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氯磺化聚乙烯(ChlorosulfonatedPolyethylene,简写CSPE)具有良好的机械性能和使用性能,广泛应用于各个领域。然而国内在生产技术总体水平上仅相当于国外六、七十年代水平。目前国内生产采用的湿法工艺中CSPE脱挥主要发生在凝聚釜中,但是由于CSPE胶乳在凝聚釜中分散不均匀,易发生团聚,导致溶剂CCh回收效率低。一方面,降低CSPE产品品质,与国外同类商品仍存在较大差距,尤其缺乏高性能CSPE产品;另一方面,CCl4作消耗臭氧层物质之一,严重污染环境。针对这种情况,控制溶剂CCl4产量和使用量,减少环境污染和保持可持续发展刻不容缓。因此,从CSPE产品本身及工业生产方面入手根本上改善产品性能是十分必要的。本文比较了国内外CSPE结构与性能的区别,并以此为基础,对射流法应用于CSPE破乳脱挥工艺中的可行性进行研究,以提高CCl4回收率和CSPE品质,并通过后加工处理进一步改善国内CSPE产品性能。
首先,比较了国内外CSPE分子链结构的差异,由于国内外CSPE产品Cl原子在分子链上分布的均匀性存在差异,所以玻璃化转变温度、结晶度和物理机械性能存在一定差异。国产CSPE的Cl原子分布不均匀,所以其性能较差。同时,通过对国内外CSPE生产工艺的比较,发现破乳脱挥是影响其产品性能最关键的因素。
其次,提出新型的水射流破乳脱挥技术及射流混合喷嘴,以脱除CSPE胶乳中的CCl4,通过搭建装置对影响破乳脱挥效果的重要因素进行考察,并结合Fluent软件对喷嘴内混合流体的运动进行模拟。结果发现,影响水射流剪切作用力及破乳脱挥效果的关键因素是水射流速度、水温、喷嘴入射角度及喷嘴扩压角度等。在较高的水温和水流速度下,CSPE的破乳脱挥效果更好,而且以较大的喷嘴入射角度入射水流以及增大喷嘴扩压角度时,CSPE胶乳承受更大的剪切作用,所以产物中低挥发组份脱除率越高。
第三,结合实验和模拟结果,从理论上对水射流速度和水温等对破乳脱挥效果的影响机制进行深入剖析,首先建立破乳动力学模型,并在原方程中引入了入射角度以及扩压角度这两个影响因素,然后对动力学模型进行扩展和优化,最终建立了CSPE胶乳破乳脱挥的动力学模型。
最后,在超声辐照下,将基体CSPE接枝到微米或纳米二氧化硅(SiO2)表面,制备了CSPE-mSiO2和CSPE-nSiO2纳米粒子,并借助HAAKE转矩流变仪共混将两种改性SiO2填充到CSPE基体,一定程度上改善了其物理机械性能。实验结果表明,CSPE分子链上活性较低的C-Cl键和活性较高的SO2-Cl键均与SiO2表面的Si-OH发生原位接枝反应,脱除HCl,使CSPE成功地接枝到SiO2表面,接枝率为4.68wt%,接枝SiO2聚集体尺寸明显减小,表面自由能下降。经过接枝改性处理后,SiO2与CSPE基体形成更强的界面相互作用,均匀分散到CSPE基体,改善了与基体的相容性,增强了二者之间的界面相互作用,优化了CSPE基体的力学性能、热稳定性、加工性能和高温(低频)阻尼性能等。
本文将高温水射流技术引入到CSPE胶乳的破乳脱挥工艺,并利用改性的纳米SiO2对产品CSPE乳胶粒进行改性,一方面,不但成功降低CSPE乳胶粒中低挥发组份的含量,提高了CCl4的回收率,减少了生产过程对大气的污染,而且提高了CSPE产品质量;另一方面,针对实际用途,改善了CSPE产品的物理机械性能等,扩展了产品牌号。本文对CSPE后处理工艺改造及产品性能优化具有着重要的理论和应用价值。