CN113578236B - 一种高效安全的氰酸酯聚合设备及聚合工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效安全的氰酸酯聚合设备及聚合工艺，属于高分子材料技术领域。该聚合设备包括钢平台，钢平台的顶部设置有预热罐，预热罐的下方依次设置有若干聚合装置、急冷装置和挤出装置，其聚合工艺包括：第一步、将聚合单体在高于熔化温度4‑7℃预热成熔融料，第二步、熔融料排入聚合装置加热聚合至聚合度达到低于目标值0.02‑0.05/105℃，泵入溶剂搅拌成混合料，第三步、混合料排出至急冷装置中快速降温终止反应，第四步、聚合物通过挤出装置冷却、挤出收集。本发明实现聚合单体预热、聚合单体快速升温聚合和聚合物快速降温，反应过程全程受控，安全高效。

Description

一种高效安全的氰酸酯聚合设备及聚合工艺

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体地，涉及一种高效安全的氰酸酯聚合设备及聚合工艺。

背景技术

氰酸酯树脂以其优异的介电性能、突出的耐热性、良好的综合力学性能被公认为是制备结构-功能材料的最具竞争力的树脂种类，其主要用途有3个方面：一是用于高性能印刷电路板基体，二是高性能透波结构材料基体，三是航空航天用结构复合材料基体。

现有技术中，氰酸酯聚合工艺为：一次性投料进反应釜、升温至单体熔化后开启搅拌、继续升温实时监测物料的聚合度变化、聚合度到达目标后加入丁酮降温终止反应。这种聚合工艺存在以下两个弊端：

1、该聚合工艺在冷冻系统能力不足时，反应容易失控，整个体系会放出大量热量，安全风险系数高；

2、该聚合工艺下生产出来的成品GT指标普遍较高，且受单体GT影响较大，难以满足品质稳定性的要求。

发明内容

为了克服背景技术中提到的技术问题，本发明的目的在于提供一种高效安全的氰酸酯聚合设备及聚合工艺。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种高效安全的氰酸酯聚合工艺，包括如下步骤：

第一步、将聚合单体原料输送进聚合设备的预热罐中，升温至高于聚合单体熔化温度4-7℃，搅拌至聚合单体完全熔化，得到熔融料；

第二步、将熔融料泵入聚合装置，第一电机驱动加热器对熔融料搅拌升温至聚合温度，保温搅拌进行聚合反应，聚合度达到低于目标值0.02-0.05/105℃时，停止加热，泵入溶剂搅拌，得到混合料；

第三步、混合料排出至急冷罐中，冷却剂释放进冷却流道中，对混合料快速降温，终止聚合反应；

第四步、快速降温后的混合料吸入挤出装置中，进行缓冷至收集温度并挤出贮存。

一种高效安全的氰酸酯聚合设备，包括钢平台，钢平台的顶部设置有预热罐，预热罐的下方连通有若干聚合装置，若干聚合装置均通过桁架与钢平台固定连接，聚合装置的下方设置有急冷装置，急冷装置的下方设置有挤出装置；

所述聚合装置包括反应管和设置在反应管中的加热器，该加热器的顶部固定有驱动轴，驱动轴贯穿反应管的顶壁，且驱动轴通过密封轴承座与反应管转动安装，驱动轴的周侧壁固定有碳刷，钢平台上设置有电极，通过碳刷为加热器供电，驱动轴的顶端固定有从动齿轮，钢平台的底面设置有第一电机，第一电机的输出端固定有主动齿轮，且主动齿轮与从动齿轮通过链条啮合传动连接，该加热器由工字安装座和固定于工字安装座之间的若干电热管组成，若干电热管均与碳刷电性连接，使得加热器转动和供电，从反应管的中部进行搅拌加热，避免传统侧壁加热式聚合釜，在内壁近层局部受热，导致过反应，从而形成粘度较高的聚合物，影响聚合物换热。

反应管上部侧壁的两侧分别设置有第一喂料管和溶剂管，用于通入熔融料和导入溶剂，反应管的底壁设置有第一排料管，用于排出混合料。

反应管的管壁中设置有保温材料，在连续聚合反应时，减少热量损失降低能耗。

所述急冷装置由若干个冷却单元组成，每个冷却单元包括冷却罐和设置于冷却罐中心的安装轴管，在冷却罐的内壁和安装轴管的周侧壁之间设置有隔板，将冷却罐的内腔分隔为冷却流道和物料流道，所述冷却流道和物料流道呈螺旋状，且冷却流道和物料流道交替分布，冷却罐的顶壁设置有第二喂料管，冷却罐的底壁设置有第二排料管，且第二喂料管和第二排料管均与物料流道连通，冷却罐的一侧设置有冷却进管，冷却罐的另一侧设置有冷却出管，且冷却进管和冷却出管均与冷却流道连通。

