CN105263881A - 用于制备膨胀微球的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于由包含包封发泡剂的热塑性聚合物壳的未膨胀可热膨胀热塑性微球制备膨胀热塑性微球的方法和装置,所述方法包括:(a)将该可膨胀热塑性微球在液体介质中的浆料供入加热区中;(b)在不与任何流体传热介质直接接触下将浆料在加热区中加热,以使得可膨胀微球至少达到它们会在常压下开始膨胀的温度,并保持加热区中的压力足够高以使得浆料中的微球不完全膨胀;和(c)将可膨胀微球的浆料从加热区中取出送入具有足够低的压力以使微球膨胀的区中。

Description

用于制备膨胀微球的方法和装置
本发明涉及制备膨胀热塑性微球的方法及用于所述方法的装置。
可热膨胀热塑性微球是本领域中已知的,并详细描述于例如美国专利No.3615972中。具有不同膨胀温度的各等级的可膨胀微球作为干自由流动微球和微球的含水浆料以商标ExpancelTM由AkzoNobel市购。
这类可膨胀微球包含包封在热塑性壳中的发泡剂。在加热时,在壳软化时,发泡剂蒸发以提高内部压力,导致微球明显膨胀,通常为其直径的2-5倍。
热塑性微球可作为未膨胀或预膨胀的用于各种应用中。其中使用干(基本无水)预膨胀微球的产物实例作为敏化剂用于乳化炸药中以及作为轻重量填料用于溶剂基油漆和各种热固性材料如人造大理石、聚酯腻子和人造木料中。在许多产品如水基油漆和涂料、热敏打印纸、多孔陶瓷和乳化炸药中,使用通常作为含水浆料的湿预膨胀微球。
运输预膨胀微球要求明显的空间,为此,通常将未膨胀微球运送给膨胀微球的最终使用者并在现场膨胀。然后可将微球膨胀结晶或者直接送入生产最终产品如上述那些中的任一种的方法中。
开发了各种方法和装置用于将热塑性微球膨胀。
US5484815和US7192989公开了适于将干微球膨胀的方法和装置。
US4513106公开了适于通过在压力区中将蒸汽以足以加热微球的量引入浆料中并将它们至少部分地膨胀,其后使部分膨胀的微球在压降下离开压力区,由此使微球进一步膨胀并以至少1m/s的速度加速到料流中而使微球在含水浆料中膨胀的方法和装置。
使微球在含水浆料中膨胀的优点是避免了粉尘。然而,理想的是进一步改进使微球在浆料中膨胀的现有技术。
本发明的目的是提供用于将微球在浆料中膨胀而不需要引入额外的水的方法和装置。
本发明的另一目的是提供用于将微球在浆料中膨胀的方法和装置,其为灵活的而不管哪种液体用于浆料。
本发明的另一目的是提供用于将微球在浆料中膨胀的方法和装置,其为灵活的而不管用于将微球加热的装置。
本发明的又一目的是提供用于以低微球聚集风险将微球在浆料中膨胀的方法和装置。
本发明的又一目的是提供用于将微球在浆料中膨胀的方法和装置,其也可用于具有各种膨胀温度的宽范围的微球等级。
根据本发明,发现可通过根据所附权利要求书的方法和装置实现这些和其它目的。
更具体而言,本发明涉及由包含包封发泡剂的热塑性聚合物壳的未膨胀可热膨胀热塑性微球制备膨胀热塑性微球的方法,所述方法包括:
(a)将这种可膨胀热塑性微球在液体介质中的浆料供入加热区中;
(b)在不与任何流体传热介质直接接触下将浆料在加热区中加热,以使得可膨胀微球至少达到它们会在常压下开始膨胀的温度,并保持加热区中的压力足够高以使得浆料中的微球不完全膨胀;和
(c)将可膨胀微球的浆料从加热区中取出送入具有足够低的压力以使微球膨胀的区中。
本发明进一步涉及用于使包含包封发泡剂的热塑性聚合物壳的未膨胀可热膨胀热塑性微球膨胀的装置,所述装置包括具有入口和出口并且能够经受至少4巴压力的加热区,用于将未膨胀的可膨胀热塑性微球在液体介质中的浆料供入加热区中并且能够在加热区中产生至少4巴压力的装置;和用于将可膨胀微球浆料在不与任何流体传热介质直接接触下加热至温度至少60℃的装置。
未膨胀的可热膨胀热塑性微球在下文中称为可膨胀微球。可膨胀微球的粒度可在宽极限内变化,并可相对于它们用于其中的产物的所需性能选择。在多数情况下,如通过在湿试样上在MalvernMastersizerHydro2000SM设备上激光散射测定,优选的体积平均直径为1μm至1mm,优选2μm至0.5mm,特别是3μm至100μm。微球的直径在膨胀时增大例如2-5倍。
