一種利用微波輻射加速化學(xué)反應(yīng)的雙螺桿擠出機(jī)反應(yīng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及新型化工設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及利用微波輻射加速化學(xué)反應(yīng)的雙螺桿擠 出機(jī)反應(yīng)器。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，化學(xué)反應(yīng)一般發(fā)生在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)或等離子態(tài)，化學(xué)反應(yīng)過程伴隨 著反應(yīng)物原子核外電子的交換、共享及其電子云的重新分布，結(jié)果形成了新的物質(zhì)。對于有 機(jī)合成及高分子材料聚合的化學(xué)反應(yīng)由于其參與反應(yīng)物及生成物分子多數(shù)情況比較大，一 般地比無機(jī)化學(xué)反應(yīng)時間長，尤其高分子材料聚合過程中伴隨著分子鏈的增長而引起的粘 度的巨大變化，為了避開高粘度反應(yīng)過程，促進(jìn)高分子聚合反應(yīng)完全和均勻，常用溶劑將單 體配成稀溶液進(jìn)行聚合反應(yīng)，這樣的工藝雖然促成了聚合，但是化工過程中需要的溶解、蒸 發(fā)、分離、提純等的能耗加大及廢氣、廢液排放等環(huán)保性缺陷日漸顯示出問題，為此人們一 直在尋求可以不需要溶劑且能適應(yīng)高粘度化學(xué)反應(yīng)的理想化學(xué)反應(yīng)器。
[0003] 擠出機(jī)起源于18世紀(jì)，Joseph Bramah(英格蘭）于1795年制造的用于無縫鉛管 的手動活塞式壓出機(jī)被認(rèn)為是世界上第一臺擠出機(jī)。從那時起，在19世紀(jì)前50年期間，擠 出機(jī)基本上只適用于鉛管的生產(chǎn)、通心粉以及其它食品的加工、制磚及陶瓷工業(yè)。在作為一 種制造方法的發(fā)展過程中，第1次有明確記載的是R. Brooman在1845年申請的用擠出機(jī) 生產(chǎn)固特波膠電線的專利，固特波公司的H. Bewlgy隨后對該擠出機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，并于1851 年將它用于包覆在Dover和Calais公司之間的第1根海底電纜的銅線上。1879年英國人 M. Gray取得第一個采用阿基米德螺線式螺桿擠出機(jī)專利，在此后的25年內(nèi)，擠出方法逐漸 引起重視，并且由電動操縱的擠出機(jī)迅速替代了以往的手動擠出機(jī)。十九世紀(jì)中葉發(fā)展起 來的合成聚合物工業(yè)，促進(jìn)了高分子材料擠出加工的應(yīng)用，1925年擠出了各種型式的聚氯 乙稀，1935年由德國機(jī)械制造商Paul Troestar制造成功專門為熱塑性塑料設(shè)計的第一臺 單螺桿擠出機(jī)，標(biāo)志著現(xiàn)代擠出工藝的開始，從第一臺單螺桿擠出機(jī)發(fā)展到今天機(jī)型眾多 的單螺桿和雙螺桿擠出機(jī)，擠出機(jī)經(jīng)歷了 70年的發(fā)展歷程。雙螺桿擠出機(jī)發(fā)展過程可以分 為三個階段，第一階段1950年-I960年，雙螺桿擠出機(jī)作為一種新的設(shè)備，功能上不完善； 第二個階段I960年-1970年，性能優(yōu)異的、成本高的雙螺桿擠出機(jī)；第三個階段1970年以 后注意加工設(shè)備的經(jīng)濟(jì)合理性的雙螺桿擠出機(jī)。雙螺桿擠出機(jī)按兩根螺桿的相對位置，可 以分為嚙合型和非嚙合型兩種，按兩根螺桿的結(jié)構(gòu)形狀可分為平行雙螺桿擠出機(jī)和錐形雙 螺桿擠出機(jī)，按兩根螺桿的旋轉(zhuǎn)方向不同，分為同向旋轉(zhuǎn)和異向（反向）旋轉(zhuǎn)兩大類。目前， 單螺桿擠出機(jī)主要應(yīng)用于高分子材料擠出加工，同向旋轉(zhuǎn)嚙合式平行雙螺桿擠出機(jī)由于物 料摩擦產(chǎn)生的熱量較少、物料所受到的剪切比較均勻、螺桿的輸送能力較大、擠出量比較穩(wěn) 定、物料在機(jī)筒內(nèi)停留時間長、混合均勻，比單螺桿擠出機(jī)有更好的混煉、排氣、反應(yīng)和自潔 功能的特點，除擠出加工外還大量用于高分子材料改性及一般接枝等反應(yīng)擠出。
