TWI487721B - 聚(乙烯丁醛)之連續製造 - Google Patents
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Description
本發明為2009年4月8日申請的美國申請案第12/426,246號之接續案。上列申請案之教示全文係以引用的方式納入本文中。
本發明係在聚(乙烯丁醛)製造之領域中,且具體而言,本發明係在利用連續製造技術之聚(乙烯丁醛)製造的領域中。
聚(乙烯丁醛)(PVB)通常是用於製造可用作為光透射層板(例如安全玻璃或聚合性層板)的內層之聚合物片。安全玻璃通常係指透明的層板,其包含配置在二片玻璃間之聚(乙烯丁醛)片。安全玻璃通常係用在建築和自動開啟中提供透明的屏障。其主要的功能是吸收能量,例如來自物體碰撞所致者,而不會經由開口穿透或散落玻璃碎片,因而將對在封閉的範圍內之物體或人的傷害或損傷最小化。
聚(乙烯丁醛)一般是使用習知之批次法來製造,如同大多數的批次法,需要重複反應物添加、混合、洩放及清潔的循環。習知的方法可能需要超過四小時的批次循環時間。
當嘗試使用連續法製造聚(乙烯丁醛)時,這些習知的嘗試常常產生較不令人滿意之結果,包括例如具有不一致的聚(乙烯丁醛)組成物之樹脂,以及因混合器的限制,產生含不欲之黏聚物之聚(乙烯丁醛)的方法。
因此,需要進一步改良的方法以使用為有效、可擴充以及產生一貫高品質的聚(乙烯丁醛)之連續法製造聚(乙烯丁醛)。
本發明係提供連續製造聚(乙烯丁醛)之方法,其中聚(乙烯丁醛)之縮醛化係使用聚(乙烯醇)清漆供應至高剪力混合器之混合區域,於升高的溫度下進行,此方法相較於習用的處理,其能量需求量減少,因為省略掉至少一次的冷卻及加熱循環,或使能量回收更簡單。
本發明係提供經由使用高剪力混合器及高處理溫度供連續製造聚(乙烯丁醛)樹脂之聚(乙烯丁醛)製造方法,相較於習知的批次法,此方法提供更具經濟效益、有效及可調適的製造系統。
習知的批次製造聚(乙烯丁醛)典型係從將聚(乙烯醇)溶解於溶劑中開始,該溶劑可為(例如)水。溶液溫度典型升至約90℃以確保聚(乙烯醇)溶液完全溶解,之後將溶液冷卻至室溫以下並與丁醛在酸催化劑的存在下反應以形成聚(乙烯丁醛)。然後將所形成的聚(乙烯丁醛)混合物在清洗之前進一步加熱而形成最終產物。此方法耗時又耗能。
本發明之方法藉由將加熱過的連續聚(乙烯醇)流直接與連續的丁醛流在高剪力混合器的區域內反應,而簡化此法,因而省略了批次法中常見的冷卻和再加熱步驟,並降低能量成本及製造時間。
在本發明各種具體實例中,聚(乙烯醇)流(其為已溶於適合的溶劑中,且較佳的為水之聚(乙烯醇))在進入高剪力混合器之前先加熱(若聚(乙烯醇)溶解步驟是在混合前立即進行的情況下);或在進入混合器時加熱。例如,若聚(乙烯醇)溶液在開始溶解及導入高剪力混合器之間冷卻,則可應用的後者具體實例。在二者任一的情況下,經加熱的聚(乙烯醇)與連續的丁醇流於高剪力混合器的混合區域中混合。酸催化劑是在此混合發生前、混合發生時或混合已開始後但尚未完成前導入。在螺旋式高剪力混合器中,可提供例如供酸催化劑導入混合區域或連續流之一的入口。聚(乙烯醇)流、丁醛流及酸催化劑之組合順著高剪力混合,使得聚(乙烯丁醛)樹脂形成,然後可將其擠壓、清洗及乾燥而形成易處理、乾燥形式的聚(乙烯丁醛)樹脂。
如文中所用,「高剪力混合器」包括任何能將聚(乙烯醇)及丁醛流導入下列區域中之混合器,其中可施用至少20s-1
、30s-1
或40s-1
,或20s-1
至400s-1
、20s-1
至300s-1
,或20s-1
至200s-1
之剪切速率達至少20、30或40秒,或20至500秒、20至200秒或20至100秒久。在本發明之各種具體實例中,係施用至少20、30或40帕斯卡(Pascal),或20至400、20至300或20至200帕斯卡之剪切力。在高剪力混合後,粒子大小可為50至200微米,60至150微米或80至120微米。
