微波加熱條件對(duì)樹(shù)脂膨化改性影響的研究

史萬(wàn)敬，張文學(xué)，劉元戎，陳曉雪

（金川集團(tuán)化工有限責(zé)任公司，甘肅 金昌737100）

金川集團(tuán)化工有限責(zé)任公司為中國(guó)最大鎳鈷生產(chǎn)加工企業(yè)—金川集團(tuán)股份有限公司所屬。 該公司有 50 萬(wàn)t/aPVC、40 萬(wàn)t/a 燒堿、10 萬(wàn)t/a 硫酸鉀的生產(chǎn)能力， 配套可生產(chǎn) 18 萬(wàn)t/a 鹽酸、8 萬(wàn)t/a 液氯、20 萬(wàn)t/a 片堿。 作為 40 萬(wàn)t/a 燒堿裝置的配套裝置，公司50 萬(wàn)t/a PVC 系統(tǒng)采用工藝成熟、 可靠的水相法生產(chǎn)工藝生產(chǎn)樹(shù)脂， 且樹(shù)脂產(chǎn)品已獲國(guó)內(nèi)主流市場(chǎng)認(rèn)可，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

PVC 樹(shù)脂因其分子結(jié)構(gòu)的物性限制，無(wú)法在高溫環(huán)境下單獨(dú)加工使用，需要配合一定量的穩(wěn)定劑、增塑劑、 改性劑等助劑， 以滿足不同用途的加工需求。這就需要PVC 樹(shù)脂顆粒表面具有足夠大的比表面積和足夠多的孔洞，可以吸附更多的油性分子，增強(qiáng)與各類(lèi)助劑的混合均勻度， 發(fā)揮分子加工中的連續(xù)作用力。 而PVC 樹(shù)脂吸油率的高低，將決定樹(shù)脂顆粒對(duì)油性分子的承載力大小， 目前， 公司生產(chǎn)的PVC 樹(shù)脂吸油率在19.0%～20.0%。

微波加熱是一種利用極性分子和非極性分子間的磁場(chǎng)作用加熱的方法， 當(dāng)有極分子電介質(zhì)和無(wú)極分子電介質(zhì)置于微波電磁場(chǎng)中， 介質(zhì)材料終會(huì)形成偶極子或已有的偶極子重新排列， 隨著高頻交變電磁場(chǎng)以每秒數(shù)億次的速度擺動(dòng)， 分子要隨著不斷變化的高頻電場(chǎng)方向重新排列， 就必須克服分子原有熱運(yùn)動(dòng)和分子相互間作用的干擾和阻礙， 產(chǎn)生類(lèi)似于摩擦的作用。 整個(gè)過(guò)程就會(huì)使得電磁場(chǎng)能量逐漸轉(zhuǎn)化為新的熱能，使介質(zhì)溫度出現(xiàn)大幅度的提升，以達(dá)到干燥的目的。 正是因其改變分子間的電磁場(chǎng)作用方向，對(duì)分子結(jié)構(gòu)本身不易產(chǎn)生損傷，在樹(shù)脂干燥的研究方向上，微波加熱的方法比較理想。

本研究?jī)?nèi)容使用的同批次PVC 樹(shù)脂原始吸油率為19.61%，樹(shù)脂含水率0.2%。

考慮微波對(duì)PVC 樹(shù)脂顆粒的破壞性損傷（顆粒碳化），采用膨化紙袋配合完成實(shí)驗(yàn)。

1 樹(shù)脂微波受熱溫度的研究

將PVC 樹(shù)脂平鋪盛放至容器中，放入微波反應(yīng)設(shè)備（8 kW、間歇式），擬定作用時(shí)長(zhǎng)為 90 s、120 s、180 s， 觀察樹(shù)脂碳化情況并使用測(cè)溫槍測(cè)定溫度。微波對(duì)樹(shù)脂碳化溫度的影響見(jiàn)表1。

表1 微波對(duì)樹(shù)脂碳化溫度的影響

從表1 可以看出，隨著時(shí)間的增加，在相同功率的微波作用下，PVC 樹(shù)脂顆粒直接作用， 顆粒表溫達(dá)到最高，并受時(shí)間的增加陸續(xù)出現(xiàn)碳化點(diǎn)，使用測(cè)溫槍測(cè)得碳化點(diǎn)溫度在75 ℃即發(fā)生質(zhì)變。 因此，PVC 樹(shù)脂的干燥溫度不宜超過(guò)75 ℃。

2 微波對(duì)樹(shù)脂吸油的改性影響

使用小型微波設(shè)備（700 W），分別對(duì)成品PVC樹(shù)脂（含水率0.2%）和不同含水率的樹(shù)脂，進(jìn)行微波作用后，檢測(cè)吸油率的變化。微波加熱對(duì)樹(shù)脂吸油的影響（第一批）見(jiàn)表2。

