CN107056973A - 一种含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统和聚合方法 - Google Patents

一种含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统和聚合方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种易于控制反应过程、产品质量稳定的含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统和聚合方法，该聚合系统包括反应系统、升温系统和冷却系统；所述反应系统包括卧式反应釜和螺旋搅拌器，所述螺旋搅拌器水平设置在卧式反应釜内，所述卧式反应釜外设有反应夹套，所述反应夹套同时与升温系统和冷却系统连接；所述反应夹套的底部设有冷热媒输入管道，所述反应夹套的顶部设有冷热媒输出管道。本发明的有益效果在于：反应夹套同时与升温系统和冷却系统连接，使得反应时向反应夹套通入热媒，反应结束时停止通入热媒，向反应夹套通入冷媒即可，使得反应过程易于控制。

Description

一种含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统和聚合方法
技术领域
本发明涉及一种用于含氟功能膜制造的特种聚四氟乙烯树脂的聚合方法及系统。
背景技术
聚四氟乙烯(Teflon或PTFE)，俗称“塑料王”，是由四氟乙烯单体(TFE)经聚合而成的高分子化合物，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力。目前已被广泛地应用于航空、宇航、原子能、电子、电器、化工、机械、建筑、轻纺、医药等工业部门，并日益深入到人民的日常生活中。
聚四氟乙烯可由悬浮和分散两种聚合工艺获得，所得树脂经过干燥后获得粉末产品，或者经过浓缩获得浓缩乳液。其中聚合工艺为将合格的TFE单体，在引发剂及其他助剂作用下，以去离子水为介质，在一定的温度、压力和搅拌速度下在聚合釜内进行聚合反应得到相应的产物。整个聚合反应过程中TFE单体要在单体计量槽内由液态气化升压，借助压力差通过调节阀控制一定的流量进入反应釜内。
特种含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂是是经过聚合、后处理等处理程序获得的一种高分子材料；以高纯TFE单体为主要原料，采用微乳化高温分散聚合等特定的聚合技术和专有装备，准确控制聚合物分子量，制备出满足制膜需要的聚四氟乙烯树脂；该树脂保留了聚四氟乙烯耐高温、耐低温、耐腐蚀、耐气候、高润滑、耐酸碱、抗氧化：耐强氧化剂腐蚀、无毒害等优异性能；同时又具备了制膜树脂的特殊性能。
目前用于四氟乙烯分散树脂的聚合系统以及聚合方法，反应过程的控制稳定性不高，导致树脂的分子量等性能波动大，难以满足含氟功能膜等特种材料的高性能要求，国内所需材料，绝大多数依靠进口。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种易于控制反应过程、产品质量稳定的含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统和聚合方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统，包括反应系统、升温系统和冷却系统；
所述反应系统包括卧式反应釜和螺旋搅拌器，所述螺旋搅拌器水平设置在卧式反应釜内，所述卧式反应釜外设有反应夹套，所述反应夹套同时与升温系统和冷却系统连接；
所述反应夹套的底部设有冷热媒输入管道，所述反应夹套的顶部设有冷热媒输出管道。
进一步的，所述卧式反应釜的顶部依次设有均与卧式反应釜相通的TFE进料管、改性单体进料管、助剂进料管、无离子水进料管、物料回收管、抽真空管和爆破管，所述卧式反应釜的底部设有出料管，所述TFE进料管中设有流量计。
进一步的，所述反应夹套中设有温度传感器。
进一步的，所述冷热媒输入管道中设有循环泵和流量计。
进一步的，所述升温系统包括热媒管道，所述热媒管道与冷热媒输入管道连接。
进一步的，所述冷却系统包括闭式冷却塔和循环水箱，闭式冷却塔的入口和循环水箱的入口均与冷热媒输出管道连接，闭式冷却管的出口和循环水箱的出口均与冷热媒输入管道连接。
进一步的，所述循环水箱还设有补水管道，所述补水管道用于向循环水箱中补充水。
进一步的，所述冷热媒输出管道还连接有热媒回收管道，所述热媒回收管道与升温系统连接，所述热媒回收管道内设有温度传感器。
