CN101712729A - 循环回路反应器本体聚合方法 - Google Patents
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Abstract
使用循环回路反应器制备聚合物,更尤其是粘合剂的方法。在一个实施方案中,该反应器包括一个或多个混合器用来将原料与在该反应器中循环的聚合材料混合。在另一个实施方案中,行星式辊子挤出机(PRE)可以用于这一目的。在又一个实施方案中,可以使用一个或多个静态混合器和一个或多个PRE的组合。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是2007年8月28日提交的美国申请序列号11/845,807的部分继续申请,后者要求于2006年8月30日提交的美国临时申请系列号60/841,079和于2006年10月23日提交的美国临时申请系列号60/853,578的利益,它们的整个内容在此引入供参考。
发明背景
本申请涉及使用循环管式回路反应器系统制备聚合物组合物的连续本体聚合方法和相关设备,更具体地说,涉及使用包括行星式辊子挤出机(PRE)的循环管式回路反应器制备聚合物组合物,例如粘合剂的连续本体聚合方法和相关设备。
通过聚合制备粘合剂的常规本体聚合方法在本领域中是已知的。一种这样的方法包括具有冷却套管的搅拌釜反应器,该冷却套管用于从容器除去在其中的放热反应期间产生的热。这样的常规方法在低转化速率下稍微有效。然而,在高转化速率和相关高粘度下,传热表面通常结垢,从而损失温度控制和促进失控反应。采用低的转化速率不是该问题的经济解决方案,因为用于低转化操作的过量单体必须通过例如,干燥、脱挥发等最终从聚合物中除去,因此增加了附加的工艺步骤和相关费用。
发明概要
在一个方面中,用于聚合的循环管式回路反应器方法可以包括以下步骤:(a)通过将至少一种单体与至少一种引发剂混合制备原料,当将该引发剂加热到大于活化温度时,它的活化开始,(b)将该混合物加热到至少该引发剂的活化温度以产生部分聚合的中间体,(c)使该部分聚合的中间体的一部分在该回路反应器中循环,(d)将该聚合中间体的其余部分引导至从该回路反应器移除的料流中,(e)将该循环中间体冷却到小于该引发剂的活化温度,(f)将该冷却的循环中间体与附加的原料混合,(g)任选地,经由干燥、脱挥发等从该聚合中间体的其余部分中除去任何未反应的单体,和(h)任选地,将该其余部分涂覆到网幅状材料上。在本发明的一个特定的实施方案中,反应在几乎没有溶剂存在下进行。更具体地说,反应在少于大约5%溶剂,更特别是少于大约3%溶剂,更加特别是没有溶剂存在下进行。
在本发明的一个实施方案中,在回路反应器中使用静态混合器以将原料混合和将该混合原料与循环的部分聚合的中间体混合。在另一个实施方案中,为此目的在回路反应器中使用行星式辊子挤出机。
静态混合器对用于回路反应器可能是有利的,因为它们可以容纳相当大量的反应物并因此可以提供为达到该回路反应器中特定阶段所希望的聚合物转化程度所要求的停留时间。然而,随着反应物在静态混合器中聚合,它们的分子量和熔体粘度增加。这可能使得该聚合材料更难以在回路反应器中循环。在一个实施方案中,反应器中的压力可以大于大约200psi。在一个更加特定的实施方案中,压力可以大于大约3,500psi且高达大约10,000psi。压力受许多因素影响,包括管子直径、中间产物的线速度、中间产物的粘度、自由体积和静态混合器构造。根据一个实施方案,在产生活塞流的条件下操作反应器。活塞流降低停留时间分布,得到更一致的分子量、更一致的转化率和具有降低凝胶含量的产物。
在一个实施方案中,已经发现,用动态混合器例如双螺杆挤出机或行星式辊子挤出机(PRE)替代回路反应器中的一种(或更多)静态混合器是合乎需要的。虽然动态混合器例如PRE通常将具有比静态混合器小的停留体积,但是它赋予反应混合物降低反应混合物熔体粘度的剪切变稀,从而使得让聚合材料移动经过回路反应器更容易。动态混合器例如PRE也是有利的,因为它可以有效地混合反应物和降低反应物质中未反应的单体的局部积累。
因此,使用回路反应器制备聚合物材料的另一种方法可以包括以下步骤:(a)将包含至少一种单体和至少一种可活化引发剂的原料引入位于反应回路中的动态混合器例如挤出机,更具体地说,行星式辊子挤出机,(b)将部分聚合的中间体引入该动态混合器以形成可聚合混合物,(c)将步骤(b)的混合物加热到至少该引发剂的活化温度以使该原料中的单体与该聚合中间体聚合,(d)将步骤(c)的产物的第一部分在该反应器中循环,(e)将步骤(c)的产物的其余部分引导至从该回路反应器移除的料流中,和(f)将步骤(c)的产物的循环部分与附加的原料混合。