從表2 中可以看出，樹(shù)脂中含有一定的水分，可以起到對(duì)樹(shù)脂一定的保護(hù)作用， 給予樹(shù)脂溫和的受熱環(huán)境， 避免高溫對(duì)樹(shù)脂分子團(tuán)的直熱帶來(lái)的不可恢復(fù)的損傷，影響吸油率。另外，樹(shù)脂含水率越高，會(huì)對(duì)微波的做功加熱產(chǎn)生衰減， 導(dǎo)致樹(shù)脂分子團(tuán)發(fā)生改變不大。過(guò)高的微波功率和時(shí)間，都會(huì)加劇樹(shù)脂分子團(tuán)發(fā)生碳化和降解速度。 微波加熱對(duì)樹(shù)脂吸油的影響（第二批）見(jiàn)表3。

表2 微波加熱對(duì)樹(shù)脂吸油的影響（第一批）

表3 微波加熱對(duì)樹(shù)脂吸油的影響（第二批）

從表3 中所得的數(shù)據(jù)同樣可以得出功率、 時(shí)長(zhǎng)的增加與吸油率成反比。

取關(guān)鍵分析數(shù)據(jù)，做比對(duì)性分析圖見(jiàn)圖1。

從圖1 中可以看出，隨著PVC 樹(shù)脂中原始水分的增加，吸油率是下降的。而相比成品樹(shù)脂原始吸油率19.61%， 經(jīng)微波處理后的樹(shù)脂， 吸油率上升至20.66%，漲幅達(dá)5.4%。

圖1 不同含水樹(shù)脂微波作用后，樹(shù)脂吸油改性情況

隨著時(shí)間的延長(zhǎng)， 成品樹(shù)脂的吸油率下降至18.59%，主要原因?yàn)楫?dāng)微波將樹(shù)脂顆粒間的水分以電磁場(chǎng)作用受熱揮發(fā)后，對(duì)PVC 顆粒表面的分子結(jié)構(gòu)造成了破壞，致使樹(shù)脂分子表面發(fā)生塌陷，從而影響其吸油率。

膨化包裝在一定程度上縮減了微波對(duì)PVC 樹(shù)脂顆粒的直接作用力， 并給水分的蒸發(fā)提供了一個(gè)穩(wěn)定、緩和的環(huán)境，避免了微波直射對(duì)樹(shù)脂顆粒的結(jié)構(gòu)影響。

3 大功率下微波對(duì)樹(shù)脂吸油的影響

將潮濕的 PVC 樹(shù)脂 （含水 20.1%、 吸油率21.1%）平鋪盛放至微波反應(yīng)設(shè)備（8 kW、間歇式）中，擬定作用時(shí)長(zhǎng)為 90 s、120 s、180 s，經(jīng)微波反應(yīng)后，檢測(cè)樹(shù)脂吸油率，其結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 大功率微波對(duì)樹(shù)脂吸油率的影響

從表4 中數(shù)據(jù)可以看出，在較大功率的作用下，樹(shù)脂的吸油率大幅下降。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）通過(guò)微波作用，在合理的范圍內(nèi)，對(duì)PVC 樹(shù)脂顆粒的改性，如吸油率具有一定的促進(jìn)作用。 但作用功率、時(shí)長(zhǎng)，以及樹(shù)脂中還有的原始水分與作用后的樹(shù)脂吸油率呈反比，微波改性PVC 樹(shù)脂顆粒的吸油率需要的是一個(gè)緩和的水分釋放過(guò)程。

（2）在較低的功率微波下，有限的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，通過(guò)微波作用，可以有效提高樹(shù)脂吸油率的指標(biāo)，但需要注意控制水分、作用時(shí)長(zhǎng)，避免微波對(duì)樹(shù)脂顆粒的直接作用導(dǎo)致的樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)的破壞、損傷。

（3）通過(guò)微波實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)已成型的PVC 樹(shù)脂顆粒，在其分子外表面依然存在較高的水分，因此，在下游加工的過(guò)程中，必要的熱混過(guò)程對(duì)于減小樹(shù)脂水分對(duì)加工的影響是有利的。同時(shí)可防止樹(shù)脂中的水分蒸發(fā)在加工過(guò)程中給產(chǎn)品帶來(lái)的起泡影響。

（4）當(dāng)樹(shù)脂顆粒在80 ℃以上的高溫，或長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境下， 極易發(fā)生PVC 顆粒分子表面的改變、坍塌，影響其分子力學(xué)性能。

（5）針對(duì)PVC 樹(shù)脂顆粒基本的物性條件，所開(kāi)展的最佳微波改性條件， 還需要在以上研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，做進(jìn)一步方向性研究。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)微波處理PVC 樹(shù)脂實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用微波法來(lái)增強(qiáng)改性PVC 樹(shù)脂的可行性， 并確定了PVC樹(shù)脂的微波改性影響因素和條件， 對(duì)于微波改性的選擇具有指導(dǎo)性意義。