CN1045589A - 聚四氟乙烯湿粉末的连续制备方法 - Google Patents
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Abstract
聚四氟乙烯(PTFE)湿粉末的连续制备方法，包括一步利用一种产生高剪切作用的机械，使PTFE水分散体连续地实现成浆作用，和一步利用一种立式搅拌塔，使浆料连续地实现成粒作用。这一过程可长时间无故障地进行，并能连续不断地提供具有优良粉末性能的干粉末。粉末性能可以通过调节操作条件加以控制。
Description
本发明涉及聚四氟乙烯湿粉末的一种连续制备方法。
聚四氟乙烯（以下称PTFE）分散体是通过乳液聚合TFE制备的，并以一种水分散体的形式出现，其中分散的乳液聚合产物的微粒大小为0.1至0.5微米，直接从水分散体获取PTFE的细粉末是困难的，如果可能的话，也难以处理所得的分离和干燥后的粉末。因此，直到现在，制取干燥的细粉末产品是通过对水分散体施加一种剪切作用，使分散的微粒絮凝，形成一种浆料，再利用搅拌的作用使浆料粒化，得到湿的粉末（这几个顺序步骤以下称为凝集过程）然后再将湿粉末加以干燥。
凝集过程可通过间歇方式或连续方式实现。在间歇方式中，水分散体的浆化和粒化作用，只在一个搅拌罐中进行搅拌就完成了。然而这一方式的可加工性是很差的，而且难以控制产品的性能，如表观密度。
连续生产方式是美国专利3，046，263提出的，这是一种采用离心泵，毛细管和卧式圆柱形搅拌罐的过程。根据这一过程，PTFE水分散体是通过离心泵引进毛细管，再由速度梯度所产生的剪切作用形成浆料，获得的浆料再经过卧式搅拌罐粒化而得到湿粉末。
不过，先前的这种连续凝聚方式有下列的一些缺点，由于水分散体是通过离心泵供入毛细管里，当离心泵施加剪切作用时，部份絮凝的微粒会堵塞毛细管。因此，毛细管因堵塞需要频繁地更换。再有，剪切速度梯度有时变得不均匀，从而使得到的凝集产物有很宽的粒度分布。一定量的未凝集的微粒的存在也是不能忽视的。用于粒化作用的卧式搅拌罐，一般两端有支承着的搅拌轴，在支承端需要有可靠的密封。在搅拌罐中是通过向凝集产物通入空气使之上升至表面上而排出形成的颗粒的。然而浮动的颗粒却会受到搅拌浆叶的打击而破碎，因此所形成的粉末就会变形和变细。细粉末的量一旦增加，产品粉末的表观密度就变低，使产品的加工性能变坏。
因此，目前PTFE粉末的生产，主要还是采用间歇生产方式。
本发明能提供一种可长时间连续制备PTFE湿粉末的方法，其中包括一步将PTFE水分散体连续地送往一种能产生高剪切作用的机械里使其发生浆化作用，和一步将形成的浆料连续地送往一台立式搅拌塔下部，利用搅拌作用使之产生粒化作用，并从搅拌塔的上部取出生成的湿粉末。
按照本发明方法，粉末产品的粒径和表观密度是可以加以控制的，并且可提供水含量低的湿粉末。
此外，根据这一发明，因为可以连续不断地得到湿粉末，因而也就可以通过连续地干燥湿粉末而得到干燥的产品粉末。
图1所示是本发明过程的方框流程图。
图2所示是本发明的一个方案所采用立式搅拌塔的横截面示意图。
如上所述，在凝集过程中有相变产生，即分散体-浆料-湿粉末加水。在间歇生产方式中，全部相变是在一个搅拌罐中完成的，而在上述的先前的连续生产方式中。第一步是通过毛细管实现的，最后的一步是经过卧式搅拌罐进行的。相反，根据本发明过程，第一步是通过高剪切机械实现的，而随后的最后一步是经过立式搅拌塔进行的。图1所示即是本发明的一个方案的方框图。
PTFE水分散体是从贮罐1连续地供入高剪切机械2，PTFE微粒在流经高剪切机械的过程中就絮凝成浆料。此时可向剪切机械的活动部件冲洒水，最好是无离子水，以便如以下所说的用来将活动部件同浆料隔离开。所得的浆料然后就送入立式搅拌塔3的下部。
立式搅拌塔至少有一级或一套搅拌浆叶，能使在浆料中的絮凝体结粒而形成湿粉末。此时，由搅拌作用而吞进的空气就截留在粒化了的湿粉末中，湿粉末7就凭借它的浮力上升至表面上。在成粒的阶段还可以从搅拌塔的下部通入额外的空气来控制湿粉末的水含量。
为了有效地生产出具有优良流动性质的湿粉末，立式搅拌塔可由位于搅拌塔下部的粒化区4，和位于塔的上部的颗粒成形区5组成，在后一区域里，颗粒的形状和大小得到了调节。在搅拌塔成形区5的内壁上安装上一种螺旋状的导流板6，则可得到一股螺旋上升平稳的流束，这样颗粒的成形和定量的连续出料就可得到有效的实现。