在另一个实施方案中,步骤(d)另外包括步骤(g)将步骤(c)的产物冷却到小于该引发剂的活化温度。在另一个实施方案中,该方法另外包括任选的步骤(h):让该部分聚合材料的其余部分经历附加反应以使该聚合材料在步骤(e)中的移除之前进一步聚合。在另一个实施方案中,该方法另外包括步骤(i):在移除之前经由干燥、脱挥发等从该其余部分中除去任何未反应的单体。在另一个实施方案中,该方法另外包括步骤(j):将该聚合产物涂覆到网幅状材料上。
在本发明的另一方面中,在可以包括以下步骤的制备聚合物材料的方法中使用循环回路反应器和动态混合器例如挤出机,更具体地说,行星式辊子挤出机的组合:(a)将至少一种单体和至少一种引发剂的原料引入部分聚合的中间体在其中循环的回路反应器,以形成可聚合混合物,(b)将步骤(a)的混合物加热到至少该引发剂的活化温度以使该单体与该部分聚合的中间体聚合,(c)使步骤(b)的聚合中间体循环经过该反应器,同时将它冷却到小于该引发剂活化温度的温度,(d)将步骤(c)的经冷却的循环聚合中间体与附加的原料混合以使该单体与中间体进一步聚合,(e)从该回路反应器中除去该进一步聚合的材料的一部分,和(f)让该进一步聚合的聚合物材料在行星式辊子挤出机中经历附加反应以减少未反应的单体。在另一个实施方案中,该方法另外包括步骤(g):经由干燥、脱挥发等除去任何未反应的单体。在另一个实施方案中,该方法另外包括步骤(h):将该聚合产物涂覆到网幅状材料上。
在另一个方面中,根据上述方法制造自粘组合物,它是具有至少一个自由基聚合结构部分的至少一种丙烯酸烷基酯单体和热活化的引发剂的反应产物。在本发明的一个特定的实施方案中,所述组合物具有大约1,500-1,000,000的分子量(Mw),在一个更加特定的实施方案中,具有由GPC测量的大约200,000-400,000的分子量。
在另一个方面中,可以使用涂覆装置例如狭槽模口涂覆器装置将该自粘组合物涂覆到网幅状材料上,随后可以使该自粘组合物交联。
附图简述
图1是所公开的循环管式反应器方法的一个方面的示意图。
图2是图1的方法的控制图。图2的符号表提供在下面:
索引 | 描述 | 索引 | 描述 |
ML | 主管线 | FIC | 流量指示器控制 |
AL | 添加剂管线 | PIC | 压力指示器控制 |
AA | 阀门 | LIC | 液面指示器控制 |
AT | 过滤器 | PSA | 压力传感器 |
CF | 流量计 | TSA | 探温针 |
SI | 安全阀 | HTS | N/A部件号 |
SM | 静态混合器 | CT | N/A部件号 |
CP | N/A部件号 | HL | 加热管线 |
FU | 频率转换器 | M | 电动机 |
TCU | 温控仪 | FT | 流量传送器 |
TIC | 温度指示器控制 | AP | 泵 |
图3是所公开的组合的循环管式回路反应器和行星式辊子挤出机方法的一个方面的示意图。
图4是所公开的组合的循环管式回路反应器和行星式辊子挤出机方法的另一个方面的示意图。
发明详述
在一个方面中,可以根据图1所示的循环管式反应器方法10制备粘合剂产物(例如丙烯酸酯压敏粘合剂)。主要原材料可以包括第一单体12(例如丙烯酸丁酯或″BA″)、第二单体13(例如乙酸乙烯酯或″VA″)、第三单体14(例如丙烯酸或″AA″)和热引发剂15(例如,偶氮-二异丁腈或″AIBN″)。单体12、13、14和引发剂15的剂量可以分别用泵16、17、18、19调节,它们可以是双膜片泵等。可以控制每一泵16、17、18、19的流率,例如,通过控制每一泵16、17、18、19中活塞(未显示)的频率和/或冲程长度来进行控制。
本领域技术人员将领会,所使用的单体和引发剂的数量、质量和类型取决于所需的最终产物并且图1的方法(它示出使用三种单体12、13、14和一种引发剂15)仅是一个实例。可以使用附加的引发剂。可以使用一种或多种单体。还将显而易见的是,单体和引发剂不需要在原料流25中在回路外混合,可以将它们作为独立原料引入该回路并在该回路中的混合器中混合。