可膨胀微球浆料的液体介质可以为对微球呈惰性并且可经受加热浆料的温度的任何液体。在许多情况下,优选水基液体,因此形成含水浆料,但取决于膨胀微球的意欲用途,也可优选用于浆料的有机液体,例如植物油、矿物油和甘油中的至少一种,所述有机液体可以不含水。由于在本发明方法中不需要将蒸汽或任何其它形式的水加入浆料中,可制备可直接用于不需要水的应用中的无水膨胀微球。此外,由于不需要将其它流体介质加入浆料中,可制备具有高且可控固体含量的膨胀微球浆料。
在制备可膨胀微球的多数商业方法中,它们通常首先以含水浆料得到,并可将该浆料直接,任选在稀释或脱水至所需微球含量以后用于本发明方法中。另一方面,可将该含水浆料干燥以得到基本无水微球,其可用于在有机液体中制备浆料。
浆料中的可膨胀微球含量取决于膨胀以后所得产物所需的。上限由浆料的可泵送性和浆料通过加热区的可输送性限制。在多数情况下,可膨胀微球的含量适当地为5-50重量%,优选10-40重量%,最优选15-30重量%。
可膨胀微球浆料流过加热区,所述加热区可由具有入口和出口且经受其中保持的压力的任何容器、管道或管构成。用于加热其中浆料的手段可例如为不与浆料直接接触的流体传热介质、电加热元件或微波。例如,加热区可以为换热器,所述换热器包含被不与可膨胀微球浆料直接接触的传热介质围绕的至少一个管道或管。换热器可例如包含几个优选平行的管道或管,例如2-10或3-7个管道或管,所述管道或管优选与共有入口和共有出口连接。还可仅具有一个管道或管。使用单一管道或管(即仅一个)涉及这一优点:降低由几个平行管道中的一个中部分堵塞导致的不均匀流动分布的风险。该单一管道或管优选被传热介质,例如热水围绕,优选位于包含传热介质的容器或罐中。
传热介质可以为任何合适的流体介质,例如热水、蒸汽或油。作为选择,热可由例如在加热区的内部或外部,或者在其壁上的电加热元件或其任何组合提供。作为另一选择,加热可由电磁辐射如微波提供。
在本发明中,可使要求比实际上通过蒸汽,例如通过使用电加热元件或热油作为传热介质可实现的更高温度的微球等级膨胀。例如,可使要求超过200℃的温度的微球膨胀。也可或者通过使用具有相当低的温度,例如60-100℃的传热介质如热水使在太高温度下可能瓦解或者以任何其它方式受损的微球膨胀。
可膨胀微球浆料在其中流动的容器或者至少一个管道或管优选具有传导性材料如钢或铜,如果浆料的加热借助流体传热介质或者由电加热元件提供的话特别如此。如果加热由电磁辐射辐射提供,则容器或者至少一个管道或管优选具有该辐射可透的材料,例如各种聚合物材料。
在包含至少一个管道或管的换热器中,该至少一个管道或管可例如各自具有2-25mm的内径,或者更优选内径为4-15mm或者优选6-12mm。至少一个管道或管的壁厚度适当地为0.5-3mm,优选0.7-1.5mm。
如果加热借助电加热元件进行,则该元件可例如在至少一个管道或管,例如单一管道或管外部和/或内部提供。该管道或管可例如具有20-80mm或35-65mm的内径。例如,电加热元件可在管道或管内部中心提供,以使得可膨胀微球浆料在围绕该加热元件的间隙中流动。该电加热元件本身可以为其内部具有主电加热源的管道或管,以使得热从壁转移至在间隙中流动的浆料。优选电加热元件在至少一个管道或管内部和外部提供。
用于加热浆料的装置的最佳尺寸和容量由浆料的流速、浆料浓度和进入的浆料温度决定,并且应足以使浆料达到足够高以使在进入加热区的出口以后压力下降时微球膨胀的温度。该温度总是高于具体微球的发泡剂的挥发温度。
可膨胀微球浆料通过其入口,优选借助泵供入加热区中,该泵在加热区中提供足够高的压力以使得微球在其中不完全膨胀。在加热区外部完全膨胀以后,微球可在加热区内膨胀至例如10-80%的体积或20-70%的体积,但也可根本地防止在加热区内膨胀。合适泵的实例包括液压隔膜泵、活塞泵、螺杆泵(例如偏心螺杆泵)、齿轮泵、旋转凸轮泵、离心泵等。特别优选液压隔膜泵。泵优选还产生用于将浆料通过加热区输送至其出口的力。该装置可进一步具有用于将可膨胀微球浆料例如从保持浆料的罐输送至泵的导管。
