图1 Maag VISCOREX低压抽出泵，常用于连接反应釜底部抽出熔融聚合物。

塑料是日常生活中最常用的材料之一，比如餐具、玩具、电脑、医疗器械、建筑材料、居家用品、工具和水管等都有塑料的身影。尽管塑料在我们的生活中无处不在，但大多数人并不知道塑料是怎样生产出来。本文将向您介绍齿轮泵在聚合物生产中的典型应用。

塑料分为很多种，制备工艺也不尽相同。塑料的历史可以追溯到18世纪初。第一个塑料专利是1859年John Wesley Hyatt获得的，他发明了赛璐珞（celluloid），一种象牙的廉价替代品。他发现在硝酸纤维素中加入樟脑会发生“塑化”作用。于是赛璐珞大量用来制作台球、梳子、纽扣、假牙及其他产品。1951年，Phillips石油公司的两位化学家开发出了聚丙烯和聚乙烯，他们的发明成为了今天塑料产业的基础。

现今大多数塑料的生产工艺始于原油。谈到原油，一般我们会想到由它而生的汽油。实际上，一桶原油的收率大约只有40%为汽油。石化厂为了得到汽油及其他很多有用的副产品，将原油置入罐内加热，根据各种成分沸点的不同进行分离。这些成分被称为“馏分”，而这种工艺被称为“蒸馏”。在温度达到150℃左右时，汽油从原油中被分离出来，气相的副产品乙烯和丙烯在加热到840℃时从馏余物中被“裂解”出来，成为塑料的原料。

这些气体成分，也叫做单体，将进入一个反应釜。反应釜内的温度和压力根据生产的聚合物的不同而各异。单体分子链之间在热和压力的作用下聚合形成长链，我们称之为聚合物。随着反应的进行，重质量的聚合物沉到反应釜底，于是适用于高温、高压、高粘度的齿轮泵就派上了用场（如图1）。

抽出熔融聚合物

因为反应釜内大多为真空状态，齿轮泵往往被螺栓直接连接在反应釜底以减少所需汽蚀余量。这时，由于聚合物中还含有大量的溶剂，物料粘度还不是特别的高，大约在150000cP左右。釜底抽出齿轮泵需要有特殊的设计，来适应入口的低压及耐高温性，以抵消钢材在200℃高温下的热膨胀。泵的入口被设计成锥形大敞口，可帮助物料进入泵内，夹套可用蒸汽或热媒加热泵身。

图2 Maag VACOREX高压抽出泵，常用于连接反应釜底部抽出熔融聚合物。

在有些工艺中，聚合物被泵入第二个反应釜或塔盘塔，溶剂被分离出去，剩下更加粘稠的物料，粘度达到500000cP，温度达到340℃，这就需要另一种齿轮泵将物料从塔底抽出（如图2）。

因为需要将熔体推出至其他压降较大的设备，然后进入切粒机，这台泵需要具有比第一台泵更高的设计，来适应更极端的工况，以及更高的压力——出口压力高达250kg是再正常不过了。因此，泵的运动部件之间必须有紧而精准的间隙设计，这些间隙需由泵的制造商考量高温、高压、高粘度、材料的不同热胀系数和非牛顿流体物料的特性等因素，仔细计算。

注入添加剂

下一步是在熔融聚合物中加入添加剂，如稳定剂、UV保护剂或色剂等以达到要求的产品质量。如果添加剂为液态，则需要第三台齿轮泵来处理这些高排压、中等粘度的流体。这台泵用来向高压熔融物料中引入精确计量的添加剂。泵的夹套可用热媒、蒸汽或电加热。

图3 Maag THERMINOX添加剂注入泵。

粒料的生产

为将熔融聚合物变成可售卖的商品，则需将其做成粒料。在切粒机处，无论是水下切粒还是单丝切粒，熔体被挤向一个模头，冷却并被切粒、干燥、包装，然后卖给用户或中间商。上述这种工艺称为“溶相聚合”，只是众多工艺的一种。

另一种工艺“气相聚合”使用稍有不同的反应釜。在这种工艺里，乙烯和催化剂在环式反应器中循环，反应温度也稍低一些，为85~110℃，于是会引入溶剂来降低反应釜散发的热量。聚合物不再是熔融状态，而是粉状。粉料需经再熔融后造粒。粉料通过漏斗进入双螺杆挤出机或混合器，在其中被融化、均化（需用如图3所示的泵加入添加剂），再进入一台混炼泵，混炼泵将熔体推入前述的切粒机。粒子被冷却、干燥、装箱售卖。

图4 Maag POLYREX混炼泵，产量41 t/h。

混炼泵的大小由装置其他设备的综合能力决定，每小时生产量可小到3t，大到100t。由于在极高温度下运转，泵被水平安装以补偿钢材的热胀。物料有极高粘度和磨蚀性成分，因此混炼泵由同步齿轮箱驱动，使泵的两齿轮之间没有直接接触。为了使泵达到额外的产量，也可装配轴和轴承的冷却系统以降低泵的部件温度，加快转速，提高生产率。因为泵需要在极高的温度压力和粘度下运转，泵的尺寸和间隙就显得尤为重要。

由粒料到最终产品

最后的工序是把粒料变成最终产品。购买粒料的最终用户或中间商把塑料粒料重新熔融并压制成型。粒料可以被熔融后经注塑机塑成各种复杂的形状、经吹塑机做成瓶子，或经挤塑机成为型材、片材或薄膜。

举一个塑料管材的挤出工艺为例，粒料首先经喂料漏斗进入单螺杆挤出机，从挤出机的一端向另一端逐渐被融化、混合（有时会添加色剂或其他添加剂）并均化，熔体被挤向模头制成管材，最后经水槽冷却成型。

尽管挤出生产可以不用齿轮泵，但在挤出机的末端加入一台齿轮泵可以保持稳定性和产出质量。齿轮泵，这里常称为熔体泵（如图5），是正位移式泵，每转的产出量是恒定的。齿轮泵在这里可承受高压力，它能比挤出机更加有效地减压以克服系统来自模头和换网器的背压。

图5 Maag EXTREX挤出泵和CSC换网器联合系统。

熔体泵的容积效率为98%~99%，而挤出机的效率仅有45%左右。这表明加入挤出泵后会节省总的电力消耗。同时挤出泵代受了挤出机承受的高压力，昂贵的挤出机部件也就减少了磨损。挤出泵的整个系统，包括驱动部分和控制部分，通常在几个月内就能由自身带来的废料减少和产能提升而收回成本。

熔融聚合物齿轮泵是高端设计的正位移泵。为了应对高温、高压和高粘度工况，聚合物泵制造商必须了解泵的各种材料性能，充分掌握聚合物本身以及它们在不同运行工况下的特性。