根据所公开的方法10有用的单体可以包括但不限于,丙烯酸烷基酯单体或丙烯酸烷基酯单体的混合物,所述单体具有例如,含大约2-大约20,优选4-10个碳原子的烷基。优选的丙烯酸烷基酯单体可以包括丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸异辛酯、丙烯酸异癸酯和本领域技术人员已知的任何其它的单体或它们的混合物。二乙烯基单体可用来增加聚合物骨架的分子量和内部强度并且可以用于方法10的一个方面。在一个方面中,二乙烯基单体可以按丙烯酸系聚合物的至多大约11wt%的量使用。用于某些实施方案的实践的适合的乙烯基单体包括苯乙烯、丙烯酸(AA)、α甲基苯乙烯、四乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸丙酯、丙烯酸己酯、甲基丙烯酸己酯和乙酸乙烯酯(VA)。
在一个方面中,根据所公开的方法10有用的适合的聚合引发剂15可以是当加热到活化或分解温度时释放自由基的任何化合物或组合物或化合物和/或组合物的结合物。例如,有用的引发剂15可以包括有机过氧化物和偶氮化合物例如但不限于,过氧化月桂酰、叔丁基过氧(2-乙基己酸酯)、过氧化苯甲酰、1,1-双(叔丁基过氧)-3,3,5-三甲基环己烷、偶氮-二异丁腈和偶氮双-2-甲基丁腈。在另一个方面中,引发剂15可以是提供自由基的任何材料或方法,例如光(例如UV光)、辐射、化学相互作用等。
在一个方面中,引发剂15可以按大约0.002-大约2.0wt%,更尤其大约0.01-大约1.0wt%的量使用,基于单体的总重量。
聚合反应温度可以基于所使用的单体材料的类型、引发剂材料的分解温度和/或所需的聚合物产物选择。例如,当引发剂15是AIBN时,可以在大约100-大约140℃的温度下进行聚合反应。
在一个实施方案中,该方法将至少50%单体转化成聚合物产物,更加特别地,该方法将至少95%转化,甚至更具体地说,该方法将多于99%单体转化成产物。在本发明的另一个实施方案中,这些高转化率在较短的停留时间下达到。例如,停留时间可以是大约15-600分钟,更尤其是大约60-180分钟。
再次参照图1,可以在第一静态混合器28中将单体12、13、14和引发剂15彻底混合。在一个方面中,可最初将引发剂15与第一单体12混合以形成共混的混合物24,然后进入本体原料流25(图1中也表示为F并且具有重量/时间的单位)并流入混合器28。在一个改型中,可以将引发剂15与具有最高流通量的单体预混合,从而促进引发剂的分布。
静态混合器28可以表征为具有足够的停留时间τ1以彻底混合单体12、13、14和引发剂15并产生输出料流30。应该指出的是,如果希望在原料穿过静态混合器28时提高或降低原料的温度,则该混合器28可以装备有夹套26或其它热传递装置以提供加热/冷却。管式反应器停留时间(一般表示为τ)可以定义为反应器容器自由体积与体积进料速率的比例。虽然静态混合器28在图1中显示为在回路外,但是本领域技术人员将领会该混合器28可以移入该回路本身中。
基于图1所示的工艺10的总体物料平衡,聚合物产物输出P可以等于单体和引发剂的流率F。原料流30具有流率F并且可以与具有流率R的循环聚合物料流48结合以形成聚合物/单体/引发剂混合料流32。该聚合物/单体/引发剂混合料流32可以供给静态混合器35,该静态混合器可以表征为具有足够的停留时间τ2以彻底混合该料流32。容器35的输出可以是输出料流36。静态混合器35必要时可以装备有夹套34以提供加热和/或冷却。
循环流率R可以定义为返回到反应器回路(即,料流30和48合并的位置)的流体的体积。循环比例RR可以定义为R与P的比例。
齿轮泵37可以在静态混合器35的料流36和静态混合器40的入口料流38之间的流道中流体连接,该静态混合器可以表征为具有足够的停留时间τ3以使料流38混合/反应而形成料流41。齿轮泵37的体积流率可以是F和R之和。
在一个方面中,可以在混合器40将料流38加热到大于引发剂活化温度的温度,从而引发自由基聚合反应,其中该单体至少部分地转变成聚合物(即,料流41可以具有转化率X1)。混合器40可以包括夹套39用于为料流38、41提供加热/冷却介质。
液体单体转化成粘合剂聚合物的分级转化率(一般表示为Xn)可以如下计算:
Xn=1-(Cn/C0)
其中Xn具有0和1之间包括该两端点的数值。例如,X1可以如下计算:
X1=1-(C1/C0)
其中C0是料流32中反应物单体的浓度,C1是料流41中反应物单体的浓度。按类似方式,X2可以如下计算:
X2=1-(C2/C0)
其中C2是料流44中反应物单体的浓度。
