CN102797048B - 一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的装置和制备方法 - Google Patents
一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的装置和制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的装置和制备方法，属高分子材料领域。其特征在于：极性溶剂、间苯二胺熔体和间苯二甲酰氯熔体按特定配比同时连续加入到二台串联双螺杆反应器中，连续制备聚间苯二甲酰间二胺纺丝原液。采用本方法可以满足聚合不同阶段的混合要求和解决散热难问题，连续生产方式制备出来的聚间苯二甲酰间苯二胺聚合体分子量分布窄，特性粘度稳定，且在2.0dl/g以上，能满足聚间苯二甲酰间苯二胺纤维的连续稳定纺丝要求。
Description
技术领域
属高分子材料领域，是涉及聚合物材料制造技术。确切地说是涉及一种适用于工业化连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的装置和制备方法。
背景技术
聚间苯二甲酰间苯二胺纤维也称间位芳纶纤维，间位芳纶是当今高性能纤维中发展最快的品种之一，是一种综合性能优良的高科技纤维，在防护服装、蜂窝结构材料、电绝缘纸和高温过滤材料等方面有着广泛的用途，是航空航天、电子、通讯、环保、石油化工、海洋开发和特种服装等领域的重要基础材料。
高质量的聚间苯二甲酰间苯二胺聚合体是制备高质量聚间苯二甲酰间苯二胺纤维的重要前提，本发明所说的聚间苯二甲酰间苯二胺聚合体化学结构如下。
目前连续聚合制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的情况如下。
美国专利USP3287324公开了一种连续化制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的方法，但该专利中并未公布间苯二胺溶液的配制方法和聚合反应器形式和参数，且制得的聚间苯二甲酰间苯二胺聚合体特性粘度偏低，不利于制备强度较高聚间苯二甲酰间苯二胺纤维。
中国专利CN 1443882A公开了一种半连续化双螺杆制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝溶液的方法，该专利以双螺杆挤出机为主反应器，采用间苯二甲酰氯二次加料、干燥的液氨做预中和剂，双螺杆挤出机的应用有利于体系散热问题，避免了聚合物分子量不均一的问题，还有利于部分除去聚合体系中小分子副产物的氯化氢气体。但是，该方法在预聚合阶段，IPC加料量为总量的50-80%，该阶段是产生反应热的主要阶段，采用反应釜式间歇聚合不易快速排出此阶段的反应热；缩聚阶段采用双螺杆挤出机虽有利于反应热排出，但此阶段产生反应热并不多，保留适当的反应热有利于升高反应体系的温度，从而降低体系表观粘度，增强搅拌混合效率，使反应更均匀；液氨中和生成氯化铵过滤时，氯化铵滤饼中会带走部分聚间苯二甲酰间苯二胺低聚体和间苯二胺单体，其量无法确定，会导致后续IPC补加的量很难满足与间苯二胺等摩尔比的要求，制得的聚间苯二甲酰间苯二胺聚合体特性粘度波动较大。
发明内容
本发明提供克服现有技术不足的一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的装置和制备方法。
本发明采取的技术方案：
一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的装置，包含双螺杆反应器，其特征是：有二个独立设置旋转参数的双螺杆反应器，其装置的连接关系是：在二台存储槽（1，2）的输出口与第一号混合器7的输入端之间联接着计量器和输送齿轮泵：DMAc溶剂存储槽1、MPD熔体存储槽2与第一号混合器7的输入端之间联接着输送齿轮泵（3，4）和质量流量计（5,6）；第一号混合器7输出端与换热器8输入端相接；换热器8输出端与第二号混合器12输入端相接；在存储槽9的输出口与第二号混合器12的输入端之间联接着输送齿轮泵10和质量流量计11；第二号混合器12的输出端与第一号双螺杆反应器13输入端相接；第一号双螺杆反应器13输出端与第二号双螺杆反应器14输入端相接；第二号双螺杆反应器14输出端与存储槽15输入端相接；存储槽15输出端依次接中和装置、过滤装置、脱泡装置制得聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液。
一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的方法,其方案，包括以下步骤：
(1) 将极性溶剂与间苯二胺分别经过计量后同时连续加入到第一号混合器中，混合后流入换热器使间苯二胺溶液温度降至0℃以下；
(2) 间苯二胺溶液与经计量后的间苯二甲酰氯连续加入到第二号混合器中，快速混合后流入第一号双螺杆反应器反应生成聚间苯二甲酰间苯二胺低聚体；
(3) 聚间苯二甲酰间苯二胺低聚体流入第二号双螺杆反应器继续反应，生成聚间苯二甲酰间苯二胺溶液；
(4) 上述所得聚间苯二甲酰间苯二胺溶液经中和、过滤和脱泡后，制得纺丝原液，可直接用于纺丝。
本发明的积极效果：
