CN107200843B - 一种采用微反应器制备芳纶的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种采用微反应器制备芳纶的方法，采用液体二氧化碳和/或超临界二氧化碳为溶剂，并利用微反应器作为预聚合阶段的反应器。通过本申请技术方案得到的芳纶聚合物特性粘度高、收率高、溶剂回收率高。

Description

一种采用微反应器制备芳纶的方法
技术领域
本申请涉及一种制备芳纶的方法，具体地，本申请涉及一种采用微反应器制备芳纶的方法。
背景技术
芳纶1313、1414是一种聚酰胺纤维，由(间、对)苯二甲酰氯和(间、对)苯二胺缩聚后经溶液纺丝而成，主要用于防原子辐射、高空高速飞行材料等方面，也可用于特殊要求的轮胎窗子线、耐高温衣料、蜂窝制件、高温线管、飞机油箱、防火墙、反渗透膜或中空纤维等。国内外芳纶合成方法主要有：低温溶液缩聚法、直接缩聚法、离子液体缩聚法、发烟硫酸缩聚法。目前只有低温溶液缩聚法实现了工业化，其他方法未见工业化报道。低温溶液缩聚法最早由美国杜邦公司于1972年发明，并一直沿用至今，这个合成方法的理论研究和工业化研究已经比较透彻，得到的聚合物可以适应各种高、中、低应用场合。
现有工业上普遍直接采用双螺杆反应器进行低温溶液缩聚，该方法需要保持反应体系温度在0℃附近，但是体系粘度大，导致移热非常困难，且在双螺杆反应器中生成的产物具有局部不均匀性，造成局部单体浓度过高或过低，母液分子量分布不均匀，影响后续的溶解纺丝过程。由于制备芳纶过程中体系的复杂性，低温溶液缩聚法在制备过程中的移热和混合难题使得制备过程可控性差，副反应多，聚合物分子量难以控制。CN104667846B公开了一种制备对/间位芳纶的微反应系统及方法，微反应系统由微反应器和搅拌釜组成，对/间苯二胺和对/间苯二酰氯在有机溶剂中进行反应，反应体系中同时含有氯化钙和吡啶，先于微反应器中混合并引发缩聚反应，得到的反应液进入搅拌釜中，继续反应。但是该方法中采用的是二甲基甲酰胺(DMF)、氮甲基吡咯烷酮(NMP)等作为有机溶剂。
以DMF、NMP等作为溶剂的低温溶液缩聚法是商品化芳纶的主要合成方法，但是该方法也存在一定的问题：(1)产品质量不稳定，因为DMF、NMP等是容易吸水的物质，而该反应体系要求是水分含量在200ppm以下，水分的存在对该反应有致命的危害，导致分子量的急剧降低，而DMF、NMP的脱水以及反应体系中水分的控制有一定的难度；(2)溶剂回收困难、生产污水难处理，反应后需要用水洗去溶剂DMF或NMP等，由于DMF或NMP极易溶于水，且分离困难，因此溶剂回收困难，另外，反应体系中加入的吡啶等有机碱类酸吸收剂，对DMF、NMP等溶剂的回收也不利。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种采用微反应器制备芳纶的方法，并采用CO2为溶剂，产品质量容易控制，且溶剂易于回收。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
一种采用微反应器制备芳纶的方法，采用液体二氧化碳和/或超临界二氧化碳为溶剂，具体包括以下步骤：
Ⅰ)在配料釜中，将苯二胺溶于液体二氧化碳或超临界二氧化碳溶剂中，并加入有机缚酸剂，保持二氧化碳为液体或者超临界状态，得到苯二胺-缚酸剂-二氧化碳混合溶液；
Ⅱ)在配料釜中，将苯二甲酰氯溶于液体二氧化碳或超临界二氧化碳溶剂中，保持二氧化碳为液体或者超临界状态，得到苯二甲酰氯的二氧化碳溶液；
Ⅲ)向聚合反应器中加入缚酸剂，以惰性气体置换微反应器和聚合反应器中原有气体，并向聚合反应器注入液体二氧化碳或超临界二氧化碳溶剂，并开启搅拌；
Ⅳ)将步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液同时通入微反应器中混合进行反应，且步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液同时加注完毕；
Ⅴ)从微反应器出口得到的预聚合反应液进入聚合反应器中，进行进一步聚合反应，保持聚合反应器内温度和压力维持CO2处于液体或者超临界状态，在聚合反应器中反应结束后，得到聚合物混合液。
进一步地，将所得含聚合物混合液回收溶剂二氧化碳，加入水，离心过滤、清洗，得到芳纶聚合物。
所述采用液体二氧化碳作为反应溶剂时，反应温度低于CO2的临界温度并高于CO2的三相点温度，反应温度为-56.6～31.1℃；反应过程中，需保持在所述反应温度下维持二氧化碳为液体状态的压力，压力优选0.55～45MPa。
