一种可降解高分子材料聚合反应实验装置的制作方法

1.本发明属于一种高分子材料的聚合反应技术领域，特别涉及一种可降解高分子材料聚合反应实验装置。


背景技术：

2.近年来，石油资源的日益紧缺，导致塑料原料价格飞涨。解决塑料材料与环保的协调发展问题愈加凸显。可降解高分子塑料材料的诞生为解决环境污染问题提供新方案。这种极具发展潜力的可降解新型高分子材料可以有效降低石油基塑料的使用，减少碳排放，助力碳达峰碳中和，它的新用途则十分广阔，可望在许多应用领域替代传统聚合物，如用于制作化妆品容器、牙刷、缓冲材料、包装材料、购物袋、一次性使用手套等。
3.然而，目前由于技术壁垒高，在可降解高分子塑料材料的生产研发上，美国和日本一直处于领先地位，国内的研发起步较晚，且受制于市场规模限制，长期以来发展处于停滞状态。近年来随着国家限塑政策的推进，对于可降解高分子塑料材料的发展给予了巨大的支持，为此科学家们可以更加有信心对这种新型材料(可降解高分子材料)的持续深入研发。
4.可降解高分子材料聚合反应的第一个难点在于：酯化反应阶段汽化和冷凝效果不理想。所述气化是指通过汽化的方法将产物中的副产物分离出来，所述冷凝是指通过冷凝的方法将副产物中携带的汽化产物冷凝下来再重新回到生成产物的反应器中，如图2所示，现有技术的酯化反应单元只是一根单独的分馏柱202，由于从分馏柱202被蒸馏出来的副产物中有多种，比如被蒸馏出来的东西包括小分子和高分子(虽然只是一种温度，但难免夹带一些杂质)其中小分子产生汽化所需温度低一些，而高分子产生汽化所需的温度高一些，如果只是一种温度就没有办法让被蒸馏出来的高分子重新被冷凝，因此，酯化反应单元的冷凝效果并不理想；由于在分馏柱202蒸馏时考虑尽量不使得高分子被蒸馏出来，因此温度不敢调高，温度高了就会将高分子蒸馏出来，由于受到温度不能调高的限制，一部分小分子也没有被蒸馏出来，所以，传统方法的酯化反应单元的汽化的效果也不理想。
5.可降解高分子材料聚合反应的第二个难点在于：缩聚反应阶段收集副产物的效率太低、导致容易污染空气(副产物多为化学试剂)和损坏真空泵。所述收集效率太低的原因如图2所示，原有技术一个冷凝器配了一个收集罐305，一个收集罐往往收集不尽；所述容易污染空气和损坏真空泵原因是，无法判别收集罐305中单位时间内副产物中高分子产物被携带的情况，当单位时间内收集罐中副产物中被携带的高分子产物比较多时，由于一个收集罐的收集效率比较低，若球阀门开阀角度过大，就会把比较多的副产物和混杂在副产物中的高分子携带到真空泵中，当真空泵将副产物的小分子连同高分子通过排气口排出到大气中时会污染空气；同时，当真空泵中的副产物小分子和高分子比较多时，还会损坏真空泵。因此，当无法判断收集罐中单位时间内收集罐内的高分子多与少时，就不能避免缩聚反应阶段排出的副产物污染空气和损坏真空泵；


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术的不足，提出一种可降解高分子材料聚合反应实验装置，目的在于解决酯化反应阶段汽化和冷凝效果不理想的问题、以及缩聚反应阶段收集副产物的效率太低导致容易污染空气和损坏真空泵的问题。
7.本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：
8.一种可降解高分子材料聚合反应实验装置，该装置包括：用于生成高分子产物的搅拌釜式反应单元100、用于对第一阶段高分子产物副产物排除的酯化反应单元200、用于对第二阶段高分子产物副产物排除的缩聚反应单元300、以及用于分别控制搅拌釜式反应单元100、酯化反应单元200、缩聚反应单元300的控制单元400；
9.所述搅拌釜式反应单元100设有分馏口111，通过分馏口111分别与酯化反应单元200的酯化反应阀门201和缩聚反应单元300的缩聚反应阀门301相连接；当酯化反应时，该控制单元400关闭缩聚反应阀门301、打开酯化反应管道阀门201，通过酯化反应单元200的分馏柱202、冷凝回流器203将酯化反应生产的副产物水及低分子物分离出去；当缩聚反应时，控制单元400控制将酯化反应阀门201关闭、将缩聚阀门301打开，将温度调到所需的温度条件下，通过搅拌系统将许多相同的或不相同的小分子物质相互作用，生成高分子物质，同时将析出小分子，如水、醇、氨、卤化物通过抽真空和冷凝接收罐将其分离收集起来，反应釜内最后得到较纯的高分子材料；其特征在于：
