本發(fā)明涉及一種用于含氟功能膜制造的特種聚四氟乙烯樹脂的聚合方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
聚四氟乙烯(teflon或ptfe)，俗稱“塑料王”，是由四氟乙烯單體(tfe)經(jīng)聚合而成的高分子化合物，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性、電絕緣性和良好的抗老化耐力。目前已被廣泛地應(yīng)用于航空、宇航、原子能、電子、電器、化工、機(jī)械、建筑、輕紡、醫(yī)藥等工業(yè)部門，并日益深入到人民的日常生活中。
聚四氟乙烯可由懸浮和分散兩種聚合工藝獲得，所得樹脂經(jīng)過干燥后獲得粉末產(chǎn)品，或者經(jīng)過濃縮獲得濃縮乳液。其中聚合工藝為將合格的tfe單體，在引發(fā)劑及其他助劑作用下，以去離子水為介質(zhì)，在一定的溫度、壓力和攪拌速度下在聚合釜內(nèi)進(jìn)行聚合反應(yīng)得到相應(yīng)的產(chǎn)物。整個(gè)聚合反應(yīng)過程中tfe單體要在單體計(jì)量槽內(nèi)由液態(tài)氣化升壓，借助壓力差通過調(diào)節(jié)閥控制一定的流量進(jìn)入反應(yīng)釜內(nèi)。
特種含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂是是經(jīng)過聚合、后處理等處理程序獲得的一種高分子材料；以高純tfe單體為主要原料，采用微乳化高溫分散聚合等特定的聚合技術(shù)和專有裝備，準(zhǔn)確控制聚合物分子量，制備出滿足制膜需要的聚四氟乙烯樹脂；該樹脂保留了聚四氟乙烯耐高溫、耐低溫、耐腐蝕、耐氣候、高潤滑、耐酸堿、抗氧化：耐強(qiáng)氧化劑腐蝕、無毒害等優(yōu)異性能；同時(shí)又具備了制膜樹脂的特殊性能。
目前用于四氟乙烯分散樹脂的聚合系統(tǒng)以及聚合方法，反應(yīng)過程的控制穩(wěn)定性不高，導(dǎo)致樹脂的分子量等性能波動(dòng)大，難以滿足含氟功能膜等特種材料的高性能要求，國內(nèi)所需材料，絕大多數(shù)依靠進(jìn)口。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種易于控制反應(yīng)過程、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂的聚合系統(tǒng)和聚合方法。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂的聚合系統(tǒng)，包括反應(yīng)系統(tǒng)、升溫系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；
所述反應(yīng)系統(tǒng)包括臥式反應(yīng)釜和螺旋攪拌器，所述螺旋攪拌器水平設(shè)置在臥式反應(yīng)釜內(nèi)，所述臥式反應(yīng)釜外設(shè)有反應(yīng)夾套，所述反應(yīng)夾套同時(shí)與升溫系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)連接；
所述反應(yīng)夾套的底部設(shè)有冷熱媒輸入管道，所述反應(yīng)夾套的頂部設(shè)有冷熱媒輸出管道。
進(jìn)一步的，所述臥式反應(yīng)釜的頂部依次設(shè)有均與臥式反應(yīng)釜相通的tfe進(jìn)料管、改性單體進(jìn)料管、助劑進(jìn)料管、無離子水進(jìn)料管、物料回收管、抽真空管和爆破管，所述臥式反應(yīng)釜的底部設(shè)有出料管，所述tfe進(jìn)料管中設(shè)有流量計(jì)。
進(jìn)一步的，所述反應(yīng)夾套中設(shè)有溫度傳感器。
進(jìn)一步的，所述冷熱媒輸入管道中設(shè)有循環(huán)泵和流量計(jì)。
進(jìn)一步的，所述升溫系統(tǒng)包括熱媒管道，所述熱媒管道與冷熱媒輸入管道連接。
進(jìn)一步的，所述冷卻系統(tǒng)包括閉式冷卻塔和循環(huán)水箱，閉式冷卻塔的入口和循環(huán)水箱的入口均與冷熱媒輸出管道連接，閉式冷卻管的出口和循環(huán)水箱的出口均與冷熱媒輸入管道連接。
進(jìn)一步的，所述循環(huán)水箱還設(shè)有補(bǔ)水管道，所述補(bǔ)水管道用于向循環(huán)水箱中補(bǔ)充水。