本發明之高剪力混合器包括螺旋擠壓機、雙螺旋擠壓機、同軸混合器(in-line mixer)(實例包括Typhoon混合器)、散解機(實例包括IKA或Si Iverson混合器)、靜態混合器(實例包括Kenics或Sulzer混合器)以及其中高剪力流場能以夠長的停留時間結合,且較佳在栓流式的流態中結合之其他裝置。本發明之高剪力混合器能連續製造,意指其能接收連續的反應物輸入流,同時亦連續的排出反應產物。丁醛的濃度可為90.0%至99.9%,95.0至99.9%或90.0%至99.9%。聚(乙烯醇)清漆之濃度可為5%至20%,8.0%至18,0%或10.0%至15.0%。
在本發明方法之各種具體實例中,聚(乙烯醇)流之溫度可高於95℃、105℃或115℃,或120℃至160℃,或110℃至170℃,且如所指出的,溫度可在聚(乙烯醇)流導入高剪力混合器之前或之後設定。本發明之聚(乙烯醇)可由任何適合的來源衍生,及如下列所詳述,在各種具體實例中,聚(乙烯醇)係由已水解的聚(乙酸乙烯酯)所衍生。丁醛加至高剪力混合器,較佳的係以液體形式。其溫度可在0℃至70℃的範圍或更高(當於壓力下導入時),及其可保持在大約室溫。
聚(乙烯醇)流被導向高剪力混合器的區域,其在本文中係指高剪力混合器的「混合區域」,在該處將會發生與連續的丁醛流及酸催化劑混合。在各種具體實例中,混合區域的溫度係設定與流入的聚(乙烯醇)流溫度相同,或在該值的10%或20%之內。
縮醛化反應係在酸(作為催化劑)的存在下發生,其濃度範圍,以水相的聚(乙烯醇)為基準計,係例如介於0.1重量%至5重量%間,較佳的介於0.2重量%至2.0重量%間。適合的酸及其混合物為強礦物酸例如HCl、H2
SO4
、HNO3
、HClO4
、H3
PO4
和其他,以及芳香族和脂族硫酸。酸的溫度可在介於20℃至100℃的範圍,且較佳的係在攝氏10度或與聚(乙烯醇)溶液的溫度完全相同。在本發明之各種具體實例中,酸催化劑為無機酸,而在較佳的具體實例中,酸催化劑為硝酸。
就加入每1公斤純的聚(乙烯醇),添加的丁醛量可為0.25公斤至1.5公斤,或至0.50公斤至0.75公斤。
在一些具體實例中,在高剪力混合器中包括二個不同的混合區域。在第一混合區中,聚(乙烯醇)和丁醇於高剪力混合區中混合。在第一混合區中,剪切速率的範圍為20s-1
至10,000s-1
,50至5000s-1
,或100至500s-1
。材料在此第一混合區的停留時間可介於10秒至60分鐘間,30秒至30分鐘間,或60秒至10分鐘間。在第二混合區中,剪切速率的值可降至1s-1
至500s-1
或從5至50s-1
。在第二混合區的停留時間可為10至180分鐘或20至60分鐘。在這些具體實例中,各混合區的溫度可相同或不同。第一混合區的溫度可為10℃至120℃或從40℃至100℃。第二混合區的溫度可為10℃至120℃或60℃至120℃。
混合後,聚(乙烯丁醛)樹脂從混合區中以漿液排出,若需要,其可經中和、清洗和乾燥,讓聚(乙烯丁醛)成為易處理並以聚(乙烯丁醛)樹脂裝運的乾燥形式。
如文中所用,「由該高剪力混合器處理該聚(乙烯丁醛)樹脂」係指使用任何適合的方法使聚(乙烯丁醛)樹脂從高剪力混合器中移出,包括例如(但不限於)尤其是使用混合器壓力或外壓迫使樹脂移出混合器。
清洗程序的目的是萃取不反應的丁醛以及剩餘的酸催化劑。清洗可以連續的逆向流清洗法來進行,較佳係使用水作為萃取液。隨後藉由(例如)連續過濾法或以離心將粒子從母液中分離出。最後,聚(乙烯丁醛)粒子可使用連續乾燥法例如流動層乾燥、循環式流動層乾燥、急驟乾燥或其他能連續處理及輸送粉末的方法乾燥。