本发明还提供根据上述含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统进行聚合的方法，包括如下步骤：在聚合釜中加入约50～70％体积无离子水，抽真空后加入含氟表面活性剂、乳液稳定剂、pH调节剂、引发剂，然后以5～30kg/min的投料速率通入四氟乙烯单体进行反应，以1～10℃/min的温升速率升温直至反应温度保持在80～100℃，并控制反应压力为1.8～2.5MPa，然后降温至60～70℃，反应过程中以20～80r/min的转速进行搅拌，即可得聚四氟乙烯树脂成品。
进一步的，所述含氟表面活性剂的质量为水的质量的0.05～1.5％，乳液稳定剂的质量为水的质量的2～4％。
本发明的有益效果在于：反应夹套同时与升温系统和冷却系统连接，使得反应开始前向反应夹套通入热媒，反应开始后停止通入热媒，向反应夹套通入冷媒即可，以促进排出反应热，避免温度过高导致产物的分子链变短，提高目标产物的产率，使得反应过程易于控制。
附图说明
图1为本发明实施例1含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统的结构示意图。
标号说明：
11、卧式反应釜；111、TFE进料管；112、改性单体进料管；
113、助剂进料管；114、无离子水进料管；115、物料回收管；
116、抽真空管；117、爆破管；118、出料管；12、螺旋搅拌器；
13、反应夹套；14、冷热媒输入管道；141、循环泵；15、冷热媒输出管道；21、热媒管道；31、闭式冷却塔；32、循环水箱；33、补水管道；4、流量计；5、温度传感器；6、控制阀；7、热媒回收管道。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：反应夹套同时与升温系统和冷却系统连接，使得反应开始前向反应夹套通入热媒，反应开始后停止通入热媒，向反应夹套通入冷媒即可，以促进排出反应热，避免温度过高导致产物的分子链变短，提高目标产物的产率，使得反应过程易于控制。
请参照图1，一种含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统，包括反应系统、升温系统和冷却系统；
所述反应系统包括卧式反应釜11和螺旋搅拌器12，所述螺旋搅拌器水平设置在卧式反应釜内，所述卧式反应釜外设有反应夹套13，所述反应夹套同时与升温系统和冷却系统连接；
所述反应夹套的底部设有冷热媒输入管道14，所述反应夹套的顶部设有冷热媒输出管道15。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：反应夹套同时与升温系统和冷却系统连接，使得反应时向反应夹套通入热媒，反应结束时停止通入热媒，向反应夹套通入冷媒即可，使得反应过程易于控制。
进一步的，所述卧式反应釜的顶部依次设有均与卧式反应釜相通的TFE进料管111、改性单体进料管112、助剂进料管113、无离子水进料管114、物料回收管115、抽真空管116和爆破管117，所述卧式反应釜的底部设有出料管118，所述TFE进料管中设有流量计。
进一步的，所述的TFE进料管、改性单体进料管、助剂进料管、无离子水进料管、物料回收管、抽真空管均设有控制阀6。
进一步的，所述反应夹套中设有温度传感器5。
进一步的，所述冷热媒输入管道中设有循环泵141(循环泵为变频调节循环泵)和流量计，可用于温度和流量的精准控制。
进一步的，所述升温系统包括热媒管道21，所述热媒管道与冷热媒输入管道连接。
进一步的，所述冷却系统包括闭式冷却塔31和循环水箱32，闭式冷却塔的入口和循环水箱的入口均与冷热媒输出管道连接，闭式冷却管的出口和循环水箱的出口均与冷热媒输入管道连接。
由上述描述可知，反应结束时，热水从冷热媒输出管道流入到闭式冷却塔和循环水箱，然后通过闭式冷却塔和循环水箱向冷热媒输入管道输入冷却水以回收反应热，使得反应过程易于控制，同时冷热媒均可得到回收利用。
进一步的，所述循环水箱还设有补水管道33，所述补水管道用于向循环水箱中补充水。
进一步的，所述冷热媒输出管道还连接有热媒回收管道7，所述热媒回收管道与升温系统连接，所述热媒回收管道内设有温度传感器。
由上述描述可知，冷热媒输出管道还连接有热媒回收管道，使得反应结束后反应夹套中的热媒可以得到回收利用，节约能源；热媒回收管道内设有温度传感器，使得升温系统可根据需要控制升温速率与热媒流速。
