《可发性聚苯乙烯(EPS)的生产工艺》

1论文题目：《可发性聚苯乙烯（EPS）的生产工艺》摘要主要介绍了国内EPS的生产工艺一步法和两步法，并具体对一步法加以着重介绍。要介绍了国内的生产状况及其用途，指出EPS市场潜力巨大。关键词可发性聚苯乙烯（EPS）生产工艺回收和环保1.前言可发性聚苯乙烯(EPS)具有质轻、价廉、导热率低、吸水性小、电绝缘性能好、隔音、防震、防潮、成型工艺简单等优点，因而被广泛地用作建筑、交通运输等行业的保温绝热、隔音、抗震材料、用作电器、仪表、玻璃制品、电子产品等的缓冲包装材料和食品包装。自50年代由德国BASF公司开发EPS珠粒生产工艺后，泡沫塑料由于成型工艺及设备简易可行，并可制成各种形状、不同密度的产品，因而发展迅速。现在EPS已成为苯乙烯树脂三大产品(GPPS、HIPS、EPS)中重要的品种之一。国内EPS消费结构，主要是包装和建材，大体比例为包装50%，建材45%，其它5%。随着近年来声像市场，家电市场和快速食品市场的迅猛发展，EPS需求量日益加大。仅据1992年轻工部统计，EPS用于包装方面的需求量就达6.0万t，其中电器包装3.5万t，快餐盒2.5万t。另外，在建材行业，近年来推出的新型墙体材料，钢板增强EPS板不仅质轻，而且大大减少了建筑的投资，节省能源，施工方便、高效，并能改善居住环境，提高住宅房屋的档次。这种材料大有取代传统建材的趋势。业内人士介绍，我国EPS的年需求量将以20%的速度递增，市场潜力十分巨大。国内的EPS消费主要集中在江、浙等沿海一带，绝大部分用于包装。由于国家大力发展中西部地区的政策，西北地区的EPS用量也随着电子产业、第三产业、建筑业的蓬勃发展，用于包装及建材的EPS需求量也越来越大，但西北地区目前尚无生产EPS的装置，主要原因是前几年苯乙烯价格的波动及其产量的限制，使很多厂家望而却步，故所用的EPS均需从外地调运。2.EPS生产主要工艺概况国外从70年代开始，EPS生产工艺由两步法转向一步法，我国一直延用传统的两步法工艺。两步法工艺能耗高，但由于过程简单、控制容易，因而为一些中小型厂家广泛采用，因此也会长时间地存在下去，通过多年摸索与研究，国产两步法生产也得到改进和完善，在节能降耗方面取得了显著的成绩。如将不符合规格的EPS料返回重新溶解、聚合，不但改善了聚合条件，也使能耗大幅度降低。290年代初，我国也先后引进英国Shell公司一步法生产工艺，并在上海高桥化工厂和金陵石化公司塑料厂投产，通过多年实践与探索，对工艺和配方进行一系列的改进，所用悬浮剂和各种助剂已实现国产化，使该生产技术日趋完善和成熟。EPS一般采用悬浮聚合。悬浮聚合法是将苯乙烯单体在强烈的机械搅拌下分散为油状液滴，并借助于悬浮剂的分散作用悬浮于水中，在引发剂的作用下，聚合为珠状固体。国外从70年代开始，EPS生产工艺由二步法转向一步法。80年代以前国内一直用传统的二步法工艺。90年代初先后引进英国Shell公司一步法生产工艺在上海高桥化工厂和金陵石化公司塑料厂投产，通过多年实践与探索，对其工艺和配方进行了一系列的改进，所用悬浮剂和各种助剂已实现国产化，使该生产技术日趋完善和成熟，同时通过多年的摸索与研究也对国产二步法生产进行了改进和完善，使其更趋合理。但无论是一步法，还是二步法均采用间歇法生产，虽然有人进行连续生产的研究，但尚未实现工业化。国内引进的一步法EPS工艺流程相类似，其技术关键在于工艺配方和操作条件的选定。二步法工艺能耗虽高，但由于过程简单，控制容易，被一些中小型厂家广泛采用。我国EPS主要生产装置见表1。