一種聚苯并咪唑熔融合成用反應(yīng)釜的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于反應(yīng)釜領(lǐng)域，特別涉及一種聚苯并咪唑熔融合成用的自動(dòng)反應(yīng)釜。本發(fā)明提出的一種通過熔融聚合法制備PBI的自動(dòng)反應(yīng)釜，針對工業(yè)化PBI的合成過程，設(shè)計(jì)了攪拌、控溫等裝置，可實(shí)現(xiàn)PBI粉料的規(guī)?；a(chǎn)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)易于加／取料，通過反應(yīng)釜的翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)原料的加入和產(chǎn)物的取出；2)反應(yīng)釜內(nèi)部置有攪拌系統(tǒng)，提高聚合均勻性；3)多點(diǎn)測溫并進(jìn)行擬合使得粉料均一；4)流程式控溫?zé)o需人為管理；5)設(shè)備容易制造、安全性高。因此，有望為PBI粉料的工業(yè)化生產(chǎn)打下設(shè)備基礎(chǔ)。
【專利說明】一種聚苯并咪唑熔融合成用反應(yīng)釜
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于反應(yīng)釜領(lǐng)域，特別是涉及一種適用于工業(yè)量產(chǎn)聚苯并咪唑的反應(yīng)釜?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]聚苯并咪唑(PBI, Polybenzimidazole)是目前可應(yīng)用溫度最高的特種工程塑料，也被譽(yù)為最高等級的工程塑料，具有以下一些突出特性:(I)耐高溫，長期工作溫度達(dá)310°C，玻璃轉(zhuǎn)化溫度達(dá)427°C，瞬時(shí)耐受溫度高達(dá)760°C，且在任何溫度下均不會(huì)燃燒；(2)高強(qiáng)度、高硬度、低密度，抗變形性能良好并具有低遲滯損耗及高彈性恢復(fù)的特性，PBI可壓至50%以上的形變而不斷裂，是工程塑料中強(qiáng)度最高的產(chǎn)品，且易于進(jìn)行機(jī)械加工，其硬度為玻璃的I / 2，而密度不到鋼的I / 5 ;(3)高舒適度，PBI纖維的吸濕率可達(dá)15%，可提供媲美一般棉織品的舒適穿著體驗(yàn)。
[0003]PBI最初用于美國航空航天局(NASA)項(xiàng)目中的航天飛機(jī)降落傘和宇航服，自1983年后又研發(fā)應(yīng)用于高溫防護(hù)服等民用產(chǎn)品。近十年來PBI的應(yīng)用日趨廣泛，除軍工航天領(lǐng)域的應(yīng)用日益擴(kuò)大外，民用主要為高溫過濾織物、熱防護(hù)服和石棉替代材料。同時(shí)，PBI可制成易于儲(chǔ)存的固體形態(tài)并可以機(jī)械加工成高精度器件，替換高溫工作條件下的金屬器件以降低重量、提升效能。此外，PBI在覆膜、鍍膜、泡沫材料、高溫粘合劑和新型電池等領(lǐng)域也顯示了良好的應(yīng)用前景。
[0004]合成PBI主要有四種方法:熔融聚合法、溶液聚合法、親核取代法、母體法，不同的合成方法對其結(jié)構(gòu)與性能都有一定的影響。目前溶液聚合法、親核取代法、母體法對反應(yīng)結(jié)果的可控性較低，通常會(huì)出現(xiàn)發(fā)泡不完全的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致反應(yīng)不完全。熔融聚合法由于聚合條件可控度高、易于批量合成，因此是工業(yè)化量產(chǎn)最合適的方法，本專利介紹了一種適用于熔融聚合法制備PBI的反應(yīng)釜，具有易于加/取料、自動(dòng)攪拌、溫度可控、氣壓保護(hù)等多種特點(diǎn)，特別適合于工業(yè)化量產(chǎn)PBI粉料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出的一種通過熔融聚合法制備PBI的自動(dòng)反應(yīng)釜，針對工業(yè)化PBI的合成過程，設(shè)計(jì)了攪拌、控溫等裝置，可實(shí)現(xiàn)PBI粉料的規(guī)模化生產(chǎn)。
