沉降式离心机在聚合物处理中的用途

发明领域

本发明涉及使用沉降式离心机从聚合物乳液或悬浮液除去溶剂的方法。沉降式离心机提供了有效的增稠方法。该方法尤其对高溶剂(包括水)含量(低聚合物固体含量)的乳液或水悬浮液聚合物组合物有用，能够从干燥前的增稠或脱水步骤得益。

发明背景

沉降式离心机包括一个空心转筒，该转筒由轴承支承可进行圆柱体/圆锥体的截面旋转，转筒内有螺旋式传送器，由轴承支承相对于转筒旋转。这些离心机主要用于所处理的混合物具有相对较高固含量的情况，或者混合物中颗粒含量变化较大或者粒度变化较大的情况。这些离心机可用于处理的液体体积相对较大的应用。这些离心机尽管单位时间流量大也能提供良好的分离。沉降式离心机用于从液体混合物中分离固体，固体以颗粒形式悬浮于密度大于颗粒或密度小于颗粒的密度的液体中。沉降式离心机的主要用途是对来自污水处理装置的泥浆进行处理(US 6,123,656和US 6,537,191)，尽管沉降式离心机也可以用于油品回收系统(US 6,214,236)和用于对肉类以及其它食品进行脱脂(US5,944,597)。

沉降式离心机还可用于对以油包水的聚合物乳液形式的水溶性聚合物的乳液浓缩脱水(US 6,110,995)。

US 2,718,452描述形成聚四氟乙烯有机溶胶的方法，该方法中，滗析出含有机溶胶层，然后进行离心分离，除去吸留的水。US 3,536,683描述一种分离含氟聚合物的方法，该方法包括通过添加电解质使聚合物聚集，随后在转筒离心机中从上清液分离该聚集物，洗涤和再离心分离，然后干燥。洗涤步骤有助于除去电解质，电解质是最终干燥产品中不希望有的杂质，但是该步骤会增加该方法的复杂性，并在聚合物中添加了另外的水，使干燥更为困难。

已知可以采用各种装置从聚合物胶乳乳液中除去水或水溶液。一些例子是增稠器、过滤器等。在目前的工业实践中，含氟聚合物胶乳通过搅拌容器进行处理，进行胶乳洗涤、胶乳增稠和最后的干燥，或不进行这些处理。任选地，胶乳洗涤可以在搅拌容器内进行，或者在搅拌容器后作为独立单元操作。常规的增稠操作在脱水效率和总产量方面存在限制，并且脱水后的聚合物胶乳物流仍含有大量的水，需要增加处理时间和能量来除去水。此外，含水排放物的携带量高，降低了总体处理产量。这种含氟聚合物淤浆因为其密度小于水通常浮在增稠设备的上部，导致增稠效率低。在某些含氟聚合物的操作中，提到反渗透进行增稠，但已知存在操作上的困难如膜上结垢。

因此，需要一种增稠或脱水的方法，这种方法能以更高产量、更高效率操作，除去更多的溶剂或水(产生更高的聚合物固体含量)，其产率大于目前的方法。该需要尤其对于低固体含量，因而含有大量溶剂或水的聚合物乳液或水悬浮液是很大的。

惊奇的是，已经发现，在处理水性聚合物乳液和悬浮液如含氟聚合物胶乳时使用沉降式离心机能提供高生产量，并能在提供脱水聚合物胶乳一致固体含量的同时提高增稠效率。任选地，可以使用卧式沉降式离心机。沉降式离心机可以用来处理任何聚合物悬浮液、溶液或具有明显较大颗粒(可以是由一种以上的聚合物颗粒组成的团块，如聚集体或凝结体)的混合物，其中聚合物颗粒与连续水相之间存在密度差异(或多或少)。发现在含氟聚合物情况，聚合物聚集物的密度小于水相。聚合物的聚集物通常源自分散或悬浮在液体中的胶态聚合物颗粒合并或聚集成簇或基体。

含氟聚合物的滗析结果是意想不到的，因为根据离心分离领域高密度相比低密度相更快运动的理论，沉降式离心机的常规操作通常涉及密度大于液体组分的固体组分。在本发明的方法中，聚合物的聚集物的密度小于连续(溶剂)相。取决于沉降式离心机的操作参数，聚合物的聚集物以高固体含量的漂浮物排出。固体排出物的固体含量可以通过调整沉降式离心机的操作参数来提高或者降低。