[0004] 從化學(xué)反應(yīng)要求來講，同向旋轉(zhuǎn)嚙合式平行雙螺桿擠出機(jī)比較符合理想反應(yīng)器的 條件，但是因為擠出機(jī)的制造工藝、材料性能等限制了擠出機(jī)的長度不能做的太長，較短的 擠出機(jī)考慮到速度、產(chǎn)量符合成本要求，其允許物料的停留時間也不能太長，一般在15分 鐘以內(nèi)，而多數(shù)高分子材料聚合及有機(jī)合成化學(xué)反應(yīng)時間則一般較長，數(shù)小時、數(shù)十小時均 比較常見，反應(yīng)時間的限制是擠出機(jī)成為理想反應(yīng)器的希望一直未能實現(xiàn)，如果解決了反 應(yīng)時間這個問題，雙螺桿擠出機(jī)作為反應(yīng)器就應(yīng)該可以實現(xiàn)人們的這個理想了。
[0005] -般地，縮短化學(xué)反應(yīng)時間常用方法是加入催化劑，催化劑參與化學(xué)反應(yīng)過程，在 降低反應(yīng)活化能的同時促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)時間可以較大的縮短，但是，催化劑一般具有高 度選擇性，不同物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)需要不同的催化劑，而催化劑的尋找也是實驗化學(xué)家們經(jīng) 過無數(shù)次實驗才能得到的，找到一款能適合大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)的萬能催化劑基本上是不可能 的工作，況且，因為催化劑參與化學(xué)反應(yīng)過程，產(chǎn)品中就會有催化劑殘留，影響產(chǎn)品的使用、 環(huán)保等問題，催化劑的生產(chǎn)、分離、再生、處理等一系列化學(xué)過程也是影響成本的一大因素。
[0006] 然而，1986年以來，科學(xué)家們研宄發(fā)現(xiàn)微波可以顯著地縮短化學(xué)反應(yīng)時間，通?？?以將化學(xué)反應(yīng)時間從數(shù)天或數(shù)小時縮短至幾分鐘或幾秒鐘！
[0007] 微波是頻率范圍從0. 3~300GHz的電磁波，其波長范圍為Icm~lm，微波頻段位 于紅外線和無線電波頻率之間。波長在1~25cm之間的電磁波被用于雷達(dá)發(fā)射，其余波長 范圍的電磁波則被用于無線電通訊，為了不干擾無線電通訊，用于家用微波爐和利用微波 進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的微波頻率一般確定為2. 45GHz，相應(yīng)的波長為12. 25cm，這也是國際上協(xié)定 的可以用于工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)學(xué)的ISM頻段（Industrial Scientific Medical)，該頻率下的 微波輻射能量（〇.〇〇16eV)與高分子化合物中的各種共價鍵的鍵能（> 3eV)相比比較低， 遠(yuǎn)不足以斷開這些共價鍵，因此不用擔(dān)心該能量的微波輻射造成高分子化合物的分解。