本申请所述采用液体二氧化碳作为反应溶剂时，反应温度可以是所述-56.6～31.1℃范围中任意值或所述范围内任意值组合形成的范围，例如-55℃、-50℃、-45℃、-40℃、-35℃、-30℃、-25℃、-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、-50℃～-5℃、-20℃～5℃、-10℃～-5℃、0℃～25℃、-15℃～-25℃；反应过程中，需保持在所述反应温度下维持二氧化碳为液体状态的压力，压力优选0.55～45MPa，压力可以是所述0.55～45MPa范围中任意值或所述范围内任意值组合形成的范围，例如1MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa、45MPa、5～20MPa、10～20MPa、15～30MPa、15～40MPa、30～40MPa。
所述采用超临界二氧化碳流体作为反应溶剂时，反应环境保持在CO2的临界温度和临界压力之上，反应温度高于31.1℃，反应压力大于7.29MPa；优选，反应温度为31.1～120℃，压力为7.29～50MPa。
优选的，本申请所述采用超临界二氧化碳流体作为反应溶剂时，反应温度可以是所述31.1～120℃范围中任意值或所述范围内任意值组合形成的范围，例如，35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃，40℃～55℃、45℃～60℃、50℃～70℃、60℃～100℃、80℃～120℃、32～120℃等；压力可以是所述7.29～50MPa范围中任意值或所述范围内任意值组合形成的范围，例如，8MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa、45MPa、50MPa、10～20MPa、15～30MPa、25～45MPa、8～50MPa。
所述采用液体二氧化碳和超临界二氧化碳流体作为反应溶剂，过程为：首先控制二氧化碳处于液体状态，在进一步的聚合过程中放热和/或通过外部供热使得溶液温度上升，越过二氧化碳的临界温度，且压力也大于临界压力(7.29MPa)时，二氧化碳成为超临界态，并在超临界状态中继续完成反应。
进一步的，所述聚合反应器，优选为螺杆聚合反应器，例如双螺杆聚合反应器。
进一步的，所述聚合反应器为螺杆聚合反应器，具体步骤如下：
Ⅰ)在配料釜中，将苯二胺溶于液体二氧化碳或超临界二氧化碳溶剂中，并加入有机缚酸剂，保持二氧化碳为液体或者超临界状态，得到苯二胺-缚酸剂-二氧化碳混合溶液；
Ⅱ)在配料釜中，将苯二甲酰氯溶于液体二氧化碳或超临界二氧化碳溶剂中，保持二氧化碳为液体或者超临界状态，得到苯二甲酰氯的二氧化碳溶液；
Ⅲ)以惰性气体置换微反应器和螺杆聚合反应器中原有气体；向螺杆聚合反应器的配套配料釜中注入液体二氧化碳或超临界二氧化碳溶剂，并加入缚酸剂，得到含有缚酸剂的二氧化碳溶液；
Ⅳ)将步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液同时通入微反应器中混合进行反应，且步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液同时加注完毕；
Ⅴ)从微反应器出口得到的预聚合反应液和螺杆聚合反应器的配套配料釜中的含有缚酸剂的二氧化碳溶液连续进入螺杆聚合反应器中，保持聚合反应器内温度和压力维持CO2处于液体或者超临界状态，进行进一步聚合反应，挤出芳纶聚合物混合液。
所述微反应器可以采用Y刑通道或者T型通道，以及现有技术中能够同时进料的微反应器通道。
所述微反应器的每个通道上设置有流量计和自控阀，以控制步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液能够同时通入微反应器并且同时结束向微反应器进料，且按照苯二胺和苯二甲酰氯的摩尔比为0.95～1.0：0.95～1.0，优选严格按照苯二胺和苯二甲酰氯的摩尔比为1:1进料。
优选的，所述步骤Ⅰ)和Ⅲ)中缚酸剂总量为中和生成的氯化氢所需的理论化学计量的0.95～1.2倍，优选为中和生成的氯化氢的所需的理论化学计量的1.01～1.1倍。例如，根据苯二胺与苯二甲酰氯的量，理论上反应完成后将生成1mol的氯化氢时，使用0.95～1.2mol的三乙胺，优选三乙胺稍微过量，即1.01～1.1mol。
优选的，所述步骤Ⅰ)中加入的有机缚酸剂为有机碱。