10.所述的酯化反应单元200将分馏柱更换为二节，对上半节与下半节温度分开控制，一方面是将副产物水更精确的分离出来，而最大限度的保护反应物不被蒸出，一方面让部分被夹带并汽化了的高分子产物再被冷凝回流到反应器内。
11.所述的缩聚反应单元300包括用于提高副产物收集效率的二级冷凝器收集罐、以及用于减少高分子气体产物被抽出的双路真空管道。
12.进一步地，所述用于对第一阶段高分子产物中的副产物排除的酯化反应单元200，其下半节为分馏柱202、上半节为冷凝回注器203；在分馏柱202和冷凝器203上分别设有分馏柱温度传感器204、和冷凝器温度传感器205；通过分馏柱辅助加热、以及分馏柱传感器204的监控，让分馏柱202中的水及其它小分子产物汽化；既能使小分子产物蒸出、又能使部分被夹带并汽化了的高分子产物再被冷凝回流到反应器内。
13.进一步地，所述通过分馏柱传感器204的监控，既能使小分子产物蒸出、又能使部分被夹带并汽化了的高分子产物再被冷凝回流到反应器内，具体为：该冷凝器203进水口设有冷凝水调节阀207，该冷凝水调节阀207根据不同的小分子产物的汽化温度要求和高分子产物冷凝所需温度要求，调节冷凝水的流量，通过调节冷凝水的流量改变冷凝回流器203的温度，实现既能使小分子产物蒸出、又能使部分被夹带并汽化了的高分子产物再被冷凝回流到反应器内的要求。
14.进一步地，该冷凝回流器203的副产物出口设有蒸汽出口调节阀206、该蒸汽出口调节阀206是小分子的蒸汽出口、用于调节蒸汽流量让副产物缓慢的排出，尽量少夹带高分子产物来达到最佳分离效果；同时在所述蒸汽出口调节阀206的尾端设有夹套式收集器208和排液口209，用于对副产物的收集，该夹套式收集器208采用冷凝收集方法、让小分子的蒸汽变成液体，该排液口209用于将夹套式收集器208收集的液体排出。
15.进一步地，所述用于对第二阶段高分子产物中的副产物排除的缩聚反应单元300，
为了方便控制缩聚的过程、提高第二阶段副产物收集效率，并保证小分子物不被抽到真空泵309，在真空泵309与搅拌釜反应单元100之间设置第一级夹层收集器302和第二级夹层收集器305，该第一级夹层收集器302和第二级夹层收集器305分别通冷却液将小分子冷凝下来。
16.进一步地，在所述第一级夹层收集器302的侧面设有视镜，通过视镜观察缩聚时部分高分子产物被抽出的情况，再根据高分子产物被抽出的情况采取对双路真空管道的操作方法。
17.进一步地，所述双路真空管道并联布设在真空泵309与所述第二级夹层收集器305之间，该并联布设的双路真空管道的一路设有小通径的针型阀门307、另一路设有大通径的球型阀门；该小通径的针型阀门307用于气体排出的开始阶段，该开始阶段关闭球阀门308开启针阀门307，并通过一级夹层收集器302侧面设置的视镜观察一级夹层收集器里的高分子产物被抽出的情况，根据该情况将针型阀门307调到最佳让气体缓慢慢抽出，从而可以减少高分子产物被抽出，当真空抽到一定范围内后再适当调大一些针型阀门307的通径，最后当抽到高真空时，关闭针型阀门307打开球阀门308继续抽真空至缩聚反应结束。
18.进一步地，该搅拌釜式反应单元100设有夹套式釜筒101、夹套式釜筒101顶部的釜盖102，穿过釜盖伸到釜内的搅拌器103，搅拌器103连接着搅拌桨105；其特征在于：该釜式反应单元100底部设有下放料口110，由于高分子材料的粘度都较大，将下放料口110设计为销钉形式，出料时拧开螺帽拔掉销钉即可出料，益处是防堵、没有死角、出料时无残留。
19.本发明的优点效果
20.1、本发明通过将酯化反应单元的分馏柱更换为二节、对上半节与下半节温度分开控制，解决了传统方法酯化反应单元只有一个温度使得而顾此失彼、汽化和冷凝效果均不理想的问题：通过分开控制温度，下半节的分馏柱温度在设定范围内可以尽量调高，便于蒸馏出副产物，达到汽化效果最佳的程度；通过分开控制温度，上半节的冷凝回流器可以在设定范围内根据小分子和高分子汽化温度不同的特点，在温差允许的范围内，尽量降低温度，使得高分子由气态重新变为液态，并回流到搅拌釜式反应单元内。由此实现了汽化和冷凝效果均达到最佳的效果。
