第二节 塑料改性设备
塑料改性涉及所使用的原辅材料、加工设备、改性技术与效果和具体应用四个方面的问题。其加工设备按塑料改性流程，一般可分为初混、熔融共混、切粒及干燥四类，相应设备介绍如下：
一、初混设备
初混设备，是指物料在非熔融状态下进行混合所用的设备，初混所用到的设备几乎全为间歇式。初混设备的种类有很多，例如转鼓式混合机、双锥混合机、螺带混合机、Z形捏合机、高速混合机等，但目前塑料共混过程中得到广泛应用的主要为Z形捏合机和高速混合机两种。
1.Z形捏合机
Z形捏合机又称双臂捏合机，主要由转子、混合室及驱动装置组成。转子装在混合室内。混合室是一个W形或鞍形底部的钢槽，上部有盖和加料口，下部一般设有排料口。钢槽呈夹套式，可通入加热冷却介质。有的高精度混合室还设有真空装置，可在混合过程中排出水分与挥发物。
转子在混合室内的安装形式有两种，一种为相切式安装，一种为相交式安装。相切式安装时，两转子外缘运动迹线是相切的；相交式安装时，两转子外缘运动迹线是相交的。相切式安装时，转子可以同向旋转，也可异向旋转，转子间速比为1.5∶1、2∶1或3∶1。相交式安装的转子因外缘运动迹线相交，只能同速旋转。相交式安装的转子其外缘与混合室壁间隙很小，一般在1mm左右。在这样小的间隙中，物料将受到强烈剪切、挤压。这一作用可以增加混合（或捏合）效果，同时可以有效地除掉混合室壁上的滞料，有自洁作用。
一般认为，转子相切式安装由于有两个剪切分散区域，更适用于以分散混合为主的混合过程。转子相交式安装有一个剪切区域，但分布作用强烈，更适用于以分布混合为主的混合过程。
Z形捏合机曾经是粉料混合最通用的设备，但因其生产效率低，劳动强度大，能耗高，近年来已逐渐被高速捏合机所取代。但当进行填充改性（尤其加入非粉状填料时），以及有较多的液体助剂时，Z形捏合机仍有一定的使用价值。因为它比较适合于黏稠的物料。
2.高速混合机
高速混合机是一种高强度、高效率的混台设备，混合时间短，一般是几分钟，很适合中、小批量的混合，可用于混色、制取母料、配料及共混材料的预混。普通高速混合机由混合室（又称混合锅）、叶轮、折流板、回转盖、排料装置及传动装置等组成。
混合室呈圆筒形，是由内层、加热冷却夹套、绝热层和外套组成。内层具有很高的耐磨性和光洁度。上部与回转盖连接，下部有排料口，为了排除混合室内的水分与挥发物，有的还装有抽真空装置。叶轮是高速混合机的主要部件，与驱动轴相连，可在混合室内高速旋转，由此得名为高速混合机。折流板断面呈流线型，悬挂在回转盖上，可根据混合室内物料的多少调节其悬挂高度。折流板内部为空腔，装有热电偶，以测试物料温度。混合室下部有排料口，位于物料旋转并被抛起时经过的地方。排料口接有气动排料阀门，可以迅速开启阀门排料。
当高速混合机工作时，高速旋转的叶轮借助表面与物料的摩擦力和侧面对物料的推力使物料沿叶轮切向运动。同时，由于离心力的作用，物料被抛向混合室内壁，并且沿壁面上升，当升到一定高度后，由于重力作用，又落回到叶轮中心，接着又被抛起。这种上升运动与切向运动的结合，使物料实际上处于连续的螺旋状上、下运动状态。由于叶轮转速很高，物料运动速度也很快，快速运动着的粒子间相互碰撞、摩擦，使得团块破碎，物料温度相应升高，同时迅速地进行着交叉混合，这些作用促进了组分的均匀分布和对液态添加剂的吸收。混合室内的折流板进一步搅乱了物料流态，使物料形成无规运动，并在折流板附近形成很强的旋涡。对于高位安装的叶轮，物料在叶轮上、下都形成了连续交叉流动，因而混合更快。混合结束后，夹套内通入冷却介质，冷却后的物料在叶轮作用下由排料口排出。高速混合机混合速度非常快，这对于那些热敏性或不宜经受过长“热历程”的物料是十分有利的。物料填充率也是影响混合质量的一个因素，填充率小时，物料流动空间大，有利于混合，但填充量小会影响产量；填充率大时，又影响混合效果，所以选择适当的填充率是必要的。一般填充率选择0.5～0.7较适宜，对于高位式叶轮，填充率可达0.9。