在上述混合過程期間可將各種添加劑加到聚(乙烯丁醛)中。這些可為界面活性劑用以幫助控制粒子之大小分布及對抗粒子過度的黏聚(參見美國專利案5,238,994),或為長鏈醛以在聚合物的主鏈上形成更長鏈縮醛基團(其可作為內塑化作用)(參見美國專利案5,594,069)。
由本發明連續法所製造的聚(乙烯丁醛)樹脂,在高剪力混合器的混合區形成樹脂後,可如美國專利案7,491,761中所詳述,用相同的連續法以另外的添加劑和塑化劑加以改變並形成可易於儲存及處理之團塊。
由本發明方法所形成的聚(乙烯丁醛)可形成任何其適合的物品。在一常見的應用中,聚(乙烯丁醛)係用於製造聚合物片供用於(例如)汽車及建築安全玻璃和光伏打模組。
如文中所用,「聚合物片」係指由任何適合的方法將任何熱塑性聚合物組成物形成薄層,其適合單獨或於一層以上之堆疊,用作為提供層壓玻璃板適當的抗穿透性及玻璃保持性之內層。
本發明,除了文中所述的方法外,係包括由本發明方法所製造的聚合物樹脂及由其製造的任何物品,包括聚(乙烯丁醛)片和層壓玻璃以及由此樹脂或片所製造的光伏打模組。
本發明方法之反應物的各種參數詳情係詳述於美國專利案2,282,057及2,282,026,以及Encyclopedia of Polymer Science & Technology,第3版,第8冊,第381-399頁由B.E. Wade(2003)所著的Vinyl Acetal Polymers中。
在各種具體實例中,由本發明方法所製造的聚(乙烯丁醛)樹脂包含10至35重量百分比(wt.%)之計算為聚(乙烯醇)的羥基基團,13至30 wt.%之計算為聚(乙烯醇)的羥基基團,或15至22 wt.%之計算為聚(乙烯醇)的羥基基團。聚(乙烯丁醛)樹脂亦可包含少於15 wt.%之殘餘酯基團,13 wt.%、11 wt.%、9 wt.%、7 wt.%、5 wt.%或少於3 wt.%之計算為聚(乙酸乙烯酯)的殘餘酯基團,剩餘的為縮醛,較佳為丁醛縮醛,但視需要包括其他次量的縮醛基團,例如2-乙基己醛基團(參見,例如美國專利案5,137,954)。
在各種具體實例中,所製造的聚(乙烯丁醛)可具有至少30,000、40,000、50,000、55,000、60,000、65,000、70,000、120,000、250,000之分子量或每莫耳至少350,000克(g/mole或道耳頓)。亦可在縮醛化步驟期間加入少量的二醛或三醛以將分子量增加到至少350,000 g/mole(參見,例如美國專利案4,902,464;4,874,814;4,814,529;及4,654,179)。如文中所用,術語「分子量」係指重量平均分子量。
各種黏著控制劑可加到本發明之聚(乙烯丁醛)中,其包括乙酸鈉、乙酸鉀及鎂鹽。可與這些本發明具體實例一起使用之鎂鹽包括(但不限於)揭示於美國專利案5,728,472中之鎂鹽,例如柳酸鎂、菸鹼酸鎂、二-(2-胺基苯甲酸)鎂、二-(3-羥基-2-萘甲酸)鎂及雙(2-乙基丁酸)鎂(化學文摘編號79992-76-0)。在本發明之各種具體實例中,鎂鹽為雙(2-乙基丁酸)鎂及雙(2-乙基己酸)鎂。
其他的添加劑可併入聚(乙烯丁醛)中以增加其在最終產物的性能。如本項技術中所知,此等添加劑包括(但不限於)染劑、色素、安定劑(例如紫外線安定劑)、抗氧化劑、IR吸收劑、滯焰劑、前述添加劑之組合物以及其類似物。