优选的，步骤Ⅲ)中加入的缚酸剂为有机碱与无机碱的混合物。
优选的，所述步骤Ⅰ)中有机缚酸剂的加入量为所需缚酸剂总化学计量的20％～40％。也即步骤Ⅰ)中加入的缚酸剂量占步骤Ⅰ)和Ⅲ)中缚酸剂总量的20％～40％。
优选的，所述步骤Ⅲ)中加入的缚酸剂中有机碱的用量为能够满足中和剩余氯化氢总量的40～80％。所述剩余氯化氢总量是指苯二胺和苯二甲酰氯所能生成的氯化氢总量，减去步骤Ⅰ)中加入的缚酸剂中和掉的氯化氢后剩余的氯化氢。
优选的，反应物在步骤Ⅲ)中通过时间为10～90s；优选的步骤Ⅳ)中的聚合时间为20～100min，优选的采用双螺杆聚合反应器时聚合时间为20～30min。
所述有机碱为胺类，优选为叔胺，所述叔胺为具有叔氨基的化合物，例如：三乙胺、三甲胺、三丙胺、三丁胺、二甲基异丙基胺、二甲基环己基胺、吡啶、4-甲基吗啉、4-乙基吗啉、4-丁基吗啉、N-甲基吡咯烷、N-乙基吡咯烷、N-甲基哌啶、N-乙基哌啶、N-甲基吲哚、N-乙基吲哚、N-甲基吡咯等。
所述无机碱可以没有任何限制地使用公知的无机碱，例如：碳酸钠、氢氧化钙、碳酸钙、氢氧化钾、氢氧化锂、碳酸钾、碳酸锂、碳酸氢钠、氢氧化镁、碳酸氢钾、碳酸氢锂、碳酸镁、氢氧化钠等。
进一步优选，所述无机碱为碱金属和/或碱土金属的碳酸盐和/或碳酸氢盐，例如碳酸钙、碳酸镁、碳酸氢钾、碳酸氢锂等，进一步优选为锂和/或钙的碳酸盐和/或碳酸氢盐；碱金属和/或碱土金属的碳酸盐和/或碳酸氢盐在中和氯化氢的过程中，所生成的碱金属的氯化物和/或碱土金属的氯化物，例如氯化锂、氯化钙等，能够进一步改善聚合物在溶剂中的溶解度，有利于聚合物分子量的提高；而中和氯化氢的过程中所生成的二氧化碳，能够进一步作为溶剂使用。
优选的，步骤Ⅰ)中溶剂用量为苯二胺质量的5～40倍；步骤Ⅱ)中溶剂用量为苯二甲酰氯质量的5～40倍；
优选的，所述步骤Ⅲ)中溶剂用量与步骤Ⅰ)中配料釜中溶剂的质量比为10～50:100，具体地，当采用普通的间歇式聚合反应器时，步骤Ⅲ)中向聚合反应器中注入的溶剂量与步骤Ⅰ)中配料釜中溶剂的质量比为10～50:100；当采用双螺杆聚合反应器时，其配套配料釜中注入的溶剂量与步骤Ⅰ)中配料釜中溶剂的质量比为10～50:100。
优选的，所述步骤Ⅰ)和/或步骤Ⅱ)中预先加入芳纶聚合物的助溶剂碱金属或者碱土金属的氯化物，例如氯化钙或氯化锂等。优选的所述助溶剂与步骤Ⅰ)或步骤Ⅱ)中溶剂的质量比为0.02～2:100。即，在所述步骤Ⅰ)中预先加入芳纶聚合物的助溶剂碱金属或者碱土金属的氯化物，助溶剂与步骤Ⅰ)中溶剂的质量比为0.02～2:100；在所述步骤Ⅱ)中预先加入芳纶聚合物的助溶剂碱金属或者碱土金属的氯化物，助溶剂与步骤Ⅱ)中溶剂的质量比为0.02～2:100。
所述惰性气体优选为氮气。
优选的，所述配料釜的压力高于聚合反应器中的压力，便于进料，例如，配料釜的压力比聚合反应器的压力高0.1～1MPa，优选配料釜的压力比聚合反应器的压力高0.2～0.4MPa；采用螺杆聚合反应器时，其配套配料釜的压力比螺杆聚合反应器高0.1～1MPa。
本申请所述方法在反应结束后，可以通过温度和/或压力的改变，使得液体CO2和/或超临界CO2流体，转变成气体状态。可以将转变成气体状态的CO2再进行进一步的压缩冷凝回收、循环利用。
特别地，发明人发现当采用液体CO2或者超临界CO2流体作为溶剂时，特别是对于处于高温高压状态的超临界CO2流体，在转变为气体状态的过程中，控制温度和/或压力为一个逐渐变化的过程，例如温度逐渐上升，压力逐渐降低等，本领域技术人员能够清楚的理解所述状态逐渐变化的含义。可以通过对反应容器提供一定的热量，例如通过夹套加热、保温等方式，或者采用调节阀，以防止温度下降快并且降温幅度大，CO2转变成固态干冰，从而对阀门、管道等造成堵塞。
本申请所述超临界CO2流体是指CO2的温度和压力高于其临界温度和临界压力时所处的一种状态。
本申请所述CO2的三相点是指使CO2三相(气相，液相，固相)共存的一个温度和压强的数值。
本申请所述的芳纶为对位芳纶和间位芳纶，相应地，本申请所述的聚合方法是指将对苯二胺与对苯二甲酰氯反应，或者将间苯二胺与间苯二甲酰氯反应。
本申请有益效果：
(1)在微反应器中进行预聚合反应，利用微反应器的特性能够迅速散热，反应更加均匀，有利于缩聚反应的进一步进行。
(2)采用液体二氧化碳或者超临界二氧化碳流体作为溶剂代替传统溶剂，不会给产物带来污染，溶剂廉价易得且无毒，只需要通过改变温度和/或压力，就可以实现产物与溶剂的分离。该方法绿色环保、节省资源、成本低，且生产过程安全，适合于工业化生产。