高速混合机有夹套，可通过蒸汽或依靠电热来加热物料，但由于高速剪切混合作用产生的摩擦热已足够使物料达到必要的塑化温度，夹套加热一般仅为备用。温度测量用的热电偶置于拆流板空腔内，并与自控仪表连接。
另外，在操作中特别要注意的是，切勿使物料温度高于软化点，以及不能使用过多的液体助剂，否则会造成物料结团，不仅达不到混合目的，还会造成无法卸料（卸料口在机筒下方，尺寸较小）的后果，甚至导致设备损伤。
二、熔融共混合设备
物料在熔融状态下进行混合所用的设备称为熔融共混设备。熔融共混设备的种类有开炼机、密炼机、混炼型单螺杆挤出机和双螺杆挤出机等。目前应用最为广泛的是双螺杆挤出机。
1.开炼机
开炼机又称双辊炼塑机，是最早出现的混炼设备。其作用原理是通过两根转动的辊筒将物料混合或使物料达到规定的状态。
开炼机工作时，两个辊筒相向回转且速度不等。堆放在辊筒上的物料由于与辊筒表面的摩擦和黏附作用以及物料之间的粘接力而被拉入辊隙之内，在辊隙内物料受到强烈的挤压与剪切，这种剪切使物料产生大的形变，从而增加了各组分之间的界面，产生了分布混合。该剪切也使物料受到大的应力，当应力大于（固相）物料的许用应力时，物料就会分散开。通过辊隙时，料层变薄且包在温度较高的辊筒上，加上承受剪切时产生的热量，物料即渐趋熔融或软化。此过程反复进行，直至达到预期的熔融塑化和混合状态，塑炼即完成，随即可出片造粒或为其他设备供料。影响开炼机熔融塑化和混合质量的因素有辊筒温度、辊距、辊筒速度及速比、物料在辊隙上方的堆放量以及使物料沿滚筒轴线方向的分布和换位等。
开炼机的优点有如下几点：
（1）开炼机工作时，经取样可以直接观察到物料在混合过程中的变化，从而能及时调整操作工艺及配方，达到预期的混合目的，特别是对那些其物性尚不完全清楚的物料用开炼机比用其他混炼方法更有利于探索最适宜的工艺操作条件。
（2）在开炼机上可随时观察到热固性材料的固化程度。
（3）开炼机结构简单、混炼强度高、价格低廉。
开炼机的缺点有如下几点：
（1）工人的劳动强度大，劳动条件差。
（2）能量利用不够合理，物料易发生氧化。
2.密炼机
密炼机是在开炼机基础上发展起来的一种高强度间隙混合设备。由于密炼机的混炼室是密闭的，在混合过程中物料不会外泄，因此，避免了物料中的添加剂在混合过程中的氧化与挥发，并且可以加入液态添加剂。密炼机的密闭混合有效地改善了工作环境，降低了工人的劳动强度，缩短了生产周期，为自动控制技术的应用提供了条件。密炼机最早用于橡胶的混炼和塑炼，继而又在塑料混合中得到了广泛的应用。
密炼机的混炼室是一个断面为M形的封闭空腔，内装一对转子，转子两端有密封装置，用来防止物料从转子转轴处渗出。混炼室上部有加料及压料装置口，加料装置由一个斗形加料口和翻板门组成。压料装置由上顶栓和气缸组成，上顶栓与活塞杆及活塞相连接。卸料装置设在混炼室下部，由下顶栓、下顶栓开闭装置及锁紧装置组成。翻板门的开闭、上顶栓的提起与压下均由气动系统操纵，下顶栓的开启与闭合以及锁紧装置的动作由液压系统操纵。密炼机在工作时，混炼室壁、转子、上顶栓及下顶栓均须加热或冷却，因而配置有加热冷却系统。加热介质一般是蒸汽或电加热，冷却介质是水。为了防止在混炼过程中转子发生轴向移动或重新调整转子轴向位置，当转子轴承采用滑动轴承时，一般设有轴向调整装置。当采用滚动轴承时，转子轴向力由轴承承受，转子与混炼室壁间的间隙一经调定，不必再设计轴向调整装置。密炼机工作时，翻板门开启，物料由加料门加入，翻板门关闭，上顶栓在气压驱动下将物料压入混炼室，在工作过程中，上顶栓始终压住物料。混合完毕后，下顶栓开启，物料从排料口排出。排出的物料一般加入排料挤出机，可进行造粒或直接挤成片材。转子是密炼机的核心部件，转子结构是决定混炼性能的关键因素之一。传统的密炼机转子是两棱椭圆形转子，它的工作部分在任一断面均呈椭圆形，转子表面有两条螺旋凸棱，凸棱凸出转子工作部分两端向中心延伸，一条左旋，一条右旋。两条凸棱一长一短，螺旋角也不相同。转子中心有空腔，可通入加热或冷却介质。
