聚四氟乙烯懸浮樹脂流化床干燥中影響因素

張 鵬，錢慶東，田仁平，路 迪，張高明，蔡理靜

（浙江巨化股份有限公司氟聚合物事業(yè)部，浙江 衢州 324004）

根據(jù)使用性質(zhì)進行劃分，聚四氟乙烯（PTFE）樹脂主要有懸浮樹脂、分散樹脂以及分散乳液。從強酸強堿環(huán)境中使用的墊片、襯里，到超純電子化學品范疇的晶圓處理工具、控制閥門，再到5G建設(shè)中核心基材的重要組件材料，都充分體現(xiàn)了PTFE懸浮樹脂優(yōu)異的使用性能。隨著社會文明進程的逐步深化，PTFE懸浮樹脂的全球年產(chǎn)量已超過100 kt，加強對PTFE懸浮樹脂產(chǎn)品質(zhì)量的管控與優(yōu)化，對PTFE樹脂的多極發(fā)展具有重要影響。

在PTFE懸浮樹脂的生產(chǎn)過程中，干燥作為生產(chǎn)流程的最后階段，直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。PTFE懸浮樹脂的干燥方式較多，主要有振動干燥、噴霧干燥、輻照干燥、真空干燥以及氣流干燥等[1-3]。其中，烘箱干燥、氣流干燥等干燥方式已在PTFE懸浮樹脂工業(yè)化生產(chǎn)方面得到了廣泛的應(yīng)用與研究[4-5]。流化床干燥屬于氣固接觸干燥，而且固體顆粒的無序運動增加了顆粒的碰撞概率，這種擾動作用進一步提高了傳熱與傳質(zhì)的效果[6]。目前，以流化床的形式對PTFE懸浮樹脂進行干燥的生產(chǎn)應(yīng)用較少，也缺乏相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)。

本研究通過實驗對PTFE懸浮樹脂在流化床干燥中的影響因素進行分析，為PTFE懸浮樹脂的干燥選型提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 工藝流程

為了更清晰地了解PTFE懸浮樹脂在流化床干燥過程中的運動狀態(tài)，實驗以透明的塑料管模擬工業(yè)化生產(chǎn)中的流化設(shè)備。PTFE懸浮樹脂流化床干燥實驗流程如圖1所示。

圖1 PTFE流化床干燥流程Fig 1 Schematic diagram of PTFE drying process in fluidized bed

PTFE懸浮樹脂選取經(jīng)離心機離心后的同一批次物料，水的質(zhì)量分數(shù)為6.02%，平均粒徑在577μm左右。壓縮空氣由外廠送至，露點-70℃，溫度10℃。實驗設(shè)備（流化設(shè)備）為長度9 m的耐高溫塑料管，公稱直徑100 mm，塑料管的頂端連接足夠長的透明放空管。在距塑料管底部1 m左右的位置設(shè)置加料口，分別在距塑料管底部2、5、8 m左右的位置分別設(shè)置上部、中部、下部取樣口，取樣口在同一垂線上，加料口與取樣口的結(jié)構(gòu)形式對于物料干燥的影響忽略不計。

1.2 實驗過程

為了便于實驗的開展以及結(jié)果的分析，實驗中保證流化設(shè)備（流化塑料管）中的物料處于散式流化態(tài)，不出現(xiàn)氣泡所導致的氣栓對于實驗的影響，而且實驗中流化床層的上端不超過流化塑料管頂端，所有實驗均以床層快速形成及其上端接近流化塑料管的頂端為實驗判定一致的依據(jù)，同時每次實驗所需的PTFE樹脂一次性加入。

將壓縮空氣通過管道經(jīng)換熱器、分布板后引入流化設(shè)備，待管道上壓縮空氣流量計顯示穩(wěn)定后，打開流化塑料管側(cè)面的加料口，將定量的PTFE樹脂加入，關(guān)閉加入口，物料在流化塑料管內(nèi)形成穩(wěn)定的床層，空氣向上由放空管排空。一段時間后打開上部、中部、下部的取樣口進行取樣分析。以壓縮空氣的流量、溫度及物料懸停的時間為變量，探討流化床干燥過程中各因素間的內(nèi)在聯(lián)系。

