三聚氰胺甲醛樹脂泡沫生產(chǎn)工藝探析范文

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摘要：三聚氰胺甲醛樹脂泡沫是一種以三聚氰胺為原料制取的高開孔率的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的新型環(huán)保泡沫塑料，具有吸音、阻燃等眾多優(yōu)異性能。本文介紹了三聚氰胺甲醛樹脂泡沫的理化性能、國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展情況、以及實驗室和工業(yè)制備方法。最后針對三聚氰胺甲醛樹脂泡沫連續(xù)化生產(chǎn)的要求，改進了生產(chǎn)工藝流程和反應(yīng)器。

關(guān)鍵詞：三聚氰胺；泡沫；生產(chǎn)工藝；反應(yīng)器

三聚氰胺甲醛樹脂泡沫（Melamine–FormaldehydeFoam），又稱蜜胺泡沫塑料，是一種開孔率高達99%以上的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的新型環(huán)保泡沫材料。在民用、工業(yè)、建筑、交通、航空、軍事、電子信息等領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用價值，特別適用于阻燃、耐高溫、隔音等環(huán)境條件。由于其優(yōu)良的性質(zhì)，已經(jīng)成為了國內(nèi)最具發(fā)展前景的新型環(huán)保材料之一。

1三聚氰胺甲醛樹脂泡沫的理化性

質(zhì)三聚氰胺甲醛樹脂泡沫是氨基塑料族中的一種熱固性樹脂泡沫，以“C—N”結(jié)構(gòu)為主的縮聚高分子，具有充分開孔的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。其開孔率高達99%以上，使得聲波能迅速有效地進入泡沫體的深層并轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)格的震動被消耗掉，從而可以有效地消除反射聲波，達到吸音的效果。三聚氰胺甲醛樹脂泡沫的密度僅為4~12kg/m3，且具有三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，能夠使空氣的對流傳熱得到有效的阻滯，加之獨具特色的熱穩(wěn)定性，因此具有良好的隔熱保溫性，成為難以替代的輕質(zhì)保溫隔熱材料。三聚氰胺甲醛樹脂泡沫自身具有很好的阻燃性能，無需添加任何阻燃劑。只有在與明火接觸的情況下表面才開始燃燒，并且燃燒后立即分解產(chǎn)生大量惰性不燃氣體氮氣，可以隔絕氧氣，減緩燃燒速度。同時在燃燒體的表面迅速形成致密的焦碳層，有效地阻滯燃燒向深層的發(fā)展，使得明火離開后自動熄滅。

2國內(nèi)外概況

2.1國外研究進展

將空氣通入含有乳化劑和處理劑的水溶性三聚氰胺甲醛樹脂中，經(jīng)過不斷攪拌即可制得三聚氰胺甲醛樹脂泡沫，但所制備的泡沫硬度和脆性都較高，在使用過程中容易粉碎。為了提高其柔韌性，F(xiàn)rank等人在原料中添加了三元醇類物質(zhì)，雖使所制泡沫的回彈性和抗開裂性得到了較大提高，但在受壓并部分回復(fù)后，產(chǎn)品的力學(xué)性能和阻燃性仍不能滿足使用的要求。經(jīng)過不斷地探索研究，Mahnke提供了一種可實際應(yīng)用的三聚氰胺甲醛樹脂泡沫的生產(chǎn)工藝，他們在三聚氰胺甲醛縮聚物中添加了重亞硫酸鈉，增加了其親水性，適當加入了無機氧化物、阻燃劑、增塑劑等添加劑，采用二氧化碳或氨氣等無機發(fā)泡劑，得到了一種體積密度低、熱導(dǎo)率低、壓縮強度低、彈性模量低、斷裂伸長率高、可燃性低的三聚氰胺甲醛樹脂泡沫。日本則將三聚氰胺甲醛樹脂泡沫的密度降低到了30kg/m3以下。

2.2國內(nèi)研究進展

國內(nèi)對三聚氰胺甲醛樹脂泡沫的研究起步較晚，但隨著認識的深入，對其制備、應(yīng)用及生產(chǎn)的研究也在逐漸增加。杜耕耘采用微波法生產(chǎn)了三聚氰胺甲醛樹脂泡沫，并申請了相關(guān)的專利。華東理工大學(xué)謝丹等人在三聚氰胺甲醛樹脂中，應(yīng)用乳化劑SC121、發(fā)泡劑正己烷（8g）和催化劑甲酸，采用微波輻射方式生成泡沫，并研究了微波加熱方式、微波輻射功率、微波輻射時間等因素對泡沫性能的影響。