为了增大混合能力和生产效率，发展了多棱转子，如三棱及四棱转子。目前，在上述转子的基础上，又研究出了许多新型转子，如在凸棱上开有周向沟槽的转子，在表面装有销钉的转子。这些新型转子在减少能耗、提高混炼质量、降低混合温度等方面均有突出优点。
3.混炼型单螺杆挤出机
单螺杆挤出机是聚合物加工工业中最重要的一类挤出机。其特点是结构简单、成本低，易于制造、性能/价格比高。它不但可用于挤出制品的生产，而且也应用于聚合物的共混改性。一台普通的单螺杆挤出机一般由下列三部分组成：
（1）挤压系统：它主要由螺杆和料筒组成，是挤出机的关键部分。
（2）传动系统：其作用是驱动螺杆，保证螺杆在工作过程中所需要的扭矩和转速。
（3）加热冷却系统：它保证物料和挤压系统在加工过程中的温度控制要求。
常规单螺杆挤出机螺杆一般分为三段，即具有较深螺槽且槽深不变的加料段，螺槽深度沿着出料方向由深变浅的压缩段（熔融段）以及具有较浅螺槽且槽深不变的计量段（均化段）。螺杆的尾部为一圆柱体，大小应该按照国家标准选定，尾部用一个或几个键槽或花键与传动装置相连。螺杆直径的单位为mm，直径标准系列为30、45、65、90、120、150、200等。挤出机在工作状态时，螺杆可能承受很高的扭矩负载，尤其在加料段，螺杆的槽深较深，螺杆的截面积较小，有时螺杆内部还需通冷却水冷却，进一步减小了加料段的截面积。因此螺杆为了要承受很高的负载，必须采用高强度的材料。国内常采用38CrMoAl制造螺杆，表面经氮化处理以增强其耐磨和耐腐蚀性。
对常规单螺杆挤出机，由于螺杆槽深较深，难以提供很高的剪切速率，因而也难以提供大的剪切应变；另一方面，熔体在螺槽中向前输送时，很难不断地调整界面取向使之与剪切方向处于最佳角度（45°或135°），因而也难以获得大的界面增长，对混合不利。此外，为了获得混合均匀的混合物，希望挤出机不但能提供良好的横向混合（即垂直于料流方向截面上的混合，是由横流引起的混合），而且能提供良好的纵向混合（料流方向的混合）。实验和理论分析的结果表明，常规单螺杆挤出机的径向混合效果差，而且物料在挤出机中的停留时间分布函数分布窄，也不能实现良好的纵向混合。
对于分散混合，其混合效果主要取决于剪切应力的大小。而要提高剪切应力，必须提高剪切速率。常规单螺杆挤出机提高剪切速率的方法有两个：一是减小熔体输送区的螺槽深度；二是提高螺杆转速。但实际上单螺杆挤出机熔体输送段的槽深不可能很小，所以难以提供高剪切区；螺杆的转速也不能很高，特别是对于那些对剪切敏感的物料，过高的螺杆转速易引起物料的降解。普通的单螺杆挤出机很难获得满意的混合分散效果，为了提高单螺杆挤出机的混炼效果，通常可适当增大螺杆的长径比，但过大的长径比会给制造和装备带来困难。所以，一般通过对普通螺杆进行改进的方法，即采用新型螺杆，以提高剪切速率、延长混炼作用时间和加强对混合物料的分割和扰动，从而提高混合分散效果。
新型螺杆的种类很多，有些结构的新型螺杆是为了提高塑化能力和塑化质量，有的则是为了提高均化质量和混合质量。常见的几种新型螺杆（元件）按其结构和工作原理可分为：分离型螺杆、分流型螺杆、屏障性螺杆、静态混合器等。但这些新型螺杆由于结构复杂，制造维护成本较高，应用并不广泛。
4.双螺杆挤出机