由这种凝集方法所制备的PTFE湿粉末7，一般可用常用的方法如溢流法，与水从搅拌塔3里连续定量不断地排出。排出的湿粉末7再利用丝网（图中未示出）和类似的装置同水分离，然后加以干燥。
另一选择办法，是将湿粉末收集在一丝网带式输送机中，使之同水分离，然后再在输送机上进行连续的干燥，以取得干的粉末。
正如以上所述，按照本发明方法，PTFE湿粉末以及干粉末都可连续地进行制备。
高剪切机械可对PTFE水分散体，通过随时地施加均匀的高剪切作用，使之转变成浆料。由于均匀的高剪切作用随时都起作用，因此也就可得到均匀的絮凝体或凝集物。在这一方面，同需要用较长搅拌时间的间歇生产方式得到的浆料，以及其剪切作用有时变得不均匀的以前的毛细管方法得到的浆料相比较，能得到更为均匀的浆料。此外由于剪切作用可通过变更搅拌机构的转速而变化，因此浆化作用的程度也就可容易地加以控制，而最终产品（干粉末）的颗粒大小和表观密度也就可容易地得到调节。
本发明所采用的高剪切机械有一高速旋转的搅拌浆叶和一种导流装置，搅拌浆叶同导流装置之间的间隙非常狭小。由于间隙很狭小，使浆叶和导流装置有助于产生速度梯度，因此PTFE分散体在这一狭小的间隙中就会遭受到很大的剪切作用，导流装置也可采用一种旋转方向同搅拌轴旋转方向相反的转子来代替。同样，剪切机械也可制成其外壳本身同旋转的搅拌浆叶之间具有很狭小的间隙。不受以上例子限制而更令人喜欢采用的高剪切作用机械有管道混合器，管道磨，以及随时可施加高剪切作用的任何其他机器。高剪切机械可以在使分散体只能在其中转化成浆料而不能产生湿粉末的操作条件下操作，而这一操作条件可由旋转速度确定。要取得均匀的高剪切作用，当导流装置的间隙约为0.5毫米，搅拌浆叶的圆周速度范围在2至30米/秒之间，最好选在6至10米/秒之间。同时，在剪切机械中或在剪切机械入口，聚合物的浓度要控制在5至20%（重量%，以下同）之间，最好选用8至15%。
在管道混合器中，PTFE颗粒可能会沉积在搅拌叶片的活动部位上或导流装置上。在这种情况下，可从导流装置向各活动部件上喷洒水，最好采用无离子水，以实现有效的水封。冲洒进的水可用于控制浆料中PTFE的浓度，因为浆化作用后PTFE的浓度对下一步的粒化作用会有些影响，这在以下说明。
用于粒化和颗粒成形的立式搅拌塔，如图2所示，包括在其上部带有溢流设施20的搅拌塔21，和在一搅拌轴上布置有多级搅拌浆叶22所构成的搅拌装置。搅拌装置是从搅拌塔的上部向下装进的。在这一实施方案中，搅拌塔的下半部规定为粒化区4，上半部则规定为颗粒成形区5。在粒化区4，由于粒化需要有效大的剪切作用，所以除了布置有浆叶22a外，最好再安置挡板23。如果浆叶的角度再能够进行调节以便控制剪切作用则更为有效。
在粒化区4，最好从其底部通进空气。在粒化阶段通入空气，可有助于使截留有空气的颗粒上升，而且能明显地降低湿粉末的水含量。通进的空气量可为0至1.0升/分/公斤PTFE。
粒化后的PTFE颗粒上升到成形区5。在成形区5中，通过作用一个较小的剪切作用并控制各颗粒停留时间相差不多，就可取得均匀的湿粉末。因此，成形区5中的浆叶22b的直径比粒化区4的浆叶直径小。为了使颗粒的流动平稳以达到较均匀的停留时间，搅拌塔的内壁设有螺旋状的导流板6。为了改进流动的平稳性，上部导流板的节距可以较宽。
本发明所采用的立式搅拌塔虽然已在图2的实施方案中作了说明，但是可用于本发明的立式搅拌塔并不限于此一方案。可以使用的搅拌塔可以是一种带有直立搅拌轴并至少有一级搅拌浆叶的搅拌塔。搅拌塔也可以只含有粒化区，在这一情况下，就需要有另外一个搅拌罐用于颗粒成形。
所获得的PTFE湿粉末。湿含量低，流动性很好，经过干燥后可很好地加工处理。
湿粉末可借助于适当的排料设施，从立式搅拌塔连续不断地取出。作为排料设施，可以采用溢流的方法，和定量刮除的方法，如刮除机，但用得较多者是溢流方法。排出的湿粉末同水分离后就进行干燥。分离水和干燥都可连续地进行。例如，溢流流出的水和湿粉末可以收集在一丝网带式输送机上，把水分离掉，而湿粉末再连续地输送到一干燥器中，以制得干燥的粉末。
以上所述的本发明过程，因为湿粉末的湿含量可比较小，因此干燥需要的能量和时间可以减少。另外，可以提供具有可控制粒径和表观密度及优良流动性能的干燥粉末。
本发明所使用的PTFE水分散体，是通过乳液聚合方法制备的，其聚合物的浓度约为5%至50%。这种分散体一般是在5至50℃温度下送进高剪切机械，以制成聚合物浓度约为5至20%，最好是8至15%的浆料。用以控制浓度的水，最好是无离子水，它既可以用做冲洒剪切机械的水加入，也可单独加入。