21.2、本发明将第二级收集罐、第一级收集罐的视窗、针型阀门三者有机结合，取得了组合以后的效果：第二级收集罐解决了副产物收集效率低的问题，第一级收集罐的视窗和针型阀门结合，从源头控制了从反应釜被夹带的高分子产物，具体为通过针型阀门的缓慢排出气体，使得随着气体的排放被夹带的高分子尽可能少，从而堵住了源头上的流失。总之，第二级收集罐、第一级收集罐的视窗和针型阀门的结合，从两个不同阶段，一个从高分子被夹带以前的阶段，一个从高分子被夹带以后的阶段，解决了高分子从真空泵被抽走，最终污染空气的问题。
附图说明
22.图1为本发明高分子聚合反应实验装置示意图；
23.图2为本发明的对比图-现有技术高分子聚合反应实验装置示意图；
24.100：搅拌釜式反应器；101：夹套式釜筒；102：釜盖；103：搅拌器；140：搅拌马达；105：搅拌桨；106：温度传感器；107：温度传感器套管；108：压力传感；109：进气阀；110：下放
料口；111：分馏口；112：加料口；113：加料罐；114：截止阀；115：液位计；116进气口
25.200：酯化反应单元；201：酯化反应阀门；202：分馏柱；203：冷凝回流器；204：分馏柱温度传感器；205：冷凝器温度传感器；206：蒸汽出口调节阀；207：冷凝水调节阀；208：夹套式收集器；209:排液口；
26.300：缩聚反应单元；301：缩聚反应阀门；302：一级夹层收集器；303：观察窗；304：排液阀；305：二级夹层收集器；306：排液阀；307：针型阀门；308：球阀；309：真空泵；
27.400：集中控制器。
具体实施方式
28.本发明设计原理
29.1、双温控器脂化反应单元设计原理：脂化反应单元的上下两个温度传感器相互支持和相互依存：分馏柱202温度决定了冷凝回流器203的温度，冷凝器回流器203的温度是分馏柱202传递过来的，因此它们是相互依存的关系。冷凝器回流器203的温度要比分馏柱202低，因此分馏柱202是一个温度，冷凝器回流器203是一个温度，分馏柱202是加热过程，冷凝器回流器203是降温过程，冷凝器回流器203不需要分馏柱202那么高的温度，所以当分馏柱202传递给冷凝器回流器203一定的温度时，冷凝器回流器203要通过冷凝水调节阀207调节冷凝水的大小，再配合蒸汽出口调节阀206相互配合调节到所需温度，之所以分馏柱202和冷凝器回流器203需要两个温度，是因为蒸馏出来的东西有多中成分，包括小分子和夹带着的高分子，分馏柱202的温度要略高于小分子汽化的温度，冷凝回流器203要低于分馏柱202一些，即要是小分子汽温度还要是高分子的冷凝温度，也就是当冷凝回流器203的温度降低到合适的温度时，冷凝器回流器203里面被蒸馏出来的小分子依然是汽态跑到夹套收集器208里被收集，高分子会重新由气态变为液态，变为液态以后重新回到搅拌釜式反应单元100，增加了搅拌釜式反应单元高分子产物的生产率。
30.2、二级冷凝器收集器和双路真空管道设计原理：二级冷凝器收集器和双路真空管道相互支持和相互依存：1)真空泵309和搅拌釜式反应单元100的关系，所述抽真空就是对搅拌釜式反应单元100抽真空，由于搅拌釜式反应单元100存在气体就存在杂质，让高分子在真空下继续反应，抽真空就是为了把熔融状态下存在的气体抽干净，最后搅拌釜式反应单元100内没有气体了，只剩下粘稠的高分子，也就是熔融的塑料状态，再加大阀门开阀角度、从针型阀门改为球形阀门，此时虽然阀门加大了，但是因为气体几乎没有了也就不怕高分子被夹带引出了。综上，为了解决缩聚反应阶段收集副产物的效率太低导致污染空气和损坏真空泵的问题，第二级收集罐、第一级收集罐的视窗、针型阀门三者必须有机结合才能产生组合以后的效果。
31.2)当对搅拌釜式反应单元100抽真空时阀门301被打开，此时气体从搅拌釜式反应单元100通过管道流入第一级、第二级收集罐、以及真空泵309。