(3)在预聚反应中加入有机碱作为缚酸剂，能够提高反应效率，因为无机碱通常以固体状态存在，短时间内吸收氯化氢效果差，而且过量的无机碱有可能会造成微反应器堵塞；在进一步的缩聚反应中加入有机碱与无机碱的混合物作为缚酸剂，特别是无机碱为碱金属和/或碱土金属的碳酸盐和/或碳酸氢盐时，中和过程中所生成的碱金属的氯化物和/或碱土金属的氯化物，例如氯化锂、氯化钙等，能够进一步改善聚合物在溶剂中的溶解度，有利于聚合物分子量的提高；而中和氯化氢的过程中所生成的二氧化碳，能够进一步作为溶剂使用。
(4)本申请所得缩聚物分子量可控，产品质量好，缩聚物特性粘度ηinh＝8～9dl/g，芳纶缩合阶段收率能达到98％、芳纶缩合溶剂回收率高于90％。
具体实施方式
实施例1
采用微反应器制备芳纶的方法，包括以下步骤：
Ⅰ)在装有搅拌器并连接有干燥氮气管的压力配料釜中，加入对苯二胺4.80g，加入缚酸剂三乙胺1.8g，以氮气置换原有气体，注入液体二氧化碳33.6g，保持反应器内温度为25℃，压力为7MPa，待压力配料釜中的物质溶解后即制成了对苯二胺-三乙胺-液体二氧化碳混合溶液；
Ⅱ)在另一个装有搅拌器并连接有干燥氮气管的压力配料釜中，加入对苯二甲酰氯9.02g，以氮气置换原有气体，注入液体二氧化碳90.22g，保持反应器内温度为25℃，压力为7MPa，待压力配料釜中的物质溶解后即制成了对苯二甲酰氯的液体二氧化碳溶液；
Ⅲ)向聚合反应器中加入缚酸剂三乙胺2.99g和氢氧化钙1.64g，以惰性气体置换微反应器和聚合反应器中原有气体，并向聚合反应器中注入液体二氧化碳11.8g，并开启搅拌；
Ⅳ)将步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液同时通入微反应器中混合进行反应，且步骤Ⅰ)所得溶液和步骤Ⅱ)所得溶液同时加注完毕，溶液在微反应器中的通过时间为13s；
Ⅴ)从微反应器出口得到的预聚合反应液进入聚合反应器中，并保持聚合反应器内温度为25℃，压力为6.5MPa，进行进一步聚合反应，反应时间为80min；反应结束后，得到聚合物混合液。
进一步地，将所得含聚合物混合液进行进一步处理回收溶剂二氧化碳，加入水，离心过滤、清洗，得到芳纶聚合物。
对所得干燥的聚合体进行测定，得到缩聚物特性粘度ηinh为8.31dl/g，芳纶缩合阶段收率达到97.2％；CO2回收率高于90％。
实施例2
采用微反应器制备芳纶的方法，包括以下步骤：
Ⅰ)在装有搅拌器并连接有干燥氮气管的压力配料釜中，加入对苯二胺4.80g，加入缚酸剂三乙胺3.14g，以氮气置换原有气体，注入液体二氧化碳72g，保持反应器内温度为-15℃，压力为3MPa，待压力配料釜中的物质溶解后即制成了对苯二胺-三乙胺-液体二氧化碳混合溶液；
Ⅱ)在另一个装有搅拌器并连接有干燥氮气管的压力配料釜中，加入对苯二甲酰氯9.02g，以氮气置换原有气体，注入液体二氧化碳135.3g，保持反应器内温度为-15℃，压力为3MPa，待压力配料釜中的物质溶解后即制成了对苯二甲酰氯的液体二氧化碳溶液；
Ⅲ)向聚合反应器中加入缚酸剂三甲胺2.09g和碳酸锂0.87g，以惰性气体置换微反应器和聚合反应器中原有气体，并向聚合反应器注入液体二氧化碳21.6g，并开启搅拌；
Ⅳ)将步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液同时通入微反应器中混合进行反应，且步骤Ⅰ)所得溶液和步骤Ⅱ)所得溶液同时加注完毕，溶液在微反应器中的通过时间为17s；
Ⅴ)从微反应器出口得到的预聚合反应液进入聚合反应器中，并保持聚合反应器内温度为-15℃，压力为2.7MPa，进行进一步聚合反应，反应时间为100min；反应结束后，得到聚合物混合液。
进一步地，将所得含聚合物混合液回收溶剂二氧化碳，加入水，离心过滤、清洗，得到芳纶聚合物。
对所得干燥的聚合体进行测定，得到缩聚物特性粘度ηinh为8.44dl/g，芳纶缩合阶段收率达到97.5％；CO2回收率高于90％。
实施例3
采用微反应器制备芳纶的方法，包括以下步骤：
Ⅰ)在装有搅拌器并连接有干燥氮气管的压力配料釜中，加入间苯二胺240g，加入缚酸剂三乙胺179.5g，并加入氯化钙0.96g，以氮气置换原有气体，注入液体二氧化碳4800g，保持反应器内温度为-20℃，压力为2MPa，待压力配料釜中的物质溶解后即制成了间苯二胺-三乙胺-氯化钙-液体二氧化碳混合溶液；