为保持加热区中足够高的压力,将可膨胀微球浆料通过出口从加热区中取出,该出口产生对应于加热区内部与加热区外部之间压差的压降。压降可通过用于例如流通面积限制的任何合适装置产生,例如阀、喷嘴或具有窄通道的任何其它种类。加热区的出口可例如优选为任选在其末端具有流通面积限制,例如具有直径为该管道或管内径的0.9-0.05倍或0.5-0.05被,优选0.3-0.1倍的开口的隔热管道或管。然而,不需要流通面积限制或任何其它专用装置,因为由具有与加热区相同流通面积的出口产生的压降通常足以防止加热区内微球完全膨胀。管道或管可以为刚性或挠性的,其中在后者中,可容易送入微球的所需出口点而不移动整个装置。
加热区中所需的确切压力取决于温度和微球的类型。优选,加热区中保持的压力为至少4巴,最优选至少10巴。上限由实际考虑决定,并且可例如为高达40巴或高达50巴。因此,优选加热区能够经受该压力。
加热区中可膨胀微球的温度通常与其中浆料的温度基本相同。加热浆料的确切温度取决于微球的等级。对于多数等级的微球,温度优选在60-160℃,优选80-160℃或100-150℃范围内,但对于一些等级的微球,可能需要较高的温度,例如200℃或者甚至250℃或更高。用于加热浆料的装置因此应优选能够将浆料加热至该温度。
在加热区中,可膨胀微球浆料流从入口输送至出口并在压力下加热至足够高的温度以任选将微球在其中部分膨胀或者至少在加热区出口处压力降低时膨胀,并且它们以足够低的温度进入该区中。该区中的压力通常为基本常压,但取决于微球的温度可保持为较高或较低的。在该阶段中,微球通常还通过该区中的周围空气冷却。微球在加热区中的平均停留时间优选为足够长的以确保达到浆料的足够高温度并保持用于随后的膨胀。为确保高且恰当质量的生产,装置可任选进一步具有稳定浆料流的脉冲消除装置。
当膨胀在加热区的出口处在压降下进行或开始时,微球流动也明显加速。同时,微球自动冷却至该低温,使得膨胀停止,形成膨胀完成的点。为使微球的衰变最佳化并避免聚集,优选压降经流动方向上尽可能短的距离进行。
由于通过加热区出口处的压降的微球的衰变和冷却快速进行,膨胀微球通常基本不含聚集体。膨胀微球可立即用于其意欲目的或者填充到塑料袋、筒或其它合适的包装中。
本发明方法和装置特别用于是生产例如乳化炸药、油漆、聚酯腻子、基于聚酯的人造木配制剂、聚氨酯或环氧树脂、基于环氧树脂的人造大理石、弹性体、填缝料、密封剂、粘合剂、苯酚树脂、灰泥、电缆填充化合物、雕塑粘土、微孔聚氨酯泡沫、用于热敏性打印纸的涂层或其它类型的涂料时现场膨胀。然后可将离开装置的膨胀微球直接加入这类产品的生产线中。例如,可将膨胀微球流在乳化炸药的生产期间在线地直接加入乳液流中或者在将井孔用来自货车的乳化炸药填充期间直接加入乳液中。在后一种情况下,炸药可在采矿现场敏化并且不经敏化而送入矿中。
本发明方法和膨胀装置可用于所有已知类型的可膨胀热塑性微球,例如以商标ExpancelTM出售的那些。有用的可膨胀热塑性微球及其制备还描述于例如美国专利3615972、3945956、4287308、5536756、6235800、62353946509384、6617363和6984347,美国专利申请公开US2004/0176486和2005/0079352,EP486080、EP566367、EP1067151、EP1230975、EP1288272、EP1598405、EP1811007和EP1964903,WO2002/096635、WO2004/072160、WO2007/091960、WO2007/091961和WO2007/142593,以及JP公开No.1987-286534和2005-272633中。
