高效彈性體環(huán)保聚合工藝

1 前言

幾十年來，生產(chǎn)彈性體的傳統(tǒng)聚合方法一直都視為標(biāo)準(zhǔn)方法。例如，在最終生產(chǎn)階段，去除及處理溶濟(jì)所需的時(shí)間和成本都是可以接受的。但是，由于制造商所面臨的降低營運(yùn)成本的壓力愈來愈大，所以迫切需要開發(fā)有助于降低成本、簡(jiǎn)化生產(chǎn)過程的新工藝。

2 彈性體加工工藝簡(jiǎn)述

總部位于瑞士的利斯特（List AG）開發(fā)了一種高能效直接脫揮技術(shù)（Direct Devolatilization），利用該技術(shù)可以降低與能耗、冷卻和水消耗相關(guān)的成本，并可縮短加工彈性體所需的加工時(shí)間，減小工藝裝置的占地空間。

高分子化學(xué)的進(jìn)步為開發(fā)新型彈性體創(chuàng)造了機(jī)會(huì)；利用該技術(shù)可以將新型彈性體與溶劑分離，此過程聚合物不會(huì)發(fā)生降解。溶液聚合與乳液聚合是合成彈性體的傳統(tǒng)方法。在這些聚合物生產(chǎn)的最后階段，聚合物必須要與溶劑或乳化劑分離。這個(gè)過程一般要采取幾個(gè)步驟，包括凝聚、汽提、各種機(jī)械分離步驟和干燥。每一步都非常耗能，而且在廢液中含有大量的溶劑，需要進(jìn)行焚燒處理。這需要專業(yè)設(shè)備來完成，設(shè)備要占用較大的工廠空間，固定資產(chǎn)投資（CAPEX）也非常大。利斯特開發(fā)的“彈性體直接從聚合物溶液中脫揮工藝”是一種可以減少聚合步驟的替代解決方案。

3 傳統(tǒng)工藝與直接脫揮技術(shù)比較

傳統(tǒng)彈性體聚合工藝中采用脂族或芳族烴，聚合完成后必須將其除去。用一種水基凝聚劑將彈性體與溶劑分離，再用蒸汽汽提，之后利用機(jī)械和熱處理方法將彈性體與水相分離。

利斯特的直接脫揮技術(shù)是一種全封閉的連續(xù)工藝，它可以直接將彈性體從溶劑中分離，同時(shí)將溶劑從聚合物溶液中回收。因此，利用該技術(shù)可以省去一些中間步驟，如水凝聚、蒸汽汽提、機(jī)械脫水和干燥。

與傳統(tǒng)工藝相比，采用直接脫揮技術(shù)所生產(chǎn)的彈性體具有同等的特性，能達(dá)到所有所需的技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)可以降低能耗和水消耗量，減小裝置占用空間以及溫度與處理的時(shí)間比。

3.1 直接脫揮工藝包含以下四個(gè)步驟：

1. 預(yù)濃縮過程中利用熱能從聚合產(chǎn)物中除去大量的溶劑，從而提高整個(gè)工藝過程的效率。

2. 閃蒸過程中除去溶劑，轉(zhuǎn)化成高粘度的濃縮彈性體溶液。蒸發(fā)冷卻使產(chǎn)品保持在所需的溫度水平。

3. 最終的脫揮步驟將高度濃縮的彈性體轉(zhuǎn)化成最終所需特性的彈性體。

4. 成型步驟將產(chǎn)品加工成所需的形狀，成為一種可以銷售的產(chǎn)品。

有必要的話，在預(yù)濃縮之前還可以增加一個(gè)聚合產(chǎn)物的清洗步驟，來去除殘余的催化劑單體，并且不會(huì)產(chǎn)生由副產(chǎn)品污染。根據(jù)所使用的溶劑，熱處理過程可以在真空或輕度超壓條件下進(jìn)行。最終彈性體的性能與傳統(tǒng)處理產(chǎn)品的性能相同。與聚合產(chǎn)物相比，門尼粘度波動(dòng)小于+/-1，殘余有機(jī)揮發(fā)物含量小于100ppm，在工藝過程中灰塵含量不會(huì)增加。

