本發明涉及一種用于含氟功能膜制造的特種聚四氟乙烯樹脂的聚合方法及系統。
背景技術：
聚四氟乙烯(teflon或ptfe)，俗稱“塑料王”，是由四氟乙烯單體(tfe)經聚合而成的高分子化合物，具有優良的化學穩定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性、電絕緣性和良好的抗老化耐力。目前已被廣泛地應用于航空、宇航、原子能、電子、電器、化工、機械、建筑、輕紡、醫藥等工業部門，并日益深入到人民的日常生活中。
聚四氟乙烯可由懸浮和分散兩種聚合工藝獲得，所得樹脂經過干燥后獲得粉末產品，或者經過濃縮獲得濃縮乳液。其中聚合工藝為將合格的tfe單體，在引發劑及其他助劑作用下，以去離子水為介質，在一定的溫度、壓力和攪拌速度下在聚合釜內進行聚合反應得到相應的產物。整個聚合反應過程中tfe單體要在單體計量槽內由液態氣化升壓，借助壓力差通過調節閥控制一定的流量進入反應釜內。
特種含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂是是經過聚合、后處理等處理程序獲得的一種高分子材料；以高純tfe單體為主要原料，采用微乳化高溫分散聚合等特定的聚合技術和專有裝備，準確控制聚合物分子量，制備出滿足制膜需要的聚四氟乙烯樹脂；該樹脂保留了聚四氟乙烯耐高溫、耐低溫、耐腐蝕、耐氣候、高潤滑、耐酸堿、抗氧化：耐強氧化劑腐蝕、無毒害等優異性能；同時又具備了制膜樹脂的特殊性能。
目前用于四氟乙烯分散樹脂的聚合系統以及聚合方法，反應過程的控制穩定性不高，導致樹脂的分子量等性能波動大，難以滿足含氟功能膜等特種材料的高性能要求，國內所需材料，絕大多數依靠進口。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是：提供一種易于控制反應過程、產品質量穩定的含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂的聚合系統和聚合方法。
為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂的聚合系統，包括反應系統、升溫系統和冷卻系統；
所述反應系統包括臥式反應釜和螺旋攪拌器，所述螺旋攪拌器水平設置在臥式反應釜內，所述臥式反應釜外設有反應夾套，所述反應夾套同時與升溫系統和冷卻系統連接；
所述反應夾套的底部設有冷熱媒輸入管道，所述反應夾套的頂部設有冷熱媒輸出管道。
進一步的，所述臥式反應釜的頂部依次設有均與臥式反應釜相通的tfe進料管、改性單體進料管、助劑進料管、無離子水進料管、物料回收管、抽真空管和爆破管，所述臥式反應釜的底部設有出料管，所述tfe進料管中設有流量計。
進一步的，所述反應夾套中設有溫度傳感器。
進一步的，所述冷熱媒輸入管道中設有循環泵和流量計。
進一步的，所述升溫系統包括熱媒管道，所述熱媒管道與冷熱媒輸入管道連接。
進一步的，所述冷卻系統包括閉式冷卻塔和循環水箱，閉式冷卻塔的入口和循環水箱的入口均與冷熱媒輸出管道連接，閉式冷卻管的出口和循環水箱的出口均與冷熱媒輸入管道連接。
進一步的，所述循環水箱還設有補水管道，所述補水管道用于向循環水箱中補充水。
進一步的，所述冷熱媒輸出管道還連接有熱媒回收管道，所述熱媒回收管道與升溫系統連接，所述熱媒回收管道內設有溫度傳感器。
本發明還提供根據上述含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂的聚合系統進行聚合的方法，包括如下步驟：在聚合釜中加入約50～70％體積無離子水，抽真空后加入含氟表面活性劑、乳液穩定劑、ph調節劑、引發劑，然后以5～30kg/min的投料速率通入四氟乙烯單體進行反應，以1～10℃/min的溫升速率升溫直至反應溫度保持在80～100℃，并控制反應壓力為1.8～2.5mpa，然后降溫至60～70℃，反應過程中以20～80r/min的轉速進行攪拌，即可得聚四氟乙烯樹脂成品。
進一步的，所述含氟表面活性劑的質量為水的質量的0.05～1.5％，乳液穩定劑的質量為水的質量的2～4％。
本發明的有益效果在于：反應夾套同時與升溫系統和冷卻系統連接，使得反應開始前向反應夾套通入熱媒，反應開始后停止通入熱媒，向反應夾套通入冷媒即可，以促進排出反應熱，避免溫度過高導致產物的分子鏈變短，提高目標產物的產率，使得反應過程易于控制。
附圖說明
圖1為本發明實施例1含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂的聚合系統的結構示意圖。