32.3)所述有机结合既是第二级收集罐、第一级收集罐的视窗、针型阀门三者的有机结合，相互依存：由于增加第二级冷凝器收集罐解决了收集副产物不彻底的问题，使得从搅拌釜式反应单元100抽出的副产物尽可能多地被收集而不被真空泵抽走而污染空气，但增加第二级冷凝器收集罐还不能解决阀门的开放角度问题，因为抽真空刚开始反应釜中的熔融状态里面的气体只是刚刚被抽取，此时气体很多，一旦抽真空开阀角度过大，气体流速就
快，被抽出时夹带的高分子产物就多，抽真空开阀角度比较小时，熔融状态下的气体被抽出时夹带的高分子就少，因此还需要解决抽真空刚开始时的阀门开放角度问题，但阀门的开放角度依赖于单位时间内对第一级收集罐中高分子白色固体生成多少的观测，当单位时间内观测到第一级收集罐中高分子白色固体生成较多时，则判定即将从搅拌釜式反应单元100抽出的那部分被夹带的高分子气体产物也一定很多，此时，将针型阀门开得很慢，就会使得从搅拌釜式反应单元100抽取气体时被夹带的高分子气体产物相对少一些。当真空抽到绝对压力100pa时，此时高分子材料中的气体及副产物已剩不多。再加大阀门开阀角度、从针型阀门改为球形阀门，此时虽然阀门加大了，但是因为气体几乎没有了也就不怕高分子被夹带引出了。综上，为了解决缩聚反应阶段收集副产物的效率太低导致污染空气和损坏真空泵的问题，第二级收集罐、第一级收集罐的视窗、针型阀门三者必须有机结合才能产生组合以后的效果。
33.基于以上原理，本发明设计了一种可降解高分子材料聚合反应实验装置
34.一种可降解高分子材料聚合反应实验装置如图1所示，该装置包括：用于生成高分子产物的搅拌釜式反应单元100、用于对第一阶段高分子产物副产物排除的酯化反应单元200、用于对第二阶段高分子产物副产物排除的缩聚反应单元300、以及用于分别控制搅拌釜式反应单元100、酯化反应单元200、缩聚反应单元300的控制单元400；
35.所述搅拌釜式反应单元100设有分馏口111，通过分馏口111分别与酯化反应单元200的酯化反应阀门201和缩聚反应单元300的缩聚反应阀门301相连接；当酯化反应时，该控制单元400关闭缩聚反应阀门301、打开酯化反应管道阀门201，通过酯化反应单元200的分馏柱202、冷凝回流器203将酯化反应生产的副产物水及低分子物分离出去；当缩聚反应时，控制单元400控制将酯化反应阀门201关闭、将缩聚阀门301打开，将温度调到所需的温度条件下，通过搅拌系统将许多相同的或不相同的小分子物质相互作用，生成高分子物质，同时将析出小分子，如水、醇、氨、卤化物通过抽真空和冷凝接收罐将其分离收集起来，反应釜内最后得到较纯的高分子材料；其特征在于：
36.所述的酯化反应单元200将分馏柱更换为二节，对上半节与下半节温度分开控制，一方面是将副产物水更精确的分离出来，而最大限度的保护反应物不被蒸出，一方面让部分被夹带并汽化了的高分子产物再被冷凝回流到反应器内。
37.所述的缩聚反应单元300包括用于提高副产物收集效率的二级冷凝器收集罐、以及用于减少高分子气体产物被抽出的双路真空管道。
38.进一步地，所述用于对第一阶段高分子产物中的副产物排除的酯化反应单元200，其下半节为分馏柱202、上半节为冷凝回注器203；在分馏柱202和冷凝器203上分别设有分馏柱温度传感器204、和冷凝器温度传感器205；通过分馏柱辅助加热、以及分馏柱温度传感器204的监控，让分馏柱202中的水及其它小分子产物汽化；既能使小分子产物蒸出、又能使部分被夹带并汽化了的高分子产物再被冷凝回流到反应器内。
39.进一步地，所述通过分馏柱温度传感器204的监控，既能使小分子产物蒸出、又能使部分被夹带并汽化了的高分子产物再被冷凝回流到反应器内，具体为：该冷凝器203进水口设有冷凝水调节阀207，该冷凝水调节阀207根据不同的小分子产物的汽化温度要求和高分子产物冷凝所需温度要求，调节冷凝水的流量，通过调节冷凝水的流量改变冷凝回流器203的温度，实现既能使小分子产物蒸出、又能使部分被夹带并汽化了的高分子产物再被冷
凝回流到反应器内的要求。