同样地,X3可以如下计算:
X3=1-(C3/C0)
其中C3是料流50中反应物单体的浓度。
例如,当工艺10用来使BA、VA和AA与AIBN反应形成丙烯酸酯PSA时,转化率X1可以是大约0.8,转化率X2可以是0.95,转化率X3可以是0.99,然而本领域技术人员将领会实际的转化率可能取决于流率F、R、P和容器28、35、40、42、50、60的尺寸,以及其它因素。
静态混合器40的料流41可以流入静态混合器42,该静态混合器42可以表征为具有足够的停留时间τ4以继续将单体转化成聚合物而达到转化率X2。容器42可以包括夹套43以为料流41提供加热/冷却介质。料流44可以以F和R之和构成的流率为特征并且可以分流成具有流率P的料流45和具有流率R的料流46。该体积分流可以通过齿轮泵51调节,该齿轮泵51流体连接在料流50和52之间的流道中。齿轮泵51的体积流率可以表征为P。备选地,或与泵51结合地,三通阀(未显示)可以位于料流45与料流46偏离的位置以调节循环流率R。料流45可以进入静态混合器60以进一步使单体反应到转化率X3。容器60可以表征为具有足够的停留时间τ6和加热/冷却能力(例如夹套58)以将具有流率P在转化率X2下的料流45转化成具有流率P在转化率X3下的料流50。
该管式反应器回路工艺循环可以通过以流率R进入静态混合器50的料流46结束,该静态混合器50可以表征为具有足够的停留时间τ5以将物质冷却到小于引发温度。出口料流48可以离开容器50,同时一般保持转化率X2。静态混合器/冷却器50可以包括夹套54以促进料流46的冷却。
在一个方面中,总回路停留时间可以是τ2、τ3、τ4和τ5之和。例如,总回路停留时间可以是大约20分钟,满足聚合物混合物在该回路中循环大约3次/小时。在另一个方面中,齿轮泵37、51可以经调节满足总回路停留时间提供大约1-大约4次循环/小时。此时,本领域技术人员将领会总停留时间可以根据所需的最终聚合物类型和所使用的单体和引发剂选择而获得所需的产物。
在一个方面中,可以使用涂覆装置例如狭槽模口涂覆器将产物料流52(即最终产物)涂覆到网幅状材料上。然而,本领域技术人员将领会本文描述的循环管式回路反应器方法10可用来制备用于各种不同用途的多种聚合物材料。例如,本文描述的方法10可用来制备防粘涂料、底漆涂料、非PSA粘合剂、密封剂、填缝料、丙烯酸类混合PSA非PSA涂料,例如脲烷丙烯酸类、环氧丙烯酸类、苯乙烯丙烯酸类等。
静态混合器,例如连续管式反应器可以表征为具有按连续方式引入的反应物和取回的产物。反应物可以在该反应器的一端进入并且产物可以在另一端离开,在该两端中间反应混合物的组成连续改变。到管式反应器和/或从该管式反应器的热传递可以用夹套或壳管式设计实现。可以迫使流体介质经由在静态混合器内的分开和再结合进程而使它本身混合。当静态混合器没有活动部件时,维持和操作成本可以显著地降低。用于混合的能量可以通过促进流过该容器的泵37、51传送。管式反应器可以以如下事实为特征:流体经过反应器的流动是顺序的,流体的成分不被任何其它在前或在后的成分代替或混合。
本文论述的齿轮泵37、51可以包括界定泵腔(未显示)的外壳,可旋转地置于该泵腔内的一对互相啮合的齿轮(未显示),每一齿轮具有由其轴向延伸的安装轴(未显示),和用于可旋转地支撑该齿轮轴的轴承装置。该轴承装置可以包括按与齿轮面对关系布置的径向面和一对用于可旋转地接收齿轮轴的轴向开口。可以通过用电动机(未显示)使泵37、51的驱动轴旋转而在外部驱动该齿轮泵37、51。当材料经过齿轮泵37、51时,由齿轮或在该齿轮上施加的旋转可以与经过该齿轮的材料的量成正比。因此,该齿轮可以充当精确装置以计量在通道中流动的中间产物的量。可以通过改变齿轮的尺寸或齿轮的轴向厚度改变该齿轮机构的体积。
本文描述的容器28、35、40、42、50、60可以具有双重目的,即(1)升高和/或降低温度和(2)将流经的流体混合。容器28、35、40、42、50、60可以是″停留时间反应器″,因为它们可以为反应物提供达到活化温度的附加的时间和可以提供附加的混合。
在这一点上,本领域技术人员将领会更多或更少容器28、35、40、42、50、60可以根据方法10使用。例如,容器40、42可以是分离的容器或可以组合为单个容器。
仅出于举例目的,本体原料流25可以包括按6.83kg/hr的流率包括BA单体料流12,按0.6kg/hr的流率包括VA单体料流13,按68克/hr的流率包括AA单体料流和按2克/hr的流率包括AIBN引发剂15。该产物料流52可以是按7.5kg/hr的流率P的丙烯酸酯PSA。