[0006]本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是易于加/取料，通過反應(yīng)釜的翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)原料的加入和產(chǎn)物的取出；反應(yīng)釜內(nèi)部置有攪拌系統(tǒng)，提高聚合均勻性；多點(diǎn)測溫并進(jìn)行擬合使得粉料均一；流程式控溫?zé)o需人為管理；同時(shí)設(shè)備制造過程簡單、安全性高。因此有望為PBI粉料的工業(yè)化生產(chǎn)打下設(shè)備基礎(chǔ)。
[0007]本發(fā)明的聚苯并咪唑熔融合成用的自動(dòng)反應(yīng)釜由反應(yīng)腔(I)、攪拌裝置(2)、上蓋支架(3)、翻轉(zhuǎn)臂(4)、電源接口(5)、控制接口(6)、以及支架(7)組成。反應(yīng)腔(I)內(nèi)材料可由攪拌裝置(2)實(shí)現(xiàn)持續(xù)攪拌，可由翻轉(zhuǎn)臂(4)翻轉(zhuǎn)取出聚合產(chǎn)物。反應(yīng)腔(I)內(nèi)由三個(gè)溫度傳感器進(jìn)行測溫并取平均值，通過絕緣加熱絲(14)的電流改變進(jìn)行反饋控溫。合成過程為將等物質(zhì)的量的反應(yīng)單體的3，3’ - 二氨基聯(lián)苯胺(DAB)與的間苯二甲酸二苯酯(DPIP)加入到反應(yīng)腔(I)中，通過升降電機(jī)(31)封閉上蓋(24)，打開攪拌電機(jī)(21)，使得攪拌桿(23)在反應(yīng)腔⑴內(nèi)以IOOrpm的速度持續(xù)攪拌；設(shè)置控溫程序?yàn)?以5°C / min的速度從室溫升至170~190°C并保溫2h，接著以10°C / min的速度升至260~280°C并保溫3h，然后以10°C/ min的速度升至330~350°C并保溫3h，最后自然降溫。反應(yīng)結(jié)束后，通過升降電機(jī)(31)打開上蓋(24)，扭動(dòng)翻轉(zhuǎn)臂(4)旋轉(zhuǎn)反應(yīng)腔(1)，取出聚合產(chǎn)物。等物質(zhì)的量的反應(yīng)單體選取2mol。
[0008]根據(jù)前述的自動(dòng)反應(yīng)釜制備得到的聚苯并咪唑。
[0009]根據(jù)前述的自動(dòng)反應(yīng)釜制備聚苯并咪唑的方法，其特征在于:將等物質(zhì)的量的反應(yīng)單體的3，3’-二氨基聯(lián)苯胺(DAB)與的間苯二甲酸二苯酯(DPIP)加入到反應(yīng)腔(I)中，通過升降電機(jī)(31)封閉上蓋(24)，打開攪拌電機(jī)(21)，使得攪拌桿(23)在反應(yīng)腔⑴內(nèi)以IOOrpm的速度持續(xù)攪拌；設(shè)置控溫程序?yàn)?以5°C / min的速度從室溫升至170~190°C并保溫2h，接著以10°C / min的速度升至260~280°C并保溫3h，然后以10°C / min的速度升至330~350°C并保溫3h，最后自然降溫。反應(yīng)結(jié)束后，通過升降電機(jī)(31)打開上蓋
(24)，扭動(dòng)翻轉(zhuǎn)臂(4)旋轉(zhuǎn)反應(yīng)腔(I)，取出聚合產(chǎn)物。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1:本發(fā)明所述的熔融聚合法制備PBI的反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)圖；
[0011]圖2:本發(fā)明所述的熔融聚合法制備PBI的反應(yīng)釜X方向剖面圖；
[0012]圖3:本發(fā)明所述的熔融聚合法制備PBI的反應(yīng)釜Y方向剖面圖；
[0013]圖4:本發(fā)明所述的熔融聚合法制備PBI的反應(yīng)釜電學(xué)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖5:【具體實(shí)施方式】所獲得的產(chǎn)物的IH-NMR譜圖。
[0015]如圖1、圖2、圖3所示，各部分名稱為:反應(yīng)腔(I)、攪拌裝置(2)、上蓋支架(3)、翻轉(zhuǎn)臂(4)、電源接口(5)、控制接口 (6)、以及支架(7);溫度傳感器I (11)、溫度傳感器2(12)、溫度傳感器3 (13)、絕緣加熱絲(14)、腔壁填充有絕緣層(15)、攪拌電機(jī)(21)、攪拌臂(22)、攪拌桿(23)、上蓋(24)、升降電機(jī)(31)。
