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聚醚多元醇的合成
聚醚多元醇生產工藝日趨成熟,各企業也均有自己的專有技術特色。而對以聚氧化丙烯醚二醇為代表的普通聚醚多元醇而言,其工業化基本上分為原料預處理、聚合反應、后處理等三個步驟。本文就三個步驟進行了詳細的說明,重點如下。
1.原料預處理。
為了保證聚醚多元醇合成的反應速度,保證其分子量的控制及產品色不飽和度等,除了要求聚合單體具有較高的純度外,還要求聚合單體必須具有高純度。同時避免催化劑、起始劑進入反應系統中的水、醛、氧、多羥基糖和其他微量雜質,所以在反應前要先對原料進行預處理。
環氧丙烷為低沸點無色液體,沸點只有34℃,揮發氣體有醚味,易揮發、易燃、有毒,在使用時應注意防護。在酸性催化作用下,由于環氧丙烷分子的非對稱性,在開環過程中可能發生異構反應。環氧乙烷相對環氧丙烷而言,更易燃、易揮發,且易爆,在使用中,應嚴格實施安全防護措施。
原材料中很多雜質會對聚合反應產生不必要的副反應,從而影響反應的順利進行和產品的質量,比如醛類化合物的存在,就像自由基一樣,在聚合過程中扮演著阻聚劑的角色,所以必須嚴格控制原料中醛的含量。國際上主要公司對環氧丙烷原料醛含量,一般規定不得超過50mg/L,日本三洋化成公司甚至要求乙醛含量不能超過10mg/L。
而目前國內工業級環氧丙烷中的醛含量大多在400mg/L左右,與國外控制指標存在較大差距。在聚合過程中,作為類自由基阻聚劑的雜質,以及氯離子,可以終止正常的聚合鏈生長。
同時,含水率也是一個重要的雜質,在開環聚合過程中,有兩個不利因素。其一,微量水可以作為起始劑,與環氧類單體反應,增加指定配方的起始劑數,導致合成。
其次,水是一種鏈式終止劑,還會影響開環聚合的正常進行。所以,環氧樹脂主要原料的含水率要求不超過0.05%。另外,在原料的預處理過程中,一般的方法是對起始劑與催化劑進行預混合,產生金屬烴類氧化物,然后通過真空脫水加入聚合反應釜。
2.開環聚合。
環氧乙烷與環氧乙烷在聚合過程中分別產生2100kJ和1500kJ的熱能,環氧樹脂的開環聚合是放熱反應,需要及時消除反應熱。此外,氧會對聚合反應產生氧化阻聚作用,因此在反應前,要把氮送到聚合反應裝置中,進行置換,確保反應在無氧條件下進行,與此同時,在反應過程中,要不間斷地通入干氮,以制得高品質的聚醚多元醇。
3.后處理程序。
所制備的聚醚多元醇粗品,需進行后處理。再加工主要包括中和、吸附、脫水、過濾、精餾等單元。通過一系列后處理,聚醚多元醇不但要對其進行中和,濾除殘余催化劑的雜質,而且還采用吸附、脫水、蒸餾等步驟,使之得到含水量低、色澤淺、無異味、性能均勻的聚醚制品。對聚醚的精煉,國內外廠商均給予了高度重視,并做了很多有益的探索。
主要的精制方法可以大致如下。根據具體情況,在實際生產中經常采用多種組合精制方法。
(1)用無機酸或有機酸中和。
用堿土金屬氫氧化物作催化劑(如氫氧化鈣,氫氧化鋇,氫氧化鍶等)系統用于生產聚醚多元醇的聚合反應,中和用無機酸作中和劑是很少的,這是因為在工業中用有機酸作為中和劑,如已二酸,這是一種不易被過濾除去的鹽。丙二酸、丁二酸、酒石酸等。對以堿金屬氫氧化物為催化劑的系統,建議以鹽酸、磷酸、稀硫酸等為中和劑,由于無機酸是以鹽酸、磷酸、稀硫酸等為催化劑,粒徑大,易于進行分離操作,工業中最常用的無機酸是酸性較弱、對設備的腐蝕性較小的磷酸。
