CN108380150B - 制备低分子量聚苯乙烯的多通道微反应器系统及方法 - Google Patents

制备低分子量聚苯乙烯的多通道微反应器系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种制备低分子量聚苯乙烯的多通道微反应器系统及方法，该系统包括：用于苯乙烯的储槽、用于引发剂的甲苯溶液的储槽和分别与之相连的微混合器、与微混合器的输出端依次相连的进口分布通道、带有换热单元的并行反应通道和出口集流通道，反应物首先经过微混合器，然后进入进口分布通道，通过一步分布模式或逐级分布的模式实现反应物在微通道内的分布，通过换热单元控制并行反应通道内的反应温度，在出口集流通道通过收集来自并行通道的聚苯乙烯反应液。本发明使反应时间缩短至5～30min，单体转化率在90％以上，分子量为1000～10000，分子量分布为1.1‑2.5，产量可达10kg/天。

Description

制备低分子量聚苯乙烯的多通道微反应器系统及方法
技术领域
本发明涉及的是一种化工反应器设计和聚合反应领域的技术，具体是一种制备分子量为1000～10000聚苯乙烯的多通道微反应器系统及方法。
背景技术
聚苯乙烯(PS)由苯乙烯单体聚合而成，是世界上消耗量最大的塑料之一。由于它价格低廉，具有较好的刚性、透明性、耐水、耐腐蚀性、电绝缘性、低吸湿性和易成型加工等特点，被广泛应用于仪器仪表部件、装潢、包装及日常用品等领域。作为一种添加剂，聚苯乙烯粉末是苯乙烯系树脂的主要品种之一，易于流动，具有便捷的操作性，并且能够如同填料一样直接加入用于生产其它塑料制品的分散釜或者捏合机，由此来改善分散釜的流变行为、优化产品质量。在聚苯乙烯工业生产过程中，所使用的传统釜式反应器对于具有高粘性的高分子溶液的混合、传热性能较差，在聚合反应过程中容易导致单体浓度分布不均匀，局部温度过高，出现自动加速效应甚至爆聚，最终导致产品批次稳定性不好。同时，间歇反应操作周期长、产能低、能耗大。
发明内容
本发明针对现有技术操作方式繁琐，反应时间长以及批次稳定性差等缺陷，提出了一种制备低分子量聚苯乙烯的多通道微反应器系统及方法，反应时间缩短至5～30min，单体转化率90％以上，分子量为1000～10000，分子量分布为1.1-2.5，产量可达10kg/天，溶剂和残留单体可循环使用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种制备低分子量聚苯乙烯的多通道微反应器系统，包括：用于苯乙烯的储槽、用于引发剂的甲苯溶液的储槽和分别与之相连的微混合器、与微混合器的输出端依次相连的进口分布通道、带有换热单元的并行反应通道和出口集流通道，反应物首先经过微混合器，然后进入进口分布通道，通过一步分布模式或逐级分布的模式实现反应物在微通道内的分布，通过换热单元控制并行反应通道内的反应温度，在出口集流通道通过收集来自并行通道的聚苯乙烯反应液。
所述的微混合器与苯乙烯储槽或甲苯溶液储槽之间设有精密平流泵。
所述的并行反应通道通过螺纹或/和卡套与进口分布通道和出口集流通道相连接。
所述的微混合器为T型微混合器、Y型微混合器或静态微混合器。
所述的一步分布模式，通过并行反应通道和与并行反应通道直接连接的进口分布通道，实现反应物在各个并行反应通道内的均匀分布，其中：并行反应通道由相同长度的若干条反应通道平行排布或堆叠排布并联组成，任意相邻的两个反应通道相互平行且间距相等，经过并行反应通道的反应液在出口集流通道中直接汇成一股聚苯乙烯反应液。
所述的逐级分布模式，通过进口分布通道以二叉树方式排列并与并行反应通道相连，出口集流通道与并行反应微通道末端连接且出口集流通道也以二叉树方式汇成一股聚苯乙烯反应液。
所述的二叉树方式排列是指：进口分布通道中每一通道在下一级都分布有两个相同的分支通道，上一级的一个通道与下一级任意通道间夹角为90°≤α<180°；下一级的两个通道间夹角为0°<α≤180°，与上一级通道呈左右对称结构；出口集流通道则按2n-1次幂呈几何级数逐级减少(n≥1，正整数)，每两个分支通道在上一级都汇集成一个分支通道。
所述的微反应器系统中的进口分布通道、并行反应通道和出口集流通道均采用但不限于不锈钢毛细管或PFA毛细管构成，内径为0.25～6mm。
本发明涉及上述系统的低分子量聚苯乙烯制备方法，通过精密平流泵将单体苯乙烯和引发剂的甲苯溶液分别从微混合器的两个不同入口端输入，经混合后进入进口分布通道并均匀分布到各个并行的反应通道内进行聚合反应，反应完成后的聚苯乙烯反应液进入出口集流通道，经提纯干燥得到粉末状的聚苯乙烯。
所述的引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN)、过氧化二苯甲酰(BPO)或过氧化苯甲酸叔丁酯(TBPB)中的一种或以上；甲苯的用量为苯乙烯体积的0.1～5.0倍，引发剂用量为单体质量的0.5～10％。