標號說明：
11、臥式反應釜；111、tfe進料管；112、改性單體進料管；
113、助劑進料管；114、無離子水進料管；115、物料回收管；
116、抽真空管；117、爆破管；118、出料管；12、螺旋攪拌器；
13、反應夾套；14、冷熱媒輸入管道；141、循環泵；15、冷熱媒輸出管道；21、熱媒管道；31、閉式冷卻塔；32、循環水箱；33、補水管道；4、流量計；5、溫度傳感器；6、控制閥；7、熱媒回收管道。
具體實施方式
為詳細說明本發明的技術內容、所實現目的及效果，以下結合實施方式并配合附圖予以說明。
本發明最關鍵的構思在于：反應夾套同時與升溫系統和冷卻系統連接，使得反應開始前向反應夾套通入熱媒，反應開始后停止通入熱媒，向反應夾套通入冷媒即可，以促進排出反應熱，避免溫度過高導致產物的分子鏈變短，提高目標產物的產率，使得反應過程易于控制。
請參照圖1，一種含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂的聚合系統，包括反應系統、升溫系統和冷卻系統；
所述反應系統包括臥式反應釜11和螺旋攪拌器12，所述螺旋攪拌器水平設置在臥式反應釜內，所述臥式反應釜外設有反應夾套13，所述反應夾套同時與升溫系統和冷卻系統連接；
所述反應夾套的底部設有冷熱媒輸入管道14，所述反應夾套的頂部設有冷熱媒輸出管道15。
從上述描述可知，本發明的有益效果在于：反應夾套同時與升溫系統和冷卻系統連接，使得反應時向反應夾套通入熱媒，反應結束時停止通入熱媒，向反應夾套通入冷媒即可，使得反應過程易于控制。
進一步的，所述臥式反應釜的頂部依次設有均與臥式反應釜相通的tfe進料管111、改性單體進料管112、助劑進料管113、無離子水進料管114、物料回收管115、抽真空管116和爆破管117，所述臥式反應釜的底部設有出料管118，所述tfe進料管中設有流量計。
進一步的，所述的tfe進料管、改性單體進料管、助劑進料管、無離子水進料管、物料回收管、抽真空管均設有控制閥6。
進一步的，所述反應夾套中設有溫度傳感器5。
進一步的，所述冷熱媒輸入管道中設有循環泵141(循環泵為變頻調節循環泵)和流量計，可用于溫度和流量的精準控制。
進一步的，所述升溫系統包括熱媒管道21，所述熱媒管道與冷熱媒輸入管道連接。
進一步的，所述冷卻系統包括閉式冷卻塔31和循環水箱32，閉式冷卻塔的入口和循環水箱的入口均與冷熱媒輸出管道連接，閉式冷卻管的出口和循環水箱的出口均與冷熱媒輸入管道連接。
由上述描述可知，反應結束時，熱水從冷熱媒輸出管道流入到閉式冷卻塔和循環水箱，然后通過閉式冷卻塔和循環水箱向冷熱媒輸入管道輸入冷卻水以回收反應熱，使得反應過程易于控制，同時冷熱媒均可得到回收利用。
進一步的，所述循環水箱還設有補水管道33，所述補水管道用于向循環水箱中補充水。
進一步的，所述冷熱媒輸出管道還連接有熱媒回收管道7，所述熱媒回收管道與升溫系統連接，所述熱媒回收管道內設有溫度傳感器。
由上述描述可知，冷熱媒輸出管道還連接有熱媒回收管道，使得反應結束后反應夾套中的熱媒可以得到回收利用，節約能源；熱媒回收管道內設有溫度傳感器，使得升溫系統可根據需要控制升溫速率與熱媒流速。
本發明還提供根據上述含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂的聚合系統進行聚合的方法，包括如下步驟：在聚合釜中加入約50～70％體積無離子水，抽真空后加入含氟表面活性劑(為全氟辛酸，添加總量為無離子水質量的0.05％～1.5％)、乳液穩定劑(為石蠟，加入量為無離子水質量的2％～4％)、ph調節劑(為鹽酸，加入量為無離子水質量的2％～4％)、引發劑(為過硫酸鹽，過氧化丁二酸等，加入量為無離子水質量的0.005％～0.02％，然后以5～30kg/min的投料速率通入四氟乙烯單體進行反應，以1～10℃/min的溫升速率升溫直至反應溫度保持在80～100℃，并控制反應壓力為1.8～2.5mpa，然后降溫至60～70℃，反應過程中以20～80r/min的轉速進行攪拌，反應結束后即可得聚四氟乙烯樹脂成品。
進一步的，所述含氟表面活性劑的質量為水的質量的0.05～1.5％，乳液穩定劑的質量為水的質量的2～4％。
實施例1
