聚四氟乙烯悬浮树脂流化床干燥中影响因素

张 鹏，钱庆东，田仁平，路 迪，张高明，蔡理静

（浙江巨化股份有限公司氟聚合物事业部，浙江 衢州 324004）

根据使用性质进行划分，聚四氟乙烯（PTFE）树脂主要有悬浮树脂、分散树脂以及分散乳液。从强酸强碱环境中使用的垫片、衬里，到超纯电子化学品范畴的晶圆处理工具、控制阀门，再到5G建设中核心基材的重要组件材料，都充分体现了PTFE悬浮树脂优异的使用性能。随着社会文明进程的逐步深化，PTFE悬浮树脂的全球年产量已超过100 kt，加强对PTFE悬浮树脂产品质量的管控与优化，对PTFE树脂的多极发展具有重要影响。

在PTFE悬浮树脂的生产过程中，干燥作为生产流程的最后阶段，直接影响着产品的质量。PTFE悬浮树脂的干燥方式较多，主要有振动干燥、喷雾干燥、辐照干燥、真空干燥以及气流干燥等[1-3]。其中，烘箱干燥、气流干燥等干燥方式已在PTFE悬浮树脂工业化生产方面得到了广泛的应用与研究[4-5]。流化床干燥属于气固接触干燥，而且固体颗粒的无序运动增加了颗粒的碰撞概率，这种扰动作用进一步提高了传热与传质的效果[6]。目前，以流化床的形式对PTFE悬浮树脂进行干燥的生产应用较少，也缺乏相关的实验数据。

本研究通过实验对PTFE悬浮树脂在流化床干燥中的影响因素进行分析，为PTFE悬浮树脂的干燥选型提供理论参考。

1 实验部分

1.1 工艺流程

为了更清晰地了解PTFE悬浮树脂在流化床干燥过程中的运动状态，实验以透明的塑料管模拟工业化生产中的流化设备。PTFE悬浮树脂流化床干燥实验流程如图1所示。

图1 PTFE流化床干燥流程Fig 1 Schematic diagram of PTFE drying process in fluidized bed

PTFE悬浮树脂选取经离心机离心后的同一批次物料，水的质量分数为6.02%，平均粒径在577μm左右。压缩空气由外厂送至，露点-70℃，温度10℃。实验设备（流化设备）为长度9 m的耐高温塑料管，公称直径100 mm，塑料管的顶端连接足够长的透明放空管。在距塑料管底部1 m左右的位置设置加料口，分别在距塑料管底部2、5、8 m左右的位置分别设置上部、中部、下部取样口，取样口在同一垂线上，加料口与取样口的结构形式对于物料干燥的影响忽略不计。

1.2 实验过程

为了便于实验的开展以及结果的分析，实验中保证流化设备（流化塑料管）中的物料处于散式流化态，不出现气泡所导致的气栓对于实验的影响，而且实验中流化床层的上端不超过流化塑料管顶端，所有实验均以床层快速形成及其上端接近流化塑料管的顶端为实验判定一致的依据，同时每次实验所需的PTFE树脂一次性加入。

将压缩空气通过管道经换热器、分布板后引入流化设备，待管道上压缩空气流量计显示稳定后，打开流化塑料管侧面的加料口，将定量的PTFE树脂加入，关闭加入口，物料在流化塑料管内形成稳定的床层，空气向上由放空管排空。一段时间后打开上部、中部、下部的取样口进行取样分析。以压缩空气的流量、温度及物料悬停的时间为变量，探讨流化床干燥过程中各因素间的内在联系。

1.3 性能测试

将在各实验条件下得到的PTFE悬浮树脂通过称量法获取其含水量的信息，应用激光粒度分析仪（Malvern Instruments Mastersizer 3000）对树脂的粒径进行分析。

2 结果与讨论

2.1 流化区域的影响

当压缩空气的体积流量为40 m3/h时，加入一定量树脂后，流化塑料管内快速形成稳定的流化床层，经过60 s后进行取样，结果如表1所示。

表1 流化床层不同区域的取样结果Tab 1 Sampling results in different areas of the fluidized bed

由表1可知，在稳态的PTFE悬浮树脂流化床层中，由下至上，树脂含水量逐渐降低、粒径逐渐变小。相较于初始含水量，PTFE树脂的含水量在短时间内大幅降低。原因是在流化床干燥的前期，粒径较小的树脂在气流夹裹下无规律扰动而进行了充分的双向接触，树脂表面的水分快速挥发，而含水量的减少，树脂本身的质量加上树脂内部残余水分的质量在流化塑料管的上部等于压缩空气带来的压降。这样，粒径较小的树脂在短时间内快速到达流化塑料管的上部，并且树脂的含水量有明显的降低。而粒径较大的树脂质量较大，树脂内部含水量相对较多，在同样的压降条件下，这部分树脂在短时间内都集中在流化塑料管的下部。而流化塑料管中部的树脂状况则处于两者之间，在整个PTFE悬浮树脂的流化床层内，树脂的含水量及粒径大小遵循客观规律。