進(jìn)一步的，所述冷熱媒輸出管道還連接有熱媒回收管道，所述熱媒回收管道與升溫系統(tǒng)連接，所述熱媒回收管道內(nèi)設(shè)有溫度傳感器。
本發(fā)明還提供根據(jù)上述含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂的聚合系統(tǒng)進(jìn)行聚合的方法，包括如下步驟：在聚合釜中加入約50～70％體積無離子水，抽真空后加入含氟表面活性劑、乳液穩(wěn)定劑、ph調(diào)節(jié)劑、引發(fā)劑，然后以5～30kg/min的投料速率通入四氟乙烯單體進(jìn)行反應(yīng)，以1～10℃/min的溫升速率升溫直至反應(yīng)溫度保持在80～100℃，并控制反應(yīng)壓力為1.8～2.5mpa，然后降溫至60～70℃，反應(yīng)過程中以20～80r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌，即可得聚四氟乙烯樹脂成品。
進(jìn)一步的，所述含氟表面活性劑的質(zhì)量為水的質(zhì)量的0.05～1.5％，乳液穩(wěn)定劑的質(zhì)量為水的質(zhì)量的2～4％。
本發(fā)明的有益效果在于：反應(yīng)夾套同時(shí)與升溫系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)連接，使得反應(yīng)開始前向反應(yīng)夾套通入熱媒，反應(yīng)開始后停止通入熱媒，向反應(yīng)夾套通入冷媒即可，以促進(jìn)排出反應(yīng)熱，避免溫度過高導(dǎo)致產(chǎn)物的分子鏈變短，提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率，使得反應(yīng)過程易于控制。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實(shí)施例1含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂的聚合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
標(biāo)號(hào)說明：
11、臥式反應(yīng)釜；111、tfe進(jìn)料管；112、改性單體進(jìn)料管；
113、助劑進(jìn)料管；114、無離子水進(jìn)料管；115、物料回收管；
116、抽真空管；117、爆破管；118、出料管；12、螺旋攪拌器；
13、反應(yīng)夾套；14、冷熱媒輸入管道；141、循環(huán)泵；15、冷熱媒輸出管道；21、熱媒管道；31、閉式冷卻塔；32、循環(huán)水箱；33、補(bǔ)水管道；4、流量計(jì)；5、溫度傳感器；6、控制閥；7、熱媒回收管道。
具體實(shí)施方式
為詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、所實(shí)現(xiàn)目的及效果，以下結(jié)合實(shí)施方式并配合附圖予以說明。
本發(fā)明最關(guān)鍵的構(gòu)思在于：反應(yīng)夾套同時(shí)與升溫系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)連接，使得反應(yīng)開始前向反應(yīng)夾套通入熱媒，反應(yīng)開始后停止通入熱媒，向反應(yīng)夾套通入冷媒即可，以促進(jìn)排出反應(yīng)熱，避免溫度過高導(dǎo)致產(chǎn)物的分子鏈變短，提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率，使得反應(yīng)過程易于控制。
請(qǐng)參照?qǐng)D1，一種含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂的聚合系統(tǒng)，包括反應(yīng)系統(tǒng)、升溫系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；
所述反應(yīng)系統(tǒng)包括臥式反應(yīng)釜11和螺旋攪拌器12，所述螺旋攪拌器水平設(shè)置在臥式反應(yīng)釜內(nèi)，所述臥式反應(yīng)釜外設(shè)有反應(yīng)夾套13，所述反應(yīng)夾套同時(shí)與升溫系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)連接；