双螺杆挤出机在聚合物加工、改性中已经得到了越来越广泛的应用，是目前塑料改性最主要的设备。随着对啮合同向双螺杆挤出机要求的提高，已出现新一代高速大扭矩双螺杆挤出机，螺杆转速高达600～1200r/min，这将大大促进新型螺杆元件的研制和更优螺杆构型的设计，也会对传统系统、控制系统、螺杆、机筒的材质提出更高的要求，更会促进挤出理论的发展。
双螺杆挤出机的种类很多，为揭示其本质可以从不同角度进行分类，如啮合与否，两根螺杆在啮合区螺槽是开放还是封闭，两根螺杆的旋转方向是同向还是异向，螺杆是圆柱形的还是锥形的，或两螺杆轴线是平行还是相交等。在塑料改性中绝大部分使用的是啮合型同向平行双螺杆挤出机。
双螺杆挤出机主要有以下技术参数。
（1）螺杆直径。对于平行双螺杆挤出机而言，一般情况下其螺杆直径不变。螺杆直径是指螺杆外径，用D表示，单位mm。与单螺杆挤出机一样，双螺杆挤出机的螺杆直径是一个重要技术参数，它的大小在一定程度上表示出双螺杆挤出机生产能力的大小。螺杆直径越大，生产能力越大。
（2）螺杆长径比。螺杆长径比系指螺杆上有螺纹部分的长度（即螺杆有效长度）与螺杆直径之比，用L/D表示，其中L为螺杆有效长度，D为螺杆直径。对啮合同向积木式双螺杆挤出机来说，由于其螺杆长径比可以变化，因而在产品样本上的长径比应当指最大可能的长径比。对于啮合异向旋转锥形双螺杆挤出机，由于其螺杆直径是变化的，因而其长径比规定为螺杆的平均直径和螺杆的有效长度之比，这里的平均直径是其大端直径和小端直径的平均值。
螺杆长径比也是一个重要技术性能参数，在一定意义上它表示出双螺杆挤出机能完成特定生产任务和功能的能力（与螺杆转速、加料量一起），也能表示出生产能力的大小。但应当指出，长径比这个概念已没有在单螺杆挤出机中那么重要，除了适于特定的任务外，已不是长径比越长，其生产能力越高了（双螺杆挤出机的生产能力更多地决定于螺杆直径、螺杆转速、螺杆构型和加料量）。
（3）螺杆的转速范围。双螺杆挤出机的螺杆转速一般都能无级调节，其螺杆有一个最低转速和最高转速。目前最高转速可达1000r/min以上。转速越高，剪切力越大，产量越大。
三、切粒设备
改性塑料常以粒料形式供应塑料加工厂制造各种塑料制品，因此需要使用切粒机。切粒机一般与挤出机连用组成粒料生产线。
从挤出机多孔口模挤压出来的熔融料条可经过冷切或热切两种方式造粒，热切又可分为空气中切粒和水中切粒两种。常见切粒方法的应用范围与生产能力见表1-1。
表1-1 常见切粒方法的应用范围与生产能力
1.风冷热切粒设备
风冷热切粒设备的特点如下。
优点：塑料粒子的形状为圆柱形或腰鼓形，形状良好；设备所消耗的功率低，结构简单，刀具磨损量小，操作、维护方便；塑料粒子不需要进行干燥处理。
缺点：粒子之间可能会出现黏附现象，所加工物料的熔体流动速率不宜过低。
2.牵条冷切粒设备
牵条冷切粒设备通常与挤出机配合使用，主要适用于对PA、PE、ABS、PVC、PP、PS等物料的造粒，塑料共混、填充改性、增强改性后的造粒和非吸水性色母料的造粒。牵条冷切粒设备由造粒机头、冷却水槽、冷切粒机等部分组成。
牵条冷切粒设备的特点如下。
优点：设备结构简单，操作维护方便；颗粒形状整齐、美观；适应范围广。
缺点：功率消耗较大；刀具磨损较严重，不适用于对物料的绝缘性要求较高的场合；因为塑料条在切粒以前需要经过水槽冷却，因此不适用于对含水性要求较低以及吸湿性高的物料；产量不高。
3.水下热切粒设备
水下热切粒设备通常与挤出机配合使用，主要适用于对PE、ABS、PP、PS、PVC等物料的造粒。水下热切粒设备由水下切粒机头、温水循环系统、分离系统、筛分系统等部分组成。
水下热切粒设备的特点如下。
优点：颗粒外形美观、均匀，不易黏结；产量高；切下的颗粒可以由水输送到任何地方，操作无噪声；密闭操作，颗粒质量好，无灰尘、杂物混入。