优选地，聚合反应温度为60～140℃，反应时间为5～30min。
优选地，聚合反应完成后得到的聚苯乙烯溶液采用醇溶剂提纯，提纯后的聚苯乙烯为白色丝状固体，烘干后得到粉末状产品聚苯乙烯，其中：提纯聚苯乙烯的残液经减压蒸馏后得到的醇溶剂可循环用于聚苯乙烯的提纯。
所述的醇溶剂为甲醇和/或乙醇。
技术效果
与现有技术相比，本发明提出的微反应器系统能够有效强化反应物料的混合过程，优化换热过程，精确控制反应管道内部的反应温度，并且采用简单易行的并行放大生产模式，缩短了反应器放大时间，大幅提高了产量。研究结果表明该装置可以在60～140℃的温度范围内实现连续化的苯乙烯溶液聚合。
附图说明
图1和图2为微反应器系统结构示意图；
图1中：1苯乙烯储槽、2引发剂的甲苯溶液储槽、3精密平流泵、4精密平流泵、5微混合器、6进口分布通道、7并行反应通道、8出口集流通道、9样品收集罐；图2中：10苯乙烯储槽、11引发剂的甲苯溶液储槽、12精密平流泵、13精密平流泵、14微混合器、15进口分布通道、16并行反应通道、17出口集流通道、18样品收集罐。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例涉及的多通道微反应器系统包括：用于苯乙烯的储槽1、用于引发剂的甲苯溶液的储槽2和分别与之相连的微混合器5、与微混合器5的输出端依次相连的进口分布通道6、带有换热单元的并行反应通道7、出口集流通道8和样品收集罐9，反应物首先经过微混合器5，然后进入进口分布通道，通过一步分布模式或逐级分布的模式实现反应物在微通道内的分布，通过换热单元控制并行反应通道内的反应温度，在出口集流通道通过样品收集罐收集来自并行通道的聚苯乙烯反应液。
本实施例通过以下方式实现：
1)将苯乙烯和引发剂溶液分别储存在苯乙烯储槽1和引发剂的甲苯溶液储槽2中，从精密平流泵3和4输送进入微混合器5，在微混合器中两种溶液进行混合；物料经分布通道6均匀分布在各个并行的反应通道7内，在反应通道7内进行聚合反应，通过换热单元控制反应温度为60～140℃，反应通道出口处得到的溶液在集流通道8汇集，储存在收集罐9内，收集罐9内的溶液经提纯后得到的聚苯乙烯为白色丝状固体，烘干后得到粉末状的聚苯乙烯。
本实施例中的混合单元为静态微混合器。溶剂甲苯的体积用量为苯乙烯的1.5倍，引发剂BPO质量用量为苯乙烯的3％。并行反应通道数目为32个，内径为1mm，反应通道内的温度为100℃，反应液流量为1L/min，反应时间15min。产物的数均分子量Mn为4756，分子量分布指数为1.38，单体转化率为98.32％。
实施例2
本实施例溶剂甲苯的体积用量为苯乙烯的5倍，其它条件与实施例1相同。本实施例所得产物的数均分子量Mn为3831，分子量分布指数为1.56，转化率为97.32％。
实施例3
本实施例，反应时间为30min，其它条件与实施例1相同。本实施例所得产物的数均分子量Mn为4668，分子量分布指数为1.41，转化率为98.70％。
实施例4
本实施例引发剂为AIBN，其它条件与实施例1相同。本实施例所得产物的数均分子量Mn为3570，分子量分布指数为1.65，转化率为90.2％。
实施例5
本实施例引发剂TBPB，用量为苯乙烯质量的1％，其它条件与实施例1相同。本实施例所得产物的数均分子量Mn为10003，分子量分布指数为1.78，转化率为96.77％。
实施例6
本实施例使用的毛细管反应管路的内径为4mm，其它条件与实施例1相同。本实施例所得产物的数均分子量Mn为5333，分子量分布指数为1.86，转化率为98.51％。
实施例7
本实施例反应温度为140℃，其它条件与实施例1相同。本实施例所得产物的数均分子量Mn为2563，分子量分布指数为1.76，转化率为99.78％。
实施例8
如图2所示，本实施例涉及的多通道微反应器系统包括：用于苯乙烯的储槽10、用于引发剂的甲苯溶液的储槽11和分别与之相连的微混合器14、与微混合器14的输出端依次相连的进口分布通道15、带有换热单元的并行反应通道16、出口集流通道17和样品收集罐18，反应物首先经过微混合器14，然后进入进口分布通道，通过一步分布模式或逐级分布的模式实现反应物在微通道内的分布，通过换热单元控制并行反应通道内的反应温度，在出口集流通道通过样品收集罐收集来自并行通道的聚苯乙烯反应液。
本实施例通过以下方式实现：
将苯乙烯和引发剂溶液分别储存在苯乙烯储槽10、引发剂的甲苯溶液储槽11中，从精密平流泵12和13输送进入微混合器14，在微混合器中两种溶液进行混合；物料经分布通道15均匀分布在各个并行的反应通道16内，在反应通道16内进行聚合反应，通过换热单元控制反应温度为60～140℃，反应通道出口处得到的溶液在集流通道17汇集，储存在收集罐18内，收集罐18内的溶液经提纯后得到的聚苯乙烯为白色丝状固体，烘干后得到粉末状的聚苯乙烯。
