高壓物理附聚法制備接枝用EBR膠乳

陳偉峰，姜峰

（天津大沽化工股份有限公司，天津 300451）

1 實驗部分

1.1 主要原料和設備

EBR：粒徑100nm，天津大沽化工股份有限公司；DMW：天津大沽化工股份有限公司；pH調(diào)節(jié)劑：邢礦集團金牛鉀堿分公司；均質(zhì)機：型號Gaulin 132T-8,7BA，丹麥APV公司。

1.2 接枝用EBR膠乳的制備

高壓物理附聚主要是使用均質(zhì)機在高壓作用下將平均粒徑為100nm左右的EBR膠乳附聚成接枝用的平均粒徑較大的EBR膠乳。均質(zhì)機本質(zhì)上是一個柱塞式高壓泵和其產(chǎn)品出口處安裝的背壓閥（在此稱為均質(zhì)閥）所組成的設備，其工作原理見圖1。

圖1 均質(zhì)機壓力附聚工作原理示意圖

柱塞式高壓泵，利用柱塞連續(xù)往復運行來產(chǎn)生高壓，使物料在高壓下擠研，強沖擊下發(fā)生剪切，失壓下膨脹，在這三重作用下達到細化和混合均質(zhì)的目的，均質(zhì)機廣泛應用于化工、制藥和食品等行業(yè)，但大多數(shù)均質(zhì)應用物料粒徑是變小的，但本工藝卻是粒徑增大的，EBR膠乳通過縫隙極小的均質(zhì)閥，在高壓機械剪切力作用下，EBR膠乳被撕裂，離開均質(zhì)閥后，膠乳迅速失壓，被撕裂的膠乳因無乳化劑的保護而迅速結合在一起，粒徑增大的同時乳化劑也重新包圍在粒子周圍，重新形成穩(wěn)定的EBR膠乳產(chǎn)品。

粒徑為100nm的EBR膠乳經(jīng)膠乳過濾器后進入均質(zhì)機進料罐，同時根據(jù)需要加入一定比例的pH調(diào)節(jié)劑和無離子水，混合后，EBR膠乳被輸送到膠乳板換冷卻器冷卻，再進入均質(zhì)機壓力緩沖罐，均質(zhì)機膠乳進料泵變頻控制以保持均質(zhì)機壓力緩沖罐的壓力恒定，隨后膠乳進入均質(zhì)機均質(zhì)，以得到要求粒徑的膠乳。均質(zhì)機進料的EBR膠乳溫度是通過調(diào)節(jié)均質(zhì)機冷卻水系統(tǒng)的冷卻水流量來控制的，且均質(zhì)機冷卻水系統(tǒng)的水溫可以通過調(diào)節(jié)冷凍水流量來控制。具體工藝流程見圖2。

均質(zhì)機的膠乳壓力、溫度、固含量%和流率對于生產(chǎn)滿足目標膠乳粒徑的合格產(chǎn)品都是至關重要的。

圖2 EBR高壓物理附聚工藝流程簡圖

正常生產(chǎn)時一般設定膠乳均質(zhì)壓力為恒定值,并且設計的流率也是固定的，而膠乳固含量一般變化較小，因此均質(zhì)機入口膠乳溫度是唯一的控制變量，調(diào)整它就可以控制聚丁二烯膠乳的粒徑。

1.3 分析與測試

粘度：上海精天電子儀器有限公司NDJ-5S數(shù)字式粘度計。

膠乳粒徑：PerkinElmer Lambda 35 UV/VIS型分光光度計。

2 結果與討論

2.1 膠乳溫度對均質(zhì)后粒徑的影響

保持膠乳其它條件如均質(zhì)壓力、固含量和pH值等條件不變，僅調(diào)整膠乳通過板換后的溫度，其均質(zhì)后EBR膠乳平均粒徑與膠乳溫度的關系見圖3。