(2)吸附
吸收操作主要是用來去除聚醚多元醇中的催化劑等離子及有色物質,常用的吸附劑有硅酸鎂、硅酸鋁、活性炭、分子篩、硅藻土、中性木炭等。一般說來,該系統吸附能力控制在一段時間內就能達到平衡,接觸時間過長,反而會使聚醚的色澤加深,故而吸附操作時間多在30~40min。在吸附過程中,溫度太高,會發生氧化;溫度太低,系統粘度增大,導致吸附困難,所以,處理溫度一般在100℃左右。
3)離子交換。
工業化生產中,一般使用中和吸附方法,而對聚醚有很高要求的特殊聚醚也可用離子交換法處理,該工藝既可有效去除聚醚多元醇中的金屬離子,又可除去聚醚中有色、有毒物質。并結合傳統的中和吸附方法,可制得高質量的聚醚多元醇。但是離子交換技術較為復雜,成本較高,目前主要用于化驗室、藥品、食品、化妝品等小型特種聚醚多元醇的生產。
(4)過濾過濾是為了去除催化劑中和后所產生的鹽,傳統設備為板框式過濾器,效率低,勞動強度大,現在采用的是先進的圓形網濾器。濾出時,應根據所產生的聚醚分子量大小、官能度多少,適當加入合適的助濾劑,可降低系統物料粘度,提高過濾效率,減少濾餅中殘留物。外國有專用助濾劑產品。如果原料系統中加入適量的甲醇、乙醇、異丙醇等溶劑,則粘度降低,同樣可以使過濾過程順利進行。
(5)精餾和調節。
為了得到低雜質、淺色、相對分子質量分布較窄的聚醚制品,還需要進行精餾、調節等工序。在100℃左右,將聚醚中的水和其它雜質從聚醚中分離出來,并進行減壓。因為聚醚產品中醚鍵容易發生氧化斷裂,所以目前常采用降膜式蒸發器,不斷將物料輸送到蒸發器上部的高速離心分散盤上,通過離心作用將物料拋向釜壁,并形成液膜下降,在一定的溫度和減壓條件下,控制降膜高度,可以控制產品中的雜質。為了防止聚醚產品氧化,還應添加0.05%~0.5%二叔丁基對甲酚等抗氧劑,并添加丁基化羥基甲苯和胺類抗氧劑(如吩噻嗪等)。為了滿足合成反應的需要,聚醚多元醇產品不能呈堿性,通常要對聚醚產品做酸堿度測試,必要時可加人適當的弱酸性有機酸進行調節,使之成為均一偏酸性產品。一般情況下,聚醚多元醇的pH值應該控制在6~7之間。聚醚多元醇在許多用途中不允許有可溶性金屬鹽,而鉀離子低于100mg/kg時,只能滿足硬泡的使用要求。
求。
聚醚多元醇的工業化生產中,一般采用預處理-聚合-中和吸附-過濾-脫水蒸餾等工藝過程,生產方法可以分為連續法和間歇法。前者具有較高的自動化程度,產品質量穩定,生產效率高,成本低,適合于大批量生產的聚醚多元醇。后一種方法一般是釜式反應設備,投資小、投產快、操作簡單,但產品質量不像連續法那樣穩定,成本稍高。雖然如此,國外生產聚醚多元醇的專業公司,雖然主要是采用連續法,但是都配有間歇式生產設備,以滿足聚氨酯行業對不同品種、規格的聚醚的需求。對年生產能力低于20kt的生產廠,采用分批方式生產設備。
在聚醚多元醇生產中,還存在著三廢,采用先進的生產工藝,每生產1噸產品,產生的廢液約30kg左右,盡管數量不多,但還需要經過處理后排放。經過濾后仍含有相當數量的聚醚,應對其進行清洗、回收,使固體廢品中有機物含量低于1%時排出,溶劑可回收再利用。尾氣可以輸入吸收塔,吸收未反應原料氣,再循環使用,再進入符合環保要求的廢氣處理裝置處理排放。
在工業上,聚醚多元醇主要采用分批連續法。
連續性法是以間歌法為基礎的較先進的生產工藝,適合大規模、單一品種的生產。圖4-2為典型的高活性聚醚多元醇制備環氧乙烷封口工藝。





