CN112705133A - 一种聚氨酯弹性纤维的制备系统 - Google Patents

一种聚氨酯弹性纤维的制备系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种聚氨酯弹性纤维的制备系统，制备系统包括：用于存放制备所需基础原液的MDI储料罐和PTMG储料罐，通过双进液接头与MDI储料罐和PTMG储料罐出料端同时连接的聚合反应器，与聚合反应器的出液接头连接的预聚物存储罐，设置于预聚物存储罐出料端的扩链反应器，设置于扩链反应器出液端的纺丝装置，聚合反应器为微通道连续聚合反应器，主要用于制备高强度的聚氨酯弹性纤维。

Description

一种聚氨酯弹性纤维的制备系统
技术领域
本发明涉及一种聚氨酯的制备系统，尤其涉及一种聚氨酯弹性纤维的制备系统。
背景技术
氨纶丝全名氨纶纤维是聚氨基甲酸酯纤维的简称，由PTMG与MDI聚合而成，是现代服饰工业材料，服装面料，氨纶长丝外包覆短纤维纱，即氨纶丝包芯纱，用其织制的弹力织物舒适、合体、弹性强，有人体第二皮肤的美誉。
通过预聚合、终聚扩链、加入添加剂改善原液使用性能、搅拌、过滤和纺丝工序将反应后的高分子聚合物溶液，纺制成符合低使用要求的氨纶丝成品。
中国专利CN206545068U公开了一种小型氨纶聚合原液实验制备系统，其中使用泵将PTMG与MDI溶液送到预聚合管道反应器中进行预聚合反应，以制备出符合工艺要求的预聚物。但事实上，管道反应器的聚合效果并不理想，无法让两种不同的溶液充分聚合反应。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的问题，提出了一种聚氨酯弹性纤维的制备系统。
该制备系统包括：用于存放制备所需基础原液的MDI储料罐和PTMG储料罐，通过双进液接头与MDI储料罐和PTMG储料罐出料端同时连接的聚合反应器，与聚合反应器的出液接头连接的预聚物存储罐，设置于预聚物存储罐出料端的扩链反应器，设置于扩链反应器出液端的纺丝装置；
其中，聚合反应器为微通道连续聚合反应器，包括：四层具有不同功能的板层，中间两层为具有微通道结构的微通道板和微反应腔连通板，上下两层为夹板层，上夹板上设置与外界连通的双进液接头和出液接头，整个聚合反应器的微通道结构结构部分置于温控水浴箱内。
进一步地，微通道板上布置着四种微通道类型，分别为一阶段反应通道，二阶段反应腔，三阶段反应通道，四阶段反应腔；其中，一阶段反应通道的起始端设有与上夹板上的双进液接头连通的双进液通道，将MDI储料罐和PTMG储料罐中的原液引入聚合反应器，四阶段反应通道的末端设有与上夹板上的出液接头连通的四阶段出液孔；单个微通道反应器的反应速度为，实际生产中可以通过增加并行的微通道聚合反应器的数量达到增加产能的目的。
进一步地，在所述一阶段反应通道，二阶段反应腔，三阶段反应通道，四阶段反应腔之间通过微反应腔连通板彼此连通；通过微通道板和微反应腔连通板组合的方式，使聚合反应的溶液不仅微通道板上按照各种特殊的几何形状进行传递形流动，也可以在垂直于微通道板的方向上进行变向的流动。
进一步地，随着反应进行，聚合反应液的粘度逐渐增加，所述一阶段反应通道，二阶段反应腔中聚合反应液通过最窄处截面积不超过2mm2,反应粘度低于0.3Pa·S,三阶段反应通道，四阶段反应腔聚合反应液通过截面积为3mm2-4mm2,反应粘度为0.6Pa·S-1.0Pa·S。
进一步地，二阶段反应腔与三阶段反应通道之间设有增压泵，增压泵安装在上夹板表面，其输入端与上夹板的二阶段出料接头连通，其输出端与三阶段进料接头连通；二阶段反应腔末端的二阶段出料孔与二阶段出料接头相通，三阶段反应通道初始端的三阶段进料孔与三阶段进料接头相通。
进一步地，二阶段反应腔与四阶段反应腔上各独立腔体通过微反应腔连通板上的反应腔连通槽和反应腔变向孔连通，反应腔变向孔均垂直于反应腔连通板，反应腔连通槽则位于微反应腔连通板远离微通道板的平面上。