任何適合的塑化劑可加到本發明之聚(乙烯丁醛)樹脂中。塑化劑尤其可包括多元酸或多元醇之酯類。適合的塑化劑包括,例如二(2-乙基丁酸)三甘醇酯、二(2-乙基己酸)三甘醇酯、二庚酸三甘醇酯、二庚酸四甘醇酯、己二酸二己酯、己二酸二辛酯、環己基己二酸己酯、己二酸庚酯及壬酯之混合物、己二酸二異壬酯、己二酸庚基壬酯、癸二酸二丁酯、聚合型塑化劑例如油改質之癸二酸醇酸樹脂,以及例如揭示於美國專利案第3,841,890號之磷酸酯和己二酸酯之混合物和揭示於美國專利案第4,144,217號之己二酸酯,以及前述之混合物及組合物。其他可用的塑化劑為如美國專利案第5,013,779號所揭示的由C4至C9烷醇及環C4至C10醇所製造的混合己二酸酯,以及C6至C8己二酸酯例如己二酸己酯。在各種具體實例中,所用的塑化劑為己二酸二己酯及/或二-2-乙基己酸三甘醇酯。
在本發明之各種具體實例中,已與塑化劑混合之聚(乙烯丁醛),例如呈片或團塊形式,在每一百份樹脂(phr)可包括20至60、25至60、20至80、10至70或10至100份的塑化劑。
當然,當適合於特別的應用時亦可使用其他的量。在一些具體實例中,塑化劑具有少於20個,少於15個,少於12個,少於10個碳原子之烴段。
可調整塑化劑的量以影響聚(乙烯丁醛)產物之玻璃轉移溫度(Tg)。一般而言,加入較多量的塑化劑以降低Tg。本發明之聚(乙烯丁醛)聚合物片,例如可具有40℃或更低,35℃或更低,30℃或更低,25℃或更低,20℃或更低,及15℃或更低之Tg。
可用任何適合的方法皆以自本發明樹脂製造本發明之聚合物片。一形成聚(乙烯丁醛)片之例示方法包括藉由對熔融物施力通過壓模(例如具有實質上一邊的尺寸大於垂直邊尺寸之開口之壓模)來擠壓熔融狀包含樹脂、塑化劑及添加劑的聚(乙烯丁醛)。另一形成聚(乙烯丁醛)片之例示方法包括從壓模將熔融物鑄入旋轉器上,將樹脂固化,隨後移出呈片之固化樹脂。在各種具體實例中,聚合物片可具有例如0.1至2.5毫米,0.2至2.0毫米,0.25至1.75毫米及0.3至1.5毫米的厚度。
反應器系統可位於高剪力混合物之後。反應器系統可為任何類型的裝置,其能讓連續的漿液流通過系統,該系統提供足夠的剪力並可充分控制溫度。實例為栓流反應器,例如震盪管反應器、相互連接以提供夠長的停留時間之一系列靜態(例如,Kenics)混合器,或具有相連箱室(各帶有攪拌器)之多室混合器,其中聚(乙烯丁醛)係以箱室底部的開口及箱室上方的開口交替通過至各箱室。亦可有效地運用連續攪拌槽式反應器。
將於水中之濃度為11.4重量/重量%之聚(乙烯醇)溶液連續地打入Typhoon同軸混合器(TyphoonHSI-4;旋轉速度=2,650 RPM)。在實驗期間,聚(乙烯醇)溶液的溫度範圍係介於100℃至105℃間。為了得到均質的酸-聚(乙烯醇)溶液混合物,在反應之前將酸催化劑加到Kenics混合器(放置在Typhoon反應器入口前)內的聚(乙烯醇)溶液中。將丁醛本身加到Typhoon混合器內的此酸-聚(乙烯醇)溶液中。不同反應物之個別的流速係如下:聚(乙烯醇)清漆=每分鐘1,000克;硝酸溶液(15%)=每分鐘87克;丁醛=每分鐘63克。
從Typhoon將形成的漿液以打入儲槽中,用於完成高溫反應。連續的析出反應進行大約25分鐘,直到聚(乙烯醇)溶液耗盡。在高剪力混合器之後,粒子大小範圍介於80至120微米間,且殘餘的羥基含量大約為25%。在儲槽中注意到粒子大小進一步的擴大直到約350微米,其視儲槽攪拌器的旋轉速度而定。在儲槽中,羥基含量進一步降為約20%。
藉由本發明之優點,連續製造可用於任何習知聚(乙烯丁醛)應用之高品質聚(乙烯丁醛)樹脂現為可能的。
儘管參照例示的具體實例描述本發明,熟習本項技術者應了解,在不悖離本發明的範圍下,可作各種的改變及可以同等物取代其元件。此外,在不悖離本發明之基本範圍下,亦可對本發明之教示作修正以適應特別的情況或物質。因此,本發明意於不限於所揭示的特定具體實例作為施行本發明所預期的最佳模式,且本發明應包括落在所附的申請專利範圍之範疇內的所有具體實例。
進一步應了解,如全文所提,對於本發明任何單一的組份所給予的範圍、數值或特性,若相容,可與對本發明之任何其他組份所給予的範圍、數值或特性交換使用,以形成對各組份具有定義值之具體實例,因此形成許多在本發明範圍內之變更,但列出則顯繁瑣。
