郭鑫齐﹡ 张光宇
（南京法宁格节能科技有限公司，江苏南京210000）
摘要：在聚苯乙烯(PS)的挤塑发泡过程中，为了提高发泡剂、成核剂等助剂在聚苯乙烯熔体中的分散和混合效果，保证熔体温度的均一性，除了螺杆自身的剪切作用外，还需要对熔体进行静态混合。本文主要研究了适用于PS发泡的三种不同的混合器的使用机理及其优缺点，并着重研究了三种混合器分别对挤塑聚苯乙烯（XPS）板材性能的影响。
关键词：静态混合器；挤塑聚苯乙烯；用途；性能
Effect of static mixer on properties of XPS
Xinqi Guo , Guangyu Zhang
(Feininger (Nanjing) Energy Saving Technology Co.,LTD. 210000)
Abstract: In the process of extrusion of polystyrene(PS),in order to improve the dispersion and mixing effect of additives such as foaming agent and mucleatingangent in the polystyrene melt, and to ensure the homogeneity of temperature of polystyrene melt,static mixing is needed except for the shearing action of screw itself. This paper studies the applying mechanism, advantages and disadvantages of three different mixers which is usable for PS foaming. The focuses of this paper will be the influence of three mixers to the performace of extruded polystyrene penels.
Key words: Static mixer; extruded polystyrene; Application; Performance
引言
目前市场上的聚合物发泡材料的成型方法主要有挤出、注塑、吹塑、滚塑等，其中挤出发泡属于连续性生产方法，生产效率高，易于实现工业化，占据着低密度发泡材料生产的支配地位，是生产低密度发泡片材、板材和型材的主要方法。挤塑聚苯乙烯（XPS）泡沫塑料是将聚苯乙烯、发泡剂、成核剂、阻燃剂等助剂通过挤出机进行连续挤出发泡成型的一种发泡板材，聚苯乙烯、发泡剂、成核剂、阻燃剂等助剂在挤出机中经过螺杆的压缩、混合、均化等作用得以相互溶解分散，但是并不能得到温度一致、混合均匀的熔融物料，主要有两方面原因：一是挤出机不能均匀的融化聚合物，由于有降解物积聚在过滤网处，换网器会使挤出物发生温度变化。而挤出机的螺杆由于剪切作用也会引起挤出物温度发生变化；二是发泡剂在熔融塑化好的物料中并不能完全塑化分散均匀，将会存在发泡剂大小不均、分散程度不够、未能充分溶于熔体中等情况。而静态混合器能够将挤出物两端范围内或挤出物内部温度变化由5-100°F减小至小于1°F。从而使进入口模的挤出物温度一致、粘度均匀，以达成生产厚度均匀的板材[1]。因此有必要加入静态混合器对物料进行再次混合。
静态混合器最早是在60年代由美国的Kencis公司研制成功的，是一种没有运动部件的高效混合设备。具有流程简单，结构紧凑、耗能小、投资少、操作弹性大、不用维修、混合性能好等优点。一般可以用到液-液，液-气，液-固，气-气的混合，乳化，中和，吸收，萃取，反应和强化传热等过程。目前静态混合器有很多种，市场上比较成熟的主要有美国的Kenics型、Ross型，瑞士的SulzerSMV型、SMX型和SMXL型，日本的Hi型等[2]。各种型号的混合器主要是内部静态混合元件的不同，而由于元件的不同就会对混合效果产生不同的影响。本文研究了三种适合于液-液混合的静态混合器，包括无换热静态混合器、环形热交换静态混合器和无压力降热交换静态混合器，均可以适用于XPS行业的工业化连续生产，探讨了三种混合器的混合机理及其优缺点，并对混合后生产的板材的性能进行了测试与比较。