缺点：附属设备（如温水循环系统、颗粒脱水干燥系统等）庞大、复杂；由于机头与温水接触，运行过程中，为了保持机头的温度，需要消耗大量的热量；旋转切刀与多孔模板表面的间隙较小，对操作条件要求高，操作不当会引起模的堵塞。
4.水环热切粒设备
适用于EVA热熔胶、TPU弹性体、电缆料等物料的造粒。水环热切粒设备由水环切粒机头、温水循环系统、分离系统、筛分系统等部分组成。
水环热切粒设备的特点如下。
优点：颗粒外形美观、均匀，不易黏结；产量高；切下的颗粒可以由水输送到任何地方，操作无噪声；密闭操作，颗粒质量好，无灰尘、杂物混入。
缺点：附属设备（如温水循环系统、颗粒脱水干燥系统等）庞大、复杂。
由于水雾热切粒和平板冷切粒方法目前已较少采用，这里就不予以介绍了。
四、干燥设备
根据树脂与水的亲和能力，可将树脂分为两大类，非吸湿性树脂和吸湿性树脂。树脂中湿分的吸附和解吸与树脂的种类、环境温度和湿度有关。某些情况下，树脂放置在环境中只几分钟，便对树脂产生不利的影响。在干燥之前，必须了解水对聚合物的渗透性（即水气在聚合物中的扩散系数以及溶解度）和平衡湿含量，这对于聚合物的安全储存很重要。聚乙烯、聚苯乙烯和聚丙烯属于非吸湿性树脂。这类树脂只在球粒的表面吸湿，这些湿分有时在送入注射前适度加热便可去掉。在某些情况下，只要在高位料斗与加工机械之间足够通风，或者让热空气穿过料层便可除去湿分，这些设备比较简单，包括空气过滤器、风机和电加热器。
PET、聚酰胺、ABS和聚碳酸酯属于吸湿性树脂，湿分的去除需干燥的热空气。此类树脂的干燥需要正确选取或设计干燥器，脱湿干燥器通常用于此类物料的干燥。在吸湿性树脂干燥过程中，需要考虑下述干燥介质的条件。
一是，干燥介质的最高温度。它受物料的极限温度限制，即该温度下，聚合物会发生熔融、氧化、降解或其他化学反应，释放出需要保留在树脂中的挥发性物质。
二是，干燥介质的露点（或湿度）。某一温度下干燥介质的露点越低，也即其温度越低，被干燥物料能达到的平衡湿含量越低。但是，温度提高，露点的重要性下降。
干燥按传热介质的作用形式，可分为直接式干燥和间接式干燥器。
1.直接式干燥
直接式干燥也叫绝热干燥或对流干燥，它是通过热气流与产品直接接触而传递热量，气体提供显热用于蒸发物料中的湿分。传热介质可以是空气、惰性气体、过热蒸汽或燃烧产物。但燃烧气很少用于干燥聚合物，以避免产品污染。惰性气体可避免爆炸及火灾的发生，防止聚合物在加入稳定剂之前发生氧化。
另一种干燥方法，即脱湿干燥，它首先将干燥介质（一般为空气）在干燥剂箱中进行预处理，去掉一部分湿分，使其露点下降。然后，干燥的空气经换热器加热后穿过料层。一般使用硅胶或分子筛作为干燥剂，最近也开发出一些新型聚合物干燥剂。若空气流的湿含量大，用硅胶可除去大量的水分；而对于进气湿含量低的情况，分子筛较适用。进入干燥剂床的气流温度一般高于40℃，这对于使用分子筛脱湿是必要的。分子筛每吸附1kg湿分产生4187kJ的热量。因此，分子筛不但可以降低干燥介质的露点，而且加热干燥介质，从而减少热能输入量。
2.间接式干燥器
一般用于小规模或中等规模的生产，干燥的产品堆积密度比直接式干燥的高。该种干燥器通常包括滚筒、空心盘式、桨叶搅拌式和回转真空（双锥式）干燥器等。在间接式干燥器中往往通入气体作为蒸发湿分的携带载体，携带气体有时也参与传热/传质过程。
在聚合物干燥过程中，此两种干燥方法均普遍应用。在一台干燥装置中结合使用此两种干燥方法，或者将直接式和间接式干燥器进行组合使用是解决某些聚合物干燥的有效途径。在流化床床层中埋置加热元件，可提高床层与加热元件的传热速率。应注意，在聚合物干燥的应用中，聚合物的软化点限制了加热元件的使用温度。