相差较大，因此要使反应体系达到良好的传质效果，双螺杆反应器的螺杆转速n应在100 r／min以上，由于螺杆转速较高，螺杆的填充系数η取0．3。根据式（1）计算出螺槽的有效面积A为3263×10－6m2。

根据反应型双螺杆挤出机的设计经验，强调快速均化混合且要求停留时间较短的反应挤出机的槽径比约为1．3∶1～1．5∶1，产量为300～500 kg／h的同向双螺杆挤出机其螺杆直径约为60～90 mm。将螺杆直径按2 mm递增，按所确定的槽径比画出该范围内的螺杆截面图，计算出螺槽有效面积A，最终确定螺杆直径为78 mm。

3．2 双螺杆反应器螺杆长径比的确定

根据三聚氰胺泡沫塑料的反应挤出工艺流程，在加入甲醛溶液之前，要保证树脂在双螺杆挤出机内稳定连续地输送。因此，在加入甲醛溶液前要使用阻尼元件形成连续的物料密封，根据螺杆的导程和经验需要约8个长径比。而加入甲醛溶液后需要精确控制反应的停留时间，因此需要通过计算得出反应区段的长度。反应体系在反应型双螺杆挤出机中的停留时间（τ）可由式（2）给出［2］，其中螺旋角由式（3）给出。

式中D——螺杆外径，mm

h——槽深，mm

φ——螺旋角，°

Ni——反应区所需要的导程数

t——反应区的螺纹元件导程，mm

对于螺杆直径78 mm的双螺杆反应器其导程通常为56 mm。计算得cosφ＝0．9748。由式（2）计算得反应停留时间τ为30 s时：Ni＝29；反应区螺杆总长为L＝29×56＝1624 mm；反应区的螺杆长径比L／D＝1624／78＝21；故反应型双螺杆挤出机的总螺杆长径比为8＋21＝29。由于积木式双螺杆挤出机的长径比通常选择为4的倍数，因此最终确定其长径比为28。

3．3 反应器驱动功率的确定

采用实验的方式确定反应型双螺杆挤出机的驱动功率。在螺杆直径为58 mm的双螺杆挤出机上进行三聚氰胺泡沫塑料的反应挤出，产量为150 kg／h，螺杆转速100 r／min，测得主电机（直流电机）调速器交流侧的实际功率为12．9 k W。由上述实验数据可得出三聚氰胺树脂的单产功率消耗为0．086 k W·h／kg。因此，产量为500 kg／h时，需要消耗功率约为43 k W。

由上可知，选用45 k W即可保证正常生产，但是考虑到停机后停留在螺杆中的树脂会因为温度降低而变硬，再次启动将需要消耗较大的能量，因此最终确定选用55 k W的电机作为双螺杆反应器的主驱动电机。

3．4 反应体系温度的控制

反应型双螺杆挤出机的传热效率通常大于1674．4 kJ／（m2·h·℃）［1］，远 高 于 釜 式 反 应 器。 因此，反应型双螺杆挤出机能将强放热反应产生的反应热及时移出反应体系，不会出现过热现象。但为了保证系统的可靠、防止发生过度反应造成三聚氰胺泡沫塑料过脆，仍需采取以下方案控制体系温度：

（1）单螺杆挤出机采用夹套冷却，同时增大螺杆直径，使其可以低速运行，从而增加树脂在螺杆中的停留时间，尽可能地降低树脂温度；

（2）中间储罐增加冷却夹套，进一步降低反应前树脂的温度；

（3）采用5℃的低温冷冻水作为反应型双螺杆挤出机筒体内冷却水道的冷却介质；

（4）由于反应属于放热反应不需要加热，因此将反应挤出机安装的加热器替换为冷却夹套（外形与加热器相同），其内通5℃的冷冻水，保证在夏季可以隔绝外部环境热。此外，由于挤出机夹套冷却水和筒体内水道冷却水是两个独立的系统，当冬季环境温度低，设备停机后再启动时，可以在夹套中通热水，提高挤出机中树脂的温度，减小启动负荷。

3．5 螺杆组合的设计

反应型同向双螺杆挤出机的螺杆采用积木式结构，根据不同的反应要求及物料、工艺特点选择不同的功能元件以达到最佳的传质、传热效果。

针对三聚氰胺泡沫塑料反应物组分黏度差大，并且反应要求快速均化的特点设计了如图3所示的专用齿轮型元件和轴向开槽元件，物料在通过这种元件时将不断地经历分流—合流—分流的循环过程，达到快速均化的效果。

图3 反应区段螺杆中使用的特殊元件Fig．3 Special elements used in reacting zone of the screw

图4为最终设计的三聚氰胺泡沫反应挤出机的螺杆结构图，在甲醛溶液进料口之前采用全啮合的输送螺杆元件对三聚氰胺预聚体进行输送，在输送过程中逐渐对预聚体进行压缩提高其与反应器筒体的接触面积达到降低预聚体温度的目的，此外通过对预聚体的压缩使其在到达甲醛进料口前在反应器中形成动态的物料密封防止加压注入的甲醛溶液返流并提前与三聚氰胺预聚体接触。甲醛注入口之后的反应区段大量使用图3所示的分流混合元件，这种螺杆结构能在强化物料分散混合的同时增强物料的轴向分布混合，因此能保证反应体系快速均化。此外，这种螺杆结构能提高反应区段的充满度，增加物料与筒体内壁的接触面积，使得反应热能更快移出反应体系。反应区段结束后为使用小导程全啮合元件组成建压输送段将反应产物稳定输送至发泡单元。由于采用全螺纹的结构，物料在此段的停留时间分布很窄，产物的物性波动也很小，另外全啮合的同向旋转螺纹元件有着很强的自清理能力，能快速将物料推送至模头，防止物料在反应器中发生过度反应造成泡沫变脆变硬的不良效果。

图4 螺杆结构图Fig．4 Structure of the screw

由于铸片机头对物料阻力较大，物料在离开口模时会产生比较大的压降，反应挤出机需要较强的建压能力，为了保证物料的出料压力不小于2 MPa，设计中不但加长了螺杆的建压输送段的长度，而且使用了0．26 mm的小杆筒间隙防止物料因漏流而泄压。

4 结论

（1）设计出的反应型双螺杆挤出机，能满足三聚氰胺泡沫塑料生产工艺的要求，现场开车一次成功；

（2）连续生产制得的三聚氰胺泡沫塑料较间歇法产品具有品质均一、破孔率低、回弹良好等优点；

（3）经过工艺优化后的高档三聚氰胺泡沫产品已用于我国某型舰艇的机舱吸音材料，相比之前采用的隔音材料，能降低噪音5%左右。

［1］ 侯培中．三聚氰胺泡沫塑料在船艇机舱吸声降噪中应用［J］．工程塑料应用，2008，36（8）：48－51．Yuan Gaihong，Hou Peizhong．Application of Melamine Foamin Acoustic Absorption of Military Ship Engine Room［J］．Engineering Plastics Application，2008，36（8）：48－51．

［2］ 马里诺·赞索斯［美］．反应挤出——原理与实践［M］．北京：化学工业出版社，1999：224－235，268．