过氧化物交联聚烯烃的制备工艺及成套生产线优化设计
过氧化物交联聚烯烃的制备工艺及成套生产线优化设计[20200412222837]
摘 要
本设计以解决聚烯烃过氧化物交联中的预交联、焦烧等问题为出发点，通过查阅文献，了解聚烯烃过氧化物交联机理，综合分析了交联的影响因素以及生产过程中可能发生问题的原因，设计了过氧化物交联聚烯烃的挤出造粒工艺。并通过设对备进行比较，最终选用了双阶挤出机组，该挤出机组由一台平行同向双螺杆挤出机和一台单螺杆挤出机组成，配以高速混合机、水雾偏心热切粒，不仅能实现对交联温度的稳定控制，避免了预交联、焦烧等问题，也实现了高效率的连续化生产。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:交联聚烯烃过氧化物交联造粒工艺生产线
目 录
1. 前言 1
1.1 交联聚烯烃的概述 1
1.2 交联聚烯烃的应用以及发展前景 2
1.3 聚烯烃的交联方法 3
1.3.1 辐射交联 3
1.3.2 过氧化物交联 3
1.3.3 硅烷接枝交联 3
1.3.4 其他交联方式 4
1.4 过氧化物交联 4
1.4.1 过氧化物交联机理 4
1.4.2 主要原料和添加剂 4
1.4.3 影响因素 5
1.5 挤出造粒工艺简介 5
1.5.1 挤出机的应用和发展 6
1.5.2 造粒的形式和原理 7
1.6 本设计的意义和内容 8
1.6.1 本设计的目的和意义 8
1.6.2 本设计的内容 8
2.制备工艺 8
2.1 工艺的选择 8
2.2 原料的选择 9
2.3 设备的选择 9
2.4 工艺流程 10
3. 生产线优化设计 12
3.1 生产线示意图 12
3.2 双阶挤出机组 13
3.2.1 双螺杆混炼挤出机 13
3.2.2 单螺杆挤出机 13
3.2.3 控制系统 14
3.2.4 加热冷却系统 14
3.2.5 抽真空系统 15
3.3 辅机 15
4.结论 19
参考文献 20
致谢 21
1. 前 言
1.1 交联聚烯烃的概述
如今，塑料早已成为使用量最多的高分子材料，而聚烯烃在塑料中占有一半以上，名副其实地成为了消费量最大的塑料品种[1]。聚烯烃不仅包括聚乙烯和聚丙烯这样消费量很大的通用高分子材料，也包括像聚烯烃弹性体这样具有高附加值的高分子材料[1]。正是由于其原料来源丰富、价格低廉、加工成型方便、综合性能优良，聚烯烃材料才能为目前市面上产量最大、应用最为广泛的一类高分子材料，发展也极其快速。然而，其性能方面也存在着不足与缺点，例如耐摩擦、耐热、耐燃性能差；与工程塑料相比抗撕裂强度小、硬度小；抗化学、抗环境药品性能差；加工尺寸精度差、易老化等，这些缺陷都严重缩小了聚烯烃材料的应用范围。
聚烯烃交联技术是改善聚烯烃性能的一种重要技术。聚烯烃经过交联之后，原有的聚合物大分子结构从线性结构变为网状结构，其拉伸性能、冲击强度、硬度、耐热性能、电学性能、耐蠕变性能都会有所提高[2]。总而言之，交联是一种几乎可以使聚烯烃所有的性能都有不同程度的提高，而基本不破坏原本优异性能的一种近似于“完美”的改性方式。
1.2 交联聚烯烃的应用以及发展前景
在交联聚烯烃当中，交联聚乙烯和交联聚丙烯最为人所知。交联聚烯烃中最为典型的是交联聚烯烃，简称XLPE。1952年，美国化学家Charlesby在工作中偶然发现了这种聚烯烃, 距现在已经有60多年历史了[3]。聚乙烯经过交联改性之后，其性能得到了大幅度的改善, 不仅力学性能、耐环境应力开裂性能、耐化学药品性能、耐腐蚀性能、抗蠕变性能和电性能等综合性能得到了显著的改善, 而且耐温等级也得到了明显的提高, 可以使其耐热温度从7 0℃提高到100℃以上[4], 从而大大拓宽了聚乙烯的应用范围。目前, 交联聚乙烯已经在管材、薄膜、电缆料以及泡沫制品等方面广泛应用。交联聚丙烯的应用仅次于交联聚乙烯，在80年代初，汽车工业的迅速发展，对于聚丙烯（PP）的高温性能提出了更高的要求，光靠共混改性已经难以达到目标，而经过交联的聚丙烯却改善了这一状况。PP经过交联之后，其形态稳定性大大提高, 强度、耐热性和熔体强度也得到了改善, 成型周期也缩小了[5]。
