分子蒸馏设备分离聚氨酯预聚物中游离TDI思路

莫琳琳

摘 要：常见的聚氨酯预聚物中游离TDI的分离方法主要有化学反应法、薄膜蒸发法、萃取法和分子蒸馏法等。以分子蒸馏法为例，简单介绍分离工艺，并探讨影响游离TDI分离效果的因素。

关键词：分子蒸馏；游离TDI；聚氨酯预聚物；分离工艺

中图分类号：TQ317 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）05-0046-02

聚氨酯预聚物是常见的固化剂，在发泡材料、涂料、弹性体中被广泛应用。它是由二异氰酸酯与含有活泼氢的化合物反应生成的，其中，残留的游离TDI属于剧毒物质，对人体伤害极大，因此，必须降低游离TDI的含量。我国有关规定明确提出，溶剂型木器涂料中的游离TDI含量必须低于0.7%，所以，在制备聚氨酯预聚物时必须重视降低游离TDI含量。目前，发达国家常用的分离工艺是薄膜蒸发法，该方法成本低，是单体分离的最佳选择，在国内也得到了广泛应用。分子蒸馏法采用的是不同物质分子运动自由程的差别原理实现物质的分离，不需要在沸点下就能完成分离操作，且操作条件简单。

1 分子蒸馏分离工艺

1.1 实验设备、仪器、材料

采用广州汉维冷气机电有限公司生产的MD-S80内冷式分子蒸馏设备。该设备有一个压力平衡系统，可以根据实际情况随意调节压力，空载绝压小于0.1 MPa。另外，还有液相色谱仪、自制闪蒸设备和自制聚氨酯预聚物，聚氨酯预聚物中的游离TDI含量为11%.

1.2 分离工艺

将聚氨酯预聚物放在自制闪蒸设备上，加热到150 ℃闪蒸脱溶剂，脱除掉大部分溶剂的物料进入高位槽，在高位槽中，保持物料在100 ℃左右，再采用分子蒸馏设备进行两次高真空薄膜蒸发，使游离TDI脱离出去。第一次蒸馏后的冷凝温度为0 ℃，第二次采用13 ℃的冷凝温度，并用分析纯醋酸丁酯将蒸余物稀释到质量分数为75%，然后将其送样分析。

2 实验结果与讨论

2.1 蒸馏温度对分离游离TDI的影响

类似聚氨酯预聚物这样的固化剂没有蒸气压，因而蒸馏温度越高，分离效果就越好，但如果蒸馏温度过高，固化剂也有可能在分子蒸馏设备中被固化，所以，必须确定最佳蒸馏温度的范围。第一次蒸馏时，进料速度为0.8 kg/h，进料温度为100 ℃，绝压控制在400 Pa，刮板转速为150 r/min，使蒸馏温度在110～160 ℃之间变化。

图1为固化剂中的游离TDI含量与蒸馏温度的变化示意图，从图中可以看出，随着温度的增高，固化剂中残留的游离TDI含量逐渐减少。当温度低于110 ℃时，溶剂蒸发带走大量的热量，致使固化剂的黏性迅速提高，导致物料难以顺利流出来，甚至可能导致设备发生故障，所以蒸馏温度不得低于110 ℃。蒸发温度显示的是蒸发面的温度，而物料的温度因溶剂蒸发带走部分热量而低于蒸发面温度，不同位置的物料温度不一致，无法一一对照测量。当蒸发面温度为160 ℃时，物料能顺利流出来，但降温到100 ℃后，物料的黏度比150 ℃蒸馏温度下的物料黏度要大一些，这说明蒸馏温度不宜过高，不得超过160 ℃；但也不是绝对的，如果蒸馏时间非常短，可以适当提高蒸馏温度。李绍雄等人编著的《聚氨酯胶黏剂》一书中曾提到，采用200 ℃的蒸馏温度进行分子蒸馏分离，最后得出的物料中游离TDI含量低于0.5%. 所以说，蒸馏温度大小还应具体情况具体分析，根据蒸馏设备、分离工艺等来优化蒸馏温度范围。

图1 游离TDI含量与蒸馏温度的变化示意图

第二次蒸馏时，进料温度、进料速度、刮板转速等均与第一次相同，使蒸馏温度控制在120～160 ℃之间。通过实验可知，随着蒸馏温度的增加，固化剂中的游离TDI含量逐渐降低，从150～160 ℃，TDI含量变化趋于平缓。

2.2 进料温度对游离TDI分离的影响

运用分子蒸馏设备分离聚氨酯预聚物中的游离TDI可以缩短受热时间。经过溶剂脱除的预聚物在高位槽中等待的时间较长，所以进料温度不宜过高，如果超过110 ℃，随着时间的推移，交联副反应会逐渐增多；如果进料温度低于95 ℃，预聚物的流动性变差，无法顺利流入分子蒸馏设备，因此，应将进料温度控制在95～105 ℃的范围内。

2.3 进料速度对分离TDI的影响

两次蒸馏温度、蒸馏绝压、刮板转速和进料温度都相同，依次为150 ℃、15 Pa、150 r/min和100 ℃，而第一次蒸馏进料速度为0.8 kg/h；第二次进行三次对比试验，蒸馏进料速度分别为0.8 kg/h、0.6 kg/h、0.4 kg/h。结果表明，当第二次进料速度越低时，TDI分离效果就越好，但变化幅度不大。进料量大表示液膜较厚，这样使得其表面更新较慢，其中的TDI就不容易进入到表面；如果一旦进入表面，就能迅速分离出去。

2.4 刮板转速对分离TDI的影响

将第一次的蒸馏绝压控制为400 Pa，第二次的控制在15 Pa，两次进料速度均为0.8 kg/h，蒸馏温度均为150 ℃，进料温度为100 ℃，然后将刮板转速控制在80～250 r/min。通过实验可以发现，随着刮板转速的提高，预聚物中的TDI含量逐渐降低。

3 结束语

采用分子设备进行聚氨酯预聚物中游离TDI分离时，蒸馏温度、蒸馏绝压、进料速度、进料温度和刮板速度等都会影响到TDI分离效果。本文简单介绍了MD-S80内冷式蒸馏设备上的聚氨酯预聚物中游离TDI的分离影响因素，研究结果表明，蒸馏温度在150 ℃、二次进料温度为100 ℃、刮板转速为150 r/min、进料速度为0.8 kg/h时，游离TDI的分离效果较好。

参考文献

[1]胡孝勇.聚氨酯无毒固化剂研究[D].广州：华南理工大学，

The Ideas of Molecular Distillation Equipment Separation of Free TDI Polyurethane Prepolymer

Mo Linlin

Abstract： Common TDI polyurethane prepolymer free of chemical separation methods are reaction method， a thin film evaporator， extraction and molecular distillation method. Molecular distillation， for example， a brief separation process， and to explore the factors that influence the effect of the separation of free TDI.

Key words： molecular distillation； free TDI； polyurethane prepolymer； separation process