静态混合器/加热器35可以将低粘度单体/引发剂与高粘度聚合物混合。在70℃,引发剂(AIBN)和单体一同存在,但是它们不反应。循环料流48可以是0.042m3/hr,900kg/m3,700Pas;料流30可以是0.00833m3/hr,900kg/m3,0.01Pas;料流32可以是0.05m3/hr,900kg/m3,583Pas。静态混合器/加热器35可以是CSE-X/8,DN 49.5,18单元,Δp=大约21巴,剪切速率10.5s-1,停留时间104s,长度大约900mm,如图2所示。
在一个方面中,齿轮泵37可以能够倚靠大约50巴的压力泵送大约50kg/hr具有大约1,000Pas粘度的聚合物。可以通过泵37的精确度控制流量(流量计可以是任选的)。在一个方面中循环速率R可以是大约1-大约5倍进料速率F。
可以在混合器/热交换器40中将单体/聚合物/引发剂的均化混合物38加热。通过将温度从大约70℃提高到大约120℃,可以引起聚合反应。产生的放出的热可以部分地为本体聚合物所吸收并且由于反应引起的温升可以例如,是大约20-大约40℃。加热可以用供给反应器夹套39的L传热流体(例如,在大约120℃)进行。一旦反应起始,反应器夹套39可以作为冷却器,从而保持温度受控制。混合物数据(料流41)可以是0.005m3/hr,900kg/m3,700Pas,Cp(热容量)2,300J/kg/°K,λ(潜热)0.15W/m/°K。混合器/热交换器40可以是CSE-XR,DN 80,8单元,Δp=大约5巴,剪切速率4s-1,停留时间170s,长度大约750-1,100mm,如图2所示。
LH是高性能合成、有机传热介质,在大约0-大约280℃的工作温度下以液相用于封闭压力循环非承压换热系统。该传热流体由Sasol Olefins & Surfactants(Marl,Germany)供应。对于AIBN引发剂,可以适当地选择大约120℃的反应温度,但是不同的热引发剂或热引发剂的混合物也可能要求不同的反应温度。
容器42可以是双夹套混合器并且可以能够提供附加的停留时间和混合性能以提高产率和产物质量。聚合物料流41、44可以保持在恒温(例如,120℃)。混合物数据(料流44)可以表征为0.05m3/hr,900kg/m3,700Pas。混合器/热交换器42可以表征为CSE-X/4,DN 80,15单元,Δp=大约3巴,剪切速率1.6s-1,停留时间390s,长度大约1,200mm,如图2所示。
可以在循环回路中通过容器50将单体/聚合物/引发剂混合物从大约120℃冷却降至大约70℃,从而减少或防止进一步聚合。容器50的冷却可以用供给容器50的夹套54的L(例如,在大约60℃)进行。混合物数据(料流48)可以是0.005m3/hr,900kg/m3,700Pas,Cp 2,300J/kg/°K,λ0.15W/m/°K。混合器/热交换器50可以是CSE-XR,DN 80,18单元,Δp=大约11巴,剪切速率4s-1,停留时间390s,长度大约1,600mm,如图2所示。
容器60可以是双夹套静态混合器并且可以提供附加的停留时间和混合,从而将转化率从X2提高到X3。可以通过齿轮泵51调节7.5kg/hr流率P。混合物数据(料流52)可以表征为0.00833m3/hr,900kg/m3,700Pas。混合器/热交换器60可以表征为CSE-X/4,DN 40,15单元,Δp=大约6巴,剪切速率2.7s-1,停留时间265s,长度大约700mm,如图2所示。
可以提供流率、温度、压力、容器液面、熔体粘度和电能传感器读出器和各种控制系统以帮助工艺操作者进行工艺控制,如图2所示。其它的工艺控制部件可以包括承压管道、承压阀门、工艺启动部件、工艺停机部件、三向阀、聚合物含量监测和残余单体监测等。
在一个方面中,可以使用行星式辊子挤出机根据图3所示的工艺110制备聚合物产品(例如,丙烯酸酯压敏粘合剂(PSA))。虽然在这一图中示出了PRE,但是其它动态混合器或挤出机可能替代该PRE或与之结合使用。主要原材料可以包括第一单体120(例如丙烯酸丁酯或″BA″)、第二单体130(例如乙酸乙烯酯或″VA″)、第三单体140(例如丙烯酸或″AA″)和热引发剂150(例如,偶氮-二异丁腈或″AIBN″)。单体120、130、140和在溶液150中的液体引发剂或固体引发剂的剂量可以分别用泵160,170、180、190进行和控制,该泵可以是双膜片泵或类似物。可以控制每一泵160、170、180、190的流率,例如,通过控制每一泵160、170、180、190中的频率和/或冲程长度来进行控制。
