具体实施方式
本发明提供一种改进的乙烯-四氟乙烯共聚物的后处理方法。本发明方法包括提供乙烯-四氟乙烯共聚物浆液的步骤。
本发明乙烯-四氟乙烯共聚物浆液可通过悬浮聚合、溶液-沉淀聚合、乳液聚合、本体聚合等各种方法获得,较好是通过悬浮聚合和溶液-沉淀聚合得到,最好是通过溶液-沉淀聚合生产的乙烯-四氟乙烯共聚物浆液。
在本发明中,术语“乙烯-四氟乙烯共聚物浆液”和“乙烯-四氟乙烯共聚物浆料”和互换使用,是指乙烯-四氟乙烯共聚物溶胀并悬浮于聚合溶剂中的一种物料。
术语“溶液-沉淀聚合”是指采用引发剂、单体和其它助剂溶解在聚合介质中进行聚合的方法,此时聚合得到的聚合物在聚合介质中可能会发生溶胀,但不能溶解在聚合介质中。
本发明优选使用溶液-沉淀聚合获得乙烯-四氟乙烯共聚物浆料,这种聚合方法是本领域已知的。在本发明的一个实例中,所述溶液-沉淀聚合方法包括:把引发剂、链转移剂加入聚合介质中,在规定的温度,充入乙烯、四氟乙烯和第三单体,在规定的压力聚合直至规定的固含量。
在本发明的一个实例中,合适的聚合介质选自氟化烃、氟氯化烃、醇和烃中的至少一种。这些溶剂能溶解引发剂和一定量的乙烯、四氟乙烯,不能溶解乙烯-四氟乙烯共聚物产物。在本发明的另一个较好实例中,所述聚合介质选自全氟正己烷、全氟环丁烷、全氟环己烷、全氟苯等氟化烃类,三氯三氟甲烷、4310、R-225、R-365等氢氟烃类。
在本发明的一个实例中,出于连续化生产的考虑,合适的引发剂为半衰期小于1小时、引发温度为0~100℃的自由基聚合引发剂,更好是半衰期小于0.5小时、引发温度为20~80℃的自由基聚合引发剂。本发明方法采用连续加入引发剂以维持聚合反应。适用的引发剂的非限定性例子有,例如偶氮二异丁腈和全氟酰基过氧化物Rf(CO2)2(Rf是碳数为1~10的烷基或者烷醚基)。
在本发明的一个实例中,合适的链转移剂包括,但不限于,饱和烷烃,如正戊烷、异戊烷、正己烷和环己烷等;醇类,如甲醇、乙醇、叔丁醇等;以及F22、CCl3F和H2等,或者上述中的两种或更多种的混合物。
在本发明的一个实例中,合适的第三单体有:
分子式为R1-CF=CF2的全氟烯烃,其中R1为C1~C10的全氟烷基;
分子为R2-CH=CH2的全氟烷基乙烯,其中R2为C1~C10的全氟烷基;
分子式为R3OCF=CF2的全氟烷基乙烯醚,其中R3为C2~C10的全氟烷基;
分子式为R3OCH=CH2的氟烷基乙烯醚,其中R3为C2~C10的全氟烷基;
C3-C4的α-烯烃:例如丙烯、丁烯或异丁烯;
分子式为CH2=CR4-(CH2)-O-CO-R5的烯烃,其中R4为H或-CH3,R5为C1~C3的烷基;或者
分子式为CH2=CH-COOR6的烯烃。其中R6为C1~C4的烷基。
在本发明的一个较好实例中,所述乙烯/四氟乙烯共聚物是由四氟乙烯、乙烯和至少一种第三单体共聚而成的;所述第三单体为CH2=CX(CF2)n或者(CF2=CF2)-O-(CF2)n的重复单元,n为2~8的整数;聚合物中四氟乙烯/乙烯的摩尔比为0.8:0.2~0.2:0.8,第三单体的含量为乙烯/四氟乙烯共聚物总摩尔数的0.01~15mol%。