所述反應(yīng)夾套的底部設(shè)有冷熱媒輸入管道14，所述反應(yīng)夾套的頂部設(shè)有冷熱媒輸出管道15。
從上述描述可知，本發(fā)明的有益效果在于：反應(yīng)夾套同時(shí)與升溫系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)連接，使得反應(yīng)時(shí)向反應(yīng)夾套通入熱媒，反應(yīng)結(jié)束時(shí)停止通入熱媒，向反應(yīng)夾套通入冷媒即可，使得反應(yīng)過程易于控制。
進(jìn)一步的，所述臥式反應(yīng)釜的頂部依次設(shè)有均與臥式反應(yīng)釜相通的tfe進(jìn)料管111、改性單體進(jìn)料管112、助劑進(jìn)料管113、無離子水進(jìn)料管114、物料回收管115、抽真空管116和爆破管117，所述臥式反應(yīng)釜的底部設(shè)有出料管118，所述tfe進(jìn)料管中設(shè)有流量計(jì)。
進(jìn)一步的，所述的tfe進(jìn)料管、改性單體進(jìn)料管、助劑進(jìn)料管、無離子水進(jìn)料管、物料回收管、抽真空管均設(shè)有控制閥6。
進(jìn)一步的，所述反應(yīng)夾套中設(shè)有溫度傳感器5。
進(jìn)一步的，所述冷熱媒輸入管道中設(shè)有循環(huán)泵141(循環(huán)泵為變頻調(diào)節(jié)循環(huán)泵)和流量計(jì)，可用于溫度和流量的精準(zhǔn)控制。
進(jìn)一步的，所述升溫系統(tǒng)包括熱媒管道21，所述熱媒管道與冷熱媒輸入管道連接。
進(jìn)一步的，所述冷卻系統(tǒng)包括閉式冷卻塔31和循環(huán)水箱32，閉式冷卻塔的入口和循環(huán)水箱的入口均與冷熱媒輸出管道連接，閉式冷卻管的出口和循環(huán)水箱的出口均與冷熱媒輸入管道連接。
由上述描述可知，反應(yīng)結(jié)束時(shí)，熱水從冷熱媒輸出管道流入到閉式冷卻塔和循環(huán)水箱，然后通過閉式冷卻塔和循環(huán)水箱向冷熱媒輸入管道輸入冷卻水以回收反應(yīng)熱，使得反應(yīng)過程易于控制，同時(shí)冷熱媒均可得到回收利用。
進(jìn)一步的，所述循環(huán)水箱還設(shè)有補(bǔ)水管道33，所述補(bǔ)水管道用于向循環(huán)水箱中補(bǔ)充水。
進(jìn)一步的，所述冷熱媒輸出管道還連接有熱媒回收管道7，所述熱媒回收管道與升溫系統(tǒng)連接，所述熱媒回收管道內(nèi)設(shè)有溫度傳感器。
由上述描述可知，冷熱媒輸出管道還連接有熱媒回收管道，使得反應(yīng)結(jié)束后反應(yīng)夾套中的熱媒可以得到回收利用，節(jié)約能源；熱媒回收管道內(nèi)設(shè)有溫度傳感器，使得升溫系統(tǒng)可根據(jù)需要控制升溫速率與熱媒流速。
本發(fā)明還提供根據(jù)上述含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂的聚合系統(tǒng)進(jìn)行聚合的方法，包括如下步驟：在聚合釜中加入約50～70％體積無離子水，抽真空后加入含氟表面活性劑(為全氟辛酸，添加總量為無離子水質(zhì)量的0.05％～1.5％)、乳液穩(wěn)定劑(為石蠟，加入量為無離子水質(zhì)量的2％～4％)、ph調(diào)節(jié)劑(為鹽酸，加入量為無離子水質(zhì)量的2％～4％)、引發(fā)劑(為過硫酸鹽，過氧化丁二酸等，加入量為無離子水質(zhì)量的0.005％～0.02％，然后以5～30kg/min的投料速率通入四氟乙烯單體進(jìn)行反應(yīng)，以1～10℃/min的溫升速率升溫直至反應(yīng)溫度保持在80～100℃，并控制反應(yīng)壓力為1.8～2.5mpa，然后降溫至60～70℃，反應(yīng)過程中以20～80r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌，反應(yīng)結(jié)束后即可得聚四氟乙烯樹脂成品。
進(jìn)一步的，所述含氟表面活性劑的質(zhì)量為水的質(zhì)量的0.05～1.5％，乳液穩(wěn)定劑的質(zhì)量為水的質(zhì)量的2～4％。