本发明还提供根据上述含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统进行聚合的方法，包括如下步骤：在聚合釜中加入约50～70％体积无离子水，抽真空后加入含氟表面活性剂(为全氟辛酸，添加总量为无离子水质量的0.05％～1.5％)、乳液稳定剂(为石蜡，加入量为无离子水质量的2％～4％)、pH调节剂(为盐酸，加入量为无离子水质量的2％～4％)、引发剂(为过硫酸盐，过氧化丁二酸等，加入量为无离子水质量的0.005％～0.02％，然后以5～30kg/min的投料速率通入四氟乙烯单体进行反应，以1～10℃/min的温升速率升温直至反应温度保持在80～100℃，并控制反应压力为1.8～2.5MPa，然后降温至60～70℃，反应过程中以20～80r/min的转速进行搅拌，反应结束后即可得聚四氟乙烯树脂成品。
进一步的，所述含氟表面活性剂的质量为水的质量的0.05～1.5％，乳液稳定剂的质量为水的质量的2～4％。
实施例1
请参照图1，一种含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统，包括反应系统、升温系统和冷却系统；所述反应系统包括卧式反应釜11和螺旋搅拌器12，所述螺旋搅拌器水平设置在卧式反应釜内，所述卧式反应釜外设有反应夹套13，所述反应夹套同时与升温系统和冷却系统连接；所述反应夹套的底部设有冷热媒输入管道14，所述反应夹套的顶部设有冷热媒输出管道15。所述卧式反应釜的顶部依次设有均与卧式反应釜相通的TFE进料管111、改性单体进料管112、助剂进料管113、无离子水进料管114、物料回收管115、抽真空管116和爆破管117，所述卧式反应釜的底部设有出料管118，所述TFE进料管中设有流量计4。所述反应夹套中设有温度传感器5。所述冷热媒输入管道中设有循环泵和流量计。所述升温系统包括热媒管道21，所述热媒管道与冷热媒输入管道连接。所述冷却系统包括闭式冷却塔31和循环水箱32，闭式冷却塔的入口和循环水箱的入口均与冷热媒输出管道连接，闭式冷却管的出口和循环水箱的出口均与冷热媒输入管道连接。所述循环水箱还设有补水管道33，所述补水管道用于向循环水箱中补充水。所述冷热媒输出管道还连接有热媒回收管道7，所述热媒回收管道与升温系统连接，所述热媒回收管道内设有温度传感器5。
本发明聚合系统采用带内螺旋搅拌器和外设夹套的卧式反应釜，反应夹套分别配置了开式热水升温管路和闭式循环冷却系统，采用了闭式冷却塔、循环水槽和冷热媒变频调节循环泵，闭式冷却塔用于排出反应热，变频调节循环泵用于温度的精准控制，冷热媒输入管道和冷热媒输出管道、反应釜各个进出料管均设置自动控制阀，用于实现自动控制，冷媒进管、热媒进管和TFE进料管均设置了流量计，用于计量控制，自控阀门与上述依据参数连锁，实现自动控制。
实施例2
根据实施例1聚合系统进行聚合反应的方法，包括如下步骤：在聚合釜中加入约50～70％体积无离子水，抽真空后加入含氟表面活性剂、乳液稳定剂、pH调节剂、引发剂，然后以5～30kg/min的投料速率通入四氟乙烯单体进行反应，以1～10℃/min的温升速率升温直至反应温度保持在80～100℃，并控制反应压力为1.8～2.5MPa，然后降温至60～70℃，反应过程中以20～80r/min的转速进行搅拌，反应结束后即可得聚四氟乙烯树脂成品。所述含氟表面活性剂的质量为水的质量的0.05～1.5％，乳液稳定剂的质量为水的质量的2～4％。
具体如下：
1.抽空合格后开始升温，根据预定的升温速率调节搅拌转速和热媒流量，温升速率的控制范围：1～10℃/min，搅拌转速在20～100r/min内调节，热媒流量调节范围10～150m3/h；
2.升温遵循先快后慢原则，通过调节循环泵电机频率，调节换热速率，实现对温升速率的准确控制。
3.1.按照预定的批次反应进度设定各阶段的TFE单体投料速率，投料速率为5～30kg/min内调节。
3.2.根据投料速率调节对应搅拌转速，搅拌转速在20～80r/min内调节；
3.3根据投料速率和当时的闭式冷却塔水出口温度调节对应的冷媒流量，冷媒流量范围10～60m3/h；
4.根据反应进度设定的温升速率调节循环泵电机频率，调节换热速率，最终实现对整个反应过程温度的压力的精准控制。温升速率的控制范围：0.01～0.3℃/min；
5.投料终止后，根据预定的降温速率调节搅拌转速，搅拌转速在20～80r/min内调节；和闭式冷却塔水出口温度调节对应的冷媒流量，冷媒流量范围10～40m3/h；
6.反应过程，含氟表面活性剂的添加总量为无离子水质量的0.05％～1.5％。