如今,科学家们对于交联聚烯烃的研究越来越多, 尤其是近几年，在开发新产品、改进工艺方面都取得了较大进步。交联改性能够让聚烯烃材料获得各种优异的性能，而且相对来说耗费不大，能够带来巨大的经济效益，因此人们对于交联聚烯烃的需求正逐渐加大。因此，发展交联聚烯烃具有很强的竞争力和广阔的市场前景，应大力推广交联聚烯烃的开发应用。
1.3 聚烯烃的交联方法
在工业生产中，交联聚烯烃主要采用三种交联方式，即辐射交联、过氧化物交联和硅烷交联，其中后两者属于化学交联，前者属于物理交联，虽然两者引起交联反应的初级自由基不同，但交联过程相似。此外，聚烯烃还可通过其他交联方法进行交联，例如紫外光交联[6]、叠氮化物交联、离子交联[5]（又称盐交联）等。
1.3.1 辐射交联
1948年，Dole在重水反应堆实验中首先发现了辐射能够交联聚烯烃。不久后，Lawton等人利用电子加速器成功地交联了聚乙烯[7]。辐射交联是指在常温常压下，利用高能射线对聚合物进行照射，使其产生自由基，进而使大分子链之间形成化学键。辐射交联属于物理方法，一般采用高能辐射源如γ射线、中字束、电子束等。这些能源既可以从原子反应堆中获取，也可以从加速器及反射性同位素中获得。相对于化学交联来说，辐射交联不需要加入交联剂，而且对温度没有严格的限制，一般为室温，因而制品在成型后进行辐射交联是不会发生变形的；而硅烷接枝交联虽然也是在制品成型后进行，但交联时温度需要升高，这样容易导致制品变形[8]。但辐射交联也存在着一些缺陷，例如一次性投资费用大、技术操作和维护比较复杂、对于安全防护很严格等。随着聚烯烃辐射交联技术的不断发展，辐射交联已经成功应用于工业化生产，例如XLPE电线电缆、热收缩管等[7]。
1.3.2 过氧化物交联
过氧化物交联是指过氧化物交联剂受热分解产生自由基，引发聚合物大分子之间发生化学反应，使大分子链之间形成化学键，从而形成网状体型结构的过程。过氧化物交联可以生产出优质的交联聚烯烃, 因此在工业上获得了广泛应用。但是过氧化物交联法必须有两个条件：（1）交联过程中必须有过氧化物交联剂参与；（2）交联反应的温度必须控制在一定范围内。这也是过氧化物交联和辐射交联的明显区别之一。
1.3.3 硅烷接枝交联
硅烷接枝交联是上个世纪70年代初出现的交联技术，其实际属于过氧化物交联的一个分支[8]。硅烷交联又称温水交联，在交联过程中，先将硅烷接枝到聚烯烃主链上，然后在水和催化剂的作用下，使硅氧烷键发生交联，从而获得交联聚烯烃。比起辐射交联和过氧化物交联，硅烷交联设备简单、成本低、工艺简单；而辐射交联一次性投资费用大，有辐射源，因次在安全防护方面要求严格，并且易对环境造成辐射污染；过氧化物交联法不容易控制，易产生预交联影响加工[8]。硅烷交联工艺也有很多种类，主要有两步法交联工艺、一步法交联工艺、乙烯基硅烷共聚工艺[9]。
1.3.4 其他交联方式
紫外光交联是一种新的交联方法，近些年才开始实现工业应用，主要适用于PE的交联[6]。交联时，需在聚烯烃基体中添加光引发剂或者光敏化剂，这些引发剂吸收紫外光能量后，会夺取聚烯烃分子链上的氢，产生自由基，使聚烯烃发生交联形成网状结构。紫外光交联类似于辐射交联，不同的是其采用的是低能量的紫外光作为辐射源。紫外光交联一次性投资费用小，设备容易获得，容易操作，安全防护也比较容易[3]。如今，紫外光交联技术仍处于发展阶段，仍有很多方面需要完善，但其越来越受到人们的重视，具有一定的应用前景。