所述冷却出管位于靠近第二喂料管的一侧，冷却进管位于靠近第二排料管的一侧，使得制冷剂与混合料形成对流，换热效率更高。

冷却进管的一端连通有节流阀，节流阀与压缩制冷剂管道连通，用于控制压缩的制冷剂降压释放，使得制冷剂汽化吸热，对混合物进行降温，冷却进管中设置有流量计，用于精确监控压缩制冷剂的通入量，控制混合物下降温度，所有冷却出管连通有集气管，集气管与压缩设备连通，收集汽化的制冷剂，并被压缩设备重新压缩循环利用。

每个冷却罐的一侧均设置有清洗管，停止反应时，从清洗管通入清洗剂，对急冷装置进行清洁。

所述物料流道的宽深比为0.5-0.7:1，冷却流道的宽深比0.13-0.2:1，在该尺寸下，制冷剂与混合料充分换热，降温速度快。

所述每个冷却单元的物料流道和冷却流道的螺旋圈数为4-7圈。

所述挤出装置包括挤出管，该挤出管的一端设置有螺杆挤出机，螺杆挤出机的进料端连通有第三喂料管，螺杆挤出机的挤出端连通有列管换热器，列管换热器的底面连通有进水管，列管换热器的顶面连通有出水管，在挤出时，向列管冷却器中通入冷却水，对快速降温后的混合物进行进一步降温至收集温度。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的高效安全的氰酸酯聚合设备，通过预热罐先将聚合单体加热至熔融温度以上4-7℃，随后泵入聚合装置中，通过转动的加热器对聚合单体升温聚合，聚合单体以均匀熔融态继续升温，受热均匀，通过加热器从反应管中部进行搅动加热，避免聚合单体与高温大面积的聚合釜内壁接触，在内壁近层形成粘度较高的聚合物，影响中部聚合单体换热，防止聚合不均，且在聚合釜内壁造成反应失控，进而形成安全隐患。

2、本发明提供一种由多个冷却单元组成的急冷装置，在冷却罐中设置同向螺旋状的冷却流道和物料流道，聚合在即将达到目标值时，排出至物料流道中，排出过程中，利用余热促使聚合，随后通过节流阀向冷却流道中通入压缩制冷剂，其汽化过程迅速吸热，通过合理的流道参数设计，聚合物迅速降温至聚合温度以下，立即终止聚合反应，避免反应失控放出大量热量。

3、本发明提供的高效安全的氰酸酯聚合设备，实现聚合单体预热、聚合单体快速升温聚合和聚合物快速降温，反应过程全程受控，适用于绝大多数氰酸酯树脂聚合反应，且其预聚体GT为60-80min。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种高效安全的氰酸酯聚合设备结构示意图；

图2为聚合装置的结构示意图；

图3为急冷装置的结构示意图；

图4为冷却罐的内部结构示意图；

图5为挤出装置的外部结构示意图；

图6为挤出管的内部结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

11、钢平台；12、聚合装置；13、第一电机；14、预热罐；15、急冷装置；16、挤出装置；21、反应管；22、第一喂料管；23、电极；24、驱动轴；25、碳刷；26、工字安装座；27、溶剂管；28、电热管；29、第一排料管；31、冷却罐；32、集气管；33、冷却出管；34、清洗管；35、第二喂料管；36、冷却进管；37、节流阀；38、安装轴管；39、第二排料管；41、物料流道；42、冷却流道；51、挤出管；61、第三喂料管；62、螺杆挤出机；63、出水管；64、列管换热器；65、进水管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6所示，一种高效安全的氰酸酯聚合设备，包括钢平台11，钢平台11的顶部设置有预热罐14，预热罐14的下方连通有若干聚合装置12，若干聚合装置12均通过桁架与钢平台11固定连接，聚合装置12的下方设置有急冷装置15，急冷装置15的下方设置有挤出装置16；