7.反应过程，稳定剂的加入量为无离子水质量的2％～4％。
8.反应过程，控制反应压力在1.8～2.5MPa。
9.反应过程，控制反应温度在80～100℃。
10.为了实现高效换热，提高控制的准确，本系统冷媒和热媒优先采用无离子水。
综上所述，本发明提供的含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统和聚合方法的有益效果在于：反应过程中通过反应量与特定温差冷媒量的准确关联控制，达到对反应放热量的精准转移，通过循环水泵变频控制流量达到对全程温升速率的严格控制，配合反应起点与终点温度选择等其他各项聚合条件，最终实现含氟功能膜的特种聚四氟乙烯树脂的特殊聚合性能。聚合获得的特种的四氟乙烯乳液，乳液再经过密度调配、凝聚、脱水和干燥，得到适合含氟功能膜制造的特种聚四氟乙烯树脂。本发明工艺简单，自动化程度高，操作稳定，产品性能精准控制，生产效率高，成本较低等特点。所得特种含氟功能膜用树脂原料可广泛应用于治霾脱硝功能膜、自清洁含氟膜、防电磁辐射功能膜、光伏组件前膜、高透光建筑膜等各种特种含氟功能膜的制作。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统，其特征在于：包括反应系统、升温系统和冷却系统；
所述反应系统包括卧式反应釜和螺旋搅拌器，所述螺旋搅拌器水平设置在卧式反应釜内，所述卧式反应釜外设有反应夹套，所述反应夹套同时与升温系统和冷却系统连接；
所述反应夹套的底部设有冷热媒输入管道，所述反应夹套的顶部设有冷热媒输出管道。
2.根据权利要求1所述的含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统，其特征在于：所述卧式反应釜的顶部依次设有均与卧式反应釜相通的TFE进料管、改性单体进料管、助剂进料管、无离子水进料管、物料回收管、抽真空管和爆破管，所述卧式反应釜的底部设有出料管，所述TFE进料管中设有流量计。
3.根据权利要求1所述的含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统，其特征在于：所述反应夹套中设有温度传感器。
4.根据权利要求1所述的含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统，其特征在于：所述冷热媒输入管道中设有循环泵和流量计。
5.根据权利要求1所述的含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统，其特征在于：所述升温系统包括热媒管道，所述热媒管道与冷热媒输入管道连接。
6.根据权利要求1所述的含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统，其特征在于：所述冷却系统包括闭式冷却塔和循环水箱，闭式冷却塔的入口和循环水箱的入口均与冷热媒输出管道连接，闭式冷却管的出口和循环水箱的出口均与冷热媒输入管道连接。
7.根据权利要求6所述的含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统，其特征在于：所述循环水箱还设有补水管道，所述补水管道用于向循环水箱中补充水。
8.根据权利要求1所述的含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统，其特征在于：所述冷热媒输出管道还连接有热媒回收管道，所述热媒回收管道与升温系统连接，所述热媒回收管道内设有温度传感器。
9.一种根据权利要求1～8任一项所述的含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合系统进行聚合的方法，其特征在于：包括如下步骤：在聚合釜中加入约50～70％体积无离子水，抽真空后加入含氟表面活性剂、乳液稳定剂、pH调节剂、引发剂，然后以5～30kg/min的投料速率通入四氟乙烯单体进行反应，以1～10℃/min的温升速率升温直至反应温度保持在80～100℃，并控制反应压力为1.8～2.5MPa，然后降温至60～70℃，反应过程中以20～80r/min的转速进行搅拌，即可得聚四氟乙烯树脂成品。
10.根据权利要求9所述的含氟功能膜用聚四氟乙烯树脂的聚合方法，其特征在于：所述含氟表面活性剂的质量为水的质量的0.05～1.5％，乳液稳定剂的质量为水的质量的2～4％。
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