本发明方法提供的乙烯-四氟乙烯共聚物浆液,其固含量通常大于3重量%,较好大于5重量%,更好大于7重量%。浆液中乙烯-四氟乙烯共聚物微粒尺寸一般大于10μm,较好大于20μm,更好大于30μm。当乙烯-四氟乙烯共聚物浆液中聚合物微粒尺寸大于10μm时,过滤后滤液中不会残留有固体。为了达到这么大的粒径,要求聚合过程中,聚合物的固含量要大于3重量%,更好大于5重量%,最好大于7重量%。
本发明方法包括将得到的乙烯-四氟乙烯共聚物浆液过滤,并在过滤后以0.5-2升/公斤滤饼的量向滤饼中加入水,在10-110℃的温度下以10-300rpm的速度搅拌30-90分钟。
适用于本发明的过滤方法无特别的限制,可以是本领域已知的任何合适的过滤方法。在本发明的一个实例中,所述过滤方法包括重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。为了达到降低滤饼中液含量的目的,优选采用加压过滤和离心过滤方法。
过滤能快速有效地分离除去聚合介质。滤饼中液含量小,则在后续造粒过程中,需要蒸馏除去的聚合介质就少,结果能降低后续除去聚合介质所需的耗能、缩短后处理时间。本发明人还发现一个重要的特点,即过滤后滤饼中液含量愈小,后续造粒过程中得到的ETFE粒料的粒径愈小,当液含量小于30重量%,与水混合搅拌加热后,得到的ETFE为粉料。
本发明中,为了尽量较少溶剂的蒸发量,所述乙烯-四氟乙烯共聚物浆液过滤后,滤饼的液含量通常小于70重量%,而为了同时得到粒径适宜的颗粒,滤饼的液含量优选小于70重量%,大于30重量%。
在本发明的一个实例中,滤饼的液含量为35-65重量%,较好为40-60重量%。
在本发明中,术语“固含量”是指浆液中固体在浆液中的质量百分数;术语“滤饼”是指滤液经过过滤后,残留在滤网上的物质;术语“液含量”是指浆液或者滤饼中聚合介质所占的质量百分数。
为了良好地分散乙烯-四氟乙烯共聚物颗粒并获得合适的聚合物颗粒尺寸和尺寸分布,本发明方法包括向过滤得到的聚合物滤饼中加入水。从兼顾均匀分散聚合物颗粒和后续除去水的成本角度考虑,水的加入量一般为0.2L~2L/kg滤饼,较好为0.5L~1.6L/kg滤饼,更好为0.8L~1.2L/kg滤饼。
当采用加压过滤方法时,加压过滤后,滤饼会比较厚实。为了强制使得滤饼松散开来,并均匀地分散在水中,使乙烯-四氟乙烯共聚物与水的接触面积更大,通常在加入水的过程中辅之以搅拌。
搅拌的形式,也即搅拌桨的形式,会直接影响到ETFE浆料在水中的分散均匀程度,也会影响到最终粒子分布的均一性。简单的叶片式搅拌桨难以把过滤后的ETFE滤饼均匀分散在水中,所以,本发明较好的搅拌桨形式为螺带式搅拌桨或者涡轮叶片式搅拌桨。并且所述的螺带式搅拌桨包括单螺带搅拌桨、双螺带搅拌桨和螺带-螺杆式搅拌桨;所述的涡轮式叶片搅拌桨至少为一层,优选为两层。
本发明的发明人发现,在混合时,搅拌的速度不仅会影响到最终乙烯/四氟乙烯共聚物颗粒的大小,而且还会影响该聚合物颗粒的粒径分布。在同样的条件下,搅拌速度越快,则最终聚合物颗粒的粒径会更小。本发明中,为了得到粒径适宜的颗粒,搅拌速度为通常为10~300rpm,优选为40~100rpm。
水的温度(水温),也就是加热温度,会直接影响到粒子的大小和粒子的孔隙率。因为水温高的时候,溶剂蒸发出来的速率快,形成的粒子内部的孔径更大,孔隙率也更大,最终会降低粒子的堆积密度;水温低的时候,溶剂是缓慢蒸发出来的,形成的粒子内部的孔径小,孔隙率降低,粒子的圆整性也更好。但是水温太低会导致造粒的时间延长,影响产率。所以,本发明的加热温度设为10~100℃,优选为40~70℃。