本领域技术人员将领会,所使用的单体和引发剂的数量、质量和类型取决于所需的最终产物并且图3的方法(它示出使用三种单体120、130、140和一种引发剂150)仅是一个实例。可以根据期望的最终产物使用更多或更少单体和引发剂。
根据所公开的方法110有用的单体120、130、140和聚合引发剂150可以包括此前对所公开的方法10列出的那些。
在一个方面中,引发剂150可以按大约0.002-大约2.0wt%,更尤其大约0.01-大约1.0wt%的量使用,基于单体原料的总重量。
参照图3,反应器回路(一般表示为110)在一个方面中用来制备丙烯酸酯聚合物产物。单体120、130、140和在溶液150中的液体引发剂或固体引发剂可以分别通过泵160,170、180、190提供以形成本体原料流200(具有流率F,图3中)。
将原料流200载运到第一行星辊筒270中并与循环的聚合物料流370(具有在图3中的循环流率R)相结合,并加热到大约25-大约240℃以引发自由基反应过程。在这个实施方案中,将混合物300供入第二行星式辊子挤出机筒280和第三行星辊筒290,其中提供预置停留时间以使最终聚合物料流300的残余单体含量最小化。可以在沿着长度的任何地方将各个单体120、130、140以及原料流200注入PRE,但是最优选地,使用插入在第一PRE筒之前的喷射环的喷射阀注射。或者,也可能是插入在任何PRE筒前后的任何分散环中的喷射阀或直接到筒或其它内部和外部输送机构中的侧孔。可以在沿着PRE长度的任何地方将循环聚合物料流370引入PRE,但是最优选地,使用在PRE筒一侧中的循环孔。或者,也可能在任何喷射阀将它引入,所述喷射阀特别设计用来在与单体添加相同的环处或其它内部或外部输送机构处处理此种粘度的材料。本领域技术人员应该理解的是,三筒PRE的使用仅是一个实例并且可以根据所需的产物增加或减去筒。在区270、280、290内例如通过经过筒壁220、230、240以及经过中心纺锤260中的中心孔250的加热/冷却介质来维持温度控制。在一个实施方案中,维持聚合物加工温度小于240℃(例如,丙烯酸系聚合物和共聚物的最小降解温度)。
工艺110中液体单体转化成粘合剂聚合物的分级转化率(一般表示为Yn)可以如下计算:
其中Yn具有0和1之间包括该两端点的数值。例如,Y1可以如下计算:
Yn=1-(C′n/C′0)
其中C′0是合并料流200和370中反应物单体的浓度,C′1是料流300中反应物单体的浓度。按类似方式,Y2可以如下计算:
Y2=1-(C′2/C′0)
其中C′2是料流350中反应物单体的浓度。同样地,Y3可以如下计算:
Y3=1-(C′3/C′0)
其中C′3是料流400中反应物单体的浓度。
料流300可以具有转化率Y1,和表征为F(原料的流量)和R(循环原料的流量)之和的流率。齿轮泵310在料流300和静态混合器340料流320之间的流道中流体连接。泵310的体积流率可以是但不一定是F和R之和。本领域技术人员应承认,由于该PRE中发生的剪切变稀和可能伴随反应物的混合而发生的其它体积变化,以及可能在回路反应器内调和的压缩效应,泵310的流率可能改变。一般而言,泵310的目的是使流率的波动最小化。静态混合器340可以包括夹套330和/或其它热交换装置以便为料流320提供加热/冷却手段。
料流350可以具有转化率Y2并且可以分流成具有流率P的料流360和具有流率R的料流370。该体积分流可以通过齿轮泵410调节,该齿轮泵410流体连接在料流400和420之间的流道中。泵410的体积流率可以表征为P。料流360可以进入静态混合器390以进一步使单体反应到转化率Y3。静态混合器390可以具有加热/冷却能力(例如,夹套380)以将在转化率Y2下具有流率P的料流360转化成在转化率Y3下具有流率P的料流400。
因此,通过在回路反应器中结合至少一个PRE,使早先所限定的反应器和方法变得更通用。如果仅有的混合器是静态混合器,则混合取决于聚合物材料的阀线速度,要求大于该阀线速度以施加足够的剪切用于有效混合。采用动态混合器,混合效率很大程度上不依赖于聚合物材料的线速度。因此,在回路反应器中使用PRE的选择提高总反应器系统的混合和热交换通用性。