Ⅱ)在另一个装有搅拌器并连接有干燥氮气管的压力配料釜中，加入间苯二甲酰氯451g，以氮气置换原有气体，注入液体二氧化碳9022g，保持反应器内温度为-20℃，压力为2MPa，待压力配料釜中的物质溶解后即制成了间苯二甲酰氯的液体二氧化碳溶液；
Ⅲ)以惰性气体置换微反应器和双螺杆聚合反应器中原有气体；向双螺杆聚合反应器的配套配料釜中注入液体二氧化碳960g，并加入缚酸剂吡啶157.8g和碳酸钙42.8g，得到含有缚酸剂的二氧化碳溶液；
Ⅳ)将步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液同时通入微反应器中混合进行反应，且步骤Ⅰ)所得溶液和步骤Ⅱ)所得溶液同时加注完毕，溶液在微反应器中的通过时间为20s；本实施例中并行增加微反应器的数量至50个；
Ⅴ)从微反应器出口得到的预聚合反应液以2000g/min的流量加入到双螺杆聚合反应器中，同时双螺杆聚合反应器的配套配料釜中的含有缚酸剂的二氧化碳溶液以158g/min的流量加入双螺杆聚合反应器中，保持聚合反应器内温度为-20℃，压力为1.9MPa，反应物停留时间为20min，挤出芳纶聚合物混合液。
进一步地，将所得含聚合物混合液回收溶剂二氧化碳，加入水，离心过滤、清洗，得到芳纶聚合物。
对所得干燥的聚合体进行测定，得到缩聚物特性粘度ηinh为8.5dl/g，芳纶缩合阶段收率达到97.7％；CO2回收率高于90％。
实施例4
采用微反应器制备芳纶的方法，包括以下步骤：
Ⅰ)在装有搅拌器并连接有干燥氮气管的压力配料釜中，加入对苯二胺4.80g，加入缚酸剂三乙胺2.69g，并加入氯化钙0.72g，以氮气置换原有气体，注入液体二氧化碳144g，保持反应器内温度为28℃，压力为7.2MPa，待压力配料釜中的物质溶解后即制成了对苯二胺-三乙胺-氯化钙-液体二氧化碳混合溶液；
Ⅱ)在另一个装有搅拌器并连接有干燥氮气管的压力配料釜中，加入对苯二甲酰氯9.02g，以氮气置换原有气体，注入液体二氧化碳225.6g，保持反应器内温度为28℃，压力为7.2MPa，待压力配料釜中的物质溶解后即制成了对苯二甲酰氯的液体二氧化碳溶液；
Ⅲ)向聚合反应器中加入缚酸剂三乙胺2.88g和氢氧化钙1.29g，以惰性气体置换微反应器和聚合反应器中原有气体，并向聚合反应器注入液体二氧化碳36g，并开启搅拌；
Ⅳ)将步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液同时通入微反应器中混合进行反应，且步骤Ⅰ)所得溶液和步骤Ⅱ)所得溶液同时加注完毕，溶液在微反应器中的通过时间为40s；
Ⅴ)从微反应器出口得到的预聚合反应液进入聚合反应器中，聚合反应器内温度为28℃，压力为7MPa，进行进一步聚合反应，反应过程放出热量，使得溶液温度上升，越过二氧化碳的临界温度，压力也超过二氧化碳的临界压力，使其成为超临界态，对芳纶聚合物的溶解度增大，继续搅拌直至反应结束，反应时间为90min；反应结束后，得到聚合物混合液。
进一步地，将所得含聚合物混合液回收溶剂二氧化碳，加入水，离心过滤、清洗，得到芳纶聚合物。
对所得干燥的聚合体进行测定，得到缩聚物特性粘度ηinh为8.81dl/g，芳纶缩合阶段收率达到98％；CO2回收率高于90％。
实施例5
采用微反应器制备芳纶的方法，包括以下步骤：
Ⅰ)在装有搅拌器并连接有干燥氮气管的压力配料釜中，加入间苯二胺4.80g，加入缚酸剂三甲胺1.31g，并加入氯化钙2.88g以氮气置换原有气体，注入液体二氧化碳192g，保持反应器内温度为20℃，压力为8MPa，待压力配料釜中的物质溶解后即制成了间苯二胺-三甲胺-氯化钙-液体二氧化碳混合溶液；
Ⅱ)在另一个装有搅拌器并连接有干燥氮气管的压力配料釜中，加入间苯二甲酰氯9.02g，以氮气置换原有气体，注入液体二氧化碳270.7g，保持反应器内温度为20℃，压力为8MPa，待压力配料釜中的物质溶解后即制成了间苯二甲酰氯的液体二氧化碳溶液；
Ⅲ)向聚合反应器中加入缚酸剂吡啶4.59g和碳酸氢钠1.22g，以惰性气体置换微反应器和聚合反应器中原有气体，并向聚合反应器注入液体二氧化碳19.2g，并开启搅拌；
Ⅳ)将步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液同时通入微反应器中混合进行反应，且步骤Ⅰ)所得溶液和步骤Ⅱ)所得溶液同时加注完毕，溶液在微反应器中的通过时间为70s；