在本发明的一个实例中,本发明方法包括在升温之前,以10-300rpm的速度搅拌1~5分钟,使得ETFE浆料能在水中分散良好,然后在10-100℃的温度继续搅拌1-120分钟,较好搅拌10-90分钟,更好搅拌30-60分钟。
本发明方法还包括对混合在水中的聚合物颗粒进行干燥,随后在干燥后形成乙烯-四氟乙烯共聚物颗粒的步骤。
本发明干燥的方法无特别的限制,可以是本领域已知的任何合适的干燥方法。在本发明的一个实例中,所述干燥方法包括先加热以蒸发除去残存的聚合溶剂,随后过滤除去水分。通常在蒸发除去聚合溶剂后,乙烯-四氟乙烯共聚物的粒子会漂浮在水面上,可以随着水从排料口排放出来,过滤后,再放入烘箱中,在110℃下干燥2-8小时。
用本发明方法形成的乙烯-四氟乙烯共聚物颗粒,其平均粒径为0.8-2.5mm,较好为1.0-2.0mm,更好为1.2-1.8mm;粒径分布宽度为1.2-2.0,较好为1.2-1.6,更好为1.2~1.4。
在本发明的一个较好实例中,为了减少物料的输送过程和增加设备,过滤和与水混合、搅拌、加热造粒和干燥可在同一设备内完成,例如采用成型的过滤-洗涤-干燥一体机来实现。
本发明方法得到乙烯/四氟乙烯共聚物的熔融指数(297℃,5Kg)为0.1~200g/10min,优选为2~120g/10min,更优选为5~50g/10min。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
1)本发明提供的方法用于乙烯/四氟乙烯共聚物浆液的后处理时,显著降低了水、电的消耗量。
2)通过本发明的乙烯-四氟乙烯共聚物后处理方法,制成的乙烯-四氟乙烯共聚物粒料中几乎不含低聚物,颗粒圆整性好,粒径分布均匀,流动性有很大的提高。
下面结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
在经过除氧处理的500L不锈钢高压釜中加入300kg的三氯三氟乙烷、200g全氟丁基乙烯和200ml环己烷,在搅拌的同时升温至40℃,加入四氟乙烯/乙烯=75/25(mol%)的混合气体至压力为0.8MPa,加入100ml的浓度为0.25mol/L的(C3F7OC2F4CO2)2三氯三氟乙烷溶液,开始聚合。聚合中,连续的添加四氟乙烯/乙烯(mol%)=55/45的混合气体,每30min加入200g全氟丁基乙烯和50ml的上述引发剂溶液。3小时后,结束聚合反应并立即放空反应釜致使压力为0MPa。该浆料的固含量为9wt%。
然后,借助重力,将高压釜中的乙烯-四氟乙烯共聚物浆料输送到500L的过滤-洗涤-干燥一体机(LFGG-筒锥式过滤洗涤干燥多功能机,购自上海迅昌化工装备技术研究所)中。首先,进行加压过滤,直至滤饼中液含率为30重量%,开动双层圆盘涡轮叶片搅拌器,转速设为80rpm,以喷淋的方式,在5分钟内加入50L的水,从室温加热升温至90℃,经过45min后,三氯三氟乙烷和残留单体蒸馏出来,期间,微米级的乙烯-四氟乙烯共聚物微球会聚集形成毫米级的微粒。然后,将水从下部放出,乙烯-四氟乙烯共聚物粒子会留在过滤网上。然后,在110℃下干燥4小时,获得30kg乙烯-四氟乙烯共聚物造粒料A。
