專利名稱：一種基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬化學(xué)新材料領(lǐng)域，尤其涉及一種基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝。
背景技術(shù)：
水性聚氨酯分散體以水作為分散介質(zhì)，在使用過(guò)程中僅有水揮發(fā)進(jìn)入大氣，對(duì)環(huán)境無(wú)不良影響。同時(shí)采用水作為分散介質(zhì)使得水性聚氨酯分散體還具有無(wú)毒，無(wú)味，不燃，不爆安全的特點(diǎn)。水性聚氨酯分散體作為一種綠色環(huán)保高分子材料應(yīng)用極為廣泛，可以取代傳統(tǒng)溶劑型聚氨酯材料用于真皮涂飾，清潔工藝制備合成革，紙張施膠，紡織品涂層整理，紡織品涂料印花和膠漿，木器涂料，金屬涂料，塑料涂料，玻璃涂料，玻纖浸潤(rùn)，無(wú)粉手套涂覆，涂膠手套，紡織品復(fù)合，真空吸塑，水性油墨(水性筆和噴墨打印油墨)，鞋用粘合劑，包裝材料復(fù)合，復(fù)合材料粘合等。水性聚氨酯分散體自上世紀(jì)60年代末工業(yè)化以來(lái)，發(fā)展極為迅速。但水性聚氨酯生產(chǎn)工藝到目前為止還只有間歇法生產(chǎn)和半連續(xù)法生產(chǎn)。所謂間歇法生產(chǎn)工藝是將水性聚氨酯分散體合成的預(yù)聚放在反應(yīng)釜中進(jìn)行，通常聚合溫度控制在80 100° C，預(yù)聚時(shí)間在2 8小時(shí)。隨著預(yù)聚反應(yīng)的進(jìn)行，預(yù)聚體分子量逐步提高，體系粘度會(huì)隨之增加。而反應(yīng)釜通常難以處理高粘度體系，因此預(yù)聚過(guò)程通常需要添加有機(jī)溶劑降低聚合體系粘度。預(yù)聚反應(yīng)完成后，將物料轉(zhuǎn)移到分散釜，在發(fā)射釜中進(jìn)行中和和分散。所謂半連續(xù)法生產(chǎn)工藝，采用與間歇法相同的間歇預(yù)聚工藝，其后采用連續(xù)的分散器進(jìn)行分散。目前工業(yè)采用的間歇法和半連續(xù)法生產(chǎn)工藝主要存在以下缺點(diǎn)
O反應(yīng)釜通常難以處理高粘度體系，因此預(yù)聚過(guò)程通常需要添加有機(jī)溶劑降低聚合體系粘度。分散后溶劑殘留在分散體中，需要采用后處理工藝將殘留在分散體中的有機(jī)溶劑脫除。一方面增加生產(chǎn)工藝復(fù)雜性，另一方面造成一個(gè)綠色產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程并不綠色?；厥盏娜軇┖兴只蚱渌瘜W(xué)物質(zhì)，一般不能重復(fù)使用，造成生產(chǎn)成本大幅提高。在丙酮法水性聚氨酯生產(chǎn)成本中溶劑成本可能高達(dá)生產(chǎn)成本的30 40%。2)生產(chǎn)周期長(zhǎng)，設(shè)備使用效率低。間歇工藝和半連續(xù)工藝生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá)4 10小時(shí)。3)生產(chǎn)自動(dòng)化程度低。雙螺桿反應(yīng)器廣泛用于聚氨酯熱縮彈性體的生產(chǎn)，但未見(jiàn)用于水性聚氨酯預(yù)聚體合成的研究報(bào)道。串聯(lián)混合器在半連續(xù)法水性聚氨酯合成中有應(yīng)用，但這些串聯(lián)混合器是 在在常溫常壓下工作。這種串聯(lián)混合器與間歇聚合釜組合構(gòu)成半連續(xù)法水性聚氨酯生產(chǎn)工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種成本較低、耐堿性與耐酸性能更好的一種基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于，包括以下工藝過(guò)程
