氯磺化聚乙烯生产工艺技术分析

氯磺化聚乙烯生产工艺技术分析摘要:对国内外氯磺化聚乙烯生产现状及生产工艺技术进行了分析和比较,指出连续溶液聚合技术是今后合成工艺技术的主导,同时对氯磺化聚乙烯市场应用情况做简要说明。氯磺化聚乙烯(简称CSM)是聚乙烯经氯化和氯磺化而制得的一类特种橡胶。因为它具有优异的耐天候、耐热、耐臭氧、耐化学品等特性,所以得到广泛应用,消耗量逐年增加,随着高分子合成技术的进步,高分子材料工业不断发展,聚乙烯(PE)牌号也在不断增加,结构多样化,使得氯磺化聚乙烯产品牌号也在增加,高门尼等特殊用途高品质的新牌号氯磺化聚乙烯也随之问世,市场应用领域也越来越广泛。它主要应用于建筑材料、电子电气、汽车工业制品、及救生器材、制鞋等其它领域。1氯磺化聚乙烯生产情况目前,世界CSM总生产能力约6.5万t/a,而美国杜邦公司独家生产能力约5.4万t/a,占世界总产量的90%左右。据文献报道,过去曾经开发研制或进行工业化生产的主要国家有:美国前苏联、日本、英国、法国、德国和中国。其中美国占这一领域的垄断地位,由于美国杜邦(Dupont)公司对该胶种的垄断生产,使得世界各大弹性体研发机构及生产大公司忽略和放弃对该胶种的开发及生产。综上所述,氯磺化聚乙烯生产处于相对稳定平缓发展时期,对氯磺化聚乙烯工艺技术开发及新牌号开发还存在一定的发展空间。中国氯磺化聚乙烯与国外相对应牌号的对照见表2氯磺化聚乙烯合成反应机理2.1溶液法反应机理溶液法生产氯磺化聚乙烯是将聚乙烯溶解溶剂中,在引发剂存在下,与氯气和二氧化硫应、或与氯气和磺酰氯反应、或单独与磺酰氯反制造氯磺化聚乙烯。(1)PE直接与氯气和二氧化硫反应机理化学反应式为:R+Cl2+SO2→RCl(SO2C+HCl引发剂分解:r—N=N—r→2r·+N2自由基反应过程:游离基的转移r·+R→R·+rR·+Cl2→RCl+Cl·R+Cl·→RCl+H·H·+Cl2→HCl+Cl·r·+Cl2→rCl+Cl·R+Cl·→R·+HClSO2+Cl2→SO2Cl2R·+SO2Cl2→RSO2Cl+Cl·游离基的终止(双基终止):2r·→r—r2Cl·→Cl22R·→R—RCl·+R·→RClCl·+H·→HCl(2)PE与氯气和磺酰氯反应或单独与磺酰氯反应机理化学反应式为:氯化反应R+Cl2→RCl+HCl氯磺化反应R+SO2Cl2→RCl+SO2+HCl或RSO2Cl+HCl引发剂分解:r—N=N—r→2r·+N2自由基反应过程:R—H+Cl·→R·+HClR·+Cl2→R—Cl+Cl·R·+SO2→R—SO2·RSO2·+Cl2→RSO2·Cl+Cl·R·+SO2Cl2→R—Cl+SO2Cl·SO2Cl·→SO2+Cl·2.2气固法反应机理气固法反应合成氯磺化聚乙烯是以氯化聚乙烯颗粒为原料,Cl2和SO2为反应气体,紫外光引发反应,其反应过程可由以下基元反应描述。自由基引发:Cl2→2Cl·RCl→R·+Cl·氯磺化反应:R·+SO2→RSO2·RSO2·+Cl2→RSO2Cl+Cl·R·+Cl2→RCl+Cl·R·+Cl·→RClCl·+RH→R·+HCl3氯磺化聚乙烯生产工艺过程分析及比较3.1氯磺化聚乙烯合成工艺方法氯磺化聚乙烯合成工艺方法一般分为溶液法、固相法两种。3.1.1溶液法溶液法又分为间歇溶液法和连续溶液法。(1)间歇溶液法———采用釜式反应器,不可连续化间歇溶液法又可称为鼓泡法,是制造CSM的传统方法,美国杜邦公司最早进行生产“Hypalon”时就使用这种方法。这种方法是聚乙烯在加热加压下溶于溶剂,在引发剂作用下,将氯气和二氧化硫在接近溶剂沸点温度鼓入均相聚乙烯(PE)溶液中,根据生产牌号不同,调节氯气和二氧化硫的气体流量控制氯含量和硫含量。另外该方法生产高密度聚乙烯(HDPE)牌号时,由于HDPE溶解性差,可先高温溶解预氯化后再通入氯气和二氧化硫混合气体,在溶剂常压沸点下,再进行氯磺酰化反应。