Ⅴ)从微反应器出口得到的预聚合反应液进入聚合反应器中，聚合反应器内温度为20℃，压力为7.8MPa，反应过程放出热量，使得溶液温度上升，越过二氧化碳的临界温度，压力也超过二氧化碳的临界压力，使其成为超临界态，对芳纶聚合物的溶解度增大，继续搅拌直至反应结束，反应时间为70min；反应结束后，得到聚合物混合液。
进一步地，将所得含聚合物混合液回收溶剂二氧化碳，加入水，离心过滤、清洗，得到芳纶聚合物。
对所得干燥的聚合体进行测定，得到缩聚物特性粘度ηinh为8.7dl/g，芳纶缩合阶段收率达到97.8％；CO2回收率高于90％。
实施例6
采用微反应器制备芳纶的方法，包括以下步骤：
Ⅰ)在装有搅拌器并连接有干燥氮气管的压力配料釜中，加入对苯二胺4.80g，加入缚酸剂三乙胺2.87g，以氮气置换原有气体，注入液体二氧化碳120g，保持反应器内温度为35℃，压力为8MPa，待压力配料釜中的物质溶解后即制成了对苯二胺-三乙胺-超临界二氧化碳混合溶液；
Ⅱ)在另一个装有搅拌器并连接有干燥氮气管的压力配料釜中，加入对苯二甲酰氯9.02g，以氮气置换原有气体，注入液体二氧化碳361g，保持反应器内温度为35℃，压力为8MPa，待压力配料釜中的物质溶解后即制成了对苯二甲酰氯-超临界二氧化碳溶液；
Ⅲ)向聚合反应器中加入缚酸剂三乙胺3.17g和氢氧化钙1.16g，以惰性气体置换微反应器和聚合反应器中原有气体，并向聚合反应器注入液体二氧化碳18g，并开启搅拌；
Ⅳ)将步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液同时通入微反应器中混合进行反应，且步骤Ⅰ)所得溶液和步骤Ⅱ)所得溶液同时加注完毕，溶液在微反应器中的通过时间为40s；
Ⅴ)从微反应器出口得到的预聚合反应液进入聚合反应器中，并保持聚合反应器内温度为35℃，压力为7.7MPa，进行进一步聚合反应，反应时间为65min；反应结束后，得到聚合物混合液。
进一步地，将所得含聚合物混合液回收溶剂二氧化碳，加入水，离心过滤、清洗，得到芳纶聚合物。
对所得干燥的聚合体进行测定，得到缩聚物特性粘度ηinh为8.8dl/g，芳纶缩合阶段收率达到98％；CO2回收率高于90％。
实施例7
采用微反应器制备芳纶的方法，包括以下步骤：
Ⅰ)在装有搅拌器并连接有干燥氮气管的压力配料釜中，加入对苯二胺240g，加入缚酸剂三乙胺112.2g，并加入氯化钙8.4g以氮气置换原有气体，注入液体二氧化碳8400g，保持反应器内温度为40℃，压力为8MPa，待压力配料釜中的物质溶解后即制成了对苯二胺-三乙胺-氯化钙-超临界二氧化碳混合溶液；
Ⅱ)在另一个装有搅拌器并连接有干燥氮气管的压力配料釜中，加入对苯二甲酰氯451g，以氮气置换原有气体，注入液体二氧化碳2255g，保持反应器内温度为40℃，压力为8MPa，待压力配料釜中的物质溶解后即制成了对苯二甲酰氯-超临界二氧化碳溶液；
Ⅲ)以惰性气体置换微反应器和双螺杆聚合反应器中原有气体；向双螺杆聚合反应器的配套配料釜中注入液体二氧化碳3360g，并加入缚酸剂三乙胺214.5g和氢氧化钙42.3g，得到含有缚酸剂的二氧化碳溶液；
Ⅳ)将步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液同时通入微反应器中混合进行反应，且步骤Ⅰ)所得溶液和步骤Ⅱ)所得溶液同时加注完毕，溶液在微反应器中的通过时间为40s；本实施例中并行增加微反应器的数量至50个；
Ⅴ)从微反应器出口得到的预聚合反应液以1500g/min的流量加入到双螺杆聚合反应器中，同时双螺杆聚合反应器的配套配料釜中的含有缚酸剂的二氧化碳溶液以428.5g/min的流量加入双螺杆聚合反应器中，保持聚合反应器内温度为45℃，压力为7.5MPa，反应物停留时间为28min，挤出芳纶聚合物混合液。
对所得干燥的聚合体进行测定，得到缩聚物特性粘度ηinh为8.9dl/g，芳纶缩合阶段收率达到98.4％；CO2回收率高于90％。
实施例8
采用微反应器制备芳纶的方法，包括以下步骤：
Ⅰ)在装有搅拌器并连接有干燥氮气管的压力配料釜中，加入间苯二胺4.80g，加入缚酸剂吡啶2.67g，并加入氯化钙0.96g以氮气置换原有气体，注入液体二氧化碳48g，保持反应器内温度为60℃，压力为20MPa，待压力配料釜中的物质溶解后即制成了对苯二胺-三乙胺-氯化钙-超临界二氧化碳混合溶液；
Ⅱ)在另一个装有搅拌器并连接有干燥氮气管的压力配料釜中，加入间苯二甲酰氯9.02g，以氮气置换原有气体，注入液体二氧化碳90.2g，保持反应器内温度为60℃，压力为20MPa，待压力配料釜中的物质溶解后即制成了间苯二甲酰氯-超临界二氧化碳溶液；