(1)通過(guò)計(jì)量泵將水性聚氨酯合成原料連續(xù)泵入原料混合器，并在原料混合器中預(yù)加熱到40 100° C ；
(2)將所得的混合預(yù)熱的聚合原料注入雙螺桿反應(yīng)器，雙螺桿的擠出時(shí)間設(shè)定在3 15分鐘，雙螺桿反應(yīng)器溫度控制在120 200° C，壓力設(shè)定在O. I O. 5Mpa，得從雙螺桿擠出機(jī)擠出的預(yù)聚體；
(3)將從雙螺桿擠出機(jī)擠出的預(yù)聚體直接注入連續(xù)的高溫高壓一級(jí)分散混合器中，同時(shí)將蒸餾水或添加中和劑的蒸餾水以計(jì)量方式注入一級(jí)分散混合器中，在90 150° C高溫和O. I O. 5MPa高壓下分散；
(4)為了更加分散效果可以增加二級(jí)分散工藝，分散條件與一級(jí)分散相同；
(5)分散獲得的高溫分散體通過(guò)管道熱交換器冷卻到30 60°C，再經(jīng)過(guò)減壓器減壓后獲得低溫常壓分散體，分散體經(jīng)過(guò)過(guò)濾后包裝，即完成水性聚氨酯連續(xù)法生產(chǎn)的全過(guò)程。所述的基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于水性聚氨酯合成原料由二異氰酸酯，聚合物二元醇，小分子二元醇和親水?dāng)U鏈劑組成。所述的基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于所述的二異氰酸酯為甲苯二異氰酸酯，六次甲基二異氰酸酯，異佛爾酮二異氰酸酯，二苯基甲烷二異氰酸酯，二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯中的一種或多種混合。所述的基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于所述的聚合物二元醇為聚醚二元醇，聚酯二元醇，聚碳酸酯二元醇中的一種或多種混
口 O所述的基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于所述的聚醚二元醇采用2端羥基，分子量為200 10000的各種結(jié)構(gòu)聚醚齊聚物，指的是聚四氫呋喃二元醇，聚氧化丙烯二元醇，聚氧化乙烯二元醇和聚氧化丙烯氧化乙烯共聚二元醇的一種或多種混合；
所述的聚酯二元醇是含2個(gè)端羥基含聚酯結(jié)構(gòu)的齊聚物，分子量范圍為200 10000，指的是聚己二酸己二醇酯二元醇，聚己二酸丁二醇酯二元醇，聚己二酸新戊二醇酯二醇，聚己二酸乙二醇酯二元醇，聚己內(nèi)酯二醇的一種或多種混合；
所述的聚碳酸酯二元醇采用含有2個(gè)端羥基含碳酸酯結(jié)構(gòu)的齊聚物，分子量范圍為200 10000，由碳酸二酯與二元醇酯交換合成。所述的基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于所述的小分子二醇為乙二醇，丁二醇，二乙二醇，丙二醇，甲基丙二醇，環(huán)己基二甲醇中的一種或多種混合；所述的中和劑指可以將親水?dāng)U鏈劑中的親水基團(tuán)中和成為離子基團(tuán)的化合物，對(duì)于羧酸親水基團(tuán)其中和劑為三乙胺，二甲基乙醇胺，對(duì)于甲基二乙醇胺親水?dāng)U鏈劑其中和劑為甲酸，乙酸，乳酸，對(duì)于磺酸鈉親水基團(tuán)則無(wú)需中和劑。所述的基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于所述的親水?dāng)U鏈劑為含有親水基團(tuán)的二羥基化合物。