摘 要
本设计以解决聚烯烃过氧化物交联中的预交联、焦烧等问题为出发点，通过查阅文献，了解聚烯烃过氧化物交联机理，综合分析了交联的影响因素以及生产过程中可能发生问题的原因，设计了过氧化物交联聚烯烃的挤出造粒工艺。并通过设对备进行比较，最终选用了双阶挤出机组，该挤出机组由一台平行同向双螺杆挤出机和一台单螺杆挤出机组成，配以高速混合机、水雾偏心热切粒，不仅能实现对交联温度的稳定控制，避免了预交联、焦烧等问题，也实现了高效率的连续化生产。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:交联聚烯烃过氧化物交联造粒工艺生产线
目 录
1. 前言 1
1.1 交联聚烯烃的概述 1
1.2 交联聚烯烃的应用以及发展前景 2
1.3 聚烯烃的交联方法 3
1.3.1 辐射交联 3
1.3.2 过氧化物交联 3
1.3.3 硅烷接枝交联 3
1.3.4 其他交联方式 4
1.4 过氧化物交联 4
1.4.1 过氧化物交联机理 4
1.4.2 主要原料和添加剂 4
1.4.3 影响因素 5
1.5 挤出造粒工艺简介 5
1.5.1 挤出机的应用和发展 6
1.5.2 造粒的形式和原理 7
1.6 本设计的意义和内容 8
1.6.1 本设计的目的和意义 8
1.6.2 本设计的内容 8
2.制备工艺 8
2.1 工艺的选择 8
2.2 原料的选择 9
2.3 设备的选择 9
2.4 工艺流程 10
3. 生产线优化设计 12
3.1 生产线示意图 12
3.2 双阶挤出机组 13
3.2.1 双螺杆混炼挤出机 13
3.2.2 单螺杆挤出机 13
3.2.3 控制系统 14
3.2.4 加热冷却系统 14
3.2.5 抽真空系统 15
3.3 辅机 15
4.结论 19
参考文献 20
致谢 21
1. 前 言
1.1 交联聚烯烃的概述
如今，塑料早已成为使用量最多的高分子材料，而聚烯烃在塑料中占有一半以上，名副其实地成为了消费量最大的塑料品种[1]。聚烯烃不仅包括聚乙烯和聚丙烯这样消费量很大的通用高分子材料，也包括像聚烯烃弹性体这样具有高附加值的高分子材料[1]。正是由于其原料来源丰富、价格低廉、加工成型方便、综合性能优良，聚烯烃材料才能为目前市面上产量最大、应用最为广泛的一类高分子材料，发展也极其快速。然而，其性能方面也存在着不足与缺点，例如耐摩擦、耐热、耐燃性能差；与工程塑料相比抗撕裂强度小、硬度小；抗化学、抗环境药品性能差；加工尺寸精度差、易老化等，这些缺陷都严重缩小了聚烯烃材料的应用范围。
聚烯烃交联技术是改善聚烯烃性能的一种重要技术。聚烯烃经过交联之后，原有的聚合物大分子结构从线性结构变为网状结构，其拉伸性能、冲击强度、硬度、耐热性能、电学性能、耐蠕变性能都会有所提高[2]。总而言之，交联是一种几乎可以使聚烯烃所有的性能都有不同程度的提高，而基本不破坏原本优异性能的一种近似于“完美”的改性方式。
1.2 交联聚烯烃的应用以及发展前景
在交联聚烯烃当中，交联聚乙烯和交联聚丙烯最为人所知。交联聚烯烃中最为典型的是交联聚烯烃，简称XLPE。1952年，美国化学家Charlesby在工作中偶然发现了这种聚烯烃, 距现在已经有60多年历史了[3]。聚乙烯经过交联改性之后，其性能得到了大幅度的改善, 不仅力学性能、耐环境应力开裂性能、耐化学药品性能、耐腐蚀性能、抗蠕变性能和电性能等综合性能得到了显著的改善, 而且耐温等级也得到了明显的提高, 可以使其耐热温度从7 0℃提高到100℃以上[4], 从而大大拓宽了聚乙烯的应用范围。目前, 交联聚乙烯已经在管材、薄膜、电缆料以及泡沫制品等方面广泛应用。交联聚丙烯的应用仅次于交联聚乙烯，在80年代初，汽车工业的迅速发展，对于聚丙烯（PP）的高温性能提出了更高的要求，光靠共混改性已经难以达到目标，而经过交联的聚丙烯却改善了这一状况。PP经过交联之后，其形态稳定性大大提高, 强度、耐热性和熔体强度也得到了改善, 成型周期也缩小了[5]。