进一步地，所述微通道板、微反应腔连通板和下夹板，上在未设置微反应通道或腔体的位置设置若干螺钉过孔，在上夹板对应位置设置螺纹孔，下夹板上的螺栓穿过螺钉过孔，将四层板夹紧一起；在微通道板、微反应腔连通板、上夹板和下夹板的对角处设置定位销孔，通过定位销进行定位，保证各层板具有相同的定位基准。
进一步地，PTMG储料罐和预聚物存储罐外部分别设有加入溶剂的PTMG溶剂添加泵和预聚物溶剂添加泵。
进一步地，扩链剂从预聚物存储罐与扩链反应器之间的管路通过扩链剂添加泵进行添加。
进一步地，在所述扩链反应器与纺丝装置之间设置添加剂混合罐和纺丝原液储罐，添加剂混合罐上部连接着添加剂添加泵。
本发明的技术效果在于：在制备氨纶纺丝原液的过程中，使用微通道聚合反应器，可以使反应后的预聚物溶液分子量分布更加均匀，杜绝局部爆聚产生的高分子凝胶，提升分子量分布，使聚合度控制在1.5-3.5，通过设置多个反应器并排来满足量产要求，克服了采用常规管道混合器或搅拌器出现的管壁效应或反应温度过高的问题，导致4,4二苯基甲烷二异氰酸酯和聚四亚甲基醚二醇不能充分混合，造成造成预聚物出现软段聚集或硬段聚集的现象，避免出现最终得到的聚氨酯纤维部分段弹性好，但断裂强度低，部分段断裂强度高，但弹性差的现象。
PTMG溶液与MDI溶液聚合反应属于反应物配比要求很严的快速反应，根据此特点，定制了四种微通道形态，一阶段反应通道的总长度较短，主要进行两种物料的混合，反应时控制在1至2分钟，避免局部某一种物料的浓度过高，然后会导致其形成一种凝胶者局部爆聚的结果，因此主要采用直线通道的微管布局方式；二阶段反应腔内主要进行低粘度反应，该反应阶段大概持续5至10分钟，随着反应的进行，反应粘度逐渐提升，在二阶段反应结束前，有70％左右的物料已经开始反应，二阶段反应结束时，管道内物料粘度为终点粘度的70％左右，二阶段反应腔的最大通过截面和最小通过截面相差至少5倍，使得物料在二阶段反应腔中各处流速各不相同；一、二阶段反应腔最小截面积为2mm2,，经过一、二阶段反应后，反应液的粘度提升，因此，三阶段反应通道和四阶段反应腔的反应液通过截面需要扩大，三、四阶段反应最小截面积为3mm2-4mm2，反应时控制在10至15分钟。且三、四阶段的反应需要增加泵。
现有技术中在管道反应器进行聚合反应的时间为2小时，而使用微通道反应器后，由于其卓越的混合和传质性能，使总聚合反应时长缩短至30min以内。
且单个微通道反应器占地面积非常小，利于采用水浴或油浴的方法控制反应温度。
附图说明
图1是本发明中聚氨酯制备系统的流程图；
图2是本发明中聚合反应器的轴测图；
图3是本发明中微通道板的主视图；
图4是本发明中微反应腔连通板的主视图；
图5是本发明中聚合反应器的左视图。
图中，1.微通道板，2.微反应腔连通板，3.上夹板，4.下夹板，5.增压泵，6.螺纹孔，7.螺钉过孔，8.温控水浴箱，9.螺栓，10.定位销孔，11.双进液通道，12.一阶段反应通道，13.二阶段反应腔，14.三阶段反应通道，15.四阶段反应腔，16.二阶段出料孔，17.三阶段进料孔，18.四阶段出液孔，20.定位销，21.反应腔连通槽，22.反应腔变向孔，31.双进液接头，32.出液接头，33.二阶段出料接头，34.三阶段进料接头，50.计量泵，100.聚合反应器，200.MDI储料罐，300.PTMG储料罐，350.PTMG溶剂添加泵，400.预聚物存储罐，450.预聚物溶剂添加泵，500.扩链剂添加泵，600.扩链反应器，700.添加剂混合罐，750.添加剂添加泵，800.纺丝原液储罐，900.纺丝装置。
具体实施方式
下面结合图1至图5对本发明的具体实施方式进行说明。
图1示意了制备聚氨酯弹性纤维所需的装备，该制备系统包括：用于存放制备所需基础原液的MDI储料罐200和PTMG储料罐300，通过双进液接头31与MDI储料罐200和PTMG储料罐300出料端同时连接的聚合反应器100，与聚合反应器100的出液接头32连接的预聚物存储罐400，设置于预聚物存储罐400出料端的扩链反应器600，设置于扩链反应器600出液端的纺丝装置900；