（1） 适用于工业化大规模连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液；
（2） 二台双螺杆反应器组合使用，设定不同转速，满足缩聚反应不同阶段的混合要求，能快速排出反应过程中产生的反应热，且二台双螺杆反应器都有自清洁功能，不会产生积料现象；
（3） 间苯二胺与间苯二甲酰氯均采用熔融态计量和加料，提高了计量的精度，间苯二甲酰氯按与间苯二胺1～1.01:1（摩尔比）连续加料，连续反应，制备出来的聚间苯二甲酰间苯二胺聚合体分子量分布窄，特性粘度稳定，且在2.0dl/g以上，能满足聚间苯二甲酰间苯二胺纤维的连续稳定纺丝要求。
附图说明
图1为本发明流程示意图。
图2为本发明装置结构示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明的结构作进一步说明：
一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的装置，包含双螺杆反应器，其特征是：有二个独立设置旋转参数的双螺杆反应器，其装置的连接关系是：在二台存储槽（1，2）的输出口与第一号混合器7的输入端之间联接着计量器和输送齿轮泵：DMAc溶剂存储槽1、MPD熔体存储槽2与第一号混合器7的输入端之间联接着输送齿轮泵（3，4）和质量流量计（5,6）；第一号混合器7输出端与换热器8输入端相接；换热器8输出端与第二号混合器12输入端相接；在存储槽9的输出口与第二号混合器12的输入端之间联接着输送齿轮泵10和质量流量计11；第二号混合器12的输出端与第一号双螺杆反应器13输入端相接；第一号双螺杆反应器13输出端与第二号双螺杆反应器14输入端相接；第二号双螺杆反应器14输出端与存储槽15输入端相接；存储槽15输出端依次接中和装置、过滤装置、脱泡装置制得聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液；
所述的第一号双螺杆反应器螺杆直径为50～70mm，长径比20～30，转速可调为200～400rpm，实现物料停留时间在1～5min；采用夹套冷冻液冷却；冷冻温度为-15～0℃；
所述的第二号双螺杆反应器螺杆直径为80～125mm，长径比为9～11，转速可调为80～200rpm，实现物料停留时间在5～20min，采用夹套冷却；冷却温度为20～50℃；
所述的换热器是板式换热器，冷却温度为-15～0℃。
一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的方法,包括以下步骤：
(1) 将极性溶剂与间苯二胺分别经过计量后同时连续加入到第一号混合器中，混合后流入换热器使间苯二胺溶液温度降至0℃以下；
(2) 间苯二胺溶液与经计量后的间苯二甲酰氯连续加入到第二号混合器中，快速混合后流入第一号双螺杆反应器反应生成聚间苯二甲酰间苯二胺低聚体；
(3) 聚间苯二甲酰间苯二胺低聚体流入第二号双螺杆反应器继续反应，生成聚间苯二甲酰间苯二胺溶液；
(4) 上述所得聚间苯二甲酰间苯二胺溶液经中和、过滤和脱泡后，制得纺丝原液，可直接用于纺丝；
实施案例。
实施例1：
二甲基乙酰胺（DMAC）溶剂经精密齿轮泵输送和质量流量计计量后以733.23kg/h的流量与间苯二胺（MPD）熔体以98.62 kg/h流量同时连续加入到第一号混合器中快速混合制得MPD溶液，MPD溶液流入板式换热器中，使温度冷却至-10℃，冷却的MPD溶液与185.15kg/h流量的间苯二甲酰氯（IPC）熔体同时连续加入到第二号混合器中快速混合，混合液流入螺杆直径为60mm、长径比为30、转速为360r/min、夹套温度为-15℃的的第一号双螺杆反应器中，在该反应器中反应2min形成低聚物，低聚物进一步流入螺杆直径为125mm、长径比为10、转速为150rpm、夹套温度为25℃的第二号双螺杆反应器中，在该反应器中反应8min形成聚间苯二甲酰间苯二胺溶液，该溶液经中和、过滤和脱泡后，制得纺丝原液，可直接用于纺丝。经测试，特性粘度为2.15dl/g,含固量20%。
实施例2：
二甲基乙酰胺（DMAC）溶剂经精密齿轮泵输送和质量流量计计量后以569.03kg/h的流量与间苯二胺（MPD）熔体以65.75 kg/h流量同时连续加入到第一号混合器中快速混合制得MPD溶液，MPD溶液流入板式换热器中，使温度冷却至-10℃，冷却的MPD溶液与123.44kg/h流量的间苯二甲酰氯（IPC）熔体同时连续加入到第二号混合器中快速混合，混合液流入螺杆直径为60mm、长径比为30、转速为360r/min、夹套温度为-15℃的的第一号双螺杆反应器中，在该反应器中反应3min形成低聚物，低聚物进一步流入螺杆直径为125mm、长径比为10、转速为100rpm、夹套温度为25℃的第二号双螺杆反应器中，在该反应器中反应15min形成聚间苯二甲酰间苯二胺溶液，该溶液经中和、过滤和脱泡后，制得纺丝原液，可直接用于纺丝。经测试，特性粘度为2.23dl/g,含固量18%。
实施例3：