2.3國外生產(chǎn)狀況

2.3.1Illtec系列

Illtec是Illbruck公司生產(chǎn)的一種極有柔韌的三聚氰胺甲醛樹脂泡沫材料。這種泡沫吸聲材料內(nèi)部是復(fù)雜的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且彼此聯(lián)通。這一特性使得Illtec具有高度的光反射特性及很寬的吸聲頻帶范圍，形成了極佳的降噪效果，同時便于安裝，抗老化能力強。

2.3.2Basotect系列

BASF公司開發(fā)并推出了商品名為BasotectTG的能加熱成型的三聚氰胺甲醛樹脂泡沫。該產(chǎn)品可與膠黏劑浸漬，加壓和干燥以形成復(fù)合物，而且可在普通加工工藝下壓塑。該泡沫還具備了其他優(yōu)良的性能：低密度、阻燃性以及優(yōu)異的吸音能力等。20世紀90年代開始工業(yè)化生產(chǎn)，工藝技術(shù)由德國BASF公司所獨有并擁有專利。1996年，德國BASF公司首次在民用市場推出軟質(zhì)三聚氰胺甲醛樹脂泡沫，引起世界高分子行業(yè)的高度關(guān)注。隨后BASF公司先后建設(shè)了幾套工業(yè)化生產(chǎn)裝置，年產(chǎn)能50萬m3左右。隨著需求量的逐年增加，BASF公司不斷擴產(chǎn)并保持市場供需平衡，產(chǎn)品長期在世界處于高價壟斷地位，國內(nèi)進口的BASF泡沫報價高達5000元/m3。

2.4國內(nèi)生產(chǎn)狀況

河南省某化工公司2009年中旬建成國內(nèi)自主研發(fā)、擁有完全知識產(chǎn)權(quán)的首套年產(chǎn)20萬m3三聚氰胺甲醛樹脂泡沫裝置。該裝置實現(xiàn)了工業(yè)化一步法直接合成固含量大于70%的高固含量三聚氰胺發(fā)泡樹脂。簡化了工藝過程，降低了產(chǎn)品成本。此項創(chuàng)新成果擁有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，填補了國內(nèi)空白，打破了長期以來國外公司在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。

3三聚氰胺甲醛泡沫材料的工業(yè)制法

在工業(yè)生產(chǎn)中，首先采用具有直鏈結(jié)構(gòu)的改性劑部分取代三聚氰胺胺基上的氫，制取改性三聚氰胺，再以其和甲醛為主要原料，添加少量對分子和樹脂體系具有改性作用改性劑、緩沖劑、催化劑等，在微波分段加熱控制的反應(yīng)器中制取水溶性的專用發(fā)泡樹脂，然后送入高速攪拌機。在高速攪拌機中加入的發(fā)泡成核劑和分散劑，通過攪拌均勻地分散在發(fā)泡樹脂中，成為含有成核劑的專用成核樹脂，對其進行遠紅外輻射高溫加熱。在成核劑的作用下，專用成核樹脂中的水汽化發(fā)泡，樹脂膨脹為定型的初級泡沫塑料。再對初級泡沫塑料進行高溫烘烤，使初級泡沫塑料中的三聚氰胺樹脂分子鏈進一步縮聚，最后成為具有穩(wěn)定亞甲基橋結(jié)構(gòu)的三聚氰胺甲醛樹脂泡沫。

4半連續(xù)化工藝及設(shè)備

早在2000年左右，我公司就成功開發(fā)了三聚氰胺甲醛樹脂泡沫材料半連續(xù)化生產(chǎn)工藝及配套設(shè)備。該工藝采用為技術(shù)更為成熟的雙螺桿乳化機替代圖1中的高速攪拌機。首先將三聚氰胺與甲醛樹脂在預(yù)混料罐中混合至30~40℃的預(yù)物料。再將預(yù)混料罐中的預(yù)混料喂入單螺桿擠出機中。預(yù)混罐和單螺桿擠出機均采用一開一備以實現(xiàn)半連續(xù)化操作。經(jīng)由單螺桿擠出機的反應(yīng)放熱的預(yù)混料進入經(jīng)計量后進入雙螺桿乳化機。而后經(jīng)過冷卻、計量、穩(wěn)定、建壓至助劑加入點。在助劑加入點中加入了正戊烷及甲酸。預(yù)混料、正戊烷、甲酸經(jīng)過輸送冷卻進入雙螺桿乳化機后段的乳化段并加入乳化劑進行乳化，乳化后的物料經(jīng)過建壓擠出至微波發(fā)泡進行發(fā)泡程序。通過現(xiàn)場實踐生產(chǎn)操作發(fā)現(xiàn)，預(yù)混料罐的一開一備使得物料性質(zhì)在整個生產(chǎn)過程中并不連續(xù)。而且同一預(yù)混料罐先排出的物料與后排出的物料由于在預(yù)混料罐中停留時間的不一致，物料性質(zhì)也不一致。這就使得下游雙螺桿乳化機按照固定工藝條件擠出的預(yù)發(fā)泡料很難在同一批次產(chǎn)品中生產(chǎn)出性質(zhì)均一的泡沫材料。