Ⅲ)向聚合反应器中加入缚酸剂吡啶3.53g和碳酸钙0.74g，以惰性气体置换微反应器和聚合反应器中原有气体，并向聚合反应器注入液体二氧化碳24g，并开启搅拌；
Ⅳ)将步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液同时通入微反应器中混合进行反应，且步骤Ⅰ)所得溶液和步骤Ⅱ)所得溶液同时加注完毕，溶液在微反应器中的通过时间为80s；
Ⅴ)从微反应器出口得到的预聚合反应液进入聚合反应器中，并保持聚合反应器内温度为60℃，压力为19MPa，进行进一步聚合反应，反应时间为60min；反应结束后，得到聚合物混合液。
对所得干燥的聚合体进行测定，得到缩聚物特性粘度ηinh为8.93dl/g，芳纶缩合阶段收率达到98.5％；CO2回收率高于90％。
本发明提出的一种采用微反应器制备芳纶的方法已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，例如，通过增加微通道来实现扩大生产等，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (24)

1.一种采用微反应器制备芳纶的方法，其特征在于，采用液体二氧化碳和/或超临界二氧化碳为溶剂，具体包括以下步骤：
Ⅰ)在配料釜中，将苯二胺溶于液体二氧化碳或超临界二氧化碳溶剂中，并加入有机缚酸剂，保持二氧化碳为液体或者超临界状态，得到苯二胺-缚酸剂-二氧化碳混合溶液；
Ⅱ)在配料釜中，将苯二甲酰氯溶于液体二氧化碳或超临界二氧化碳溶剂中，保持二氧化碳为液体或者超临界状态，得到苯二甲酰氯的二氧化碳溶液；
Ⅲ)向聚合反应器中加入缚酸剂，以惰性气体置换微反应器和聚合反应器中原有气体，并向聚合反应器注入液体二氧化碳或超临界二氧化碳溶剂，并开启搅拌；
Ⅳ)将步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液同时通入微反应器中混合进行反应，且步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液同时加注完毕；
Ⅴ)从微反应器出口得到的预聚合反应液进入聚合反应器中，进行进一步聚合反应，保持聚合反应器内温度和压力维持CO2处于液体或者超临界状态，在聚合反应器中反应结束后，得到芳纶聚合物混合液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述芳纶聚合物混合液回收溶剂二氧化碳，加入水，离心过滤、清洗，得到芳纶聚合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用液体二氧化碳作为反应溶剂时，反应温度低于CO2的临界温度并高于CO2的三相点温度，反应过程中，需保持在所述反应温度下维持二氧化碳为液体状态的压力。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采用液体二氧化碳作为反应溶剂时，反应温度为-56.6～31.1℃；压力为0.55～45MPa。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用超临界二氧化碳流体作为反应溶剂时，反应环境保持在CO2的临界温度和临界压力之上，反应温度高于31.1℃，反应压力大于7.29MPa。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述采用超临界二氧化碳流体作为反应溶剂时，反应温度为31.1～120℃，压力为7.29～50MPa。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用液体二氧化碳和超临界二氧化碳流体作为反应溶剂，过程为：首先控制二氧化碳处于液体状态，在进一步的聚合过程中放热和/或通过外部供热使得溶液温度上升，越过二氧化碳的临界温度，且压力也大于临界压力时，二氧化碳成为超临界态，并在超临界状态中继续完成反应。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的聚合反应器为螺杆聚合反应器。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的聚合反应器为双螺杆聚合反应器。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