PTMG储料罐300和预聚物存储罐400外部分别设有加入溶剂的PTMG溶剂添加泵350和预聚物溶剂添加泵450，扩链剂从预聚物存储罐400与扩链反应器600之间的管路通过扩链剂添加泵500进行添加；在所述扩链反应器600与纺丝装置900之间设置添加剂混合罐700和纺丝原液储罐800，添加剂混合罐700上部连接着添加剂添加泵750。
图2示意了聚合反应器的整体结构，聚合反应器100为微通道连续聚合反应器，包括：四层具有不同功能的板层，中间两层为具有微通道结构的微通道板1和微反应腔连通板2，上下两层为夹板层，上夹板3上设置与外界连通的双进液接头31和出液接头32；整个聚合反应器100的微通道结构结构部分置于温控水浴箱8内；
二阶段反应腔13与三阶段反应通道14之间设有增压泵5，增压泵5安装在上夹板3表面，其输入端与上夹板3的二阶段出料接头33连通，其输出端与三阶段进料接头34连通；二阶段反应腔13末端的二阶段出料孔16与二阶段出料接头33相通，三阶段反应通道14初始端的三阶段进料孔17与三阶段进料接头34相通。
图3示意了四种微通道结构及反应聚合液的走向，所述微通道板1上布置着四种微通道类型，分别为一阶段反应通道12，二阶段反应腔13，三阶段反应通道14，四阶段反应腔15；其中，一阶段反应通道12的起始端设有与上夹板3上的双进液接头31连通的双进液通道11，将MDI储料罐200和PTMG储料罐300中的原液引入聚合反应器100，四阶段反应通道15的末端设有与上夹板3上的出液接头32连通的四阶段出液孔18；
一阶段反应通道12，二阶段反应腔13中聚合反应液通过最窄处截面积不超过2mm2,反应粘度低于0.3Pa·S,三阶段反应通道14，四阶段反应腔15聚合反应液通过截面积为3mm2-4mm2,反应粘度为0.6Pa·S-1.0Pa·S。
图4示意了微反应腔连通板的结构，所述一阶段反应通道12，二阶段反应腔13，三阶段反应通道14，四阶段反应腔15之间通过微反应腔连通板2彼此连通；
二阶段反应腔13与四阶段反应腔15上各独立腔体通过微反应腔连通板2上的反应腔连通槽21和反应腔变向孔22连通，反应腔变向孔22均垂直于反应腔连通板2，反应腔连通槽21则位于微反应腔连通板2远离微通道板1的平面上；
图5示意了聚合反应器的装配方式，微通道板1、微反应腔连通板2和下夹板4，上在未设置微反应通道或腔体的位置设置若干螺钉过孔7，在上夹板3对应位置设置螺纹孔6，下夹板4上的螺栓9穿过螺钉过孔7，将四层板夹紧一起；在微通道板1、微反应腔连通板2、上夹板3和下夹板4的对角处设置定位销孔10，通过定位销20进行定位。
工作原理：通过PTMG溶剂添加泵350向PTMG储料罐300添加非质子极性溶剂中，溶解罐中的聚四亚甲基醚二醇；再将MDI溶液和PTMG溶液通过罐体底部的计量泵50按一定比例从双进液接头31注入聚合反应器100中，两种从溶液经过一阶段反应通道12，二阶段反应腔13反应后，从二阶段出料孔16流出，进过增加泵5的增压，再从三阶段反应通道14进入三阶段反应通道14和四阶段反应腔15，最后，完成预聚合反应的溶液从四阶段出液孔18流出，进入预聚物存储罐400；此时，打开预聚物溶剂添加泵450加入非质子极性溶剂，溶解后通过计量泵50将预聚物存储罐400内的液体导入扩链反应器600，同时扩链剂添加泵500从同一管路加入三元胺和二乙胺，进行扩链反应；扩链反应后，在添加剂混合罐700内通过添加剂添加泵750后，通过计量泵50导入纺丝原液储罐800内充分搅拌融合、熟化20至30小时，再通过计量泵50注入纺丝装置900，开始进行纺丝。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种聚氨酯弹性纤维的制备系统，其特征在于，该制备系统包括：用于存放制备所需基础原液的MDI储料罐(200)和PTMG储料罐(300)，通过双进液接头(31)与MDI储料罐(200)和PTMG储料罐(300)出料端同时连接的聚合反应器(100)，与聚合反应器(100)的出液接头(32)连接的预聚物存储罐(400)，设置于预聚物存储罐(400)出料端的扩链反应器(600)，设置于扩链反应器(600)出液端的纺丝装置(900)；
