2022年2022年离子交换树脂中聚合物微球的生产工艺及装置改进 .pdf

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1、离子交换树脂中聚合物微球的生产工艺及装置改进吴健*谢建武(杭州职业技术学院)摘要比较了制取聚合物微球的方法,指出了传统悬浮液聚合技术制备小白球的不足, 并 对喷射聚合小白球的生产工艺装置作了改进 。关键词离子交换树脂聚 合物微球聚合中图分类号TQ027文献标识 码B文章编号0254 6094( 2010) 06 0791 03离子交换树脂是一类带有可离子化基团的三维网状高分子材料,其外形一般为颗粒状, 不溶于水和一般的酸、 碱 , 也不溶于普通的有机溶剂,如乙醇、丙酮和烃类溶剂 , 具有一般聚合物所没有的离子交换功能 , 本质上属于反应性聚合物。常见的离子交换树脂的粒径为0 . 3 1 . 2

2、nm 1。目前 ,生产离子交换树脂的方法有悬浮液聚合和喷射法分散聚合。笔者以传统的悬浮液聚合技术的工艺改进为重点 , 说明单体喷射法分散聚合的原理和工艺改进。1离子交换树脂 2离子交换树脂由三维空间结构的网络骨架、骨架上连接的可离子化的功能基团以及功能基团上吸附的可交换的离子3部分组成。强酸型阳离子交换树脂绝大多数为聚苯乙烯系骨架(图 1),通常采用悬浮聚合法合成树脂, 然后磺化接上交换基团 , 由 以上反应获得的球状共聚物称为白球 。将白球洗净干燥后 , 即可进 行连接交换基团的磺化反应。离子交换树脂在水处理(水质的软化、 水的脱盐和高纯水的制备等)、冶金工业、原子能工业(包括核燃料的分离、

3、提纯、精制、回收等)、 海洋资源利用、化学工业、食品工业、 医药卫生及环境保护等领域都有重要应用。图 1聚苯乙烯型阳离子交换树脂结构示意图2制备原理及分类分散聚合是20世纪 70 年代由英国ICI公司开发出来的一种合成微米级单分散聚合物微球的方法。分散聚合是一种特殊类型的沉淀聚合, 反应开始前为均相体系, 单体、分散稳定剂和引发剂都溶解在反应介质中, 当聚合物链增长到临界链后, 聚合物即从反应介质中沉析出来, 并借助于分散稳定剂的作用悬浮于反应介质中形成小颗粒。分散聚合反应可以一步获得微米级粒度均匀的聚合物微球 , 并且适用于不同类型单体的聚合反应。791第 37卷第 6期化工机械*吴健, 男

4、, 1976年 12月生, 讲师。浙江省杭州市, 310018。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 目前 , 制取聚合物微球的方法主要有悬浮液聚合和喷射法分散聚合。2 . 1悬浮液聚合传统的悬浮液聚合技术就是在装有搅拌器的容器中将单体分散成微粒的过程, 并且分散的单体与合成的聚合物基本上是不相溶的。在连续的搅拌作用下 , 分散的单体微粒发生聚合, 然而传统悬浮液聚合技术制取的聚合物微球不是很均匀。但在很多应用中 ,

5、要求聚合物微球尺寸基本相同,例如 , 由单环芳烃和偏聚烃聚合而成的聚合物微球在制备离子交换树脂时, 需要均匀的微球,这样才能提供理想的流动特性。因此, 采用传统的悬浮液聚合技术制取聚合物微球, 在应用时达不到预期的经济效果。2 . 2喷射法分散聚合 3喷射法分散聚合就是通过喷射一种可聚合的单体混合物来形成单体微粒,聚合反应的催化剂通过毛细孔进入塔中, 塔中有连续的水相(含有悬浮液稳定剂), 在塔中 经过部分聚合作用形成单体微粒 , 这种单体微粒在随后的聚合反应中,继续参与反应。虽然这种方法使单体微粒的均匀性增加了 , 但是制取的微粒直径分布还是不理想,以致大部分聚合物微球不符合要求。另外, 这

6、种过程需要大的设备 , 价格昂贵 , 而且是一个连续的生产过程 , 导致微粒的形成很慢。这个过程对于用来生产离子交换树脂产品所必须的高质量的小白球不是很经济。在离子交换树脂的生产中小白球是由苯乙烯和二乙烯苯两种单体在过氧化苯甲酰的引发作用下, 在水相中悬浮共聚合成为固体小白球。它具有特殊的三维网状结构, 聚苯乙烯形成链状高分子, 二乙烯苯作为交联剂,在聚合链之间起搭桥作用。聚苯乙烯二乙烯苯型共聚物为聚苯乙烯二乙烯苯型离子交换树脂的高分子骨架, 再经氯甲基化反应和胺化反应, 即可制得苯乙烯系季铵型强碱性阴离子交换树脂 4, 白球反应式为 :该反应中二乙烯苯单体中有两个可以聚合的双键 , 故二乙烯