Ⅰ)在配料釜中，将苯二胺溶于液体二氧化碳或超临界二氧化碳溶剂中，并加入有机缚酸剂，保持二氧化碳为液体或者超临界状态，得到苯二胺-缚酸剂-二氧化碳混合溶液；
Ⅱ)在配料釜中，将苯二甲酰氯溶于液体二氧化碳或超临界二氧化碳溶剂中，保持二氧化碳为液体或者超临界状态，得到苯二甲酰氯的二氧化碳溶液；
Ⅲ)以惰性气体置换微反应器和螺杆聚合反应器中原有气体；向螺杆聚合反应器的配套配料釜中注入液体二氧化碳或超临界二氧化碳溶剂，并加入缚酸剂，得到含有缚酸剂的二氧化碳溶液；
Ⅳ)将步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液同时通入微反应器中混合进行反应，且步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液同时加注完毕；
Ⅴ)从微反应器出口得到的预聚合反应液和螺杆聚合反应器的配套配料釜中的含有缚酸剂的二氧化碳溶液连续进入螺杆聚合反应器中，保持聚合反应器内温度和压力维持CO2处于液体或者超临界状态，进行进一步聚合反应，挤出芳纶聚合物混合液。
11.根据权利要求1～10任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤Ⅲ)中微反应器的每个微通道上设置有流量计和自控阀，以控制步骤Ⅰ)所得的溶液和步骤Ⅱ)所得的溶液能够同时通入微反应器并且同时加注完毕，且按照苯二胺和苯二甲酰氯的摩尔比为0.95～1.0:0.95～1.0。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，严格按照苯二胺和苯二甲酰氯的摩尔比为1:1进料。
13.根据权利要求1～10任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤Ⅰ)中溶剂用量为苯二胺质量的5～40倍；步骤Ⅱ)中溶剂用量为苯二甲酰氯质量的5～40倍；所述步骤Ⅲ)中溶剂用量与步骤Ⅰ)中配料釜中溶剂的质量比为10～50:100。
14.根据权利要求1～10任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤Ⅰ)和/或步骤Ⅱ)中预先加入芳纶聚合物的助溶剂碱金属或者碱土金属的氯化物。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述助溶剂与步骤Ⅰ)或步骤Ⅱ)中溶剂的质量比为0.02～2:100。
16.根据权利要求1～10任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤Ⅰ)中加入的有机缚酸剂为有机碱；步骤Ⅲ)中加入的缚酸剂为有机碱与无机碱的混合物。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤Ⅰ)和Ⅲ)中缚酸剂总量为中和生成的氯化氢所需的理论化学计量的0.95～1.2倍。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤Ⅰ)和Ⅲ)中缚酸剂总量为中和生成的氯化氢的所需的理论化学计量的1.01～1.1倍。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述步骤Ⅰ)中有机缚酸剂加入量为所需缚酸剂总化学计量的20％～40％；所述步骤Ⅲ)中加入的缚酸剂中有机碱的用量为能够满足中和剩余氯化氢总量的40～80％。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述无机碱为碱金属和/或碱土金属的碳酸盐和/或碳酸氢盐。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述无机碱为锂和/或钙的碳酸盐和/或碳酸氢盐。
22.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应物在步骤Ⅲ)中通过时间为10～90s；步骤Ⅳ)中的聚合时间为20～100min。
23.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤Ⅳ)中采用双螺杆聚合反应器时聚合时间为20～30min。
24.根据权利要求1～10任一项所述的方法，其特征在于，所述配料釜的压力高于聚合反应器中的压力。
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