参照图4,备选方法(一般表示为120)在一个方面中用来制备丙烯酸酯聚合物产物。单体500、510、520和在溶液530中的液体引发剂或固体引发剂可以分别通过泵540、550、560和570提供以形成本体原料流580(在图3中也表示为F)。
在一个实施方案中,料流580可以具有流率F并且可以与具有流率R的循环聚合物料流740结合而形成聚合物/单体/引发剂混合物料流590。可以将该聚合物/单体/引发剂混合物料流590供给静态混合器600,它设计用来将料流590彻底混合。静态混合器600的输出可以是输出料流620。静态混合器600必要时可以装备有夹套610以提供加热和/或冷却。可以在静态混合器600的料流620和静态混合器650的入口料流640之间的流道中流体连接齿轮泵630,该静态混合器650设计用来混合/反应料流640以形成料流670。泵37的体积流率可以约等于F和R之和,但是如前述,该系统将调和流量方面的改变。
工艺120中液体单体转化成粘合剂聚合物的分级转化率(一般表示为Zn)可以如下计算:
Zn=1-(C″n/C″0)
其中Zn具有0和1之间包括该两端点的数值。例如,Z1可以如下计算:
Z1=1-(C″1/C″0)
其中C″0是料流590中反应物单体的浓度,C″1是料流670中反应物单体的浓度。按类似方式,Z2可以如下计算:
Z2=1-(C″2/C″0)
其中C″2是料流700中反应物单体的浓度。同样地,Z3可以如下计算:
Z3=1-(C″3/C″0)
其中C″3是料流840中反应物单体的浓度。
其中C″3是料流840中反应物单体的浓度。
类似于早先描述,入口料流640可以在静态混合器650中加热到大于引发剂活化温度的温度,从而引发自由基聚合反应,其中单体至少部分地转变成聚合物(即,料流670可以具有转化率Z1)。该静态混合器650可以包括夹套660和/或其它热交换装置用于为料流640、670提供加热/冷却手段。
静态混合器650的离开料流670可以流入静态混合器680,该静态混合器680可以表征为具有足够的停留时间以继续将单体转化成聚合物而在料流700中达到转化率Z2。静态混合器680可以包括夹套690和/或其它热交换装置以为料流670、700提供加热/冷却手段。料流700可以分流成具有流率P的料流750和具有流率R的料流710。可以通过泵850调节从反应器回路120除去的产物的量,该泵850可以流体连接在料流840和860之间的流道中。泵850的体积流率可以表征为P。料流710可以进入静态混合器720以进一步使单体反应。静态混合器720可以表征为具有足够的停留时间和冷却能力(例如,夹套730)以将具有流率R的料流710转化成料流740,该料流740处于小于活化温度的温度和可能的附加转化率Z4(即,其中C″4是料流740中反应物单体的浓度)。
具有转化率Z2的料流750被载运到第一行星辊筒760中并被加热到大约25-大约240℃以继续自由基反应过程。该混合物被载运到第二行星辊筒770和第三行星辊筒780中,其中提供预置停留时间以使最终聚合物料流840的残余单体含量最小化。可以在筒760、770、780内通过传导加热/冷却介质分别经过筒壁790、800、810和接近于互相啮合表面,以及经过中心轴820中的中心孔830来维持精确的温度控制。聚合物加工温度维持到小于聚合物材料降解温度(即,对于丁基丙烯酸系聚合物,240℃)。行星辊筒760、770、780将在转化率Z2下具有流率P的料流750转化成在转化率Z3下具有流率P的料流840。
在一个方面中,可以使用涂覆装置例如狭槽模口涂覆器或其它涂覆和刮涂法将产物料流52、420和860(分别来自方法10、110、120)涂覆到网幅状材料上。
本领域技术人员将领会,本文描述的方法10、110、120可用来制备用于各种不同用途,例如防粘涂料、底漆涂料、粘合剂、PSA和非PSA,密封剂、填缝料和建筑涂料的多种聚合物材料。此外,这些粘合剂和涂料可以用多种化学物质聚合。具体来说,化学物质例如但不限于,丙烯酸系单体、多元醇、异氰酸酯、乙烯基材料、环氧树脂等。
在一个实施方案中,可以借助于电子束或UV能量按本领域中已知的方式使根据方法10、110、120制备的聚合物组合物交联。例如,使用UV能量将该聚合物材料交联可能要求添加合适的UV促进剂(例如,光引发剂,例如过氧化物)。如果需要的话,可以在不脱离本公开内容范围的情况下经由循环管式反应器添加UV促进剂或光化辐射促进剂。