其常使用的溶剂为四氯化碳、三氯甲烷、二氯乙烷、三氯乙烷、氯苯及二氯苯等,但较理想的溶剂是四氯化碳。引发剂一般可选用偶氮二异丁腈、氯醛二过氧化物、乙酰环己基过氧化物或羟甲基叔丁基过氧化物,间歇溶液法合成CSM缺点是氯磺酰化反应只能在较稀的溶液中进行,PE的最高允许浓度仅为4%～5%,因此溶剂消耗量大、能耗高、生产效率低、二氧化硫利用率低。(2)连续溶液法①采用管式反应器,可连续化连续溶液法是在吡啶、喹啉等胺化物存在下,使磺酰氯(SO2Cl2)与溶解于有机溶剂中的聚乙烯均相进行氯化和氯磺化反应,可通过计算量的磺酰氯(SO2Cl2)中氯全部引入PE链,再调节胺化物或吡啶量确定硫的反应速率即确定硫的含量,这样通过一步反应即可生产出预期氯和硫含量的CSM。当胺化物浓度C≤3.5×10mol/L时,SO2Cl2中硫的反应产率与胺化物浓度关系应符合下式:LgS=α×LgC+β其中:S为磺酰氯中硫的转化率C为胺化物的浓度α、β为常数,1.0α3.0、4.0β12.0该法与上述传统经典方法相比其优点是:反应过程简单,一步反应即可进行,反应物浓度高(PE浓度可提高到15%,SO2Cl2浓度可提高到30%),反应时间短可连续化,该法生产的CSM产品耐寒性、硫化胶物性、色泽及贮存稳定性均优,据报导,美国杜邦公司已采用此法生产CSM。②采用塔式反应器,可连续化连续溶液法是将SO2Cl2和PE溶液混合后从反应器(塔)顶部加入,氯气从反应器底部加入,根据氯、硫含量设计计算反应停留时间。再确定反应器结构,反应速度可通过加入吡啶或喹啉等胺化物来调节,该方法对高、低密度聚乙烯均适用该方法特点是操作简单,生产效率高,生产牌号广泛。是二步溶液法的典型,该方法缺点是氯气循环量大,如果工艺中可将尾气进行循环利用,该方法将具有非常好的工业化发展前途。3.1.2固相法固相法合成氯磺化聚乙烯又可分为悬浮法和气固法两种。(1)悬浮法———筒式反应器可连续化该方法是在带有搅拌的圆筒反应器内,通入氯气和二氧化硫混合气体同悬浮在反应器中的PE粉末进行连续的氯化、氯磺化反应制得CSM。基本操作过程是首先向圆筒反应器中加入一定量的悬浮剂(卤化物)和PE粉末,并由分配盘向反应器中通入二氧化硫和氯气,同悬浮在悬浮剂中的PE发生氯化、氯磺酰化反应。生成的CSM溶解于悬浮剂中,其比重大于悬浮剂本身及PE的比重,所以随反应进行,生成的CSM从悬浮溶液向底部沉降,分层后排出反应器,产品氯化、氯磺酰化的控制可由气体通入量、PE和悬浮剂加入速度来控制。该方法优点是可连续化操作,缺点是生产牌号受限,PE粉末表面引入氯及磺酰氯不容易均匀,结晶度残留会影响CSM品质。不具有工业化前途。(2)气固法———流化床反应器,可连续化气固法也称“流化床法”,该法系将氯气、二氧化硫气体通过聚乙烯粉末或氯化聚乙烯(CPE)粉末的流化床,由引发剂或紫外线引发进行氯化、氯磺酰化反应,该法与溶液法相比反应时间短、成本低、污染小、工艺简单,缺点是PE和CPE粉末表面引入氯及磺酰氯不容易均匀,结晶度残留影响CSM的品质,不具有工业化前途,美国Goodrich公司和Dow化学公司及华东理工大学、青岛化工学院、北京化工学院等都在流化床用气固相法合成CSM上做了大量工作,但均未见工业化生产工艺报道。3.2国内外氯磺化聚乙烯合成工艺技术对照目前国内外生产氯磺化聚乙烯合成工艺技术见表33.3氯磺化聚乙烯合成工艺中溶剂替代溶液法氯磺化聚乙烯合成工艺中,溶剂四氯化碳是较理想的溶剂,兼具备溶解性好,沸点低易分离等优点,但由于四氯化碳发散易破坏大气臭氧层,一直以来受世界环保组织及各国环保部门的高度重视“,蒙特利尔公约”严格限制世界各国生产装置四氯化碳大气排放量,溶剂替代一直是困绕溶液法氯磺化聚乙烯生产工艺的技术难题美国杜邦公司、日本东曹公司、日本电气化学公司等对溶剂替代试验工作从未停止。据专利报导,溶液法合成氯磺化聚乙烯可选择的溶剂有:甲基硅烷、卤代烃(氟溴代烃、氟氯代烃、溴氯代烃)、二硫化碳、三甲氧基磷、三氟乙酸、十甲基环四硅氧烷、1,4二氟苯、单氟苯、以及四氯化碳和氯仿的混合溶液、氯仿和4～10个碳的烯烃混合溶液等。