所得乙烯-四氟乙烯共聚物造粒料A的摩尔组成为四氟乙烯/乙烯/全氟丁基乙烯=52.97/45.37/1.65,熔融指数为25.6g/min,熔点为261℃,平均粒径为1.8mm,粒径分布宽度为1.3。
所述乙烯-四氟乙烯共聚物造粒料A的照片如图1所示,由该照片可清楚地看到所述乙烯-四氟乙烯共聚物造粒料颗粒具有良好的颗粒圆整度,颗粒之间边界分明,粒径分布均匀。
实施例2
在经过除氧处理的500L不锈钢高压釜中加入300kg的三氯三氟乙烷、200g全氟丁基乙烯和100ml环己烷,在搅拌的同时升温至40℃,加入四氟乙烯/乙烯=75/25(mol%)的混合气体至压力为0.8MPa,加入100ml的浓度为0.25mol/L的(C3F7OC2F4CO2)2三氯三氟乙烷溶液,开始聚合。聚合中,连续的添加四氟乙烯/乙烯(mol%)=55/45的混合气体,每30min加入200g全氟丁基乙烯和50ml的上述引发剂溶液。3小时后,结束聚合反应并立即放空反应釜致使压力为0MPa。该浆料的固含量为9wt%。
然后,借助重力,将高压釜中的乙烯-四氟乙烯共聚物浆料输送到500L的过滤-洗涤-干燥一体机(LFGG-筒锥式过滤洗涤干燥多功能机,购自上海迅昌化工装备技术研究所)中。首先,进行加压过滤,直至滤饼中液含率为35%。在转速为80rpm的搅拌状态下,加入40L常温水,加热至70℃,经过60min,基本没有溶剂和单体馏出,从排水口将固体和水同时排出,经铜网过滤,分离出乙烯-四氟乙烯共聚物粒子。
所得乙烯-四氟乙烯共聚物造粒料B的摩尔组成为四氟乙烯/乙烯/全氟丁基乙烯=53.02/45.35/1.63,熔融指数为6.4g/min,熔点为270℃,平均粒径为1.6mm,粒径分布宽度为1.3。
实施例3
在经过除氧处理的500L不锈钢高压釜中加入300kg的三氯三氟乙烷、250g全氟己基乙烯和200ml环己烷,在搅拌的同时升温至40℃,加入四氟乙烯/乙烯=75/25(mol%)的混合气体至压力为0.8MPa,加入100ml的浓度为0.25mol/L的(C3F7OC2F4CO2)2三氯三氟乙烷溶液,开始聚合。聚合中,连续的添加四氟乙烯/乙烯(mol%)=55/45的混合气体,每30min加入200g全氟己基乙烯和50ml的上述引发剂溶液。3小时后,结束聚合反应并立即放空反应釜致使压力为0MPa。该浆料的固含量为9wt%。
然后,借助重力,将高压釜中的乙烯-四氟乙烯共聚物浆料输送到500L的过滤-洗涤-干燥一体机(LFGG-筒锥式过滤洗涤干燥多功能机,购自上海迅昌化工装备技术研究所)中。首先,进行加压过滤,直至滤饼中液含率为40重量%,开动双层圆盘涡轮叶片搅拌器,转速设为150rpm,以喷淋的方式,加入50L的水,从室温加热升温至70℃,经过60min后,三氯三氟乙烷和残留单体全部蒸馏出来,期间,微米级的乙烯-四氟乙烯共聚物微球会聚集形成毫米级的微粒。然后,将水从下部放出,乙烯-四氟乙烯共聚物粒子会留在过滤网上。然后,在110℃下干燥4小时,获得30kg乙烯-四氟乙烯共聚物造粒料C。
所得乙烯-四氟乙烯共聚物造粒料C的摩尔组成为四氟乙烯/乙烯/全氟己基乙烯=52.97/45.37/1.25,熔融指数为23.2g/min,熔点为255℃,平均粒径为1.4mm,粒径分布宽度为1.4。