1.3 性能測試

將在各實驗條件下得到的PTFE懸浮樹脂通過稱量法獲取其含水量的信息，應(yīng)用激光粒度分析儀（Malvern Instruments Mastersizer 3000）對樹脂的粒徑進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 流化區(qū)域的影響

當壓縮空氣的體積流量為40 m3/h時，加入一定量樹脂后，流化塑料管內(nèi)快速形成穩(wěn)定的流化床層，經(jīng)過60 s后進行取樣，結(jié)果如表1所示。

表1 流化床層不同區(qū)域的取樣結(jié)果Tab 1 Sampling results in different areas of the fluidized bed

由表1可知，在穩(wěn)態(tài)的PTFE懸浮樹脂流化床層中，由下至上，樹脂含水量逐漸降低、粒徑逐漸變小。相較于初始含水量，PTFE樹脂的含水量在短時間內(nèi)大幅降低。原因是在流化床干燥的前期，粒徑較小的樹脂在氣流夾裹下無規(guī)律擾動而進行了充分的雙向接觸，樹脂表面的水分快速揮發(fā)，而含水量的減少，樹脂本身的質(zhì)量加上樹脂內(nèi)部殘余水分的質(zhì)量在流化塑料管的上部等于壓縮空氣帶來的壓降。這樣，粒徑較小的樹脂在短時間內(nèi)快速到達流化塑料管的上部，并且樹脂的含水量有明顯的降低。而粒徑較大的樹脂質(zhì)量較大，樹脂內(nèi)部含水量相對較多，在同樣的壓降條件下，這部分樹脂在短時間內(nèi)都集中在流化塑料管的下部。而流化塑料管中部的樹脂狀況則處于兩者之間，在整個PTFE懸浮樹脂的流化床層內(nèi)，樹脂的含水量及粒徑大小遵循客觀規(guī)律。

在流化床干燥實驗中，經(jīng)過一定的時間，流化床層下部的樹脂集中區(qū)域逐漸向中部移動，而流化床層上部的樹脂有著明顯的返混現(xiàn)象，從整個實驗的角度考慮，后續(xù)實驗通過在流化塑料管的中部進行取樣來分析其它因素的影響，以此來提高實驗的代表性。

2.2 壓縮空氣流量的影響

在以流化床層的上端接近流化塑料管頂端為判斷一致的標準下，通過固定壓縮空氣的流量，調(diào)節(jié)匹配PTFE懸浮樹脂的加入量，從而探討壓縮空氣的流量對于流化床干燥的影響。分別以體積流量30、40、50 m3/h的壓縮空氣進行實驗，在加入一定量樹脂后，流化塑料管內(nèi)快速形成穩(wěn)定的流化床層，經(jīng)過60 s后進行取樣，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 壓縮空氣流量的影響Tab.2 Influence of compressed air flow

由表2可知，隨著流量的增加，處于PTFE懸浮樹脂流化床層中部的樹脂含水量逐漸降低，粒徑逐漸變小，這與流化床干燥的客觀規(guī)律相符合。在實驗中還觀測到，壓縮空氣體積流量為30 m3/h時，流化床層中樹脂集中區(qū)域在中部與下部之間，上部樹脂較少，這表明雖然樹脂加入量隨著壓縮空氣的流量降低而減少，但壓縮空氣流量的降低在一定程度上弱化了干燥效果，壓縮空氣的流量對于流化床干燥的影響更為直接。而當壓縮空氣體積流量為40 m3/h或50 m3/h時，流化床層中樹脂集中區(qū)域靠近中部，干燥效果明顯。

2.3 干燥時間的影響

從整個流化床干燥實驗來看，流化床干燥前期的效果明顯，隨著干燥時間的延長，樹脂含水量下降的速度逐漸變緩。而在干燥的后期，流化床干燥的缺點逐漸顯現(xiàn)，在干燥時間呈幾何倍增長的條件下，才能達到PTFE懸浮樹脂產(chǎn)品水的質(zhì)量分數(shù)≤0.04%的要求[7]。恒定壓縮空氣的體積流量為40 m3/h，加入一定量樹脂后，流化塑料管內(nèi)快速形成穩(wěn)定的流化床層，經(jīng)過60 s、1 h、12 h后分別進行取樣，結(jié)果如表3所示。