請參照圖1，一種含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂的聚合系統，包括反應系統、升溫系統和冷卻系統；所述反應系統包括臥式反應釜11和螺旋攪拌器12，所述螺旋攪拌器水平設置在臥式反應釜內，所述臥式反應釜外設有反應夾套13，所述反應夾套同時與升溫系統和冷卻系統連接；所述反應夾套的底部設有冷熱媒輸入管道14，所述反應夾套的頂部設有冷熱媒輸出管道15。所述臥式反應釜的頂部依次設有均與臥式反應釜相通的tfe進料管111、改性單體進料管112、助劑進料管113、無離子水進料管114、物料回收管115、抽真空管116和爆破管117，所述臥式反應釜的底部設有出料管118，所述tfe進料管中設有流量計4。所述反應夾套中設有溫度傳感器5。所述冷熱媒輸入管道中設有循環泵和流量計。所述升溫系統包括熱媒管道21，所述熱媒管道與冷熱媒輸入管道連接。所述冷卻系統包括閉式冷卻塔31和循環水箱32，閉式冷卻塔的入口和循環水箱的入口均與冷熱媒輸出管道連接，閉式冷卻管的出口和循環水箱的出口均與冷熱媒輸入管道連接。所述循環水箱還設有補水管道33，所述補水管道用于向循環水箱中補充水。所述冷熱媒輸出管道還連接有熱媒回收管道7，所述熱媒回收管道與升溫系統連接，所述熱媒回收管道內設有溫度傳感器5。
本發明聚合系統采用帶內螺旋攪拌器和外設夾套的臥式反應釜，反應夾套分別配置了開式熱水升溫管路和閉式循環冷卻系統，采用了閉式冷卻塔、循環水槽和冷熱媒變頻調節循環泵，閉式冷卻塔用于排出反應熱，變頻調節循環泵用于溫度的精準控制，冷熱媒輸入管道和冷熱媒輸出管道、反應釜各個進出料管均設置自動控制閥，用于實現自動控制，冷媒進管、熱媒進管和tfe進料管均設置了流量計，用于計量控制，自控閥門與上述依據參數連鎖，實現自動控制。
實施例2
根據實施例1聚合系統進行聚合反應的方法，包括如下步驟：在聚合釜中加入約50～70％體積無離子水，抽真空后加入含氟表面活性劑、乳液穩定劑、ph調節劑、引發劑，然后以5～30kg/min的投料速率通入四氟乙烯單體進行反應，以1～10℃/min的溫升速率升溫直至反應溫度保持在80～100℃，并控制反應壓力為1.8～2.5mpa，然后降溫至60～70℃，反應過程中以20～80r/min的轉速進行攪拌，反應結束后即可得聚四氟乙烯樹脂成品。所述含氟表面活性劑的質量為水的質量的0.05～1.5％，乳液穩定劑的質量為水的質量的2～4％。
具體如下：
1.抽空合格后開始升溫，根據預定的升溫速率調節攪拌轉速和熱媒流量，溫升速率的控制范圍：1～10℃/min，攪拌轉速在20～100r/min內調節，熱媒流量調節范圍10～150m3/h；
2.升溫遵循先快后慢原則，通過調節循環泵電機頻率，調節換熱速率，實現對溫升速率的準確控制。
3.1.按照預定的批次反應進度設定各階段的tfe單體投料速率，投料速率為5～30kg/min內調節。
3.2.根據投料速率調節對應攪拌轉速，攪拌轉速在20～80r/min內調節；
3.3根據投料速率和當時的閉式冷卻塔水出口溫度調節對應的冷媒流量，冷媒流量范圍10～60m3/h；
4.根據反應進度設定的溫升速率調節循環泵電機頻率，調節換熱速率，最終實現對整個反應過程溫度的壓力的精準控制。溫升速率的控制范圍：0.01～0.3℃/min；
5.投料終止后，根據預定的降溫速率調節攪拌轉速，攪拌轉速在20～80r/min內調節；和閉式冷卻塔水出口溫度調節對應的冷媒流量，冷媒流量范圍10～40m3/h；
6.反應過程，含氟表面活性劑的添加總量為無離子水質量的0.05％～1.5％。
7.反應過程，穩定劑的加入量為無離子水質量的2％～4％。
8.反應過程，控制反應壓力在1.8～2.5mpa。
9.反應過程，控制反應溫度在80～100℃。
10.為了實現高效換熱，提高控制的準確，本系統冷媒和熱媒優先采用無離子水。
綜上所述，本發明提供的含氟功能膜用聚四氟乙烯樹脂的聚合系統和聚合方法的有益效果在于：反應過程中通過反應量與特定溫差冷媒量的準確關聯控制，達到對反應放熱量的精準轉移，通過循環水泵變頻控制流量達到對全程溫升速率的嚴格控制，配合反應起點與終點溫度選擇等其他各項聚合條件，最終實現含氟功能膜的特種聚四氟乙烯樹脂的特殊聚合性能。聚合獲得的特種的四氟乙烯乳液，乳液再經過密度調配、凝聚、脫水和干燥，得到適合含氟功能膜制造的特種聚四氟乙烯樹脂。本發明工藝簡單，自動化程度高，操作穩定，產品性能精準控制，生產效率高，成本較低等特點。所得特種含氟功能膜用樹脂原料可廣泛應用于治霾脫硝功能膜、自清潔含氟膜、防電磁輻射功能膜、光伏組件前膜、高透光建筑膜等各種特種含氟功能膜的制作。
以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等同變換，或直接或間接運用在相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。