3.4溶液法氯磺化聚乙烯合成工艺脱溶剂干燥后处理方法采用溶液法生产CSM时,聚合物溶液除去酸气后,送入分离工段,据报道,胶液脱溶剂干燥后处理方法主要分为以下三种。(1)湿法水蒸汽气提法此法是将胶液分散于热水中,吹入水蒸汽气提带走CCl4,胶液经单釜凝聚或双釜凝聚或多釜凝聚(也可负压操作),凝聚胶块和水经震动筛脱水再洗涤经二级螺杆挤压干燥机即得成品CSM。该法工艺比较成熟,属传统脱溶剂干燥工艺,缺点是水循环量大,能耗大,CCl4发散点多且发散量大,操作环境恶劣,成品胶外观较差。该法生产CSM逐渐被淘汰。(2)滚筒法是将CSM胶液喷涂到加热的密闭滚筒表面,使溶剂蒸发,聚合物以薄膜状进行快速析出并干燥,此法也是传统工艺,密封及局部糊胶是该法技术难题。可导致CCl4回收率低,如果解决密封问题,此法还可延用。(3)预浓缩双螺杆干法挤出脱溶剂最近该法报道较多,乙丙橡胶后处理工艺便采用该法。这种干燥方法一般分两步完成,首先将胶液进行预浓缩,一般采用薄膜蒸发或喷丝减压蒸发脱溶剂进行预浓缩,使胶含量从10%提浓至30%～50%,然后进入多段双螺杆真空挤出机进行深度脱溶剂干燥。此法流程简单,能耗低,由于在非水下操作,产品外观好,这是一种较先进的干燥CSM方法,日本电化学公司氯磺化聚乙烯后处理工艺采用该方法。4氯磺化聚乙烯今后发展方向4.1新牌号开发随着高分子合成工艺技术的发展,做为合成氯磺化聚乙烯基质材料PE的牌号不断增多,为更具特殊结构和性能的氯磺化聚乙烯新牌号开发创造了条件。利用线性低密度聚乙烯(LLDPE)做基质链的氯磺化聚乙烯,耐寒性特别好;低密度聚乙烯(LDPE)与线性低密度聚乙烯(LLDPE)按一定比例混合做基质链开发的氯磺化聚乙烯可改善粘性大、硫化滚压困难等特性。美国杜邦公司一直在开发特殊牌号的氯磺化聚乙烯,比如,在涂料、印刷墨等特殊应用领域,开发出了CP730、CP751、CP826等新牌号。而且,高门尼牌号H24085、CPR26140等也已相继问世。另外以CSM为基础原料与丙烯单体接枝共聚制备第二代粘合剂(SGA粘合剂),以及与乙二醇接枝共聚制造亲水性、亲油性兼备的新型材料的试验也为人们所关注,因此,多用途、多牌号的氯磺化聚乙烯开发将是未来的工作重点,也是维系企业竞争和生存的必要手段。4.2合成工艺间歇传统溶液聚合工艺比较落后;固相法合成工艺具有局限性,非均相反应残留结晶度,使产品性能欠佳,无工业发展前途。因此,连续溶液聚合工艺将是氯磺化聚乙烯今后合成工艺的主导,加大工程开发力度显得非常关键。[参考文献]1张彤,刘俊显.氯磺化聚乙烯合成方法的新进展J.化学与粘合,1992(4):233.2王作龄.氯磺化聚乙烯配方技术J.世界橡胶工业,2000,(27)1:46～55.3张锦烽.两用淀粉粘合剂的研制J.粘合剂,1991(1):9～12.4王孟钟黄应昌胶粘剂应用手册北京化学工业出版社,1987.5汪多仁.氯磺化聚乙烯的特性与应用J.中国橡胶,1998,(24):28～29.6李宝莲.氯磺化聚乙烯技术进展J.吉化科技,1997(1):9～14.7扬威,等.国外氯磺化聚乙烯工艺研究进展J.化学与粘合,1997,(1):46～49.8陈冠荣,等.化工百科全书M.北京:化学工业出版社,1998.9于清溪,等.橡胶原材料手册M.北京:化学工业出版社.10赵若飞,等.气固法合成氯磺化聚乙烯J.华东理工大学学报,2001,(27)2:68～75.11AmbroseMcalevy.VulcanizablechlorosulfonatedpolymersP.USP:2586363.12EltonEnnisRoyce,Jameskalil.ProcessforcontinuouslychlorosulfonatingpolyethyleneathighertemperaturesP.USP:3296222.13石冢芳已,藤井