40.进一步地，该冷凝回流器203的副产物出口设有蒸汽出口调节阀206、该蒸汽出口调节阀206是小分子的蒸汽出口、用于调节蒸汽流量让副产物缓慢的排出，尽量少夹带高分子产物来达到最佳分离效果；同时在所述蒸汽出口调节阀206的尾端设有夹套式收集器208和排液口209，用于对副产物的收集，该夹套式收集器208采用冷凝收集方法、让小分子的蒸汽变成液体，该排液口209用于将夹套式收集器208收集的液体排出。
41.进一步地，所述用于对第二阶段高分子产物中的副产物排除的缩聚反应单元300，为了方便控制缩聚的过程、提高第二阶段副产物收集效率，并保证小分子物不被抽到真空泵309，在真空泵309与搅拌釜反应单元100之间设置第一级夹层收集器302和第二级夹层收集器305，该第一级夹层收集器302和第二级夹层收集器305分别通冷却液将小分子冷凝下来。
42.进一步地，在所述第一级夹层收集器302的侧面设有视镜，通过视镜观察缩聚时部分高分子产物被抽出的情况，再根据高分子产物被抽出的情况采取对双路真空管道的操作方法。
43.进一步地，所述双路真空管道并联布设在真空泵309与所述第二级夹层收集器305之间，该并联布设的双路真空管道的一路设有小通径的针型阀门307、另一路设有大通径的球型阀门；该小通径的针型阀门307用于气体排出的开始阶段，该开始阶段关闭球阀门308开启针阀门307，并通过一级夹层收集器302侧面设置的视镜观察一级夹层收集器里的高分子产物被抽出的情况，根据该情况将针型阀门307调到最佳让气体缓慢慢抽出，从而可以减少高分子产物被抽出，当真空抽到一定范围内后再适当调大一些针型阀门307的通径，最后当抽到高真空时，关闭针型阀门307打开球阀门308继续抽真空至缩聚反应结束。
44.进一步地，该搅拌釜式反应单元100设有夹套式釜筒101、夹套式釜筒101顶部的釜盖102，穿过釜盖伸到釜内的搅拌器103，搅拌器103连接着搅拌桨105；其特征在于：该釜式反应单元100底部设有下放料口110，由于高分子材料的粘度都较大，将下放料口110设计为销钉形式，出料时拧开螺帽拔掉销钉即可出料，益处是防堵、没有死角、出料时无残留。
45.补充说明：
46.如图1所示，反应单元为搅拌釜式反应器100，由于是摸索反应条件用实验装置，容积不需要太大，0.5l-5l为宜，如较少的话产品不够做下一步检测，较多的话又太浪费。
47.夹套式釜筒101，利用外循环导热油为反应供热，温度可以从50-330摄氏度间任意调节，釜筒底部设有下放料口110，因为高分子材料的粘度都较大，下放料口设计为销钉形式，出料时拧开螺帽拔掉销钉即可出料，益处是防堵、没有死角、出料时无残留。
48.釜盖102中间设有搅拌器103，搅拌器上端连着马达104，马达与400单元连接，控制搅拌转速0-1000转/分钟和监测扭矩0-10n.m，可以根据不同的反应阶段调整不同的转速，并可要根据每个反应阶段的扭矩的变化来跟踪反应过程。
49.搅拌器103穿过釜盖伸到釜内连接着搅拌桨105，搅拌桨105为刮壁锚式和螺带式组合搅拌桨，由于釜壁温度较高，又因高分子材料的粘度都会很大，刮壁锚式搅拌桨的目的是防止物料长时间粘在壁上结焦，螺带式搅拌桨搅拌时时往下作用，起到防止物料顺着搅拌杆往上爬的作用；
50.釜盖上还设进气阀109和排气阀110，进气阀作用是需要时可以往釜内充入反应气
体或保护气体氮气，排气阀是放空用。
51.釜盖上还设有温度传感器106，上端与400单元连接，用于监测和控制反应温度，下端延伸到釜内穿过锚式桨和螺带桨的中间。
52.釜盖上还设有压力传感108与400单元连接，用于监测釜内的压力。
53.釜盖上还设有精馏口111，分别与酯化反应单元200和缩聚反应单元300连接；
54.釜盖上还设有加料口112，与加料罐113连接，此加料罐113有二个作用，一是反应过程中用于加催化剂，二是反应结束出完料后用于加清洗剂，起做到不开釜便能洗釜的作用，加料罐为开盖时，用于投料，加料罐与反应釜之间设计截止阀114，进料时开启，不需要进料时关闭。加料罐侧面设有可观察液位的透明旁路，可以观察加料罐内的液位方便控制流速。加料罐上盖上设有进气阀116，需要时可以通氮气保护催化剂。
55.需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。