如今,科学家们对于交联聚烯烃的研究越来越多, 尤其是近几年，在开发新产品、改进工艺方面都取得了较大进步。交联改性能够让聚烯烃材料获得各种优异的性能，而且相对来说耗费不大，能够带来巨大的经济效益，因此人们对于交联聚烯烃的需求正逐渐加大。因此，发展交联聚烯烃具有很强的竞争力和广阔的市场前景，应大力推广交联聚烯烃的开发应用。
1.3 聚烯烃的交联方法
在工业生产中，交联聚烯烃主要采用三种交联方式，即辐射交联、过氧化物交联和硅烷交联，其中后两者属于化学交联，前者属于物理交联，虽然两者引起交联反应的初级自由基不同，但交联过程相似。此外，聚烯烃还可通过其他交联方法进行交联，例如紫外光交联[6]、叠氮化物交联、离子交联[5]（又称盐交联）等。
1.3.1 辐射交联
1948年，Dole在重水反应堆实验中首先发现了辐射能够交联聚烯烃。不久后，Lawton等人利用电子加速器成功地交联了聚乙烯[7]。辐射交联是指在常温常压下，利用高能射线对聚合物进行照射，使其产生自由基，进而使大分子链之间形成化学键。辐射交联属于物理方法，一般采用高能辐射源如γ射线、中字束、电子束等。这些能源既可以从原子反应堆中获取，也可以从加速器及反射性同位素中获得。相对于化学交联来说，辐射交联不需要加入交联剂，而且对温度没有严格的限制，一般为室温，因而制品在成型后进行辐射交联是不会发生变形的；而硅烷接枝交联虽然也是在制品成型后进行，但交联时温度需要升高，这样容易导致制品变形[8]。但辐射交联也存在着一些缺陷，例如一次性投资费用大、技术操作和维护比较复杂、对于安全防护很严格等。随着聚烯烃辐射交联技术的不断发展，辐射交联已经成功应用于工业化生产，例如XLPE电线电缆、热收缩管等[7]。
1.3.2 过氧化物交联
过氧化物交联是指过氧化物交联剂受热分解产生自由基，引发聚合物大分子之间发生化学反应，使大分子链之间形成化学键，从而形成网状体型结构的过程。过氧化物交联可以生产出优质的交联聚烯烃, 因此在工业上获得了广泛应用。但是过氧化物交联法必须有两个条件：（1）交联过程中必须有过氧化物交联剂参与；（2）交联反应的温度必须控制在一定范围内。这也是过氧化物交联和辐射交联的明显区别之一。
1.3.3 硅烷接枝交联
硅烷接枝交联是上个世纪70年代初出现的交联技术，其实际属于过氧化物交联的一个分支[8]。硅烷交联又称温水交联，在交联过程中，先将硅烷接枝到聚烯烃主链上，然后在水和催化剂的作用下，使硅氧烷键发生交联，从而获得交联聚烯烃。比起辐射交联和过氧化物交联，硅烷交联设备简单、成本低、工艺简单；而辐射交联一次性投资费用大，有辐射源，因次在安全防护方面要求严格，并且易对环境造成辐射污染；过氧化物交联法不容易控制，易产生预交联影响加工[8]。硅烷交联工艺也有很多种类，主要有两步法交联工艺、一步法交联工艺、乙烯基硅烷共聚工艺[9]。
1.3.4 其他交联方式
紫外光交联是一种新的交联方法，近些年才开始实现工业应用，主要适用于PE的交联[6]。交联时，需在聚烯烃基体中添加光引发剂或者光敏化剂，这些引发剂吸收紫外光能量后，会夺取聚烯烃分子链上的氢，产生自由基，使聚烯烃发生交联形成网状结构。紫外光交联类似于辐射交联，不同的是其采用的是低能量的紫外光作为辐射源。紫外光交联一次性投资费用小，设备容易获得，容易操作，安全防护也比较容易[3]。如今，紫外光交联技术仍处于发展阶段，仍有很多方面需要完善，但其越来越受到人们的重视，具有一定的应用前景。
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