发明概述

上述问题通过一种对聚合物乳液或悬浮液处理的方法得到解决，该方法包括使用沉降式离心机对所述乳液或悬浮液进行增稠的步骤。

附图简述

图1：示出使用卧式沉降式离心机对聚合物胶乳或悬浮液进行处理的一种方法的流程图。

发明详述

在此所用术语“聚合物聚集物”指通常源自分散或悬浮在液体中的胶态聚合物颗粒的合并或聚集的簇、基体或聚集体。

在此所用通过对含连续相和聚合物聚集物的聚合物乳液或悬浮液“增稠”指通过除去一些连续相来提高聚合物的聚集物的重量百分数。

本发明涉及在对聚合物乳液或悬浮液的组合物进行增稠的操作中使用沉降式离心机。沉降式离心机尤其对高水含量或溶剂含量(低聚合物固体含量)的聚合物组合物的处理有用。通过在增稠操作中提高固体含量，可以提高干燥器的生产量，并降低能耗。

本发明的方法对聚合物颗粒的水乳液或水悬浮液形式的聚合物组合物特别有用。在优选的实施方式中，聚合物是含氟聚合物。本发明方法可用于的含氟聚合物包括但不限于：均聚物，如聚偏二氟乙烯，或共聚物，例如但不限于：偏二氟乙烯/六氟丙烯共聚物、偏二氟乙烯/氯四氟乙烯共聚物、偏二氟乙烯/四氟乙烯共聚物、乙烯/四氟乙烯共聚物、氟化乙烯丙烯(FEP)以及它们的混合物。溶剂或连续相包括但不限于水和有机溶剂。

优选的含氟聚合物是聚偏二氟乙烯聚合物。“PVDF”或PVDF树脂或PVDF聚合物不仅指PVDF的均聚物，还指由至少约75重量％偏二氟乙烯(VDF)单体制成的共聚物。共聚单体可包括其它的氟化单体，例如，六氟丙烯(HFP)、氯四氟乙烯(CTFE)、四氟乙烯(TFE)和氟乙烯。

通常，在聚合后，对聚合物搅拌、增稠和干燥。洗涤步骤是任选的，该步骤可以除去杂质，提高产品质量。在需要干粉末或粒料时采用干燥步骤，但是浓缩的聚合物可以是湿态的固体，并可以进一步加工为最终产品。凝结或聚集是任选的，被优选用来增大实际粒度，以便于与连续相分离。通常在沉降式离心机中进行分离的聚合物的聚集物的平均直径大于1微米，优选大于2微米，最优选大于5微米。平均直径的优选范围为2-20微米。

本发明的一个实施方式示于图1。聚合反应在间歇或连续的聚合反应器2中进行。单体、引发剂、添加剂等通过管线1进入反应器2。完成反应后，将反应流出物通滤网4进行过滤，然后送入搅拌容器6和任选的洗涤或者添加剂添加容器8。添加剂可以任选在聚合物处理期间加入到聚合物组合物中。管线9中聚合物固体含量通常为1-30重量％，优选2-20重量％。然后，将流出物送入沉降式离心机10进行增稠。沉降式离心机10优选是卧式离心机。本发明中，停留时间定义为进料的体积流速除沉降式离心机的连续相池的体积。取决于旋转速度、生产量、颗粒的粒度和形状、密度差、溶液粘度、聚合物浓度等，在离心分离流出物管线11中聚合物含量可以在大于20重量％至大于45重量％范围改变。发现本发明方法的优点是在离心分离流出物管线11中的聚合物含量对同样一组沉降式离心机处理条件(G力，进料速度，螺杆(scroll)速度等)非常一致。这种一致性一般在+/-0.5重量％之内，而常规方法的固体含量的变化一般可高达+/-2.0重量％。然后通过管线11进入干燥器14。可用的干燥器包括但不限于：带式干燥器、旋转干燥器、流化床干燥器、喷雾干燥器等。任选地，在管线11可以增加淤浆进料泵12，以便于进料被泵送至所选的干燥器。

沉降式离心机通常以最大池体积的10-95％，优选40-90％的池体积进行运转。在一个优选实施方式中，沉降式离心机在连续相的排出侧有一个漂浮物盘(floater disc)。沉降式离心机的典型漂浮物堆积区底壁倾角(beach angle)为5-25°，优选8-15°。典型的转筒的长度与直径比为1∶1至4∶1，优选为2∶1至4∶1。

在另一种工艺中，来自倾析器的浓缩的固体产物可以不经过进一步的干燥而出售，可以处理为最终产品。

沉降式离心机通常以100-5000倍重力，优选200-3500倍的重力运行。发现随离心力提高增稠程度增加。停留时间一般为5秒至10分钟，优选10秒至5分钟。最佳的离心力和停留时间取决于许多因素，包括但不限于：聚合物组成、进料速度、密度、固体含量、颗粒的粒度和形状、溶液粘度、聚合物与水相的密度差、主题沉降式离心机的直径、池深度、通道形状、漂浮物堆积区底壁倾角、长度与直径比等。