表3 干燥時間的影響Tab 3 The effect of drying time

由表3可知，隨著干燥時間的延長，樹脂的含水量降低，粒徑先變小、后變大。干燥前期效果明顯，含水量急劇下降，但隨著樹脂表面的水分被帶走，樹脂內(nèi)部的水分無法在短時間內(nèi)滲透至表面，造成大量空氣未經(jīng)充分利用即被排空，浪費嚴重。在干燥一定時間后，流化床層內(nèi)返混區(qū)域逐漸增加，出現(xiàn)了一部分較小的顆粒。而且隨著時間的進一步延長，粒徑較大的樹脂進入流化塑料管的中部，而且流化床層返混區(qū)域的面積擴大，顆粒間的碰撞、團聚幾率增加，也導致一部分樹脂的粒徑變大。

2.4 干燥溫度的影響

通過換熱器對壓縮空氣進行加熱，然后送入流化塑料管對樹脂進行干燥。恒定壓縮空氣的體積流量為40 m3/h，壓縮空氣加熱后溫度為60℃，加入一定量樹脂后，流化塑料管內(nèi)快速形成穩(wěn)定的流化床層，經(jīng)過15 min后進行取樣，對比壓縮空氣未加熱與加熱后的干燥結(jié)果，如圖2所示。

圖2 干燥溫度對粒徑的影響Fig 2 The effect of drying temperature

由圖2可知，壓縮空氣溫度的提高，大大縮減了PTFE懸浮樹脂的干燥時間，但樹脂的平均粒徑變大。提高壓縮空氣的溫度，不僅加快了樹脂表面水分揮發(fā)的速度，而且樹脂內(nèi)、外部形成的溫度差，加快了內(nèi)部水分向外滲透的速度，使得干燥速率大大加快。溫度的升高使得樹脂變軟，樹脂間表現(xiàn)出了一定的黏性，經(jīng)過樹脂間的碰撞，部分樹脂粘結(jié)在一起，使得樹脂的粒徑變大。根據(jù)測試，在60℃下，15 min后樣品的平均粒徑達到了0.602 mm，要大于10℃干燥時樹脂的粒徑。

2.5其它

在PTFE懸浮樹脂的流化床干燥過程中，還有許多其它的影響因素。如樹脂的加入量，在相同的干燥氣量所形成的壓降下，樹脂固定不動形成固定床，干燥效率低下，或是在流化設(shè)備中產(chǎn)生氣栓，造成床層湍動，形成湍動床，造成大量的干燥氣浪費；如樹脂的加入方式，一次性加入無法達到工業(yè)化的目的，連續(xù)性加入要綜合考慮流化床干燥過程中進、出樹脂量的平衡，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行的綜合因素較多；如在流化設(shè)備中增加附件，加速流化床層內(nèi)傳質(zhì)、傳熱的進行，提高干燥的效率等。

3結(jié)論

探討了PTFE懸浮樹脂在流化床干燥中的影響因素，在以樹脂處于散式流化態(tài)、流化床層的上端接近流化塑料管頂端為判斷一致的標準條件下，得出以下結(jié)論：

1)在流化床干燥的前期，流化床層由下至上，樹脂的含水量逐漸降低，粒徑逐漸變小；

2)相較于30 m3/h的干燥氣體積流量，50 m3/h具有更好的干燥效果。干燥氣量愈大，干燥效果愈好；

3)干燥時間分別為1、12 h時，所得樹脂的含水量區(qū)別不大。隨著干燥時間的延長，流化床干燥的效率大大降低；

4)相較于10℃的干燥溫度，60℃的干燥溫度大大縮短了干燥時間，明顯的加快了干燥的速率，但會使得樹脂的平均粒徑在一定程度上變大。