在流化床干燥实验中，经过一定的时间，流化床层下部的树脂集中区域逐渐向中部移动，而流化床层上部的树脂有着明显的返混现象，从整个实验的角度考虑，后续实验通过在流化塑料管的中部进行取样来分析其它因素的影响，以此来提高实验的代表性。

2.2 压缩空气流量的影响

在以流化床层的上端接近流化塑料管顶端为判断一致的标准下，通过固定压缩空气的流量，调节匹配PTFE悬浮树脂的加入量，从而探讨压缩空气的流量对于流化床干燥的影响。分别以体积流量30、40、50 m3/h的压缩空气进行实验，在加入一定量树脂后，流化塑料管内快速形成稳定的流化床层，经过60 s后进行取样，实验结果如表2所示。

表2 压缩空气流量的影响Tab.2 Influence of compressed air flow

由表2可知，随着流量的增加，处于PTFE悬浮树脂流化床层中部的树脂含水量逐渐降低，粒径逐渐变小，这与流化床干燥的客观规律相符合。在实验中还观测到，压缩空气体积流量为30 m3/h时，流化床层中树脂集中区域在中部与下部之间，上部树脂较少，这表明虽然树脂加入量随着压缩空气的流量降低而减少，但压缩空气流量的降低在一定程度上弱化了干燥效果，压缩空气的流量对于流化床干燥的影响更为直接。而当压缩空气体积流量为40 m3/h或50 m3/h时，流化床层中树脂集中区域靠近中部，干燥效果明显。

2.3 干燥时间的影响

从整个流化床干燥实验来看，流化床干燥前期的效果明显，随着干燥时间的延长，树脂含水量下降的速度逐渐变缓。而在干燥的后期，流化床干燥的缺点逐渐显现，在干燥时间呈几何倍增长的条件下，才能达到PTFE悬浮树脂产品水的质量分数≤0.04%的要求[7]。恒定压缩空气的体积流量为40 m3/h，加入一定量树脂后，流化塑料管内快速形成稳定的流化床层，经过60 s、1 h、12 h后分别进行取样，结果如表3所示。

表3 干燥时间的影响Tab 3 The effect of drying time

由表3可知，随着干燥时间的延长，树脂的含水量降低，粒径先变小、后变大。干燥前期效果明显，含水量急剧下降，但随着树脂表面的水分被带走，树脂内部的水分无法在短时间内渗透至表面，造成大量空气未经充分利用即被排空，浪费严重。在干燥一定时间后，流化床层内返混区域逐渐增加，出现了一部分较小的颗粒。而且随着时间的进一步延长，粒径较大的树脂进入流化塑料管的中部，而且流化床层返混区域的面积扩大，颗粒间的碰撞、团聚几率增加，也导致一部分树脂的粒径变大。

2.4 干燥温度的影响

通过换热器对压缩空气进行加热，然后送入流化塑料管对树脂进行干燥。恒定压缩空气的体积流量为40 m3/h，压缩空气加热后温度为60℃，加入一定量树脂后，流化塑料管内快速形成稳定的流化床层，经过15 min后进行取样，对比压缩空气未加热与加热后的干燥结果，如图2所示。

图2 干燥温度对粒径的影响Fig 2 The effect of drying temperature

由图2可知，压缩空气温度的提高，大大缩减了PTFE悬浮树脂的干燥时间，但树脂的平均粒径变大。提高压缩空气的温度，不仅加快了树脂表面水分挥发的速度，而且树脂内、外部形成的温度差，加快了内部水分向外渗透的速度，使得干燥速率大大加快。温度的升高使得树脂变软，树脂间表现出了一定的黏性，经过树脂间的碰撞，部分树脂粘结在一起，使得树脂的粒径变大。根据测试，在60℃下，15 min后样品的平均粒径达到了0.602 mm，要大于10℃干燥时树脂的粒径。

2.5其它

在PTFE悬浮树脂的流化床干燥过程中，还有许多其它的影响因素。如树脂的加入量，在相同的干燥气量所形成的压降下，树脂固定不动形成固定床，干燥效率低下，或是在流化设备中产生气栓，造成床层湍动，形成湍动床，造成大量的干燥气浪费；如树脂的加入方式，一次性加入无法达到工业化的目的，连续性加入要综合考虑流化床干燥过程中进、出树脂量的平衡，维持系统稳定运行的综合因素较多；如在流化设备中增加附件，加速流化床层内传质、传热的进行，提高干燥的效率等。

3结论

探讨了PTFE悬浮树脂在流化床干燥中的影响因素，在以树脂处于散式流化态、流化床层的上端接近流化塑料管顶端为判断一致的标准条件下，得出以下结论：

1)在流化床干燥的前期，流化床层由下至上，树脂的含水量逐渐降低，粒径逐渐变小；

2)相较于30 m3/h的干燥气体积流量，50 m3/h具有更好的干燥效果。干燥气量愈大，干燥效果愈好；

3)干燥时间分别为1、12 h时，所得树脂的含水量区别不大。随着干燥时间的延长，流化床干燥的效率大大降低；

4)相较于10℃的干燥温度，60℃的干燥温度大大缩短了干燥时间，明显的加快了干燥的速率，但会使得树脂的平均粒径在一定程度上变大。