其中，聚合反应器(100)为微通道连续聚合反应器，包括：四层具有不同功能的板层，中间两层为具有微通道结构的微通道板(1)和微反应腔连通板(2)，上下两层为夹板层，上夹板(3)上设置与外界连通的双进液接头(31)和出液接头(32)；
整个聚合反应器(100)的微通道结构结构部分置于温控水浴箱(8)内。
2.根据权利要求1所述的聚氨酯弹性纤维的制备系统，其特征在于，所述微通道板(1)上布置着四种微通道类型，分别为一阶段反应通道(12)，二阶段反应腔(13)，三阶段反应通道(14)，四阶段反应腔(15)；
其中，一阶段反应通道(12)的起始端设有与上夹板(3)上的双进液接头(31)连通的双进液通道(11)，将MDI储料罐(200)和PTMG储料罐(300)中的原液引入聚合反应器(100)；
四阶段反应通道(15)的末端设有与上夹板(3)上的出液接头(32)连通的四阶段出液孔(18)。
3.根据权利要求2所述的聚氨酯弹性纤维的制备系统，其特征在于，所述一阶段反应通道(12)，二阶段反应腔(13)，三阶段反应通道(14)，四阶段反应腔(15)之间通过微反应腔连通板(2)彼此连通。
4.根据权利要求3所述的聚氨酯弹性纤维的制备系统，其特征在于，所述一阶段反应通道(12)，二阶段反应腔(13)中聚合反应液通过最窄处截面积不超过2mm2,反应粘度低于0.3Pa·S,三阶段反应通道(14)，四阶段反应腔(15)聚合反应液通过截面积为3mm2-4mm2,反应粘度为0.6Pa·S-1.0Pa·S。
5.根据权利要求3所述的聚氨酯弹性纤维的制备系统，其特征在于，所述二阶段反应腔(13)与三阶段反应通道(14)之间设有增压泵(5)，增压泵(5)安装在上夹板(3)表面，其输入端与上夹板(3)的二阶段出料接头(33)连通，其输出端与三阶段进料接头(34)连通；二阶段反应腔(13)末端的二阶段出料孔(16)与二阶段出料接头(33)相通，三阶段反应通道(14)初始端的三阶段进料孔(17)与三阶段进料接头(34)相通。
6.根据权利要求3所述的聚氨酯弹性纤维的制备系统，其特征在于，所述二阶段反应腔(13)与四阶段反应腔(15)上各独立腔体通过微反应腔连通板(2)上的反应腔连通槽(21)和反应腔变向孔(22)连通，反应腔变向孔(22)均垂直于反应腔连通板(2)，反应腔连通槽(21)则位于微反应腔连通板(2)远离微通道板(1)的平面上。
7.根据权利要求1所述的聚氨酯弹性纤维的制备系统，其特征在于，所述微通道板(1)、微反应腔连通板(2)和下夹板(4)，上在未设置微反应通道或腔体的位置设置若干螺钉过孔(7)，在上夹板(3)对应位置设置螺纹孔(6)，下夹板(4)上的螺栓(9)穿过螺钉过孔(7)，将四层板夹紧一起；
在微通道板(1)、微反应腔连通板(2)、上夹板(3)和下夹板(4)的对角处设置定位销孔(10)，通过定位销(20)进行定位。
8.根据权利要求1所述的聚氨酯弹性纤维的制备系统，其特征在于，所述PTMG储料罐(300)和预聚物存储罐(400)外部分别设有加入溶剂的PTMG溶剂添加泵(350)和预聚物溶剂添加泵(450)。
9.根据权利要求1所述的聚氨酯弹性纤维的制备系统，其特征在于，所述扩链剂从预聚物存储罐(400)与扩链反应器(600)之间的管路通过扩链剂添加泵(500)进行添加。
10.根据权利要求1所述的聚氨酯弹性纤维的制备系统，其特征在于，在所述扩链反应器(600)与纺丝装置(900)之间设置添加剂混合罐(700)和纺丝原液储罐(800)，添加剂混合罐(700)上部连接着添加剂添加泵(750)。
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