一种聚合物挤出脱挥方法

本发明涉及聚合物加工领域，具体涉及一种聚合物挤出脱挥方法。

背景技术：

1、在聚乙烯的工业生产中，脱挥扮演着极其重要的角色，其作用便是从聚乙烯中脱除分子量较低且挥发性较强的组分，通常称为“挥发分”。这些挥发分中一般包含未反应的单体、溶剂、水以及各种聚合反应的副产物，可能对人类的身体健康、自然环境和工业生产产生不可逆转的危害，并且也会影响最终产品性能。乙烯和高碳α-烯烃共聚聚乙烯生产技术是未来聚乙烯高性能化的重要发展方向之一。然而高碳α-烯烃具有较大的分子尺寸和较差的挥发性，给脱挥带来了更大的挑战。同时，国际上对于塑料产品质量安全标准日趋严格。因此，开发高碳α-烯烃的新型脱挥方法，以提高其脱除效率，具有重要的价值。

2、对于挤出脱挥而言，常规的强化手段为升温减压。然而，仅仅改变挤出机常规操作参数不能满足聚乙烯中高碳α-烯烃的脱挥需求。

3、此外，在挤出脱挥过程中，挥发分和脱挥助剂分布不均匀的问题会限制脱挥效果。脱挥助剂分散越均匀，会产生更多的气泡，从而增加传质面积强化脱挥。考虑到常规的螺纹元件对聚乙烯熔体与助剂的混合能力较差，限制了脱挥效率的提升。

技术实现思路

1、为了解决目前工业生产中的问题。本发明提供了一种聚合物挤出脱挥方法。该方法在螺杆挤出机混炼段前通过脱挥助剂注入口加入脱挥助剂，所述脱挥助剂在所述混炼段的拉伸流场的作用下与聚合物熔体均匀混合，促进挥发分从所述聚合物熔体中分离，然后所述脱挥助剂与所述挥发分从所述螺杆挤出机上设置的排气口排出，最终经挤出造粒后获得低挥发分、低气味的聚合物产品。

2、根据本发明的一种具体实施方式，所述螺杆挤出机的输送段、熔融段、均化段和排气段均为输送螺纹元件，所述混炼段为拉伸元件。

3、根据本发明的一种具体实施方式，所述拉伸元件主体的长度值为螺杆总长度的1/6-1/10，其结构设计使熔体在加工时呈拉伸流动，速度梯度方向与流动方向平行。

4、根据本发明的一种具体实施方式，所述螺杆挤出机上设有n个所述排气口和m个所述脱挥助剂注入口，其中1≤n≤5，1≤m≤5，且n和m为整数；其中排气口设置在排气段，脱挥助剂注入口设置在混炼段前端。

5、根据本发明的一种具体实施方式，所述脱挥助剂为气体脱挥助剂和/或液体脱挥助剂，其中，所述气体脱挥助剂为高纯氮气、高纯二氧化碳、高纯氦气和高纯氩气中的任意一种和/或一种以上任意比例的混合物，本发明中，高纯氮气、高纯二氧化碳、高纯氦气和高纯氩气是指气体的纯度大于等于99.99％；所述液体脱挥助剂为去离子水和/或低沸点有机溶剂中的任意一种或一种以上任意比例的混合物。

6、根据本发明的一种具体实施方式，在第1级脱挥助剂注入口注入所述液体脱挥助剂，第2～m级脱挥助剂注入口注入所述气体脱挥助剂。

7、根据本发明的一种具体实施方式，所述低沸点有机溶剂包括但不限于乙醇、乙醚、乙腈、丙酮、丙醇、乙酸乙酯和氯仿中的任意一种和/或一种以上任意比例的混合物。

8、根据本发明的一种具体实施方式，所述气体脱挥助剂加入量为聚合物质量的6～14wt％，优选10～12wt％；所述液体脱挥助剂加入量为聚合物质量的0.2～5wt％，优选1～2wt％。

9、根据本发明的一种具体实施方式，所述螺杆挤出机为单螺杆挤出机和/或双螺杆挤出机和/或多螺杆挤出机。

10、根据本发明的一种具体实施方式，所述螺杆挤出机的各段温度控制在100～300℃，优选180～240℃；其中，混炼段温度设置为160～240℃，优选190～220℃；脱挥段温度设置为200～260℃，优选220～240℃。

11、根据本发明的一种具体实施方式，所述排气口均配备抽真空系统，所述排气口真空度控制为0.02～0.095mpag。

12、根据本发明的一种具体实施方式，所述聚合物经过所述脱挥方法处理后，根据pv3341和astm d4322测量的挥发分含量＜50ppm。

13、根据本发明的优选实施方式，所述聚合物为乙烯与α-烯烃共聚的聚烯烃，选自高密度聚乙烯(hdpe)、乙烯-α-烯烃共聚弹性体(poe)、低密度聚乙烯(lldpe)中的一种或多种。

14、根据本发明的优选实施方式，所述聚烯烃中所述挥发分为α-烯烃，选自丁烯、己烯、辛烯和癸烯中的一种或多种，其质量含量为0.2～2wt％，优选0.4～0.6wt％。

