高效弹性体环保聚合工艺

1 前言

几十年来，生产弹性体的传统聚合方法一直都视为标准方法。例如，在最终生产阶段，去除及处理溶济所需的时间和成本都是可以接受的。但是，由于制造商所面临的降低营运成本的压力愈来愈大，所以迫切需要开发有助于降低成本、简化生产过程的新工艺。

2 弹性体加工工艺简述

总部位于瑞士的利斯特（List AG）开发了一种高能效直接脱挥技术（Direct Devolatilization），利用该技术可以降低与能耗、冷却和水消耗相关的成本，并可缩短加工弹性体所需的加工时间，减小工艺装置的占地空间。

高分子化学的进步为开发新型弹性体创造了机会；利用该技术可以将新型弹性体与溶剂分离，此过程聚合物不会发生降解。溶液聚合与乳液聚合是合成弹性体的传统方法。在这些聚合物生产的最后阶段，聚合物必须要与溶剂或乳化剂分离。这个过程一般要采取几个步骤，包括凝聚、汽提、各种机械分离步骤和干燥。每一步都非常耗能，而且在废液中含有大量的溶剂，需要进行焚烧处理。这需要专业设备来完成，设备要占用较大的工厂空间，固定资产投资（CAPEX）也非常大。利斯特开发的“弹性体直接从聚合物溶液中脱挥工艺”是一种可以减少聚合步骤的替代解决方案。

3 传统工艺与直接脱挥技术比较

传统弹性体聚合工艺中采用脂族或芳族烃，聚合完成后必须将其除去。用一种水基凝聚剂将弹性体与溶剂分离，再用蒸汽汽提，之后利用机械和热处理方法将弹性体与水相分离。

利斯特的直接脱挥技术是一种全封闭的连续工艺，它可以直接将弹性体从溶剂中分离，同时将溶剂从聚合物溶液中回收。因此，利用该技术可以省去一些中间步骤，如水凝聚、蒸汽汽提、机械脱水和干燥。

与传统工艺相比，采用直接脱挥技术所生产的弹性体具有同等的特性，能达到所有所需的技术指标，同时可以降低能耗和水消耗量，减小装置占用空间以及温度与处理的时间比。

3.1 直接脱挥工艺包含以下四个步骤：

1. 预浓缩过程中利用热能从聚合产物中除去大量的溶剂，从而提高整个工艺过程的效率。

2. 闪蒸过程中除去溶剂，转化成高粘度的浓缩弹性体溶液。蒸发冷却使产品保持在所需的温度水平。

3. 最终的脱挥步骤将高度浓缩的弹性体转化成最终所需特性的弹性体。

4. 成型步骤将产品加工成所需的形状，成为一种可以销售的产品。

有必要的话，在预浓缩之前还可以增加一个聚合产物的清洗步骤，来去除残余的催化剂单体，并且不会产生由副产品污染。根据所使用的溶剂，热处理过程可以在真空或轻度超压条件下进行。最终弹性体的性能与传统处理产品的性能相同。与聚合产物相比，门尼粘度波动小于+/-1，残余有机挥发物含量小于100ppm，在工艺过程中灰尘含量不会增加。

利斯特专利直接脱挥工艺与传统技术的对比

利斯特的直接脱挥技术是一种全封闭的连续工艺，可直接将弹性体与溶剂分离，同时回收溶剂

大多数弹性体对温度很敏感，所以为了防止过热或自燃，温度控制很关键。直接脱挥工艺能够在低于100°C的条件下有效地除去溶剂，不会造成弹性体降解。由于新型弹性体的粘着性较高，所以采用传统技术已经无法加工。利斯特的直接脱挥工艺能够克服这些缺点，并能够开发新型高性能产品。

利斯特的直接脱挥技术是一种全封闭的连续工艺，可直接将弹性体与溶剂分离，同时回收溶剂。

4 可控的最终处理

能够在精确控制的条件下完成最后的脱挥非常重要，这是为了达到所需的弹性体产品质量，降低过热和自燃的风险。

表1

在直接脱挥工艺过程中，在脱挥装置中加入少量的水。水形成水泡后，有机挥发物就会被包在水泡中。使水泡破裂就可以提取并除去有机挥发物。该工艺相当于一种密闭的浓缩汽提过程，其中使用少量的水，水含量只有溶剂总量的1%。水与有机挥发物混合物在一个密闭系统中冷凝，可以完全回收。

利斯特的直接脱挥技术可以处理高粘度的弹性体，不会产生过热或降解问题，同时可达到所需的门尼粘度。其具有自洁式的设备金属表面，可以稳定地生产挥发物含量低的高质量产品，相应地有机挥发物的含量非常低。

5 简单工艺就是高效

工艺效率由不同的参数来判定，包括热能和水的需求量，设备占用空间和对环境的影响，废水的量，以及固定资产投资和运营成本（OPEX）。这方面，利斯特的直接脱挥技术所需的能量比传统工艺少，也就是说只需要消耗能量来蒸发和冷凝溶剂。由于省去了凝聚、汽提、机械脱水和干燥工序，所以也就节省了这些工序所需的机械和热能。这其中节省的能量就代表进一步提升了效率。直接脱挥工艺可以在不需要任何其他助剂的情况下分离99%的溶剂，不会产生废水，也不需要进行废气处理。因而工艺非常简单，能够大幅节能，减小了对环境的影响，降低了运行成本，可达到较高的投资回报率。（见表1）

6 从实验室到工业化生产

利斯特与弗劳恩霍夫研究所（Fraunhofer）在德国施科保市合作开发了该技术。研发小组在利斯特的瑞士阿里斯多夫（Arisdorf）总部安装了一套全自动小型装置进行试验。与此同时，弗劳恩霍夫研究在施科保成立了一个独立研究与开发的机构“聚合物合成与加工中试中心”将直接脱挥技术放大到半工业化的规模。

在利斯特总部的全自动连续运行的演示生产线（Mini-Plant），每小时可以处理20—30公斤聚合产物，而在德国施科保的中试装置测试中心设计连续运行时间为8000小时，测试能力为每小时200—500公斤聚合产物（成品为30—50公斤/小时）。