本实施例中的混合单元使用的静态微混合器。溶剂甲苯的体积用量为苯乙烯的1.5倍，引发剂BPO质量用量为苯乙烯的3％。并行反应通道数目为16个，内径为1mm，反应通道内的温度为100℃，反应液流量为0.5L/min，反应时间15min。产物的数均分子量Mn为4881，分子量分布指数为1.29，单体转化率为97.85％。
实施例9
本实施例溶剂甲苯的体积用量为苯乙烯的5倍，其它条件与实施例8相同。本实施例所得产物的数均分子量Mn为3772，分子量分布指数为1.49，转化率为96.54％。
实施例10
本实施例，反应时间为30min，其它条件与实施例8相同。本实施例所得产物的数均分子量Mn为4538，分子量分布指数为1.62，转化率为98.83％。
实施例11
本实施例引发剂为AIBN，其它条件与实施例8相同。本实施例所得产物的数均分子量Mn为3750，分子量分布指数为1.85，转化率为95.26％。
实施例12
本实施例引发剂BPO用量为苯乙烯质量的1％，其它条件与实施例8相同。本实施例所得产物的数均分子量Mn为9006，分子量分布指数为1.63，转化率为93.67％。
实施例13
本实施例使用的毛细管反应管路的内径为3mm，其它条件与实施例8相同。本实施例所得产物的数均分子量Mn为4971，分子量分布指数为1.96，转化率为96.16％。
实施例14
本实施例反应温度为140℃，其它条件与实施例8相同。本实施例所得产物的数均分子量Mn为2199，分子量分布指数为1.98，转化率为99.55％。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (4)

1.一种基于多通道微反应器系统的低分子量聚苯乙烯制备方法，其特征在于，所述系统包括：用于苯乙烯的储槽、用于引发剂的甲苯溶液的储槽和分别与之相连的微混合器、与微混合器的输出端依次相连的进口分布通道、带有换热单元的并行反应通道和出口集流通道，反应物首先经过微混合器，然后进入进口分布通道，通过一步分布模式或逐级分布模式实现反应物在微通道内的分布，通过换热单元控制并行反应通道内的反应温度，在出口集流通道通过收集来自并行反应通道的聚苯乙烯反应液；
所述的微反应器系统中的进口分布通道、并行反应通道和出口集流通道均采用不锈钢毛细管或PFA毛细管构成，内径为0.25~6mm；
所述的一步分布模式，通过并行反应通道和与并行反应通道直接连接的进口分布通道，实现反应物在各个并行反应通道内的均匀分布，其中：并行反应通道由相同长度的若干条反应通道平行排布或堆叠排布并联组成，任意相邻的两个反应通道相互平行且间距相等，经过并行反应通道的反应液在出口集流通道中直接汇成一股聚苯乙烯反应液；
所述的逐级分布模式，通过进口分布通道以二叉树方式排列并与并行反应通道相连，出口集流通道与并行反应通道末端连接且出口集流通道也以二叉树方式汇成一股聚苯乙烯反应液；
所述的低分子量聚苯乙烯制备方法，通过精密平流泵将单体苯乙烯和引发剂的甲苯溶液分别从微混合器的两个不同入口端输入，经混合后进入进口分布通道并均匀分布到各个并行反应通道内进行聚合反应，反应完成后的聚苯乙烯反应液进入出口集流通道，经提纯干燥得到粉末状的聚苯乙烯；
所述的二叉树方式排列是指：进口分布通道中每一通道在下一级都分布有两个相同的分支通道，上一级的一个通道与下一级任意通道间夹角为90°≤α<180°；下一级的两个通道间夹角为0°<α≤180°，与上一级通道呈左右对称结构；出口集流通道则按2n-1次幂呈几何级数逐级减少n为大于等于1的正整数，每两个分支通道在上一级都汇集成一个分支通道；
所述的引发剂为偶氮二异丁腈、过氧化二苯甲酰或过氧化苯甲酸叔丁酯中的一种或以上；
甲苯的用量为苯乙烯体积的0.1~5.0倍，引发剂用量为单体质量的0.5~10%；
所述的聚合反应温度为60~140℃，反应时间为5~30min；
所述的聚合反应完成后得到的聚苯乙烯溶液采用醇溶剂提纯，提纯后的聚苯乙烯为白色丝状固体，烘干后得到粉末状产品聚苯乙烯，其中：提纯聚苯乙烯的残液经减压蒸馏后得到的醇溶剂可循环用于聚苯乙烯的提纯。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的微混合器与苯乙烯储槽以及微混合器与甲苯溶液储槽之间分别设有精密平流泵。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的并行反应通道通过螺纹或/和卡套与进口分布通道和出口集流通道相连接。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的微混合器为T型微混合器、Y型微混合器或静态微混合器。
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