15、本发明与现有技术相比具有下列特点：

16、本发明将气体脱挥助剂和/或液体脱挥助剂应用于起泡脱挥阶段，一方面降低气相空间的分压，从而增加传质推动力；另一方面是产生大量气泡，增加传质面积。此外，低沸点有机溶剂一方面具有较高的挥发性，在熔体中产生的气泡数量要大于水等脱挥助剂，从而提供更大的气液传质面积促进脱挥；另一方面其具有较好的溶解性，能够有效溶解聚烯烃中的挥发分，如己烯、辛烯等，促进挥发分向有机溶剂所产生的气泡中扩散最终排出至气相空间，从而减少挥发分的残留。因此，将低沸点有机溶剂应用于起泡脱挥阶段，有较大的工业应用前景。而对于扩散脱挥而言，挥发分通过分子扩散的形式从熔体运动至气-熔界面后扩散至气相空间，脱挥助剂在此阶段主要通过减少界面处挥发分分子的浓度，从而增加挥发分的传质推动力。高纯惰性气体由于与熔体的相容性较差，对于降低分压的贡献更为显著，因此脱挥效率要更显著。

17、本发明采用更换混合能力更强的螺纹元件的方法构建拉伸流场，进一步强化聚烯烃挤出脱挥过程。与传统的剪切流场相比，拉伸流场在挤出脱挥过程中具有以下两个特点：

18、(1)分散混合能力优异：在同样的操作条件下，拉伸流场提供的应力大于剪切流场提供的应力，而更大的应力意味着脱挥助剂在聚烯烃熔体中有更好的混合和分散效果。当脱挥助剂在聚烯烃内充分混合时，意味着助剂与挥发分有更多的接触点，实现脱挥过程的强化。尤其对于起泡脱挥过程而言，在充分混合之后，挥发分分子更容易扩散至助剂形成的气泡之中，最终随着助剂气泡扩散至气脱挥条件。同时，优异的混合程度可以改善聚烯烃内部的温度和浓度分布，避免局部浓度差异过大，从而加速挥发分的传输和扩散。

19、(2)增强聚合物分子链取向度：聚烯烃物料在挤出脱挥过程中为完全熔融态，聚烯烃分子链交联缠结包裹着挥发分分子，其内部扩散通道错综复杂使得挥发分分子难以扩散出熔体。拉伸流场提供的拉伸应力会使得聚乙烯分子链在流动方向上规整排列，从而获得较高的取向度。这种分子链构象为挥发分分子提供规整的扩散路径，使得挥发分更容易扩散至系统外，从而强化聚烯烃脱挥。

20、综上所述，本发明将脱挥助剂和拉伸流场应用于聚合物挤出脱挥过程中，可以促进挥发分小分子的脱除，最终得到气味性弱、挥发分含量低的高品质聚烯烃产品，进而填补航空航天、医药包装和电子电器等高端领域的需求缺口。因此，开发高效率、低能耗的聚烯烃挤出脱挥工艺，具有十分重要的的意义。

技术特征：

1.一种聚合物挤出脱挥方法，其特征在于：在螺杆挤出机混炼段前通过脱挥助剂注入口加入脱挥助剂，所述脱挥助剂在所述混炼段的拉伸流场的作用下与聚合物熔体均匀混合，促进挥发分从所述聚合物熔体中分离，然后所述脱挥助剂与所述挥发分从所述螺杆挤出机上设置的排气口排出，最终经挤出造粒后获得低挥发分的聚合物产品。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述螺杆挤出机的输送段、熔融段、均化段和排气段均为输送螺纹元件，所述混炼段为拉伸元件。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述螺杆挤出机上设有n个所述排气口和m个所述脱挥助剂注入口，其中1≤n≤5，1≤m≤5，且n和m为整数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述脱挥助剂为气体脱挥助剂和/或液体脱挥助剂，其中，所述气体脱挥助剂为高纯氮气、高纯二氧化碳、高纯氦气和高纯氩气中的任意一种和/或一种以上任意比例的混合物；所述液体脱挥助剂为去离子水和/或低沸点有机溶剂中的任意一种或一种以上任意比例的混合物。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在第1级脱挥助剂注入口注入所述液体脱挥助剂，第2～m级脱挥助剂注入口注入所述气体脱挥助剂。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述低沸点有机溶剂包括但不限于乙醇、乙醚、乙腈、丙酮、丙醇、乙酸乙酯和氯仿中的任意一种和/或一种以上任意比例的混合物。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述气体脱挥助剂加入量为聚合物质量的6～14wt％，优选10～12wt％；所述液体脱挥助剂加入量为聚合物质量的0.2～5wt％，优选1～2wt％。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述螺杆挤出机为单螺杆挤出机和/或双螺杆挤出机和/或多螺杆挤出机。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述螺杆挤出机各段的温度为100～300℃；混炼段温度设置为160～240℃；脱挥段温度设置为200～260℃。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述排气口均配备抽真空系统，所述排气口真空度控制为0.02～0.095mpag。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述聚合物经过所述脱挥方法处理后，根据pv3341和astm d4322测量的挥发分含量＜50ppm。

技术总结本发明公开了一种聚合物挤出脱挥方法，属于聚合物加工领域。本发明通过向螺杆挤出机内注入脱挥助剂对聚合物熔体进行脱挥，同时在挤出机混炼段引入拉伸流场，一方面促进助剂与熔体的分散混合，另一方面提高聚合物分子链取向程度，从而显著提高脱挥效率。采用本发明方法制备的聚合物产品具有挥发分含量低、气味弱、环保性和安全性好等优点。本发明提供的方法具有方法简单、产品质量高、适用范围广等优点。技术研发人员：帅云,黄正梁,方子斌,王靖岱,阳永荣受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/9/17