เครื่องปฏิกรณ์เรซินสูตรน้ำคืออะไร: การออกแบบอิมัลชันและการลดปริมาณน้ำ

ตอบคำถามหลัก:เครื่องปฏิกรณ์เรซินสูตรน้ำคืออะไร?เครื่องปฏิกรณ์เรซินสูตรน้ำคือภาชนะกวนแบบมีแจ็คเก็ต ซึ่งโดยปกติจะเป็นสเตนเลส 316L ที่มีคอนเดนเซอร์ไหลย้อนและระบบป้อนแบบกึ่งแบทช์ ซึ่งเรซินจะถูกสร้างเป็นอิมัลชันในน้ำ เป็นสารละลายลดปริมาณน้ำ หรือเป็นการกระจายตัวของโพลียูรีเทน เส้นทางทั้งสามมีความแตกต่างกันโดยพื้นฐาน ปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชันแบบอิมัลชันจะสร้างโพลีเมอร์ในน้ำที่อุณหภูมิ 60-90°C โดยใช้สารลดแรงตึงผิวและตัวเริ่มปฏิกิริยาที่ละลายน้ำได้ โดยให้อนุภาคขนาด 80-500 นาโนเมตรที่ของแข็ง 40-60% โดยพื้นฐานแล้วไม่มีตัวทำละลายร่วม เรซินแบบลดน้ำถูกสร้างขึ้นครั้งแรกในตัวทำละลายที่อุณหภูมิ 80-150°C จนถึงค่ากรด 35-60 มก. KOH/g จากนั้นทำให้เป็นกลาง 70-100% ด้วยเอมีน และปล่อยลงในน้ำ การกระจายตัวของโพลียูรีเทนถูกสร้างขึ้นเป็นพรีโพลีเมอร์ จากนั้นกลับด้านเป็นน้ำที่อุณหภูมิ 50-90°C การออกแบบไม่ได้ถูกครอบงำด้วยเคมี แต่โดยการควบคุมโฟม การกำจัดความร้อนผ่านคอนเดนเซอร์ไหลย้อน และความจริงที่ว่าน้ำมีความร้อนของการกลายเป็นไอสูงกว่าตัวทำละลายมาก

1. สามเส้นทางทางน้ำและความต้องการเครื่องปฏิกรณ์

แต่ละเส้นทางผลิตคอลลอยด์ที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน และเครื่องปฏิกรณ์จะต้องได้รับการออกแบบสำหรับคอลลอยด์นั้น ไม่ใช่แค่สำหรับปฏิกิริยาเท่านั้น:

• อิมัลชันพอลิเมอไรเซชัน:โมโนเมอร์ถูกทำให้เป็นอิมัลชันในน้ำโดยมีสารลดแรงตึงผิวสูงกว่าความเข้มข้นของไมเซลล์ที่สำคัญ และตัวเริ่มต้นที่ละลายน้ำได้ ซึ่งโดยทั่วไปคือแอมโมเนียมหรือโพแทสเซียมเพอร์ซัลเฟต จะสร้างอนุมูลที่เข้าไปในไมเซลล์และเริ่มต้นสายที่นั่น ผลลัพธ์ที่ได้คือน้ำยางที่มีอนุภาคขนาด 80-500 นาโนเมตรที่ของแข็ง 40-60% โดยมีความหนืดต่ำมากแม้ที่น้ำหนักโมเลกุลสูง เนื่องจากความหนืดของน้ำยางขึ้นอยู่กับการอัดแน่นของอนุภาคมากกว่าความยาวของโซ่ นี่เป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดประการเดียวของเส้นทางนี้ และเป็นเหตุผลที่ทำให้เส้นทางนี้มีอิทธิพลเหนือการเคลือบและกาวทางสถาปัตยกรรม เครื่องปฏิกรณ์เป็นถังกึ่งชุดที่โมโนเมอร์พรีอิมัลชันและตัวเริ่มต้นจะถูกป้อนเป็นเวลา 2-6 ชั่วโมง ซึ่งกักเก็บความร้อนที่ปล่อยออกมาภายในแจ็คเก็ตและความจุของกรดไหลย้อน และในขณะเดียวกันก็ให้ผู้ผลิตออกแบบวิศวกรองค์ประกอบของแต่ละอนุภาคได้ เช่น โดยการป้อนโมโนเมอร์ชนิดแข็งในภายหลังเพื่อสร้างโครงสร้างแกนกลาง
• เรซินที่ลดน้ำได้:ในที่นี้โพลีเมอร์ถูกสร้างขึ้นโดยการควบแน่นแบบทั่วไปหรือการเกิดโพลิเมอไรเซชันแบบอนุมูลอิสระในตัวทำละลายร่วมที่ผสมน้ำได้ เช่น ไกลคอลอีเทอร์หรือแอลกอฮอล์ ที่ 80-150°C หมู่คาร์บอกซิลถูกสร้างขึ้นอย่างตั้งใจในสายโซ่จนมีค่ากรด 35-60 มิลลิกรัม KOH/กรัม และโพลีเมอร์สำเร็จรูปถูกทำให้เป็นกลางด้วยเอมีน ซึ่งโดยทั่วไปคือไดเมทิลเอทานอลเอมีนหรือไตรเอทิลเอมีน จนถึง 70-100% ของข้อกำหนดทางทฤษฎี หมู่คาร์บอกซิลที่ทำให้เป็นกลางจะทำให้โพลีเมอร์กระจายตัวได้ และเติมน้ำภายใต้การกวนจนกระทั่งระบบเปลี่ยนจากสารละลายเรซินในตัวทำละลายไปเป็นการกระจายตัวของเรซินในน้ำ จุดผกผันสามารถมองเห็นได้และมีความสำคัญ: ความหนืดจะผ่านค่าสูงสุดที่เด่นชัดเมื่อเฟสกลับด้าน ดังนั้นเครื่องปฏิกรณ์และเครื่องกวนจะต้องมีขนาดสำหรับจุดสูงสุดนั้น ไม่ใช่สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีความหนืดต่ำขั้นสุดท้าย โดยทั่วไปปริมาณตัวทำละลายร่วมจะอยู่ที่ 5-20% ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเส้นทางนี้จึงถูกแทนที่ด้วยอิมัลชันที่แท้จริงซึ่งมีกฎระเบียบที่เข้มงวดที่สุด
• การกระจายตัวของโพลียูรีเทน:PUD ถูกสร้างขึ้นโดยการสร้างพรีโพลีเมอร์ที่สิ้นสุดด้วยไอโซไซยาเนตจากไดไอโซไซยาเนต โพลีออล และสารขยายสายโซ่กรดไดเมทิลโพรพิโอนิกที่มีหมู่ไอออนิกที่อุณหภูมิ 50-90°C โดยปกติจะใช้ตัวทำละลายจำนวนเล็กน้อยหรือไม่มีเลยเพื่อควบคุมความหนืด จากนั้น พรีโพลีเมอร์จะถูกทำให้เป็นกลางและกระจายตัวไปในน้ำ โดยถูกยืดสายโซ่ด้วยไดเอมีน ขั้นตอนการกระจายตัวคือการแข่งขันระหว่างสองปฏิกิริยา: การยืดสายโซ่ที่ต้องการกับไดเอมีนซึ่งเร็ว และปฏิกิริยาที่ไม่พึงประสงค์ของไอโซไซยาเนตกับน้ำ ซึ่งก่อให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์และทำให้เกิดฟองและความดัน ดังนั้น เครื่องปฏิกรณ์จึงต้องรับมือกับความหนืดที่เพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันที่ผกผัน กระจายตัวอย่างรวดเร็วด้วยแรงเฉือนสูง และระบายหรือจัดการคาร์บอนไดออกไซด์ การจัดการไอโซไซยาเนตยังต้องใช้วัตถุดิบแห้ง เนื่องจากน้ำเป็นสารตั้งต้นและการควบคุมอุณหภูมิที่เข้มงวด เนื่องจากปฏิกิริยาเป็นแบบคายความร้อน
• การควบคุมการเกิดฟอง การเปรอะเปื้อน และสารระเหย:เครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำแบ่งปันปัญหาสามประการที่ภาชนะที่มีตัวทำละลายส่วนใหญ่หลีกเลี่ยง โฟม เนื่องจากสารลดแรงตึงผิวและลาเท็กซ์ที่มีความเสถียรทำให้เกิดโฟมถาวรที่สามารถเติมเต็มช่องว่างไอและถูกพาเข้าไปในคอนเดนเซอร์ การตอบสนองของการออกแบบคือพื้นที่ไอขนาดใหญ่ ตัวลดโฟมเชิงกลหรือตัวทำลายโฟมสำหรับกรณีที่รุนแรง และการควบคุมปริมาณสารป้องกันฟองอย่างระมัดระวัง เนื่องจากการใช้ยาเกินขนาดทำให้เกิดข้อบกพร่องที่พื้นผิวในฟิล์ม เกิดการเปรอะเปื้อน เนื่องจากฟิล์มโพลีเมอร์ที่ส่วนต่อประสานไอ-ของเหลว และบนผนังทำให้เกิดกรวดที่จะปรากฏเป็นจุดในการเคลือบเสร็จแล้ว การตอบสนองคือการขัดเงาด้วยไฟฟ้าหรือพื้นผิวที่มีกระจก การเคลือบที่ปกคลุมเหนือระดับของเหลว และรอบการทำความสะอาดที่กำหนดไว้ และสารระเหยได้ เนื่องจากโมโนเมอร์และตัวทำละลายร่วมที่ตกค้างจะต้องถูกกำจัดให้เหลือต่ำกว่า 100-1,000 ppm โดยการแยกด้วยไอน้ำหรือโดยการไล่สารเคมีด้วยตัวเริ่มต้นเพิ่มเติม ซึ่งต้องใช้ระบบสุญญากาศและเครื่องฟอกระบายอากาศ

2. คุณลักษณะการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์สำหรับบริการทางน้ำ

คุณสมบัติสี่ประการที่ทำให้เครื่องปฏิกรณ์เรซินสูตรน้ำแตกต่างจากเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ตัวทำละลาย:

• ขนาดคอนเดนเซอร์ไหลย้อน:ในเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ตัวทำละลาย คอนเดนเซอร์ไหลย้อนจะมีขนาดสำหรับโหลดไอของตัวทำละลายที่อัตราสูงสุด ซึ่งตรงไปตรงมา ในเครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำ หน้าที่เดียวกันนั้นยากกว่ามาก เนื่องจากน้ำมีความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอที่ 2,257 กิโลจูล/กก. เทียบกับ 300-600 กิโลจูล/กก. สำหรับตัวทำละลายทั่วไป ดังนั้นการขจัดความร้อนตามปริมาณที่กำหนดด้วยน้ำเดือดต้องใช้มวลน้อยกว่ามาก แต่ภาระไอตามปริมาตรที่ความดันต่ำนั้นมีมหาศาล คอนเดนเซอร์ที่มีขนาดตามประสบการณ์ของตัวทำละลายจะมีขนาดที่เล็กเกินไปสำหรับการให้บริการน้ำ ดังนั้นนักออกแบบจึงกำหนดขนาดคอนเดนเซอร์จากอัตราการปล่อยความร้อนสูงสุด โดยใช้ปริมาตรเฉพาะไอน้ำจริงที่ความดันใช้งาน และมักจะระบุเส้นไอที่ใหญ่กว่าและความดันลดลงต่ำกว่าที่สัญชาตญาณแนะนำ เนื่องจากแรงดันย้อนกลับใดๆ จะทำให้จุดเดือดเพิ่มขึ้น และด้วยเหตุนี้อุณหภูมิของปฏิกิริยา
• การกวนสำหรับการผกผันและพีคความหนืดสูง:เครื่องกวนต้องรับมือกับโปรไฟล์ความหนืดที่แตกต่างจากระบบตัวทำละลายอย่างมาก การเกิดพอลิเมอไรเซชันแบบอิมัลชันเป็นเรื่องง่าย เนื่องจากน้ำยางจะบางตลอด และใบพัดแบบ pitched blade หรือ hydrofoil ที่มีแผ่นกั้นก็ทำงานได้ดี กระบวนการลดน้ำหรือ PUD ไม่สามารถทำได้ เนื่องจากความหนืดจะผ่านค่าสูงสุดอย่างรวดเร็วที่จุดผกผันของเฟส ซึ่งบางครั้งอาจสูงถึง 10-100 Pa·s ในช่วงเวลาสั้นๆ ในภาชนะที่มีผลิตภัณฑ์สุดท้ายต่ำกว่า 1 Pa·s เครื่องกวนและตัวขับจะต้องมีขนาดสำหรับจุดสูงสุดนั้น โดยทั่วไปจะมีพุกหรือริบบอนแบบเกลียว หรือการจัดเรียงโคแอกเซียลของตัวกระจายแรงเฉือนสูงสำหรับการกลับด้าน และพุกช้าสำหรับการผสมจำนวนมาก การลดขนาดไดรฟ์ ณ จุดนี้เป็นสาเหตุเดียวที่พบบ่อยที่สุดที่ทำให้พืชน้ำไม่สามารถเข้าถึงของแข็งที่ออกแบบได้
• วัสดุและการตกแต่งพื้นผิว:สแตนเลส 316L เป็นเหล็กมาตรฐาน และสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีน้ำหลายชนิด ผิวสำเร็จมีความสำคัญมากกว่าโลหะผสม พื้นผิวขัดเงาด้วยกลไกหรือขัดด้วยไฟฟ้า โดยทั่วไปจะมี Ra ต่ำกว่า 0.8 ไมโครเมตร ลดการยึดเกาะของฟิล์มโพลีเมอร์ และทำให้การทำความสะอาดง่ายขึ้นมาก ซึ่งสำคัญเนื่องจากในโรงงานที่มีผลิตภัณฑ์หลายชนิด วงจรการทำความสะอาดอาจใช้เวลา 20-40% ของเวลาที่มีอยู่ เหล็กเคลือบแก้วถูกนำมาใช้ในกรณีที่สูตรมีความเป็นกรดหรือในกรณีที่การปนเปื้อนของเหล็กอาจทำให้เกิดปัญหาด้านสีหรือความเสถียร ในทุกกรณี การออกแบบจะต้องขจัดรอยแยก: วาล์วด้านล่างที่ติดตั้งแบบฝังเรียบ แทนที่จะเป็นวาล์วแบบฝัง เชื่อมแทนการยึดส่วนรองรับภายใน และไม่มีขาตายในท่อป้อนหรือทางออก เนื่องจากช่องใดๆ ที่ผลิตภัณฑ์สามารถหยุดนิ่งได้ในที่สุดจะผลิตอนุภาคเจลที่ปนเปื้อนกับชุดถัดไป
• การควบคุมอุณหภูมิและการป้อนกลยุทธ์:ปฏิกิริยาทางน้ำจะดำเนินการที่อุณหภูมิ 60-90°C สำหรับระบบอิมัลชัน และการควบคุมภายใน 1-2°C เป็นสิ่งที่ให้ขนาดอนุภาค น้ำหนักโมเลกุล และอุณหภูมิการขึ้นรูปฟิล์มขั้นต่ำสม่ำเสมอ กลยุทธ์เป็นแบบกึ่งชุด: โมโนเมอร์หรือพรีโพลีเมอร์จะถูกป้อนเป็นเวลา 2-6 ชั่วโมงเพื่อให้การระบายความร้อนทันทีตรงกับแจ็คเก็ตและความสามารถในการไหลย้อน และผู้ริเริ่มจะถูกป้อนแยกกันเพื่อให้สามารถปรับฟลักซ์ที่รุนแรงได้อย่างอิสระจากโมโนเมอร์ เนื่องจากคุณสมบัติของโพลีเมอร์ขึ้นอยู่กับการเกิดนิวเคลียสของอนุภาคในช่วงสองสามนาทีแรก ประจุเริ่มต้นจะต้องได้รับความร้อนอย่างแม่นยำ และระยะเมล็ดคงอยู่อย่างแม่นยำก่อนที่จะเริ่มป้อน พืชเพิ่มขั้นตอนหลังการเกิดโพลีเมอไรเซชันหรือขั้นตอนการไล่ด้วยตัวเริ่มต้นเพิ่มเติมเพื่อขับโมโนเมอร์ที่ตกค้างออก ตามด้วยการแยกไอน้ำออกภายใต้สุญญากาศตามข้อกำหนดที่กำหนด จากนั้นจึงกรองผ่านถุงหรือตัวกรองแบบคาร์ทริดจ์เพื่อขจัดกรวดใดๆ ก่อนที่ผลิตภัณฑ์จะนำไปจัดเก็บ

เมทริกซ์เปรียบเทียบเส้นทางเรซินในน้ำ

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

ถาม: อิมัลชันเรซินและเรซินแบบลดน้ำแตกต่างกันอย่างไร

ตอบ: ความแตกต่างอยู่ที่บริเวณที่ผลิตโพลีเมอร์และวิธีทำให้โพลีเมอร์เสถียรในน้ำ ในอิมัลชัน โพลีเมอร์ถูกสร้างขึ้นภายในอนุภาคในน้ำโดยปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบอนุมูลอิสระ ทำให้อนุภาคขนาด 80-500 นาโนเมตรเสถียรด้วยสารลดแรงตึงผิว โดยไม่มีตัวทำละลายร่วมเป็นหลัก และมีความหนืดที่ไม่ขึ้นอยู่กับน้ำหนักโมเลกุล ในเรซินที่ลดปริมาณน้ำได้ โพลีเมอร์จะถูกสร้างขึ้นก่อนในตัวทำละลายร่วม และจากนั้นจึงทำให้กระจายตัวได้โดยการทำให้กลุ่มกรดคาร์บอกซิลิกที่อยู่ภายในโซ่เป็นกลาง การเติมน้ำจะทำให้ระบบมีการกระจายตัวด้วยตัวทำละลายร่วม 5-20% และมีความหนืดซึ่งขึ้นอยู่กับน้ำหนักโมเลกุลเป็นอย่างมาก ผลที่ตามมาในทางปฏิบัติคืออิมัลชันให้ปริมาณสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่ายต่ำกว่าและมีน้ำหนักโมเลกุลสูงกว่าที่ความหนืดที่ใช้ได้ ในขณะที่เรซินที่ลดน้ำได้จะให้การสร้างฟิล์ม ความเงา และการไหลที่ดีขึ้น ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงยังคงต้องการสารเคลือบชนิดอบอุตสาหกรรม

ถาม: เหตุใดความหนืดจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในระหว่างการเติมน้ำในเรซินที่มีน้ำบางชนิด

ตอบ: เนื่องจากระบบอยู่ระหว่างการกลับเฟส ก่อนที่จะผกผัน น้ำจะกระจายตัวเป็นหยดภายในเฟสเรซินบวกตัวทำละลายที่ต่อเนื่อง และการเติมน้ำมากขึ้นเพียงเพิ่มปริมาตรที่กระจายตัว ซึ่งจะทำให้ความหนืดเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ที่จุดผกผัน เฟสจะสลับกัน: เรซินจะกลายเป็นเฟสกระจายตัวและน้ำจะต่อเนื่องกัน ก่อนถึงจุดนั้น โดยทั่วไปปริมาตรของเฟสที่กระจายจะอยู่ที่ 60-75% ซึ่ง ณ จุดนี้หยดจะถูกอัดแน่นจนความหนืดเพิ่มขึ้นอย่างสูงชัน บางครั้งอาจเพิ่มขึ้นหนึ่งถึงสองเท่าในช่วงการเติมน้ำที่แคบ ทันทีหลังจากการผกผัน ความหนืดจะยุบตัวลง การประมวลผลที่ประสบความสำเร็จจำเป็นต้องเติมน้ำอย่างช้าๆ ผ่านจุดสูงสุด และต้องใช้เครื่องกวนและตัวขับเคลื่อนที่มีขนาดสูงสุดสำหรับความหนืดสูงสุดนั้น มากกว่าสำหรับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย เนื่องจากการขับเคลื่อนที่มีขนาดเล็กกว่าจะหยุดทำงานทันทีที่ภาชนะต้องการการผสมมากที่สุด

ถาม: ควบคุมการเกิดฟองในเครื่องปฏิกรณ์เรซินสูตรน้ำได้อย่างไร

ตอบ: มาตรการสี่ประการนำไปใช้เพื่อเพิ่มการแทรกแซง สูตร: การเลือกระบบลดแรงตึงผิวที่มีแนวโน้มเกิดฟองต่ำและเติมสารลดฟอง ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นประเภทซิลิโคน น้ำมันมิเนอรัล หรือโพลีเมอร์ที่ไม่ใช่ซิลิโคน ที่ 0.05-0.5% กระบวนการ: ป้อนใต้พื้นผิวของเหลวแทนที่จะป้อนเข้าไป หลีกเลี่ยงการเรียงซ้อนและการกระเด็น และจำกัดความเข้มของการกวนในช่วงเวลาที่ไม่จำเป็นต้องกระจายตัว กลไก: ให้พื้นที่ไอกว้างขวาง โดยทั่วไปคือ 25-40% ของปริมาตรถัง และในกรณีที่รุนแรง กลไกโฟมเบรกเกอร์บนเพลากวนหรือเครื่องลดฟองแบบอัลตราโซนิกหรือแบบแรงเหวี่ยงในท่อไอ และใช้งานได้จริง: ใช้สุญญากาศอย่างช้าๆ ระหว่างการปอก เนื่องจากการลดแรงกดอย่างรวดเร็วจะขยายโฟมที่มีอยู่ได้อย่างมาก การใช้ยาลดโฟมเกินขนาดถือเป็นความเสี่ยงอย่างแท้จริง เนื่องจากจะทำให้เกิดหลุมอุกกาบาต ตาปลา และการยึดเกาะของชั้นเคลือบในฟิล์มที่เสร็จแล้วไม่ดี ดังนั้นปริมาณรังสีจึงได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมโดยการทดสอบแบบดึงออก แทนที่จะเพิ่มเพียงจนกว่าโฟมจะหายไป

ถาม: อุณหภูมิการขึ้นรูปฟิล์มขั้นต่ำคือเท่าไร และเหตุใดจึงสำคัญ

ตอบ: อุณหภูมิการขึ้นรูปฟิล์มขั้นต่ำหรือ MFFT คืออุณหภูมิต่ำสุดที่น้ำยางจะรวมตัวกันเป็นฟิล์มใสที่ต่อเนื่องกันในขณะที่น้ำระเหย โดยวัดบนแถบไล่ระดับที่มีเทอร์โมคัปเปิลในแต่ละจุด ด้านล่าง MFFT อนุภาคจะอัดแน่นแต่ไม่ทำให้เสียรูปและหลอมละลาย ดังนั้นการเคลือบจึงแห้งเป็นฟิล์มทึบแสงที่มีลักษณะเป็นแป้ง แตกร้าว ซึ่งมีคุณสมบัติกั้นและการยึดเกาะต่ำ สิ่งสำคัญคือเนื่องจากจะกำหนดอุณหภูมิการใช้งานต่ำสุดสำหรับการเคลือบ และเนื่องจากถูกกำหนดโดยอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วของโพลีเมอร์ ซึ่งจะถูกกำหนดโดยองค์ประกอบโมโนเมอร์ที่เลือกในเครื่องปฏิกรณ์ โดยทั่วไปสูตรผสมจะออกแบบสำหรับ MFFT ที่ 0-10°C สำหรับสีทาสถาปัตยกรรม จากนั้นเติมตัวทำละลายที่รวมตัวกันเพื่อลด MFFT ที่มีประสิทธิผลชั่วคราวในระหว่างการอบแห้ง ข้อจำกัดของสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่ายบนโคลาเซนต์เป็นตัวขับเคลื่อนหลักในการพัฒนาเรซินในน้ำในปัจจุบัน