合适的热塑性微球优选具有由聚合物或共聚物制成的热塑性壳,所述聚合物或共聚物可通过使各种烯属不饱和单体聚合而得到,所述烯属不饱和单体可以为含腈单体,例如丙烯腈、甲基丙烯腈、α-氯丙烯腈、α-乙氧基丙烯腈、富马腈、巴豆腈,丙烯酸酯,例如丙烯酸甲酯或丙烯酸乙酯,甲基丙烯酸酯,例如甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸异冰片酯或甲基丙烯酸乙酯,乙烯基卤化物,例如氯乙烯;偏二卤乙烯,例如偏二氯乙烯,乙烯基吡啶,乙烯基酯,例如乙酸乙烯酯,苯乙烯,例如苯乙烯、卤代苯乙烯或α-甲基苯乙烯,或者二烯烃,例如丁二烯、异戊二烯和氯丁二烯。也可使用上述单体的任何混合物。
有时可能理想的是用于聚合物壳的单体还包括交联多官能单体,例如以下一种或多种:二乙烯基苯、乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、二甘醇二(甲基)丙烯酸酯、三甘醇二(甲基)丙烯酸酯、丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、1,4-丁二醇二(甲基)丙烯酸酯、1,6-己二醇二(甲基)丙烯酸酯、甘油二(甲基)丙烯酸酯、1,3-丁二醇二(甲基)丙烯酸酯、新戊二醇二(甲基)丙烯酸酯、1,10-癸二醇二(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇六(甲基)丙烯酸酯、二羟甲基三环癸烷二(甲基)丙烯酸酯、三烯丙醇缩甲醛三(甲基)丙烯酸酯、甲基丙烯酸烯丙酯、三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三丁二醇二(甲基)丙烯酸酯、PEG#200二(甲基)丙烯酸酯、PEG#400二(甲基)丙烯酸酯、PEG#600二(甲基)丙烯酸酯、3-丙烯酰氧基二醇单丙烯酸酯、三丙烯醇缩甲醛(triacrylformal)或三烯丙基异氰酸酯、三烯丙基异氰尿酸酯等。如果存在的话,这类交联单体优选构成用于聚合物壳的单体总量的0.1-1重量%,最优选0.2-0.5重量%。优选,聚合物壳构成总微球的60-95重量%,最优选75-85重量%。
聚合物壳的软化温度,通常相当于它的玻璃化转变温度(Tg),优选为50-250℃或100-230℃。
微球中的发泡剂通常为沸点温度不高于热塑性聚合物壳的软化温度的液体。发泡剂,有时也称为发泡剂或推进剂,可以为至少一种烃,例如正戊烷、异戊烷、新戊烷、丁烷、异丁烷、己烷、异己烷、新己烷、庚烷、异庚烷、辛烷和异辛烷,或其混合物。另外,还可使用其它烃类型,例如石油醚,和氯化或氟化烃,例如甲基氯、二氯甲烷、二氯乙烷、二氯乙烯、三氯乙烷、三氯乙烯、三氯氟甲烷等。特别优选的发泡剂包含以下至少一种:异丁烷、异戊烷、异己烷、环己烷、异辛烷、异十二烷及其混合物,优选异辛烷。发泡剂适当地构成微球的5-40重量%。
发泡剂在常压下的沸点可在宽范围内,优选-20至200℃,最优选-20至150℃,最优选-20至100℃。
可膨胀微球开始膨胀时的温度取决于发泡剂和聚合物壳的组合,且具有各种膨胀温度的微球是市售的。微球在常压下开始膨胀的温度称为T开始。本发明中所用可膨胀微球优选具有40-230℃,最优选60-180℃的T开始
附图阐述本发明实施方案。
图显示包含与换热器4(形成加热区)连接的液压隔膜泵1和脉冲消除装置2的装置。换热器4具有入口10和出口8,其为在一端具有喷嘴形式的流通面积限制的管道形式。换热器进一步包含由传热介质(未显示)如热水、蒸汽或油围绕的一个或多个管(未显示)。装置进一步包含压力计3、安全阀5、控制阀6、温度计7和三通阀9。
装置通过借助液压隔膜泵1将可膨胀微球浆料例如由浆料罐(未显示)泵送通过换热器4而操作,其中通过传热介质将它加热至微球开始膨胀或者至少会在常压下开始膨胀的温度。液压隔膜泵产生足够的压力以将浆料输送通过换热器4并禁止其中的微球完全膨胀。热浆料通过任选具有流通面积限制的出口8流出进入自由空气中,产生与常压的压降,导致微球在自由空气中快速膨胀和冷却。脉冲消除装置2抑制来自液压隔膜泵1的浆料流波动。换热器中的压力和温度分别可通过压力计3和温度计7监控。设备可通过借助泵1前面的三通阀9可膨胀微球浆料交换例如洗涤水而清洗。换热器4中所用传热介质的流动和压力由控制阀6调整。