所述聚合装置12包括反应管21和设置在反应管21中的加热器，该加热器的顶部固定有驱动轴24，驱动轴24贯穿反应管21的顶壁，且驱动轴24通过密封轴承座与反应管21转动安装，驱动轴24的周侧壁固定有碳刷25，钢平台11上设置有电极23，通过碳刷25为加热器供电，驱动轴24的顶端固定有从动齿轮，钢平台11的底面设置有第一电机13，第一电机13的输出端固定有主动齿轮，且主动齿轮与从动齿轮通过链条啮合传动连接，该加热器由工字安装座26和固定于工字安装座26之间的若干电热管28组成，若干电热管28均与碳刷25电性连接，使得加热器转动和供电，从反应管21的中部进行搅拌加热，避免传统侧壁加热式聚合釜，在内壁近层局部受热，导致过反应，从而形成粘度较高的聚合物，影响聚合物换热。

反应管21上部侧壁的两侧分别设置有第一喂料管22和溶剂管27，用于通入熔融料和导入溶剂，反应管21的底壁设置有第一排料管29，用于排出混合料。

反应管21的管壁中设置有保温材料，在连续聚合反应时，减少热量损失降低能耗。

所述急冷装置15由若干个冷却单元组成，每个冷却单元包括冷却罐31和设置于冷却罐31中心的安装轴管38，在冷却罐31的内壁和安装轴管38的周侧壁之间设置有隔板，将冷却罐31的内腔分隔为冷却流道42和物料流道41，所述冷却流道42和物料流道41呈螺旋状，且冷却流道42和物料流道41交替分布，冷却罐31的顶壁设置有第二喂料管35，冷却罐31的底壁设置有第二排料管39，且第二喂料管35和第二排料管39均与物料流道41连通，冷却罐31的一侧设置有冷却进管36，冷却罐31的另一侧设置有冷却出管33，且冷却进管36和冷却出管33均与冷却流道42连通。

所述冷却出管33位于靠近第二喂料管35的一侧，冷却进管36位于靠近第二排料管39的一侧，使得制冷剂与混合料形成对流，换热效率更高。

冷却进管36的一端连通有节流阀37，节流阀37与压缩制冷剂管道连通，用于控制压缩的制冷剂降压释放，使得制冷剂汽化吸热，对混合物进行降温，冷却进管36中设置有流量计，用于精确监控压缩制冷剂的通入量，控制混合物下降温度，所有冷却出管33连通有集气管32，集气管32与压缩设备连通，收集汽化的制冷剂，并被压缩设备重新压缩循环利用。

每个冷却罐31的一侧均设置有清洗管34，停止反应时，从清洗管34通入清洗剂，对急冷装置15进行清洁。

所述物料流道41的宽深比为0.6:1，冷却流道42的宽深比0.15:1，在该尺寸下，制冷剂与混合料充分换热，降温速度快。

所述每个冷却单元的物料流道41和冷却流道42的螺旋圈数为5圈。

所述挤出装置16包括挤出管51，该挤出管51的一端设置有螺杆挤出机62，螺杆挤出机62的进料端连通有第三喂料管61，螺杆挤出机62的挤出端连通有列管换热器64，列管换热器64的底面连通有进水管65，列管换热器64的顶面连通有出水管63，在挤出时，向列管冷却器中通入冷却水，对快速降温后的混合物进行进一步降温至收集温度。

上述第一喂料管22均通过管道与预热罐14连通，第一排料管29与第二喂料管35通过管道连通，第二排料管39与第三喂料管61通过管道连通。

每两组急冷装置15连通一组挤出装置16。

聚合设备中涉及管路中均设置有电动阀门和流量计，且通过PLC编程控制。

实施例1

本实施例制备一种双酚A型氰酸酯树脂，具体制备过程包括如下步骤：

第一步、将聚合单体原料输送进聚合设备的预热罐14中，升温至122℃(原料标定熔化温度为118℃)，搅拌至聚合单体完全熔化，得到熔融料；

第二步、将熔融料泵入聚合装置12，第一电机13驱动加热器对熔融料搅拌升温至145℃，保温搅拌进行聚合反应，聚合度达到1.56(目标值为1.58)，停止加热，泵入溶剂搅拌，得到混合料；

第三步、混合料排出至急冷罐中，冷却剂释放进冷却流道42中，对混合料快速降温，终止聚合反应；

第四步、快速降温后的混合料吸入挤出装置16中，进行缓冷至收集温度并挤出贮存。

实施例2

本实施例制备一种双酚C型氰酸酯树脂，具体制备过程包括如下步骤：

第一步、将聚合单体原料输送进聚合设备的预热罐14中，升温至135℃(原料标定熔化温度为128℃)，搅拌至聚合单体完全熔化，得到熔融料；

第二步、将熔融料泵入聚合装置12，第一电机13驱动加热器对熔融料搅拌升温至160℃，保温搅拌进行聚合反应，聚合度达到1.52(目标值为1.57)，停止加热，泵入溶剂搅拌，得到混合料；