實(shí)施例1
請(qǐng)參照?qǐng)D1，一種含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂的聚合系統(tǒng)，包括反應(yīng)系統(tǒng)、升溫系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；所述反應(yīng)系統(tǒng)包括臥式反應(yīng)釜11和螺旋攪拌器12，所述螺旋攪拌器水平設(shè)置在臥式反應(yīng)釜內(nèi)，所述臥式反應(yīng)釜外設(shè)有反應(yīng)夾套13，所述反應(yīng)夾套同時(shí)與升溫系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)連接；所述反應(yīng)夾套的底部設(shè)有冷熱媒輸入管道14，所述反應(yīng)夾套的頂部設(shè)有冷熱媒輸出管道15。所述臥式反應(yīng)釜的頂部依次設(shè)有均與臥式反應(yīng)釜相通的tfe進(jìn)料管111、改性單體進(jìn)料管112、助劑進(jìn)料管113、無離子水進(jìn)料管114、物料回收管115、抽真空管116和爆破管117，所述臥式反應(yīng)釜的底部設(shè)有出料管118，所述tfe進(jìn)料管中設(shè)有流量計(jì)4。所述反應(yīng)夾套中設(shè)有溫度傳感器5。所述冷熱媒輸入管道中設(shè)有循環(huán)泵和流量計(jì)。所述升溫系統(tǒng)包括熱媒管道21，所述熱媒管道與冷熱媒輸入管道連接。所述冷卻系統(tǒng)包括閉式冷卻塔31和循環(huán)水箱32，閉式冷卻塔的入口和循環(huán)水箱的入口均與冷熱媒輸出管道連接，閉式冷卻管的出口和循環(huán)水箱的出口均與冷熱媒輸入管道連接。所述循環(huán)水箱還設(shè)有補(bǔ)水管道33，所述補(bǔ)水管道用于向循環(huán)水箱中補(bǔ)充水。所述冷熱媒輸出管道還連接有熱媒回收管道7，所述熱媒回收管道與升溫系統(tǒng)連接，所述熱媒回收管道內(nèi)設(shè)有溫度傳感器5。
本發(fā)明聚合系統(tǒng)采用帶內(nèi)螺旋攪拌器和外設(shè)夾套的臥式反應(yīng)釜，反應(yīng)夾套分別配置了開式熱水升溫管路和閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)，采用了閉式冷卻塔、循環(huán)水槽和冷熱媒變頻調(diào)節(jié)循環(huán)泵，閉式冷卻塔用于排出反應(yīng)熱，變頻調(diào)節(jié)循環(huán)泵用于溫度的精準(zhǔn)控制，冷熱媒輸入管道和冷熱媒輸出管道、反應(yīng)釜各個(gè)進(jìn)出料管均設(shè)置自動(dòng)控制閥，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，冷媒進(jìn)管、熱媒進(jìn)管和tfe進(jìn)料管均設(shè)置了流量計(jì)，用于計(jì)量控制，自控閥門與上述依據(jù)參數(shù)連鎖，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
實(shí)施例2
根據(jù)實(shí)施例1聚合系統(tǒng)進(jìn)行聚合反應(yīng)的方法，包括如下步驟：在聚合釜中加入約50～70％體積無離子水，抽真空后加入含氟表面活性劑、乳液穩(wěn)定劑、ph調(diào)節(jié)劑、引發(fā)劑，然后以5～30kg/min的投料速率通入四氟乙烯單體進(jìn)行反應(yīng)，以1～10℃/min的溫升速率升溫直至反應(yīng)溫度保持在80～100℃，并控制反應(yīng)壓力為1.8～2.5mpa，然后降溫至60～70℃，反應(yīng)過程中以20～80r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌，反應(yīng)結(jié)束后即可得聚四氟乙烯樹脂成品。所述含氟表面活性劑的質(zhì)量為水的質(zhì)量的0.05～1.5％，乳液穩(wěn)定劑的質(zhì)量為水的質(zhì)量的2～4％。
具體如下：