实施例1:
通过使用根据附图的装置将来自AkzoNobel的可膨胀微球ExpancelTM051-40膨胀。将具有15重量%微球的含水浆料在20℃下以3升/分钟的速率泵送通过包含由热蒸汽作为传热介质围绕的7个管的换热器,所述管各自具有10mm的内径、12mm的外径和1.95米的长度。泵产生在换热器内保持的30巴的压力,且蒸汽传送足以将浆料加热至130℃的热能。微球通过具有喷嘴的出口离开换热器进入20℃的开放空气中并膨胀以达到22g/dm3的密度,所述喷嘴具有1.5mm的开口。膨胀微球产物具有15重量%的固体含量,且显微镜研究显示产物基本不含聚集体。
实施例2:
通过使用包含位于填充有保持在100℃温度的热水的罐中的单一5.8米长铜管的装置将来自AkzoNobel的可膨胀微球ExpancelTM031膨胀。铜管具有6.3mm的内径和7.8mm的外径,但不具有任何流通面积限制。将具有20重量%微球的含水浆料在20℃的温度下用隔膜泵以80升/小时的速率泵送通过由热水作为传热介质围绕的铜管。隔膜泵产生6巴的压力。微球通过出口离开铜管换热器并在最终膨胀以后达到24g/dm3的密度。膨胀微球产物具有20重量%的固体含量,且显微镜研究显示产物基本不含聚集体。

Claims (15)

1.由包含包封发泡剂的热塑性聚合物壳的未膨胀可热膨胀热塑性微球制备膨胀热塑性微球的方法,所述方法包括:
(a)将这种可膨胀热塑性微球在液体介质中的浆料供入加热区中;
(b)在不与任何流体传热介质直接接触下将浆料在加热区中加热,以使得可膨胀微球至少达到它们会在常压下开始膨胀的温度,并保持加热区中的压力足够高以使得浆料中的微球不完全膨胀;和
(c)将可膨胀微球的浆料从加热区中取出送入具有足够低的压力以使微球膨胀的区中。
2.根据权利要求1的方法,其中加热区中的压力保持在5-50巴。
3.根据权利要求1或2的方法,其中将可膨胀微球的浆料在加热区中加热至60-160℃的温度。
4.根据权利要求1-3中任一项的方法,其中可膨胀微球的浆料流过加热区,所述加热区为包含被不与可膨胀微球浆料直接接触的传热介质围绕的至少一个管道或管的换热器。
5.根据权利要求4的方法,其中至少一个管道或管各自具有2-25mm的内径。
6.根据权利要求1-3中任一项的方法,其中热由电加热元件提供。
7.根据权利要求1-6中任一项的方法,其中将可膨胀微球的浆料通过出口从加热区中取出,所述出口产生对应于加热区内部与加热区外部之间压差的压降。
8.根据权利要求7的方法,其中出口提供有流通面积限制以产生压降。
9.根据权利要求1-8中任一项的方法,其中将可膨胀微球的浆料从加热区中取出进入常压区中。
10.根据权利要求1-9中任一项的方法,其中将可膨胀微球的浆料借助泵供入加热区中,所述泵在加热区中提供足够高的压力以使微球在其中不完全膨胀。
11.用于使包含包封发泡剂的热塑性聚合物壳的未膨胀可热膨胀热塑性微球膨胀的装置,所述装置包括具有入口和出口并且能够经受至少4巴压力的加热区,用于将未膨胀的可膨胀热塑性微球在液体介质中的浆料供入加热区中并且能够在加热区中产生至少4巴压力的装置;和用于将可膨胀微球浆料在不与任何流体传热介质直接接触下加热至温度至少60℃的装置。
12.根据权利要求11的装置,其中出口提供有流通面积限制足以产生对应于加热区内部与加热区外部之间压差的压降。
13.根据权利要求11或12的装置,其中加热区为换热器,其包含被不与可膨胀微球浆料直接接触的传热介质围绕的至少一个管道或管。
14.根据权利要求11-13中任一项的装置,其中加热区包含被不与可膨胀微球浆料直接接触的传热介质围绕的单一管道或管。
15.根据权利要求11或12的装置,其中加热区包含至少一个管道或管和在所述至少一个管道或管内部和/或外部提供的电加热元件。
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