表1我国EPS主要生产装置及引进技术————————————————————————————————————生产厂家投产时间生产能力/万t.a-1采用技术————————————————————————————————————高桥石化公司19901.0Shell金陵石化公司19911.0Shell常州化工厂19910.5台湾高福开封油脂化工厂0.4二步法江苏吴县振新塑料厂19910.5二步法无锡兴达塑料厂1.0二步法张家港塑料厂19920.5四川青神县泡沫材料厂19860.7一步法广东高明高聚化工公司19920.3二步法宁波塑料厂0.4Cosden燕山石公公司化工二厂19710.3二步法广东Senpak公司19940.6日本积水广东三水金台化工公司1.0山东蓬莱化工厂19880.9韩国信亚杨子石化公司19974.0BASF————————————————————————————————————其余大部分均为小型的乡镇企业，主要集中于江、浙一带。目前，我国EPS的需求量约30万t/a，而国内的生产能力连同小型的乡镇企业算在内不过在20万t/a左右，其余均依靠进口，近年来主要进口的EPS牌号及生产厂家见表2。表2进口EPS主要牌号及生产厂家——————————————————————————————————————牌号生产厂家——————————————————————————————————————3P103德国BASFVP10德国HulsVP105德国HulsF254英国ShellC100日本积水C120日本积水E350SG台湾高福——————————————————————————————————————一步法工艺流程：将苯乙烯、软水、悬浮剂、引发剂、发泡剂及助剂加入聚合釜内，水油比约1.0～1.5。升温反应约8h，保持釜的压力，待粒子成型熟化后，经过滤器放入缓冲槽进行中和、洗涤，然后分离至粒子含水量2%～3%，经过热气流干燥之后进行2次筛分，先去除小于0.1mm的粒子，再除去大于2mm的颗粒(或根据市场要求设置5种筛网，分别得到1～5号EPS珠粒)，最后经螺旋输送器送至料仓，称量、包装。粒料经过螺旋输送器时，加入外部润滑剂。二步法工艺流程：第一步将苯乙烯、PS、软水、分散剂，溶解、混合，经计量槽加入聚合釜内，加入引发剂和部分助剂，升温至90℃，保持釜内压力0.3MPa，反应6h后升温，分别在115℃和135℃进行聚合约2～3h，待PS颗粒熟化后经过滤器放入洗涤槽中洗涤，然后经离心机分离水分，使颗粒中含水量降至2%～3%，再经热风干燥除去剩余水分后，按产品要求设置不同孔径的筛网，得到1～5号料，分别进入各自的料仓待用。第二步，将拟进行浸渍的PS粒料，在不断的搅拌下，用旋风加料器或人工送至含发泡剂戊烷的釜中，釜夹套内通蒸汽，使釜内温度保持在80～90℃，压力约0.9MPa，浸渍约为5h，然后降温到40℃以下洗涤，经离心机分离水分，再经热风干燥，通过螺旋输送器，加外部润滑剂，然后进入料仓称量、包装。浸渍过程中应严格控制温度，并不停地搅拌，以防止结块。在生产过程中，应勤于观察，定期分析。通过粒子的形成情况，及时调整分散剂量、温度、搅拌转速等工艺参数，控制粒径的大小，提高0.1～2mm粒径粒子的收率。就生产工艺而言，一步法和二步法生产各有优缺点。二步法生产成本较高，流程长，操作周期长，但一步法要求粒径分布比较窄，因而对聚合条件要求苛刻。两种方法的比较详见表3。我国对现有的二步法工艺也进行了大量的研究工作，在节能降耗方面取得了显著的效果，如将不符合规格的PS料返回重新溶解、聚合，不但改善了聚合条件，也使能耗大幅度降低。部分EPS生产厂家的工艺参数见表4，消耗定额见表5。表3一步法、二步法制EPS比较——————————————————————————————————————项目一步法二步法——————————————————————————————————————制品质量粒径分布较宽粒径分布较窄工艺要求工艺要求严格，能耗低，流程短能耗较高，流程长工艺要求相对较低技术经济一次性投资较高，自动化程度高，一次性投入较低，自动化程度低，易集中控制人工操作较多生产灵活性因发泡剂易挥发，故仓储时间短，市场适应性差，设备利用率低中间产品PS亦可作为产品出售，也可生产其他品种，市场适应性强4表4部分EPS生产厂家的工艺参数：——————————————