热塑性聚合物反应挤出(以下简称反应挤出) 是指以螺杆挤出设备为反应器 ,将反应物和完成反应所必需的引发剂、催化剂等物料在一定反应条件下通过螺杆挤出设备连续挤出 ,并使之完成预定的化学反应 ,得到相应的聚合物的过程。它通常包括两类反应 :一是热塑性聚合物在连续挤出过程中引入相应的化学反应 ,对聚合物进行化学改性或制备新的聚合物 ;二是单体在连续挤出过程中发生聚合反应 ,形成热塑性聚合物。本文将着重介绍反应挤出的基本原理、反应类型及应用和相关的反应挤出设备。

通过螺杆挤出机反应器进行的反应挤出过程 ,不论是单螺杆或双螺杆挤出机 ,以及其他类型的挤出机 , 其基本步骤是 :反应物 ,包括催化剂和引发剂通过螺杆挤出机尾部和中部的各加料口进入螺筒 ,依靠螺杆旋转产生的剪切和推动作用将物料进行混合分散并向前推进。同时通过螺筒的传热作用向反应体系提供反应所需要的热 ,或从反应体系排除反应所产生的热 ,从而控制反应的开始、进行与终止。最终反应完成后的产物从螺杆挤出机的前部机头挤出。因此 ,这一过程就具有如下特点 :
有关反应挤出的研究在欧、美、日等地区和国家的工业实验室及树脂和挤出机生产厂家非常活跃。近 20 年来 ,国外共申报了 1000 多个专利。反应挤出方法已成为对聚合物进行化学改性和开发新型聚合物材料的主要手段之一。

• 由于螺杆挤出机筒可延轴向根据需要设置多处加料口 ,所以各种反应物 ,包括聚合物和单体 ,以及催化剂、引发剂等物料可以根据各种化学反应自身的规律 ,沿螺杆的轴向按一定程序和最合适的方式分步加入 ,以达到控制化学反应按预定的顺序和方向进行。

• 由于反应挤出过程中的化学反应和采用其他方法进行的化学反应一样 ,都是在一定温度条件下进行的。反应的不同阶段 ,反应体系可能是吸热或放热过程。而螺杆挤出机沿螺杆的轴向上 ,螺筒的加热或冷却可以分段进行 ,因此使反应挤出过程中对温度的分段精确控制成为可能。这样不仅可依靠温度精确地控制最佳的反应开始和反应停止的时间 ,还可根据化学反应本身的特点和规律 ,通过温度沿螺杆轴向的分布和分布梯度控制反应进行的方向、速度和程度 ,以减少副反应的发生。

• 由于螺杆类挤出机 ,特别是双螺杆挤出机具有很强的混合能力 ,能连续不断地更新熔融状态不同物料的相界面 ,以及物料与机筒的界面。因此 ,增强了聚合物高粘度体系反应组分间的传质和扩散 ,从而提高了反应物料体系的混合均匀程度。同时这一混合过程也减小了反应物料体系内部沿螺杆径向的温度梯度 ,这样就使整个反应更均匀 ,更一致。特别是对于某些聚合物化学改性的反应过程来说 ,这类反应往往从反应开始就需要在高粘度聚合物熔体本体条件下进行 ,这时反应挤出方法应是进行这类化学反应的首选。

• 对螺杆挤出机来说 ,通过调整螺杆转速和螺杆的几何结构可以在一定范围内控制反应物料的停留时间和停留时间分布。螺杆转速越慢 ,长径比越大 ,停留时间越长。由于螺杆转速与剪切速率 ,或者说与混合效果成正比 ,因此不能太慢。同时螺杆长径比也不可能无限地大。所以 ,反应挤出过程的停留时间一般较短 ,也就是说反应挤出比较适合于反应速度较快的一类化学反应。对于这一点 ,如果从另一个角度来说 , 可以认为 ,对于采用反应挤出方法进行化学改性的聚合物 ,一般热历史较短 ,避免了物料长期暴露在高温下而导致的热分解。