在摘要或任何申請專利範圍內之任何圖式元件符號僅為說明之目的,且不應視為將所請求之發明限定於任何圖中所示的任何特定具體實例。
除非另有指出,否則圖式並非按比例繪製。
文中所指之各參考文獻,包括期刊文章、專利、申請案及書係以引用的方式全部納入本文中。
Claims (17)
- 一種製造聚(乙烯丁醛)樹脂之方法,該方法包含下列步驟:提供高剪力混合器;將連續的聚(乙烯醇)流加入該高剪力混合器中;將連續的丁醛流加入該高剪力混合器中;於該高剪力混合器的混合區域中在至少20s-1 之剪切速率下混合該聚(乙烯醇)流及該丁醛流,其中該聚(乙烯醇)流係處於高於95℃的溫度下;及處理來自該高剪力混合器之聚(乙烯丁醛)樹脂。
- 一種製造聚(乙烯丁醛)樹脂之方法,該方法包含下列步驟:提供高剪力混合器;將連續的聚(乙烯醇)流加入該高剪力混合器中;將連續的丁醛流加入該高剪力混合器中;於該高剪力混合器的第一混合區域中在至少20s-1 之剪切速率下混合該聚(乙烯醇)流及該丁醛流,其中該第一混合區域係處於10℃至120℃的溫度下;及處理來自該高剪力混合器之聚(乙烯丁醛)樹脂。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該聚(乙烯醇)流係處於大於115℃的溫度。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該聚(乙烯醇)流的溫度係處於在110℃至170℃。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該聚(乙烯醇)流 的溫度係從120℃至160℃。
- 如申請專利範圍第1項或之方法,其進一步包括添加連續的水流。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該高剪力混合器給予至少20帕斯卡(Pascal)的剪切力。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該高剪力混合器給予至少30帕斯卡的剪切力。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該高剪力混合器給予至少40帕斯卡的剪切力。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其進一步包括在該混合前或該混合期間添加酸催化劑之步驟。
- 如申請專利範圍第10之方法,其中該酸催化劑為無機酸。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該混合係在少於五分鐘內發生。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該混合係在少於三分鐘內發生。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其進一步包括讓該聚(乙烯丁醛)通過連續混合的反應器系統。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其進一步包括清洗該聚(乙烯丁醛)樹脂。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該混合係處於至少30s-1 之剪切速率。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該混合係處於 至少40s-1 之剪切速率。
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