5連續(xù)化工藝及設(shè)備

為了解決上述問題，我公司又開發(fā)成功三聚氰胺發(fā)泡材料連續(xù)化生產(chǎn)工藝及配套設(shè)備。

5.1改進工藝

改進后的工藝，采用SFJ-120反應(yīng)型雙螺桿機、SHJ-92冷卻雙螺桿機、SLF-300臥式連續(xù)反應(yīng)器串聯(lián)，完成整個制備過程。原料在SFJ-120反應(yīng)型雙螺桿擠出機的高溫加熱攪拌下，很快由均勻的樹脂料漿成為透明的樹脂溶液。樹脂溶液通過帶保溫的夾套管路，進入SLF-300臥式連續(xù)反應(yīng)器，繼續(xù)高溫反應(yīng)，至臥式反應(yīng)器出口，形成膠狀樹脂。在臥式反應(yīng)器出口設(shè)置樹脂攪拌儲存罐，以防止后續(xù)工段短暫出現(xiàn)問題時，樹脂仍然能夠連續(xù)生產(chǎn)。膠狀樹脂通過高精度齒輪泵和齒輪流量計注入SHJ-92冷卻雙螺桿機，高溫樹脂快速降溫，至螺桿中后部，樹脂已經(jīng)達到樹脂乳化所需的溫度。此時在SHJ-92冷卻雙螺桿機的中后部助劑注入筒體注入口加入固化劑、乳化劑、KO助劑及GE助劑共4種助劑，樹脂和助劑得到初步乳化，成為均一的樹脂乳化液（即發(fā)泡原液）后注入微波發(fā)泡機中進行發(fā)泡。該工藝使得物料在生產(chǎn)流程中始終保持理化性質(zhì)線性均一，真正做到連續(xù)可控生產(chǎn)三聚氰胺甲醛樹脂泡沫。

5.2主要設(shè)備特點

5.2.1SLF-300臥式連續(xù)反應(yīng)器

我公司在聚合物反應(yīng)領(lǐng)域做了大量研究和實踐工作，擁有豐富的科研和生產(chǎn)經(jīng)驗。臥式雙軸連續(xù)反應(yīng)器為我公司針對聚合物反應(yīng)專門開發(fā)的，它結(jié)合了反應(yīng)釜和雙螺桿反應(yīng)器的優(yōu)點，是一種新型聚合物反應(yīng)設(shè)備。表1將臥式雙軸連續(xù)反應(yīng)器與反應(yīng)釜、反應(yīng)型雙螺桿擠出機的特點進行了比較。

5.2.2SFJ-120反應(yīng)型雙螺桿擠出機

反應(yīng)型雙螺桿擠出機和通用雙螺桿擠出機相比，其傳熱能力和表面更新能力更強。為了提高表面更新能力，專門開發(fā)了開槽型元件，能使物料在低螺桿轉(zhuǎn)速下獲得最大的表面更新率，有利于縮聚反應(yīng)的進行。為了延長反應(yīng)時間，加大了擠出機的長徑比。選用合金鍛造的螺桿芯軸，在保證強度的前提下將螺桿長徑比提高至52:1，使單階的螺桿自由容積達到~60L。

6結(jié)語

（1）本文介紹了三聚氰胺甲醛樹脂泡沫的半連續(xù)化生產(chǎn)工藝和連續(xù)化生產(chǎn)工藝及其相關(guān)設(shè)備。這兩種工藝及設(shè)備在國內(nèi)均有較多的應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。

（2）據(jù)報道，截至2010年底我國三聚氰胺的年產(chǎn)量約為75萬t/年。三聚氰胺甲醛樹脂是對三聚氰胺進行深加工后生成的一種高附加值的新型材料。在我國化工領(lǐng)域普遍過剩的今天，開展新材料研發(fā)，擴展原有材料的性能和應(yīng)用領(lǐng)域是符合國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的。因此，開展三聚氰胺甲醛樹脂相關(guān)技術(shù)及裝備的研究具有十分重要的經(jīng)濟、社會意義。

作者：李景峰，張國強 單位：天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司