二甲基乙酰胺（DMAC）溶剂经精密齿轮泵输送和质量流量计计量后以853.79kg/h的流量与间苯二胺（MPD）熔体以98.62 kg/h流量同时连续加入到第一号混合器中快速混合制得MPD溶液，MPD溶液流入板式换热器中，使温度冷却至-10℃，冷却的MPD溶液与185.15kg/h流量的间苯二甲酰氯（IPC）熔体同时连续加入到第二号混合器中快速混合，混合液流入螺杆直径为60mm、长径比为30、转速为360r/min、夹套温度为-15℃的的第一号双螺杆反应器中，在该反应器中反应1.8min形成低聚物，低聚物进一步流入螺杆直径为125mm、长径比为10、转速为150rpm、夹套温度为25℃的第二号双螺杆反应器中，在该反应器中反应7min形成聚间苯二甲酰间苯二胺溶液，该溶液经中和、过滤和脱泡后，制得纺丝原液，可直接用于纺丝。经测试，特性粘度为2.10dl/g,含固量18%。
Claims (10)
1.一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的装置，包含双螺杆反应器，其特征是：有二个独立设置旋转参数的双螺杆反应器，其装置的连接关系是：在二台存储槽（1，2）的输出口与第一号混合器(7)的输入端之间联接着计量器和输送齿轮泵：DMAc溶剂存储槽(1)、MPD熔体存储槽(2)与第一号混合器(7)的输入端之间联接着输送齿轮泵（3，4）和质量流量计（5,6）；第一号混合器(7)输出端与换热器(8)输入端相接；换热器(8)输出端与第二号混合器(12)输入端相接；在存储槽(9)的输出口与第二号混合器(12)的输入端之间联接着输送齿轮泵(10)和质量流量计(11)；第二号混合器(12)的输出端与第一号双螺杆反应器(13)输入端相接；第一号双螺杆反应器(13)输出端与第二号双螺杆反应器(14)输入端相接；第二号双螺杆反应器(14)输出端与存储槽(15)输入端相接；存储槽(15)输出端依次接中和装置、过滤装置、脱泡装置制得聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液。
2.根据权利要求1所述的一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的装置，其特征是：所述的第一号双螺杆反应器螺杆直径为50～70mm，长径比20～30，转速可调为200～400rpm，实现物料停留时间在1～5min；采用夹套冷冻液冷却；冷冻温度为-15～0℃。
3.根据权利要求1所述的一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的装置，其特征是：所述的第二号双螺杆反应器螺杆直径为80～125mm，长径比为9～11，转速可调为80～200rpm，实现物料停留时间在5～20min；采用夹套冷却；冷却温度为20～50℃。
4.根据权利要求1所述的一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的装置，其特征是：所述的换热器是板式换热器，冷却温度为-15～0℃。
5.一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的方法, 包括以下步骤，其特征是：
(1) 将极性溶剂与间苯二胺分别经过计量后同时连续加入到第一号混合器中，混合后流入换热器使间苯二胺溶液温度降至0℃以下；
(2) 间苯二胺溶液与经计量后的间苯二甲酰氯连续加入到第二号混合器中，快速混合后流入第一号双螺杆反应器反应生成聚间苯二甲酰间苯二胺低聚体；
(3) 聚间苯二甲酰间苯二胺低聚体流入第二号双螺杆反应器继续反应，生成聚间苯二甲酰间苯二胺溶液；
(4)上述所得聚间苯二甲酰间苯二胺溶液经中和、过滤和脱泡后，制得纺丝原液，可直接用于纺丝。
6.按权利要求5所述的一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的方法，其特征在于间苯二胺（MPD）在极性溶剂中的摩尔浓度为0.7～1.2mol/L；所述的极性溶剂为N-N二甲基乙酰胺（DMAc）或N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）。
7.按权利要求5或6所述的一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的方法，其特征在于MPD和极性溶剂是按恒定配比连续计量、连续加入到第一号混合器中；MPD计量和加料形式为熔融态；所述换热器为板式换热器，温度为-15～0℃。
8.按权利要求5所述的一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的方法，其特征在于间苯二甲酰氯（IPC）保持与MPD摩尔比1～1.01:1连续计量、连续加入到第二号混合器中；IPC计量和加料形式为熔融态。
9.按权利要求5所述的一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的方法，其特征在于第一号双螺杆反应器螺杆直径为50～70mm，长径比为20～30，转速为200～400r/min，夹套温度为-15～0℃，实现物料停留时间在1～5min。
10.按权利要求5所述的一种连续制备聚间苯二甲酰间苯二胺纺丝原液的方法，其特征在于第二号双螺杆反应器螺杆直径为80～125mm，长径比为9～11，转速可调为80～200rpm，夹套温度为20～50℃，实现物料停留时间在5～20min。
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