圖3 均質(zhì)后EBR膠乳平均粒徑與膠乳溫度的關系

由圖3可見，膠乳溫度與均質(zhì)后膠乳粒徑幾乎成線性關系，約每降低溫度1℃，可增加粒徑100 ?（即10nm）。進一步研究均質(zhì)前膠乳溫度與粘度的關系可得到以下曲線（圖4）。

均質(zhì)前膠乳隨著控制溫度的升高，粘度逐漸下降，在通常的溫度調(diào)整范圍內(nèi)（14～40℃），可認為粘度與溫度是呈近似線性關系。綜合來看，溫度降低，粘度增加，平均粒徑增加，且呈近似線性關系。

2.2 膠乳固含量對均質(zhì)后粒徑的影響

保持膠乳其它條件如均質(zhì)壓力、均質(zhì)溫度和pH值等條件不變，僅調(diào)整膠乳固含量，可得到固含量與均質(zhì)后膠乳平均粒徑的關系曲線（圖5）。

圖4 膠乳溫度與膠乳粘度的關系

圖5 固含量與均質(zhì)后膠乳平均粒徑的關系

因固含量提高，膠乳粘度增大，剪切力提高，膠乳粒徑變大，但因受實際生產(chǎn)條件所限，固含量太低影響產(chǎn)能，固含量太高不利于穩(wěn)定和輸送，因此固含量調(diào)整范圍較小，在此范圍內(nèi)固含量對膠乳粘度的影響也較小，反應在粒徑上變化也就相對較小。

圖6 均質(zhì)壓力與均質(zhì)后膠乳平均粒徑的關系

2.3 均質(zhì)壓力對均質(zhì)后粒徑的影響

保持進入均質(zhì)機的膠乳固含量、pH值和溫度等條件不變，僅通過改變膠乳均質(zhì)壓力可得到不同粒徑的EBR膠乳，均質(zhì)壓力與均質(zhì)后膠乳平均粒徑的關系見圖6，隨著均質(zhì)壓力的增大，膠乳平均粒徑逐漸變大。且隨著壓力越來越大，平均粒徑增加的速率逐漸降低，均質(zhì)壓力超過45MPa后，平均粒徑變化較小。

為進一步研究均質(zhì)壓力與膠乳平均粒徑的關系，試驗了均質(zhì)壓力在45～55MPa時與平均粒徑的關系，結果見圖7。

圖7 均質(zhì)壓力在47～55MPa時與平均粒徑的關系

由圖7可見壓力到51MPa后，增加壓力對膠乳平均粒徑影響較小，且此時的粒徑在310～320nm之間。

2.4 均質(zhì)閥磨損對均質(zhì)后粒徑的影響

隨著運行時間的加長，均質(zhì)閥的磨損會越來越嚴重，導致未經(jīng)均質(zhì)或均質(zhì)不良的粗級粒子(＜214nm)越來越多，并有可能出現(xiàn)大粒子(＞1385nm),從而影響最終產(chǎn)品的性能，尤其是沖擊強度，但對膠乳平均粒徑的影響無明顯規(guī)律，因此運行達到一定時限后，必須及時更換均質(zhì)閥以保證膠乳質(zhì)量,通常重新打磨的均質(zhì)閥使用時間約在200h。

3 結論

根據(jù)試驗結果和設備實際情況，均質(zhì)壓力一般控制在51～55MPa，膠乳固含量控制在37.5%左右,此時只需改變進入均質(zhì)機的膠乳溫度，就能輕松調(diào)整EBR膠乳粒徑以保證膠乳粒徑控制在315nm左右以獲得綜合性能最優(yōu)的ABS產(chǎn)品，通常均質(zhì)溫度每降低1℃，平均粒徑約增加100 ?。

天津大沽化工股份有限公司ABS壓力附聚工藝可以顯著節(jié)省聚丁二烯膠乳粒徑的增大時間，使EBR膠乳反應時間比其它工藝方法縮短10h左右，有利于提高裝置生產(chǎn)能力，生產(chǎn)的ABS產(chǎn)品綜合性能優(yōu)異，在各領域得到廣泛應用。