第三步、混合料排出至急冷罐中，冷却剂释放进冷却流道42中，对混合料快速降温，终止聚合反应；

第四步、快速降温后的混合料吸入挤出装置16中，进行缓冷至收集温度并挤出贮存。

经测算实施例1的氰酸酯预聚体GT为60min，实施例2氰酸酯预聚体GT为80min。

高效安全的氰酸酯聚合设备的工作原理：把聚合单体加入预热罐14中，对聚合加热至熔化，该温度下不足发生聚合反应，而是将聚合单体预热成熔融态，使得其在聚合时受热均匀，随后排出到反应管21中，第一电机13驱动加热器进行搅拌，电刷与电极23接触接触，为电热管28供电，使得加热器在反应管21中部对聚合单体搅拌加热，之后聚合物排入物料流道41内，通过节流阀37向冷却流道42中通入压缩制冷剂，其汽化过程迅速吸热，对聚合物快速降温，使得聚合物低于聚合温度，从而终止反应，汽化的制冷剂被集气管32收集降温后重新压缩用于冷却，急冷后的聚合物通过螺杆挤出机62挤入列管换热器64中，通过冷却水对聚合物缓慢降温至收集温度，最后排出收集，完成氰酸酯聚合。

在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高效安全的氰酸酯聚合设备，包括钢平台（11），钢平台（11）的顶部设置有预热罐（14），其特征在于，预热罐（14）的下方依次设置有若干聚合装置（12）、急冷装置（15）和挤出装置（16）；

所述急冷装置（15）由若干个冷却单元组成，每个冷却单元包括冷却罐（31）和设置于冷却罐（31）中心的安装轴管（38），在冷却罐（31）的内壁和安装轴管（38）的周侧壁之间设置有隔板，将冷却罐（31）的内腔分隔为冷却流道（42）和物料流道（41）；

所述冷却流道（42）和物料流道（41）呈螺旋状，且冷却流道（42）和物料流道（41）交替分布，冷却流道（42）所在的冷却罐（31）的侧壁上分别连通有冷却进管（36）和冷却出管（33），物料流道（41）所在的冷却罐（31）的侧壁上分别连通有第二喂料管（35）和第二排料管（39）；

所述物料流道（41）的宽深比为0.5-0.7:1，冷却流道（42）的宽深比为0.13-0.2:1；

物料流道（41）和冷却流道（42）的螺旋圈数为4-7圈；

所述聚合装置（12）包括反应管（21）和设置在反应管（21）内部的加热器，加热器的顶部固定有与反应管（21）转动安装的驱动轴（24），驱动轴（24）通过固定于钢平台（11）顶面的第一电机（13）驱动转动；

驱动轴（24）的周侧面固定有与加热器电性连接的碳刷（25），钢平台（11）上设置有与碳刷（25）相适配的电极（23）。

2.根据权利要求1所述的一种高效安全的氰酸酯聚合设备，其特征在于，冷却进管（36）的一端连通有节流阀（37），冷却出管（33）连通有集气管（32）。

3.根据权利要求1所述的一种高效安全的氰酸酯聚合设备，其特征在于，所述挤出装置（16）包括挤出管（51），该挤出管（51）的一端设置有螺杆挤出机（62），螺杆挤出机（62）的挤出端连通有列管换热器（64）。

4.一种如权利要求1-3任一项所述高效安全的氰酸酯聚合设备的聚合工艺，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、将聚合单体原料输送进聚合设备的预热罐（14）中，升温至高于聚合单体熔化温度4-7℃，搅拌至聚合单体完全熔化，得到熔融料；

第二步、将熔融料泵入聚合装置（12），第一电机（13）驱动加热器对熔融料搅拌升温至聚合温度，保温搅拌进行聚合反应，聚合度达到低于目标值0.02-0.05时，停止加热，泵入溶剂搅拌，得到混合料；

第三步、混合料排出至冷却罐中，冷却剂释放进冷却流道（42）中，对混合料快速降温，终止聚合反应；

第四步、快速降温后的混合料吸入挤出装置（16）中，进行缓冷至收集温度并挤出贮存。

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