所述乙烯-四氟乙烯共聚物造粒料C的照片如图2所示,由该照片可清楚地看到所述乙烯-四氟乙烯共聚物造粒料颗粒具有良好的颗粒圆整度,颗粒之间边界分明,粒径分布均匀。
实施例4
在经过除氧处理的500L不锈钢高压釜中加入300kg的三氯三氟乙烷、200g全氟丁基乙烯和200ml环己烷,在搅拌的同时升温至40℃,加入四氟乙烯/乙烯=75/25(mol%)的混合气体至压力为0.8MPa,加入100ml的浓度为0.25mol/L的(C3F7OC2F4CO2)2三氯三氟乙烷溶液,开始聚合。聚合中,连续的添加四氟乙烯/乙烯(mol%)=55/45的混合气体,每30min加入200g全氟丁基乙烯和50ml的上述引发剂溶液。3小时后,结束聚合反应并立即放空反应釜致使压力为0MPa。该浆料的固含量为9wt%。
然后,借助重力,将高压釜中的乙烯-四氟乙烯共聚物浆料输送到500L的过滤-洗涤-干燥一体机(LFGG-筒锥式过滤洗涤干燥多功能机,购自上海迅昌化工装备技术研究所)中。首先,进行加压过滤,直至滤饼中液含率为40重量%,开动双层圆盘涡轮叶片搅拌器,转速设为60rpm,以喷淋的方式,在5分钟内加入50L的水,从室温加热升温至60℃,经过85min后,三氯三氟乙烷和残留单体蒸馏出来,期间,微米级的乙烯-四氟乙烯共聚物微球会聚集形成毫米级的微粒。然后,将水从下部放出,乙烯-四氟乙烯共聚物粒子会留在过滤网上。然后,在110℃下干燥4小时,获得30kg乙烯-四氟乙烯共聚物造粒料D。
所得乙烯-四氟乙烯共聚物造粒料D的摩尔组成为四氟乙烯/乙烯/全氟丁基乙烯=52.97/45.37/1.65,熔融指数为25.6g/min,熔点为261℃,平均粒径为2.0mm,粒径分布宽度为1.5。
比较例1
在经过除氧处理的500L不锈钢高压釜中加入300kg的三氯三氟乙烷、200g全氟丁基乙烯和200ml环己烷,在搅拌的同时升温至40℃,加入四氟乙烯/乙烯=75/25(mol%)的混合气体至压力为0.8MPa,加入100ml的浓度为0.25mol/L的(C3F7OC2F4CO2)2三氯三氟乙烷溶液,开始聚合。聚合中,连续的添加四氟乙烯/乙烯(mol%)=55/45的混合气体,每30min加入200g全氟丁基乙烯和50ml的上述引发剂溶液。3小时后,结束聚合反应并立即放空反应釜致使压力为0MPa。该浆料的固含量为9wt%。
把浆液转移到1m3的搅拌槽内,没有过滤,加入350L去离子水,开启锚式叶片浆的搅拌器,转速设为150rpm,并把搅拌槽内的混合物加热到80℃。在150min后,因为溶剂的蒸发,乙烯-四氟乙烯共聚物浆料变稠,与水不互溶,导致ETFE浆料在水中呈块状,且悬浮在底部,分散不均匀。300min后,聚合介质和残留的单体基本全部蒸馏出来了,然后分离出乙烯-四氟乙烯共聚物造粒料E。
所得乙烯-四氟乙烯共聚物造粒料E的摩尔组成为四氟乙烯/乙烯/全氟丁基乙烯=52.90/45.45/1.55,熔融指数为26.2g/min,熔点为261℃,平均粒径为1.0mm,粒径分布宽度为2.0。
所述乙烯-四氟乙烯共聚物造粒料E的照片如图3所示,由该照片可见,乙烯-四氟乙烯共聚物颗粒料圆整度不如实施例1和3得到的粒子,粒径分布不均匀,明显的,颗粒有大有小,而且有很多粉状的产物。
上述实施例和比较例证明,当采用本发明的后处理方法时,可得到具有良好的颗粒圆整度,颗粒之间边界分明,粒径分布均匀的乙烯-四氟乙烯共聚物造粒料颗粒。