————————————————————————国别美国日本英国中国——————————————————————————————————————工艺一步法一步法与二步法联用一步法二步法稳定剂磷酸三钙(TCP)，焦磷酸镁，明胶等羟乙基纤维素(HEC)+二烷基苯磺酸钠十二烷基苯磺酸钠发泡剂戊烷丁烷戊烷混合甲烷发泡剂用量/%8.0108.010反应温度/℃80～11080～10090～13085～95反应时间/h7～10208～10——————————————————————————————————————表5部分EPS生产厂家消耗定额(以1t产品计)——————————————————————————————————————日本某公司英国某公司中国——————————————————————————————————————工艺一步法与二步法联用一步法二步法SM/kg953.5966.51034.0发泡剂/kg87.774.9100.0溶剂、助剂/kg12.2010.27化学品/美元8.75.4235.0蒸汽/t0.5230.7503.50电/kW.h385.0136.0190.9脱离子水/t1.471.702.60冷却水/t190.00(循环)14.90(不循环)139.84急冷水/t23(7℃)40N2(标态)/m33.70.002(t)——————————————————————————————————————3EPS生产用助剂3.1引发剂体系苯乙烯悬浮聚合一般采用自由基引发体系，主要是有机过氧化物。金陵、高桥采用过氧化二苯甲酰。也有采用二叔丁基过氧化物(tert-Bu2O2)、过氧化苯甲酰(BPO)、过氧化苯甲酰叔丁脂复合型引发剂，tert-Bu2O2和BPO按1：1配比，这样可以得到高分子量，机械性好及电性能优良的EPS。也有用BPO、过氧化苯甲酰丁脂(t-BP)和环己烷基过氧化缩酮三种复合的复合体系，此体系可提高EPS材料的弯曲强度。3.2分散体系目前苯乙烯悬浮聚合的分散体系主要有三类，即有机分散体系、无机分散体系、有机和5无机复合分散体系。有机分散体系有机分散体系大多采用聚乙烯醇(PVA)、羟乙基纤维素(HEC)、白明胶等。有机分散剂作为一种高分子表面活性剂(含有亲水基和亲油基)，在聚合过程中的主要作用有三种：(1)提高水相粘度，增加油滴运动阻力，减少油滴碰撞次数;(2)在油滴外表面形成保护层，防止油滴合并，增强粒子的保胶能力;(3)降低油水两相界面张力，增加其热稳定性。无机分散剂无机分散剂主要是磷酸三钙(TCP)。据介绍，市场出售的磷酸三钙不能作为苯乙烯悬浮聚合的分散剂。Ca3(PO4)2应满足质量轻、粒度细的要求，才可作为苯乙烯悬浮聚合的分散剂。其主要作用是将无机物细颗粒吸附在油滴表面，起机械隔离作用，使用TCP的突出优点是粘釜少。此外，为提高TCP分散效果，通常加入少许表面活性剂，如十二烷基硫酸钠等，作为TCP的助分散剂。复合分散剂在苯乙烯悬浮聚合过程中，有机高分子化合物分散剂溶于水中降低水的表面张力，增加水的粘度，并在油滴表面形成保护膜，增加粒子的保护能力，但粘釜严重。无机分散剂靠其固体粉末被水润湿，对单体油滴起机械隔离作用，粘釜较轻，但用量较多，给后处理带来困难，并可能使粒子发雾。在实际生产中，选用不同保护能力或界面活性的复合体系，以达到取长补短的效果，这类复合分散剂有PVA和TCP复合(分别在聚合前和后期加入)，HEC和TCP复合等，从而提高了分散剂的分散效果。聚合反应分散剂用量很少，否则易产生乳化现象，其用量为水量的0.001%～0.1%。3.3发泡剂EPS发泡剂一般要求其常压下沸点低于95℃，主要有丁烷、戊烷(正戊烷、异戊烷)等。实际生产中，因戊烷的沸点比丁烷高，生产出的EPS在成型时比丁烷作发泡剂时易控制，无需恒温保存，故大部分厂家采用戊烷作为发泡剂，有的厂家则采用正戊烷和异戊烷的混合作为发泡剂。4影响EPS生产的因素4.1水质聚合投料用水的质量，直接影响