如果要求附加的粘性和/或粘附,可以将树脂、油和/或其它添加剂添加到反应物和/或最终产物中。如果需要改进颜色或其它性能;可以将颜料、染料、填料、抗降解剂和/或其它添加剂添加到反应物和/或最终产物中。
典型的增粘树脂可以包括但不限于部分或完全氢化的木材,树胶或妥尔油松香,酯化木材,树胶或妥尔油松香,α和β蒎烯树脂和多萜树脂。可以将该树脂以固体、液体(即包括但不限于溶液和分散体)和/或熔融形式引入。典型的抗降解剂包括抗氧化剂、紫外线吸收剂和紫外线稳定剂。典型的交联剂可以包括过氧化物、离子型热活化树脂、异氰酸酯、UV和/或EB活化固化剂。典型的着色剂可以包括二氧化钛及其它各种金属颜料。如果溶剂的使用是希望的,则典型的溶剂可以包括液态羧酸酯类例如乙酸乙酯和乙酸正丁酯,酮类例如丙酮、二甲基酮和环己酮,芳族烃类例如苯、甲苯和二甲苯,液态脂族和环脂族烃类例如沸点大约50-150℃,尤其是大约60-100℃的石油馏分、环己烷,及其它例如二噁烷、四氢呋喃和二-叔丁基醚或它们的混合物。对本公开内容的聚合物组合物尤其有用的溶剂可以包括乙酸乙酯、环己烷和丙酮与石油醚(例如具有大约60-大约95℃的沸点)的混合物。
与传统的涂覆法,例如辊上辊、反向辊、辊上刮刀等相比,使用狭槽模口将聚合物材料涂覆到网幅状材料上可以具有特定的优点。当采用传统的涂覆法时,网幅涂覆速度可能限于粘度为40,000cPs或更低的聚合物材料并且对高含固量聚合物材料没有帮助。然而,使用狭槽模口涂覆技术,尤其是当和通过循环管式反应器工艺制备的高固体聚合物材料一起使用时,可能具有特定的利益,因为涂覆速度接近和超过1,000米/分钟。
取决于结合了根据本公开方法制备的聚合物的网幅状产品的预计用途,适合的网幅状载体材料可以包括任何已知的载体,它们有或者没有涂覆面的合适的化学或物理表面预处理,和有或者没有反面的合适的防粘物理处理或涂覆。代表性实例包括皱纹、无皱纹和防粘纸,聚乙烯,聚丙烯,单-或双轴取向聚丙烯薄膜,聚酯,PVC,防粘膜及其它膜,以及泡沫材料,由聚烯烃制成的网幅形式的机织物、针织物和无纺织物。
虽然已经根据某些方面和实施方案显示和描述了所公开的聚合方法,但是修改对阅读和理解了本说明书的本领域技术人员将是明朗的。所公开的聚合方法包括所有这些修改。特别地,虽然本文的论述集中于制造粘合剂的一个特定实施方案,但是一般而言本领域技术人员将承认本发明具有制造聚合物材料的应用性。
Claims (15)
1.包括以下步骤的方法:
a)将包含至少一种单体和至少一种可活化引发剂的原料引入部分聚合的材料在其中循环的循环回路反应器以形成反应混合物;
b)将该反应混合物加热到至少该引发剂的活化温度以产生聚合的中间体;
c)将该聚合中间体的一部分经过该回路反应器循环,同时将该聚合中间体的其余部分引导至移除料流中;
d)将该中间体的循环部分冷却到小于该引发剂活化温度的温度;
e)将该中间体的经冷却的循环部分与该原料混合;和
f)让该聚合中间体的其余部分进行进一步反应以形成聚合产物。
2.权利要求1的方法,其中该反应回路包括多个静态混合器,那些静态混合器中至少一个具有热交换能力。
3.权利要求2的方法,其中该回路包括行星式辊子挤出机并且原料被引入该行星式辊子挤出机。
4.权利要求3的方法,其中单体在该回路反应器中的停留时间是大约1-大约5次循环/小时。
5.权利要求4的方法,其中通过在该移除流路中的齿轮泵调节该聚合中间体的循环部分和其余部分的量。
6.权利要求1的方法,其中反应混合物含有少于大约5%溶剂。
7.权利要求6的方法,其中该循环回路反应器中的压力大于大约200psi。
8.权利要求7的方法,其中该回路反应器中的压力是大约3,500psi且至多大约10,000psi。
9.权利要求8的方法,其中该聚合中间体在循环回路反应器中作为活塞流循环。
10.权利要求6的方法,其中聚合的产物具有大约1,500-1,000,000的分子量。
11.权利要求10的方法,其中聚合的产物具有大约200,000-大约400,000的分子量。
12.权利要求1的方法,其中该方法将至少50%的单体转化成聚合产物。
13.权利要求12的方法,其中该方法将至少95%的单体转化成聚合产物。
14.权利要求3的方法,其中单体在循环回路反应器中停留大约15-600分钟。
15.权利要求3的方法,其中该聚合产物是包含至少一种丙烯酸烷基酯单体的聚合反应产物的自粘组合物。
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