所述的基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于所述的含有親水基團(tuán)的二羥基化合物為二羥甲基丙酸，二羥甲基丁酸，甲基二乙醇胺，含磺酸鈉基團(tuán)的聚醚或聚酯，含羧基的聚醚或聚酯中的一種。所述的基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于所述的一級(jí)分散和二級(jí)分散都可以選擇機(jī)械分散或超聲波分散。本發(fā)明的原理為
采用雙螺桿擠出機(jī)作為水性聚氨酯預(yù)聚體聚合的反應(yīng)器，雙螺桿反應(yīng)器可以在高溫(100 200° C)短時(shí)間(3 15分鐘的擠出時(shí)間)完成聚合反應(yīng)，雙螺桿反應(yīng)器可以處理高粘度反應(yīng)體系，因此在水性聚氨酯預(yù)聚體聚合時(shí)無(wú)需添加有機(jī)溶劑或僅需添加少量有機(jī) 溶劑。采用高溫(95 150° C)高壓(O O. 5MPa)連續(xù)分散是為了適應(yīng)無(wú)溶劑或混有少量溶劑的聚氨酯預(yù)聚體的分散，這種不含有機(jī)溶劑或含少量有機(jī)溶劑的高分子量預(yù)聚體常溫呈現(xiàn)固體，必需在高于其軟化溫度下才能分散。而當(dāng)設(shè)計(jì)分散溫度高于水的沸點(diǎn)100° C時(shí)，高壓設(shè)計(jì)只是為了避免水的汽化，維持高于100° C的分散條件，分散獲得的高溫高壓分散體經(jīng)過(guò)冷卻裝置和減壓裝置就可以獲得產(chǎn)品。本發(fā)明的有益效果
I、由于采用雙螺桿反應(yīng)器和高溫高壓分散方式，工藝可以適合無(wú)溶劑或低溶劑水性聚氨酯分散體生產(chǎn)；
2、本發(fā)明首創(chuàng)一種完全連續(xù)法水性聚氨酯分散體生產(chǎn)工藝，采用雙螺桿擠出機(jī)作為反應(yīng)器，完成聚合的聚氨酯預(yù)聚體經(jīng)雙螺桿反應(yīng)器擠出進(jìn)入兩個(gè)串聯(lián)的壓力混合器，在90 150° C壓力為O. I O. 5MPa與水混合，混合器可以采用機(jī)械分散或超聲波分散。反應(yīng)物經(jīng)冷卻減壓后獲得水性聚氨酯分散體。工藝過(guò)程中可以不使用溶劑或使用少量有機(jī)溶齊U，生產(chǎn)周期非常短，從原料進(jìn)入連續(xù)生產(chǎn)裝置到獲得產(chǎn)品僅需3 15分鐘，工藝完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。


圖I為工藝流程示意圖。
具體實(shí)施方式
、
實(shí)例I.
聚四氫呋喃二醇(Mn=2000) 500份，2 —甲基1，3丙二醇60份，異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI) 248份，二羥甲基丙酸(DMPA) 55份混合預(yù)熱到70° C注入雙螺桿反應(yīng)器，雙螺桿反應(yīng)器溫度控制在220° C，擠出時(shí)間控制在10分鐘。預(yù)聚體從擠出機(jī)擠出后直接擠入一級(jí)分散器，一級(jí)分散器中同時(shí)注入計(jì)量的三乙胺水溶液，注入的三乙胺水溶液溫度控制在90° C。一級(jí)分散器采用機(jī)械分散，分散溫度控制在130° C，壓力控制在O. 3MPa，一級(jí)分散液進(jìn)入二級(jí)分散器，二級(jí)分散器采用超聲波分散，溫度和壓力與一級(jí)分散器相同。經(jīng)過(guò)二級(jí)分散器的分散體進(jìn)入管道式冷卻器，冷卻到60° C，再經(jīng)減壓器減壓到常壓。連續(xù)獲得含固量為35%，完全不含有機(jī)溶劑的羧酸型陰離子水性聚氨酯分散體。實(shí)例2.