1.抽空合格后開始升溫，根據(jù)預(yù)定的升溫速率調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速和熱媒流量，溫升速率的控制范圍：1～10℃/min，攪拌轉(zhuǎn)速在20～100r/min內(nèi)調(diào)節(jié)，熱媒流量調(diào)節(jié)范圍10～150m3/h；
2.升溫遵循先快后慢原則，通過調(diào)節(jié)循環(huán)泵電機(jī)頻率，調(diào)節(jié)換熱速率，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫升速率的準(zhǔn)確控制。
3.1.按照預(yù)定的批次反應(yīng)進(jìn)度設(shè)定各階段的tfe單體投料速率，投料速率為5～30kg/min內(nèi)調(diào)節(jié)。
3.2.根據(jù)投料速率調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)攪拌轉(zhuǎn)速，攪拌轉(zhuǎn)速在20～80r/min內(nèi)調(diào)節(jié)；
3.3根據(jù)投料速率和當(dāng)時(shí)的閉式冷卻塔水出口溫度調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的冷媒流量，冷媒流量范圍10～60m3/h；
4.根據(jù)反應(yīng)進(jìn)度設(shè)定的溫升速率調(diào)節(jié)循環(huán)泵電機(jī)頻率，調(diào)節(jié)換熱速率，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)反應(yīng)過程溫度的壓力的精準(zhǔn)控制。溫升速率的控制范圍：0.01～0.3℃/min；
5.投料終止后，根據(jù)預(yù)定的降溫速率調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速，攪拌轉(zhuǎn)速在20～80r/min內(nèi)調(diào)節(jié)；和閉式冷卻塔水出口溫度調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的冷媒流量，冷媒流量范圍10～40m3/h；
6.反應(yīng)過程，含氟表面活性劑的添加總量為無離子水質(zhì)量的0.05％～1.5％。
7.反應(yīng)過程，穩(wěn)定劑的加入量為無離子水質(zhì)量的2％～4％。
8.反應(yīng)過程，控制反應(yīng)壓力在1.8～2.5mpa。
9.反應(yīng)過程，控制反應(yīng)溫度在80～100℃。
10.為了實(shí)現(xiàn)高效換熱，提高控制的準(zhǔn)確，本系統(tǒng)冷媒和熱媒優(yōu)先采用無離子水。
綜上所述，本發(fā)明提供的含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂的聚合系統(tǒng)和聚合方法的有益效果在于：反應(yīng)過程中通過反應(yīng)量與特定溫差冷媒量的準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)控制，達(dá)到對(duì)反應(yīng)放熱量的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)移，通過循環(huán)水泵變頻控制流量達(dá)到對(duì)全程溫升速率的嚴(yán)格控制，配合反應(yīng)起點(diǎn)與終點(diǎn)溫度選擇等其他各項(xiàng)聚合條件，最終實(shí)現(xiàn)含氟功能膜的特種聚四氟乙烯樹脂的特殊聚合性能。聚合獲得的特種的四氟乙烯乳液，乳液再經(jīng)過密度調(diào)配、凝聚、脫水和干燥，得到適合含氟功能膜制造的特種聚四氟乙烯樹脂。本發(fā)明工藝簡單，自動(dòng)化程度高，操作穩(wěn)定，產(chǎn)品性能精準(zhǔn)控制，生產(chǎn)效率高，成本較低等特點(diǎn)。所得特種含氟功能膜用樹脂原料可廣泛應(yīng)用于治霾脫硝功能膜、自清潔含氟膜、防電磁輻射功能膜、光伏組件前膜、高透光建筑膜等各種特種含氟功能膜的制作。
以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等同變換，或直接或間接運(yùn)用在相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。