7、苯作为交联剂生成具有三维交联网络结构的体型聚合物。该聚合反应采用悬浮聚合来实现。研究发现自由基型交联聚合物反应是分阶段进行的 ,即在聚合反应初期按照线型自由基聚合反应进行, 当单体转化率达到一定程度的时候存在着凝胶化过程! ! 通常称为相分离。白球由苯乙烯与二乙烯苯水相悬浮聚合而成, 生产工艺流程如图2所示。图 2白球生产流程示意图通过这样的工艺生产出的产品是合格的, 但粒径分布较宽 ,产品必须经过孔筛去掉过大或过小颗粒才能到下一步工序。3改进的生产流程和装置3. 1小白球生产流程为了提高小白球的生产效率和产品品质, 笔者将目前小白球生产流程加以改进提出了新工艺, 如图 3所示。图 3 改进后

8、的白球生产流程示意图改进后的方法将可聚合单体通过小孔流入到与之不溶的连续相中形成具有层流特性的单体喷792化工机械2010年名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 射流 , 同时连续相含有定量的稳定作用的悬浮剂。单体喷射流在一定条件下受振动作用将喷射流分解成可聚合单体微粒。在一定条件下悬浮的单体聚合成微球 , 该条件下不会造成显著的聚并现象,从而为制取均匀小白球奠定基础。3 . 2小白球生产装置笔者在制取聚合物微球的装置

9、上也作了改进, 新装置如图4所示。图 4生产装置图1! ! ! 激振器 ;2! ! 活塞杆 ;3! ! ! 活塞 ;4! ! 单体相进口导管;5! ! ! 连续相进口管 ;6! ! 塔;7! ! ! 均匀微粒排出管 ;8! ! 搅拌桨 ;9! ! ! 聚合反应器 ;10! ! 聚合物排出管 ;11! ! ! 连续器 ;12! ! 孔板 ;13! ! ! 单体贮液器 ;14! ! 单体相改进后的小白球生产装置由以下几个部 分组成:a. 贮液器。贮液器内含由可聚合的单体组 成的单相。b. 塔设备。塔设备内有与可聚合单体或单体相不可溶的悬浮液体以及一定量的稳定悬浮剂组成的连续相。c .单体喷射流形成

10、装置。在该装置内, 单体相和连续液体相紧密接触,内部设有孔 ,可以将单体贮液器与内有连续相的塔设备连接, 以便单体相通过连续相时能够形成层流喷射的流动特性。d. 振动激发器。能够使层流喷射的单体相分解成无数微粒。e. 反应器。能够使悬浮液中的单体相在一定条件下发成聚合的装置。新装置之所以能够制取均匀的微粒, 首先是通过激振器将单体形成单体喷射流, 单体喷射流在激振作用下, 可以 生成无数总体均匀的微粒。在一定条件下悬浮的单体聚合成微球, 此条件不会造成显著的聚并现象, 或者附加的分散现象。其次 , 单体相的密度比悬浮液介质密度小,单体微粒通过悬浮介质时会上升。最后, 单体微粒在聚合容器中发生聚

11、合, 该聚合容器与塔器分离, 微粒在塔中成形。在分离的聚合容器中将微粒聚合,在搅拌作用下使得均匀微粒在聚合容器中扩散,不会对微粒的均匀性造成不利影响。微粒连续从塔中升起通过悬浮介质进入聚合容器。4结束语通过研究喷射法分散聚合的原理和工艺, 并对生产装置进行改进, 对小白球质量有明显的提高, 进而提高了产率,降低了能耗。参考文献1周旭 , 龚峻松 ,杜大庆 . 苯乙 烯系离 子交换 树脂中 间体的粒度控制 . 舰船防化 , 2006( 1): 16 192蔡红 , 周斌 . 离子 交换 树脂 在有 机催 化反 应中 的应 用进展 . 化工进展 , 2007 , 26( 3): 386 3893李

12、立 朝, 宋 怀河 , 陈晓 红. 聚 二乙 烯 苯基 炭 微球 的 制备. 北京化工 大 学学 报 (自 然 科学 版 ), 2007 , 34( 3):279 2864刘海萍 , 吴文荣 ,刘敏 . 低密 度聚苯 乙烯微 粒子的 实验室制备 . 河 北北 方 学院 学 报 (自 然科 学 版 ), 2006 , 22( 1): 28 31(收稿日期 : 2009 12 08, 修回日期 : 2010 11 08)欢迎来稿欢迎订阅欢迎刊登广告793第 37卷第 6期化工机械名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -