氯化聚丙烯用溶劑被水乳化后對建筑設計的影響

劉 驗

(惠生公司 (中國)有限公司河南化工設計院分公司 ,河南鄭州 450000)

1 引言

氯化聚丙烯是一種黏接劑,所以被李子東等[1]收入《實用膠黏劑原材料手冊》中。黏接劑的水性化已成為一種大趨勢[2],出于環境友好,最好用水作溶劑。那么,氯化聚丙烯溶解在水中嗎?通常用溶度參數δ相近來考察溶解情況。溶度參數的概念由 Hildebrand提出,本來用于非極性化合物,經過Burrell和 Hansen的改進,也可用于極性化合物[4]。為了比較,需要對δ多少算相近,多少算不相近作一明確的定量答復。以常用的塑料聚苯乙烯為例,計算δ的差值,如果δ相差 5(J/cm3)1/2時,就是不可溶的[4],這就是一個量化指標。水的溶度參數是δ=48.09(J/cm3)1/2[5],唐四葉等[6]測定了氯化聚丙烯的溶度參數其δ=18.87(J/cm3)1/2。由于溶度參數相差近 40(J/cm3)1/2,不用作試驗也說明是不溶于水的。但因為溶度參數非常接近的緣故,氯化聚丙烯溶于溶度參數是 18.00(J/cm3)1/2的二甲苯。因此溶解氯化聚丙烯的溶劑是使用的是二甲苯,它是有機溶劑。這就需要考慮怎樣才能變為水性的。

改為水性的有兩種方法,一種是變為水溶性的,一種是變為乳化的 (用于不溶于水的),這兩種方法揮發的都是水。顯然,由于溶度參數相差太大,變為水溶性的比較困難,作為乳化法,本來就是解決那些不溶于水而揮發的卻是水的物料。因此,董雪茹[7]研究了氯化聚丙烯改性而進行的乳化法。董雪茹的方法是先用丙烯酸酯類混合單體 (甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯)采用二甲苯溶液法聚合法接枝到 CPP上,未接枝上共聚物或均聚物加胺成鹽可以作為自乳化劑。因此,接枝反應后的產物不用分離,就可以直接制備穩乳液。該方法不但簡化了工藝流程,避免了外加乳化劑帶來的問題,而且制備的乳液可以加水稀釋,因此施工過程中也大大減少了有機溶劑的污染。

氯化聚丙烯本不溶于水,但是如果加入乳化劑將它乳化,即以聚合物的微粒 (粒徑在 0.1～10μm)分散在水中成為穩定的聚合物乳液,也可以用水代替有機溶劑至少代替大部分的有機溶劑,當然,如果接枝上帶有極性的基團可能更容易乳化一些。我們把溶液聚合后再行乳化的方法叫做后乳化法,用后乳化法合成的化合物稱為后乳化物。那么,采用后乳化法生產氯化聚丙烯黏接劑,會對生產黏接劑的工廠建筑設計帶來什么影響呢?

2 化工企業建筑設計的目的

化工企業的生產目的是生產出合格的產品,生產廠房建筑設計的目的是為生產工藝服務。即在滿足工藝流程的前題下,保證工人安全生產,使廠房符合國家現行設計規范、造價經濟合理、適度注意美觀。為了達到上述目的,就需要建筑設計人員首先了解產品的工藝流程及部分操作指標;第二,要知曉整個生產過程中從原料到成品的化學、物理性質;第三,要明確反應過程中的溫度、壓力設備的特性,知道它們的閃點、爆炸極限及火災危險性分類。

2.1 閃點

理論上講,當可燃液體能揮發變成蒸氣,跑入空氣中時,隨著溫度升高,其揮發速度加快。當揮發的蒸氣和空氣的混合物與火源接觸能夠閃出火花時,把這種短暫的燃燒過程叫做閃燃,把發生閃燃的最低溫度叫做閃點。即:在規定的試驗條件下,液體揮發的蒸氣與空氣形成的混合物,遇火源能夠閃燃的液體最低溫度 (采用閉杯法測定)就是閃點。不論是液態、氣態還是固態的物質,閃點就是可能引起火災的最低溫度。閃點越低,引起火災的危險性越大。

閃點低于 28℃的液體稱為甲類液體;閃點在28～60℃的液體,稱為乙類液體。甲、乙類液體都屬于易燃液體。苯、甲苯和二甲苯都是易燃液體。甲基丙烯酸甲酯閃點為 10℃,丙烯酸丁酯閃點是38℃(密閉)、43℃(開口),苯乙烯的閃點是 31～34℃,它們都屬于甲、乙類液體,是易燃物。

單體形成聚合物聚合物后,閃點溫度也大大提高。一般認為,閃點大于 60℃,而又能燃燒的物質,稱為可燃物或丙類液體 (或固體)。乙烯、丙烯的閃點通常都在 0℃以下,屬于易燃物,但聚合以后聚乙烯卻在 350℃,聚丙烯為 330℃(固體)。氯化聚丙烯來自聚丙烯的氯化,也是聚合物,只屬于可燃物,按火災危險性分類,它們屬于丙級。

2.2 爆炸下限

可燃氣體、蒸氣、粉塵與空氣或氧組成混合物(爆炸性混合物)后,如果其濃度不在混合物遇火源即發生爆炸的上、下限范圍內,則供給再大的能量也不會爆炸著火。此范圍稱為爆炸限度?？扇嫉恼魵?、氣體或粉塵與空氣組成的混合物,遇火源即能發生爆炸的最低濃度 (可燃蒸氣、氣體的濃度,按體積比計算)稱為:爆炸下限 。苯的爆炸范圍是 1.40%～7.10%(體積比)甲苯是 1.27%～6.75%(體積比),鄰二甲苯是 1.00%～6.00%(體積比),苯乙烯的爆炸限度是:1.1%～6.1%(體積比)。從建筑設計角度看,更為重視的是爆炸下限。粗略地說,如果任意的增加溶劑含量,比如儲罐泄漏,二甲苯達到1%左右是比較容易做到的,因此,二甲苯是易爆的物質。

2.3 火災危險性的分類

生產的火災危險性的分類有多種指標,但對于建筑設計來講通用的是按《建筑設計防火規范》(GB50016-2006)來執行的。即:生產的火災危險性應根據生產中使用或產生的物質性質及其數量等因素,分為甲、乙、丙、丁、戊類,并按閃點及爆炸下限來劃分[8]。閃點 ＜28℃的液體,爆炸下限小于 10%的氣體稱為甲類。閃點≥28℃但 ＜60℃,爆炸下限大于等于 10%的稱為乙類。閃點≥60℃,又是可燃的稱為丙類。至于丁類和戊類,因與主題無關,就不再介紹了。我們通常把甲類液體或氣體稱為易燃易爆物質。按照火災危險性分類的規定,目前生產氯化聚丙烯黏接劑所用的溶劑原料如:苯、甲苯、二甲苯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯、丙烯等,基本都屬于甲、乙類液體或固體。

3 對建筑設計的影響

從建筑設計的角度看,由于原料組成是由工藝決定的,是溶液聚合還是其它的聚合方法也是由工藝決定的。所以,當工藝明確了工藝流程,給下游專業提出設計條件后,才輪到建筑做設計。工藝流程決定了不論是生產黏接劑的反應物,如:甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯等,還是作為溶劑的二甲苯。其閃點和可燃性并沒有變化,仍然為甲乙類的易燃易爆物。對于建筑設計來說,工廠的生產車間按照防火規范的要求,由于生產原料火災危險性分類沒有變化,所以生產車間的建筑耐火等級、防火分區、消防疏散及防爆構造等建筑設計因素并沒有因為生產出來的成品溶于水,而減少一點設計難度。反而,因工藝的變化、反應步驟的延長,帶來了生產設備的增加與管道、預埋件、支架、電纜等輔助設施的投資增長。如:生產用水并不是普通水而是蒸餾水,生產車間需增加蒸餾裝置或加鋪管道;由于使用超聲波乳化,還需要增加超聲波裝置等等。如此看來,無論是從生產車間的功能分區、物流、人流導向,還是到工藝配管、自動控制點的增加、供配電設備的聯鎖與防爆等方面,生產廠房的綜合設計難度是大幅增加了。這一點大大出乎原來的預料。原來認為,由于產品的乳化,必將引起生產車間建筑設計的難度降低或者不變,看來這樣的設想要落空了。但從成品方面來看,由于黏接劑的溶劑從原易燃物改為現在的水,因此就大大的減少了燃燒的危險性。其工廠的成品倉庫等建構筑物的火災危險性分類,從甲類降到丁類。使這些廠房由防火防爆廠房變為了普通工業廠房,從而設計簡單了。

總之,從黏接劑工廠的整體設計來看,采用“氯化聚丙烯用溶劑被水乳化后”的新工藝并沒有給建筑設計帶來簡化,或者說這個結論是否定的 (因為成品倉庫等原設計就不復雜)。

4 結論

實際上,不論是乳化還是后乳化,只要原料不變,對于廠房設計來說,后果都是一樣的。例如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯都可用乳化法來制備。但對其原料的閃點或爆炸限度來說,都具有同樣的問題。它們的閃點都很低,并且都屬于易燃易爆的物種。因此,用氯化聚丙烯/MMA/BA/MAA接枝共聚物的合成丙烯作后乳化不過是一個復雜一點的例子罷了。這樣,如果不改變原料,乳化法在廠房設計上的難度是難以改變的。只有徹底的改變原料,才可以改變建筑設計的方法,才能使建筑變得簡單。

用水乳化代替溶劑以后,從建筑設計角度看,由于原料的制備沒有改變,生產車間的火災危險性沒有降低,但產品沒有燃燒的危險。從工廠的整體設計來看,用水乳化來代替有機溶劑還沒有降低黏接劑工廠建筑設計的難度。

[1]李子東,李廣宇,于 敏.實用膠黏劑原材料手冊[M].北京:國防工業出版社,112.

[2]龐來興,楊建文,曾兆華,等.涂料工業的世紀進展——綠色涂料[J].廣州化工,2001,29(4):3-6.

[3]李小苗,劉大壯,董雪茹.Hansen三維溶度參數的 40年 [J].黏接,2007,28(6):33-35.

[4][荷蘭 ]D.W.范克雷維倫著.許元澤,趙得祿,吳大誠譯.聚合物的性質:性質的估算及其與化學結構的關系[M].科學出版社,1981:95-119.

[5]涂偉平.水性涂料 [M].化學工業出版社,2006:48-49.

[6]唐四葉,劉大壯,范忠雷.氯化聚丙烯三維溶度參數及其與不同溶劑相互作用參數的研究[J].涂料工業,2006,(10):47-50.

[7]董雪茹,孫培勤,劉大壯,等.氯化聚丙烯 /MMA/BA/MAA接枝共聚物的合成丙烯酸改性氯化聚丙烯乳液的合成與性能 [J].塑料工業,2007,35(增刊)(6):109-111.

[8]GB50016-2006.北京:中國計劃出版社,2006.