利斯特專利直接脫揮工藝與傳統(tǒng)技術(shù)的對(duì)比

利斯特的直接脫揮技術(shù)是一種全封閉的連續(xù)工藝，可直接將彈性體與溶劑分離，同時(shí)回收溶劑

大多數(shù)彈性體對(duì)溫度很敏感，所以為了防止過熱或自燃，溫度控制很關(guān)鍵。直接脫揮工藝能夠在低于100°C的條件下有效地除去溶劑，不會(huì)造成彈性體降解。由于新型彈性體的粘著性較高，所以采用傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)無法加工。利斯特的直接脫揮工藝能夠克服這些缺點(diǎn)，并能夠開發(fā)新型高性能產(chǎn)品。

利斯特的直接脫揮技術(shù)是一種全封閉的連續(xù)工藝，可直接將彈性體與溶劑分離，同時(shí)回收溶劑。

4 可控的最終處理

能夠在精確控制的條件下完成最后的脫揮非常重要，這是為了達(dá)到所需的彈性體產(chǎn)品質(zhì)量，降低過熱和自燃的風(fēng)險(xiǎn)。

表1

在直接脫揮工藝過程中，在脫揮裝置中加入少量的水。水形成水泡后，有機(jī)揮發(fā)物就會(huì)被包在水泡中。使水泡破裂就可以提取并除去有機(jī)揮發(fā)物。該工藝相當(dāng)于一種密閉的濃縮汽提過程，其中使用少量的水，水含量只有溶劑總量的1%。水與有機(jī)揮發(fā)物混合物在一個(gè)密閉系統(tǒng)中冷凝，可以完全回收。

利斯特的直接脫揮技術(shù)可以處理高粘度的彈性體，不會(huì)產(chǎn)生過熱或降解問題，同時(shí)可達(dá)到所需的門尼粘度。其具有自潔式的設(shè)備金屬表面，可以穩(wěn)定地生產(chǎn)揮發(fā)物含量低的高質(zhì)量產(chǎn)品，相應(yīng)地有機(jī)揮發(fā)物的含量非常低。

5 簡(jiǎn)單工藝就是高效

工藝效率由不同的參數(shù)來判定，包括熱能和水的需求量，設(shè)備占用空間和對(duì)環(huán)境的影響，廢水的量，以及固定資產(chǎn)投資和運(yùn)營成本（OPEX）。這方面，利斯特的直接脫揮技術(shù)所需的能量比傳統(tǒng)工藝少，也就是說只需要消耗能量來蒸發(fā)和冷凝溶劑。由于省去了凝聚、汽提、機(jī)械脫水和干燥工序，所以也就節(jié)省了這些工序所需的機(jī)械和熱能。這其中節(jié)省的能量就代表進(jìn)一步提升了效率。直接脫揮工藝可以在不需要任何其他助劑的情況下分離99%的溶劑，不會(huì)產(chǎn)生廢水，也不需要進(jìn)行廢氣處理。因而工藝非常簡(jiǎn)單，能夠大幅節(jié)能，減小了對(duì)環(huán)境的影響，降低了運(yùn)行成本，可達(dá)到較高的投資回報(bào)率。（見表1）

6 從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化生產(chǎn)

利斯特與弗勞恩霍夫研究所（Fraunhofer）在德國施科保市合作開發(fā)了該技術(shù)。研發(fā)小組在利斯特的瑞士阿里斯多夫（Arisdorf）總部安裝了一套全自動(dòng)小型裝置進(jìn)行試驗(yàn)。與此同時(shí)，弗勞恩霍夫研究在施科保成立了一個(gè)獨(dú)立研究與開發(fā)的機(jī)構(gòu)“聚合物合成與加工中試中心”將直接脫揮技術(shù)放大到半工業(yè)化的規(guī)模。

在利斯特總部的全自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行的演示生產(chǎn)線（Mini-Plant），每小時(shí)可以處理20—30公斤聚合產(chǎn)物，而在德國施科保的中試裝置測(cè)試中心設(shè)計(jì)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為8000小時(shí)，測(cè)試能力為每小時(shí)200—500公斤聚合產(chǎn)物（成品為30—50公斤/小時(shí)）。