[发明专利]一种聚合物发泡珠粒连续制备装置及方法

说明书

本发明提供了一种聚合物发泡珠粒连续制备装置及方法，包括至少一个气源，至少一个气体增压泵和设有至少一个发泡剂注入口的高压釜，高压釜的内部设有振动床和风扇叶片，高压釜的上部设有交替使用的多个加料单元，多个加料单元至少包括第一加料单元和第二加料单元，高压釜的下部设有交替使用的多个排料发泡单元，多个排料发泡单元至少包括第一排料发泡单元和第二排料发泡单元。第一加料单元和第二加料单元交替使用，以及第一排料发泡单元和第二排料发泡单元交替使用，保证连续进料和出料且高压釜内温度、压力保持恒定。本发明具有工艺过程连续，不需使用分散介质，能耗低，生产效率高，介质损耗小，发泡珠粒品质均匀稳定，适用范围广等优点。

技术领域

本发明涉及化学加工装置及方法，尤其涉及一种聚合物发泡珠粒连续制备装置及方法。

背景技术

聚合物发泡珠粒是一种主要的聚合物发泡材料，可以通过模塑工艺制备出结构形状复杂的低密度发泡制品，目前已经实现商业化的包括EPS、EPE、EPP、ETPU等，广泛应用在汽车、缓冲包装、运动鞋、玩具等领域。聚合物发泡珠粒或可发泡珠粒有两种主要制备工艺，一种是高压釜间歇发泡法，另一种是挤出发泡水下切粒法，将连续化挤出发泡装置和水下切粒装置连接，聚合物原料与添加剂被加入料筒中，受热熔融，在螺杆的剪切作用下与发泡剂混合均匀，形成均相体系，输送到口模挤出，被切粒装置切割成聚合物珠粒，同时压力迅速下降，珠粒完成发泡，并在冷却水中定型，随后干燥得到发泡珠粒。该方法具有连续生产，生产效率高等优点，但对设备和材料工艺要求高，发泡珠粒泡孔结构易形成开孔结构，并且对于半结晶聚合物，不会形成双熔融峰，不利于后续模塑成型，目前只有EPS实现了工业化生产。高压釜间歇发泡法由于可方便控制温度压力，生产工艺简单，是目前商业化聚合物发泡珠粒的主要制备工艺。

高压釜间歇发泡工艺过程为：将热塑性聚合物颗粒、分散介质(通常为去离子水)、表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸钠等)分散剂(碳酸钙、高岭土等)、分散助剂(氯化镁、硝酸镁等)一起加入高压搅拌釜中，向釜中注入一定压力的发泡剂(通常为CO₂或丁烷)，升温至适宜温度，使釜内聚合物颗粒维持软化但不熔融的状态，发泡剂不断渗入聚合物中，饱和后泄压，得到聚合物发泡珠粒。此工艺制得的聚合物发泡珠粒具有较高的膨胀倍率与良好的泡孔结构，高温下的饱和过程也可以促进聚丙烯等半结晶聚合物重结晶，形成熔融双峰，有利于后续模塑成型，但该工艺需要消耗大量热能将水升温至饱和温度，同时需要对发泡珠粒进行清洗和干燥，以除去发泡珠粒表面残留的水分和各种有机助剂，生产过程会产生大量废水，处理成本高、工序冗繁，生产成本较高，对环境不友好，与绿色化学理念相悖。

鉴于采用分散介质水的高压釜间歇发泡工艺的缺点，华东理工大学对该工艺进行了改进，开发了喷动床无水发泡技术(夏成志，喷动床技术制备热塑性聚氨酯发泡珠粒过程研究，华东理工大学硕士学位论文，2020年6月)。喷动床无水发泡工艺是将热塑性聚合物颗粒、分散介质加入喷动床，利用高压二氧化碳持续吹扫，使得聚合物颗粒处于喷动状态，并在超临界二氧化碳气氛种进行饱和，并保持喷动床内二氧化碳压力至饱和完成，快速打开泄压阀门后，得到热塑性聚合物发泡珠粒。尽管该工艺有效克服了传统高压釜发泡存在后处理过程复杂、能量消耗大、不环保等缺点，但喷动床技术是借助气流，吹起中心处聚合物颗粒，随着颗粒上升，气体速度逐渐下降，在重力作用下，颗粒上升到一定高度后下落，然后再被吹起-下落，在喷动床内循环运动，使得各处受热均匀。喷动床要实现良好的喷动，气流速度必须穿透床层，将固体颗粒携带至喷动床上空，这会造成生产过程中二氧化碳需要不断循环，被冷却被加热，且气流量大，能耗非常高，且釜内温度压力不断波动，产品质量不均匀等缺点。

CN112172002A公开了一种聚合物发泡珠粒制备方法和装置，采用三个独立的单元：加料单元、饱和单元和发泡单元，并且这三个独立单元均和高压泵送系统出口管道连接，保证单元操作时，各个单元中都能保持高压，并且通过位于三个单元之间的截止阀开闭，实现加料、饱和、发泡依次进行，降低了生产成本，缩短了发泡时间。但在该方法中，聚合物颗粒子在饱和单元，受到高温高压作用，表面会软化，会发生粘接，并且不同料层位置会存在温度差，产品发泡倍率不均匀。