[0008] 20世紀(jì)40年代，微波能量最早由Percy Spencer用來加熱食品，80年代，微波被用 于有機(jī)合成。1986年，Richard Gedye研宄組首次報道利用微波加熱可以用來加速有機(jī)化 學(xué)轉(zhuǎn)化，微波福射具有偶極距的極性分子時，微波電磁場的電磁振蕩使得極性分子的偶極 子振蕩，當(dāng)米用頻率為2. 45GHz的微波福射極性分子時，極性分子的偶極子振蕩、重排的時 間，難以及時跟上微波中2. 45億次/秒交變電磁場的變化，這種運(yùn)動產(chǎn)生分子間的摩擦、能 量交換和介電損失，能量以熱的形式被消耗，極性分子于是被加熱，由于微波可以對極性介 質(zhì)內(nèi)外同時加熱，加熱均勻、速度快成為其特點。另一方面，極性分子的高速振蕩速率2. 45 億次/秒使得極性分子間可以反應(yīng)的原子之間的碰撞幾率大大增加，高速的熵變使產(chǎn)生化 學(xué)反應(yīng)的幾率就以成百上千倍的速度增加，根據(jù)普朗克公式中粒子能量E與其頻率V的關(guān) 系E = nh V，微波振蕩所攜帶的能量交換到可反應(yīng)的原子后極大地降低了參與化學(xué)反應(yīng)分 子的活化能，縮短了分子、原子間化學(xué)反應(yīng)的時間，起到了如同催化劑的催化作用加速了化 學(xué)反應(yīng)。但是，因為微波的穿透深度有限，如對85°C下的水的穿透深度才4cm(穿透深度是 指微波功率衰減到36.8% (Ι/e)時的距離），應(yīng)用于有機(jī)合成化學(xué)反應(yīng)時，大容積的釜式設(shè) 備顯得局限，反應(yīng)時間及均勻性沒有多大優(yōu)勢，所以長期以來，利用微波在常規(guī)化學(xué)反應(yīng)設(shè) 備上進(jìn)行有機(jī)合成或高分子聚合的規(guī)?；a(chǎn)一直進(jìn)展緩慢。筆者在專利CN101544758B 《聚酰胺的微波輻射聚合方法》及CN201227587《微波雙螺桿擠出機(jī)反應(yīng)器》中率先將微波 引入雙螺桿擠出機(jī)反應(yīng)器用于有機(jī)合成或高分子聚合，由于雙螺桿擠出機(jī)反應(yīng)器內(nèi)的小體 積解決了微波的穿透深度問題，高剪切混合能力解決了高粘度物料的均勻攪拌問題，饑餓 式喂料使其擠出機(jī)物料不足的充盈度可以有效更新反應(yīng)物料的表面積使其反應(yīng)更快的進(jìn) 行，不同區(qū)段間的密封間隔允許不同的壓力、真空可以實現(xiàn)高壓反應(yīng)、真空排除小分子氣體 等副產(chǎn)物有利反應(yīng)完全，嚙合自清理正向輸送功能解決了物料的死角停留問題，機(jī)筒的大 容量加熱、冷卻能力解決了反應(yīng)所需的快速熱交換問題保證了反應(yīng)溫度的精確控制，所有 這些優(yōu)點完美實現(xiàn)了微波在有機(jī)合成或高分子聚合領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用，從而開創(chuàng)了微波在 促進(jìn)有機(jī)或高分子化學(xué)反應(yīng)方面的新紀(jì)元。
[0009] 如果將微波引入雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)以加速化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)后的雙螺桿擠出機(jī)實際上 就可以認(rèn)為是理想的反應(yīng)器，尤其是應(yīng)用于高粘度、高固含量反應(yīng)物料的化學(xué)反應(yīng)中更具 有突出的優(yōu)勢，高剪切能力、混合均勻、傳熱迅速、正向輸送功能、自清理能力、容易實現(xiàn)高 壓或真空、控制方便及連續(xù)化的特點結(jié)合微波加速化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)勢就具備了理想反應(yīng)器的 一切條件，關(guān)鍵是聚合產(chǎn)品中沒有催化劑殘留，產(chǎn)品純度高，副反應(yīng)產(chǎn)物極少，省卻了很多 不必要的后處理工序，如此一來，引入微波的雙螺桿擠出機(jī)就成了理想的反應(yīng)器，對有機(jī)化 學(xué)合成及高分子材料行業(yè)將產(chǎn)