聚四氫呋喃二醇(Mn=2000) 500份，2 —甲基1，3丙二醇60份，異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI) 248份，二羥甲基丙酸(DMPA) 55份，N-甲基吡咯烷酮50分，三乙胺40分混合注入雙螺桿反應(yīng)器，雙螺桿反應(yīng)器溫度控制在140° C，擠出時(shí)間控制在10分鐘。預(yù)聚體從擠出機(jī)擠出后直接擠入一級(jí)分散器，一級(jí)分散器中同時(shí)注入計(jì)量的溫度為90° C蒸餾水。一級(jí)分散器采用機(jī)械分散，分散溫度控制在100° C，壓力控制在O. IMPa，一級(jí)分散液進(jìn)入二級(jí)分散器，二級(jí)分散器采用超聲波分散，溫度和壓力與一級(jí)分散器相同。經(jīng)過(guò)二級(jí)分散器的分散體進(jìn)入管道式冷卻器，冷卻到60° C，再經(jīng)減壓器減壓到常壓。連續(xù)獲得含固量為35%，含有2%機(jī)溶劑的羧酸型陰離子水性聚氨酯分散體。實(shí)例3.
聚四氫呋喃二醇(Mn=2000) 500份，2 —甲基1，3丙二醇50份，甲苯二異氰酸酯(TDI)170份，N-甲基二乙醇胺30份，N-甲基吡咯烷酮50分，雙螺桿反應(yīng)器溫度控制在120° C，擠出時(shí)間控制在15分鐘。預(yù)聚體從擠出機(jī)擠出后直接擠入一級(jí)分散器，一級(jí)分散器中同 時(shí)注入計(jì)量的溫度為90° C的甲酸水溶液。一級(jí)分散器采用機(jī)械分散，分散溫度控制在100° C，壓力控制在O. IMPa，一級(jí)分散液進(jìn)入二級(jí)分散器，二級(jí)分散器采用超聲波分散，溫度和壓力與一級(jí)分散器相同。經(jīng)過(guò)二級(jí)分散器的分散體進(jìn)入管道式冷卻器，冷卻到60° C，再經(jīng)減壓器減壓到常壓。連續(xù)獲得含固量為35%，含有2%機(jī)溶劑的陽(yáng)離子型水性聚氨酯分散體。實(shí)例4。聚四氫呋喃二醇(Mn=2000) 500份，2 —甲基1，3丙二醇50份，甲苯二異氰酸酯(TDI) 190份，間苯二甲酸二乙二醇酯-5-磺酸鈉(40%乙二醇溶液)80份，N-甲基吡咯烷酮50份，雙螺桿反應(yīng)器溫度控制在200° C，擠出時(shí)間控制在10分鐘。預(yù)聚體從擠出機(jī)擠出后直接擠入一級(jí)分散器，一級(jí)分散器中同時(shí)注入計(jì)量的溫度為90° C的甲酸水溶液。一級(jí)分散器采用機(jī)械分散，分散溫度控制在100° C，壓力控制在O. IMPa，一級(jí)分散液進(jìn)入二級(jí)分散器，二級(jí)分散器采用超聲波分散，溫度和壓力與一級(jí)分散器相同。經(jīng)過(guò)二級(jí)分散器的分散體進(jìn)入管道式冷卻器，冷卻到60° C，再經(jīng)減壓器減壓到常壓。連續(xù)獲得含固量為35%，含有2%機(jī)溶劑的磺酸型水性聚氨酯分散體。
權(quán)利要求
1.一種基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于，包括以下工藝過(guò)程(1)通過(guò)計(jì)量泵將水性聚氨酯合成原料連續(xù)泵入原料混合器，并在原料混合器中預(yù)加熱到40 100° C ；(2)將所得的混合預(yù)熱的聚合原料注入雙螺桿反應(yīng)器，雙螺桿的擠出時(shí)間設(shè)定在3 15分鐘，雙螺桿反應(yīng)器溫度控制在120 200° C，壓力設(shè)定在O. I O. 5Mpa，得從雙螺桿擠出機(jī)擠出的預(yù)聚體；(3)將從雙螺桿擠出機(jī)擠出的預(yù)聚體直接注入連續(xù)的高溫高壓一級(jí)分散混合器中，同時(shí)將蒸餾水或添加中和劑的蒸餾水以計(jì)量方式注入一級(jí)分散混合器中，在90 150° C高溫和O. I O. 5MPa高壓下分散；(4)為了更加分散效果可以增加二級(jí)分散工藝，分散條件與一級(jí)分散相同；(5)分散獲得的高溫分散體通過(guò)管道熱交換器冷卻到30 60°C，再經(jīng)過(guò)減壓器減壓后獲得低溫常壓分散體，分散體經(jīng)過(guò)過(guò)濾后包裝，即完成水性聚氨酯連續(xù)法生產(chǎn)的全過(guò)程。