1 实验方法
1.1 实验原料
GPPS（670，STYRON）；滑石粉（6.5μm，江苏群鑫粉体材料有限公司）；六溴环十二烷（工业级，北京双银工贸有限公司）；CO2（液态，吉恩化工）；乙醇（工业级，斌柳化工）
1.2 实验仪器及设备
同向双螺杆挤出机（Φ75，南京法宁格节能科技有限公司）；单螺杆挤出机（Φ200，南京法宁格节能科技有限公司）；静态混合器（无换热静态混合器，环形热交换静态混合器，无压力降换热静态混合器，南京法宁格节能科技有限公司）；失重计量上料系统（1t，太仓摩丹卡勒多尼塑料机械有限公司）；万能试验仪（型号：CMT4000；厂家：美特斯工业系统（中国）有限公司）；
1.3 实验过程
将聚苯乙烯、成核剂、阻燃剂等按照一定比例通过失重计量上料系统混合输送到双螺杆挤出机内，同时CO2和乙醇经发泡剂注入系统注入到双螺杆挤出机中，与物料一起经过经双螺杆挤出机加热、压缩、均化、混合后注入到单螺杆挤出机中，单螺杆挤出机主要起冷却、进一步对熔融物料和发泡剂进行混合的作用，随后注入到静态混合器内再次混合均化，随后挤出到模具塑化成型，经整平牵引后得到一定宽度和厚度的板材。在整个实验过程中，只改变静态混合器对板材的影响，其他影响因素保持不变，研究不同类型的静态混合器对板材性能的影响。
1.4 测试方法
压缩性能的测试参照国家标准GB/T 8813-2008；试样状态的调节参照国家标准GB/T 2918-1998；线性尺寸的测试参照国家标准GB/T 6342-1996；表观密度的测试参照国家标准GB/T 6343-2009。
2 实验结果与讨论
2.1 三种静态混合器的混合机理
混合器主要是为了克服生产工艺中不同组分混合不充分的问题，利用静态混合器固定在管体内的各个混合单元的独特结构，来改变熔融物料在管体内的流动状态，以达到不同组分直接的良好分散和充分混合的目的[3]。下面对三种不同的静态混合器的作用机理进行探讨。
2.1.1无换热静态混合器
无换热静态混合器是在没有外部热源的情况下，熔融的流体在静态混合器内部通过压力的作用在混合单元上产生分流、拉伸、旋转、合流等运动，过程中增强了湍动，这些均极大地促进了对流扩散和紊动扩散，有效的提高了混合效果。其内部结构及熔体流动方向如图1所示。
图1 无换热静态混合器
从图1中可以看出，该静态混合器内部元件为旋片式，熔体从挤出机口进入静态混合器，静态混合器内部旋片首先将熔体分成两部分，熔体沿着旋片前进，在旋片方向改变处进行二次混合，随后在流动的过程中再进行多次混合，最终在静态混合器出口处得到混合均匀的熔体。从图1中可见该种静态混合器内部混合元件较为简单，熔体的混合效果相对于挤出机内有一定程度的提高；而混合器外部无加热冷却设备，熔体在混合器内流动分散的同时在静态混合器外壁上会有一定的热量散失，而熔体的中心部位的温度相对于边缘温度要高，因此熔体的温度均匀性不够，将会对XPS发泡板材的厚度的控制产生困难。
2.1.2环形热交换静态混合器
环形热交换静态混合器是在无换热静态混合器的基础上建立的，一方面改变混合单元，另一方面在混合器的外围加入了环形导热管，其混合单元及熔体流动方向如图2所示。
图2 环形热交换静态混合器
从图2中可以看出，此类型混合器外部有环形加热圈包裹，由加热圈提供热源，可以是电加热或油加热，由于油温控制温度较为精确，所以一般油加热较多。此类型混合器是使熔融物料经过内部的小孔分为许多股小细流，从而使物料中的各组分充分混合，而且小细流熔体温度更易控制，可以达到精确控制熔融物料温度的效果。然而由于熔融物料分成小细流的过程中使系统压力增大，在由许多股小细流混合成熔融物料的过程中会产生压力降，在压力降低的过程中，熔融的聚苯乙烯内溶解的发泡剂会由于压力降低而部分发泡，从而使板材泡孔不一致、大小不均，导致生产的板材抗压能力不高。
2.1.3无压力降热交换静态混合器
此类型的静态混合器综合考虑了无换热静态混合器和环形热交换静态混合器的优缺点，内部混合单元由X型挡板组成，熔融物料在挡板处形成回流、分流、涡旋等运动，有效的对熔融物料进行混合，提高了物料混合的均匀程度；混合器外壁内通油，通过精确控制油温来控制熔体温度，使熔融物料温度均匀一致。具体结构与熔体流动方向见图3。
图3 无压力降热交换静态混合器
从图3中可以看出，该静态混合器内的混合单元均为X型挡板，通过改变放置方式达到较好的混合效果；而外部的油温精确控制确保输出的熔融物料温度均匀一致；此种类型的静态混合器在熔体流动的过程中，压力能够一直保持稳定。正是由于以上三种原因，聚苯乙烯发泡使用该种静态混合器能够得到厚度一致、抗压较高、密度较小的XPS板材。
2.2 三种静态混合器对板材性能的影响
聚苯乙烯、发泡剂和其他助剂等组成的混合物料经过挤出机加热熔融塑化后流经静态混合器，在静态混合器内经二次混合和温度控制，在模具口处由于压力下降发泡成型，再经过整平板整平后经牵引冷却得到板材。对生产的板材进行性能测试，并对其进行性能比较。
2.2.1三种静态混合器对板材抗压强度的影响
三种静态混合器由于内部混合单元和外部加热状况的不同，对板材的抗压强度会造成一定的影响。使用三种静态混合器所生产的板材其最大抗压强度如图4所示。
1-无换热静态混合器，2-环形热交换静态混合器，3-无压力降热交换静态混合器
图4 三种混合器对抗强度的影响
从图4中可以看出，使用无压力降热交换器静态混合器所生产的板材最大抗压强度能够达到1000KPa，而无换热静态混合器次之，环形热交换静态混合器所生产的板材最大抗压强度为419.4KPa。板材的抗压强度的影响因素较多，如发泡剂用量、成核剂用量、聚苯乙烯类型及用量、挤出机温度、模具温度、牵引速度等都会对抗压强度产生一定的影响，在比较三种静态混合器对板材抗压强度的影响时，其他条件在尽可能的情况下保持不变。使用环形热交换静态混合器生产的板材所能达到的最大抗压强度最小，可能是因为该类型静态混合器有较大的压力降，由于压力的降低，发泡剂在熔体中的溶解度降低，使部分发泡剂分子相互聚集，形成大的聚集体，在静态混合器内部已有部分发泡，导致板材的泡孔不均匀，从而使抗压强度降低。
2.2.2三种混合器前后压力差随抗压强度的变化
三种静态混合器前后压力差随抗压强度的变化如图5所示。
图5 三种静态混合器前后压力差随抗压强度的变化
从图5中可以看出，随着所生产的板材抗压强度的增大，三种静态混合器前后压力差均有不同程度的增大，整体呈现上升趋势。而对于某一抗压强度的板材来说，如板材抗压强度在350MPa时，无压力降热交换静态混合器前后压力差较小，仅为0.3MPa，环形热交换静态混合器的压力差最大，为4.2MPa，无换热静态混合器的压力差为1.3MPa。
2.2.3三种静态混合器对板材密度的影响
使用三种静态混合器所生产的板材的密度随抗压强度的变化如图6所示。
图6 三种静态混合器对板材密度的影响
从图6中可以看出，随着抗压强度的增高，三种静态混合器所生产的板材密度均呈现增大趋势，其中使用环形热交换静态混合器生产的板材趋势最大。而对于某一具体抗压强度来说，如板材抗压强度为350KPa时，使用无压力降热交换静态混合器生产该强度的板材其密度最小，约为35kg/m3，使用环形热交换静态混合器生产该强度的板材密度最大，约为37 kg/m3。
3 结论
综上所述，对于XPS板材生产来说，无换热静态混合器混合的原料温度不均匀，环形热交换静态混合器混合的物料在混合器前后存在压力降，无压力降热交换静态混合器混合的物料压力降最小，原料温度基本保持均匀一致；无压力降热交换静态混合器能够生产高抗压板材，密度相对于其他两种静态混合器小，有效的降低了生产成本。
参考文献
[1] 孟辉波.旋流静态混合器内流场瞬态特性研究[D].天津：天津大学,2009.
[2] Alessandro Paglianti, GiuseppinaMontante. A mechanistic model for pressure drops in corrugated plates static mixers[J]. Chemical Engineering Science，2013,97:376-384.
[3] 王向东，王勇，郭鑫齐等.挤塑聚苯乙烯泡沫塑料[M], 北京：化学工业出版社,2011, 71-73.
﹡作者简介：张光宇（1987- ），男，主要从事高分子材料及高分子复合材料的合成、成型及加工研究，XPS行业工艺研究等，zgy20062008@126.com；郭鑫齐（1964- ），男，高工，国家塑料标准化委员会委员，国家环保部淘汰HCFC专家，通讯联系人，guoxinqi@feininger.cn。