由本发明方法所获得的湿粉末，其湿含量为40至80%，比间歇操作方式所得的约95%的湿含量要低得多。经过干燥后所制得的干粉末，其粒径可控制在400至1200微米范围里，表观密度的范围则为0.25至0.70g/CC。尤其是表观密度不小于0.45g/cc的干燥粉末，则有特别优异的流动性能。
本发明过程可广泛地应用于从分散体制备粉末。例如，本过程可适用于1，1-二氟乙烯-六氟丙烯的氟橡胶，四氟乙烯-六氟丙烯共聚物，和类似物质。
借助于以下的例子，本发明就可得到更为具体的说明和解释。理所当然，本发明并不受这些例子的限制，只要不离开本发明的范围或实质，是可以有许多种变化和改型的。
例1
一种PTFE水分散体（13.9℃），含有平均粒径为0.25微米的微粒，其浓度为30%，借助于一种隔膜型调节阀，把它的流速调节在2.4Kg/分送入一台管道混合器中（规格在下面说明）。管道混合器在转速为3500rpm（透平浆叶的叶尖速度为7.8米/秒）下运行。在管道混合器中，从布置在导向装置上的三个喷咀，以4.4升/分的流速，喷进无离子水（27.3℃）。
从管道混合器中排出的PTFE浆料，温度为23℃，聚合物的浓度为10%。浆料再喂入在以下说明的立式搅拌塔中。在搅拌塔中，搅拌转数是400rpm。将20℃的空气从搅拌塔底部，以10升/分的速率作泡状通入塔内，制得的湿粉末则从塔的上部同水一起溢流流出。所得的湿粉末，湿含量为42%，并以每分钟排出0.64Kg（干重）的速度连续地放料。此外，甚至连续操作20小时，也没有发生如堵塞等故障。
湿粉末利用一丝网收集，分离掉水，再在一台箱式干燥机（从Daikin Industries Ltd.购得）中在130℃干燥18小时，得到了表观密度为0.54g/cc和平均粒径为630微米的干燥粉末。该粉末具有优良的流动性能和加工性能。
（管道混合器）
型号：PL-2SL T.D.管道混合器（从Tokushukika Kogyo Kabushiki Kaisha购得）
电动机：2.2千瓦，2极
旋转速度：360～6000rpm（变速器驱动）
第一透平叶轮直径：42.6毫米（最大圆周速度13.4米/秒）
第二透平叶轮直径：48.0毫米（最大圆周速度15.1米/秒）
透平叶轮同导流装置之间的间隙：0.5毫米。
（立式搅拌塔）
型号：立式搅拌塔（从Daikin Industries Ltd.购得）
容积：29升
高度：1212毫米
内径：192毫米
粒化区浆叶
直径：150毫米
一级的叶片数：6
级数：3级
级距：200毫米
成形区浆叶
直径：120毫米
一级的叶片数：6
级数：5级
级距：100毫米。
螺旋状导流板的节距：40至60毫米
（表观密度的测定方法）
遵照JIS K 6891号标准。
例2至例5
湿粉末的连续制备和干燥如同例1，PTFE水分散体的浓度，管道混合器的转速，浆料的温度，立式搅拌塔的搅拌速度则改为如表1所示的数值。
所得的湿粉末的湿含量，以及干粉末的表观密度和粒径也示于表1。
例6至例8
湿粉末的连续制备和干燥如同例1，鼓进的空气量则改为如表2所示的数值。
所得湿粉末的湿含量，以及干粉末的表观密度和粒径也示于表2。
根据本发明的方法，PTFE的一种水分散体可被连续地制备出其湿粉末和进一步地制成干粉末，这一过程可长时间地操作。因此，有许多的优点，从而可缩短处理时间，制备车间可以很紧凑，劳务开支可以降低。另外，通过控制高剪切机械和立式搅拌塔的操作条件，可调节粉末的性能。还有，由于所得湿粉末的湿含量低，用于干燥的能量就可减小。
Claims (6)
1、聚四氟乙烯湿粉末的连续制备方法，包括一步将聚四氟乙烯水分散体连续地送往一种能产生高剪切作用的机械里使其发生浆化作用，和一步将形成的浆料连续地送往一台立式搅拌塔下部，利用搅拌作用使聚四氟乙烯细颗粒发生粒化作用，然后从搅拌塔的上部取出生成的湿粉末。
2、根据权利要求1的方法，其中的高剪切作用机械是一种管道混合器。
3、根据权利要求1的方法，其中的高剪切作用机械是一种管道磨。
4、根据权利要求1的方法，其中的高剪切作用机械是借冲洗水来密封。
5、根据权利要求1的方法，在粒化过程中通入了空气。
6、根据权利要求1的方法，其中的立式搅拌塔上部有一颗粒成形区。
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