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于水性聚氨酯合成原料由二異氰酸酯，聚合物二元醇，小分子二元醇和親水?dāng)U鏈劑組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于所述的二異氰酸酯為甲苯二異氰酸酯，六次甲基二異氰酸酯，異佛爾酮二異氰酸酯，二苯基甲烷二異氰酸酯，二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯中的一種或多種混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于所述的聚合物二元醇為聚醚二元醇，聚酯二元醇，聚碳酸酯二元醇中的一種或多種混合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于所述的聚醚二元醇采用2端羥基，分子量為200 10000的各種結(jié)構(gòu)聚醚齊聚物，指的是聚四氫呋喃二元醇，聚氧化丙烯二元醇，聚氧化乙烯二元醇和聚氧化丙烯氧化乙烯共聚二元醇的一種或多種混合；所述的聚酯二元醇是含2個(gè)端羥基含聚酯結(jié)構(gòu)的齊聚物，分子量范圍為200 10000，指的是聚己二酸己二醇酯二元醇，聚己二酸丁二醇酯二元醇，聚己二酸新戊二醇酯二醇，聚己二酸乙二醇酯二元醇，聚己內(nèi)酯二醇的一種或多種混合；所述的聚碳酸酯二元醇采用含有2個(gè)端羥基含碳酸酯結(jié)構(gòu)的齊聚物，分子量范圍為200 10000，由碳酸二酯與二元醇酯交換合成。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于所述的小分子二醇為乙二醇，丁二醇，二乙二醇，丙二醇，甲基丙二醇，環(huán)己基二甲醇中的一種或多種混合；所述的中和劑指可以將親水?dāng)U鏈劑中的親水基團(tuán)中和成為離子基團(tuán)的化合物，對(duì)于羧酸親水基團(tuán)其中和劑為三乙胺，二甲基乙醇胺，對(duì)于甲基二乙醇胺親水?dāng)U鏈劑其中和劑為甲酸，乙酸，乳酸，對(duì)于磺酸鈉親水基團(tuán)則無(wú)需中和劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于所述的親水?dāng)U鏈劑為含有親水基團(tuán)的二羥基化合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于所述的含有親水基團(tuán)的二羥基化合物為二羥甲基丙酸，二羥甲基丁酸，甲基二乙醇胺，含磺酸鈉基團(tuán)的聚醚或聚酯，含羧基的聚醚或聚酯中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，其特征在于所述的一級(jí)分散和二級(jí)分散都可以選擇機(jī)械分散或超聲波分散。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于雙螺桿反應(yīng)器設(shè)計(jì)的水性聚氨酯分散體連續(xù)法生產(chǎn)工藝，水性聚氨酯合成原料混合后注入雙螺桿反應(yīng)器，在雙螺桿反應(yīng)器中經(jīng)120～200°C，3～15分鐘完成聚合，完成聚合的聚氨酯預(yù)聚體經(jīng)雙螺桿反應(yīng)器擠出進(jìn)入兩個(gè)串聯(lián)的壓力混合器，在90～150°C與水混合，混合器可以采用機(jī)械分散或超聲波分散，反應(yīng)物經(jīng)冷卻減壓后獲得水性聚氨酯分散體。本發(fā)明工藝過(guò)程中可以不使用溶劑或使用少量有機(jī)溶劑，生產(chǎn)周期非常短，從原料進(jìn)入連續(xù)生產(chǎn)裝置到獲得產(chǎn)品僅需3～15分鐘，工藝完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。
文檔編號(hào)B29C47/92GK102633971SQ20121011680
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者王武生 申請(qǐng)人:王武生