[0016]如圖4所示，其特征在于:總控制模塊(8)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊I (81)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊2 (82)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3 (83)，輸入模塊(84)、電源模塊(85)、電流控制模塊(86)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明所述的熔融聚合法制備PBI的反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)圖如圖1所述，其X方向剖面圖與Y方向剖面圖分別如圖2和圖3所述，其特征在于的反應(yīng)釜由反應(yīng)腔(I)、攪拌裝置(2)、上蓋支架(3)、翻轉(zhuǎn)臂(4)、電源接口(5)、控制接口(6)、以及支架(7)組成。反應(yīng)釜電學(xué)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，其特征在于:總控制模塊(8)連接有三個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(81)、(82)、(83)，并與輸入模塊(84)、電源模塊(85)、以及電流控制模塊(86)相接。
[0018]一般地，反應(yīng)腔(I)提供熔融聚合過程中所需的空間和溫度；攪拌裝置(2)對反應(yīng)腔(I)內(nèi)的合成物進(jìn)行一定速率的攪拌，使得聚合過程均勻統(tǒng)一；上蓋支架(3)可電動(dòng)提升攪拌裝置(2)，以添加聚合所需原材料以及清洗反應(yīng)腔(I);翻轉(zhuǎn)臂(4)可翻轉(zhuǎn)反應(yīng)腔(1)，以取出聚合產(chǎn)物；電源接口(5)外接220VAC電源，用于對系統(tǒng)各個(gè)部分提供工作電壓；控制接口(6)用于對系統(tǒng)的工作溫度進(jìn)行設(shè)置和控制。[0019]進(jìn)一步地，反應(yīng)腔(I)為304不銹鋼材質(zhì)，圓柱等形狀，內(nèi)徑100?500mm，高度200?1000mm，內(nèi)部在垂直方向中間點(diǎn)設(shè)置有溫度傳感器I (11)和溫度傳感器2 (12)，最底部設(shè)置有溫度傳感器3 (13)，夾層包裹有絕緣加熱絲(14)可提供溫室?400°C的加熱溫度，外壁填充有絕緣層(15)起到隔熱作用；攪拌裝置(2)由攪拌電機(jī)(21)、攪拌臂(22)、攪拌桿(23)以及上蓋(24)組成，其中攪拌電機(jī)(21)的轉(zhuǎn)軸連接攪拌臂(22)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌臂(22)與攪拌桿(23)固定連接，使得攪拌電機(jī)(21)可帶動(dòng)不銹鋼攪拌臂(22)及下連的U形不銹鋼攪拌桿(23)實(shí)現(xiàn)20?300rpm的持續(xù)攪拌；上蓋支架(3)由三個(gè)垂直方向的不銹鋼桿組成，中間桿與升降電機(jī)(31)連接，可以實(shí)現(xiàn)攪拌裝置(2)的升降，邊緣兩根桿起固定升降方向的作用；翻轉(zhuǎn)臂(4)中軸與反應(yīng)腔(I)連接，可以通過手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)來翻轉(zhuǎn)反應(yīng)腔(1)，翻轉(zhuǎn)臂(4)的中軸上設(shè)有固定螺絲(41)，當(dāng)固定螺絲(41)擰緊后，可固定反應(yīng)腔(I);電源接口(5)外接220VAC電源，內(nèi)連絕緣加熱絲(14)與電流控制模塊(86);控制接口(6)內(nèi)分別連溫度傳感器(11)、(12)、(13)，外分別接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊I (81)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊2 (82)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3(83);模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊I?3((81)?(83))連接總控制模塊(8)進(jìn)行溫度設(shè)置處理，總控制模塊(8)連接電流控制模塊(86)以調(diào)節(jié)絕緣加熱絲(14)的工作電流；電源模塊(85)為總控制模塊(8)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊I?3 ((81)?(83))、輸入模塊(84)、電流控制模塊(86)提供工作所需電壓；支架(7)支撐整體設(shè)備。
[0020]系統(tǒng)工作原理為:在反應(yīng)腔(I)加PBI的前驅(qū)物，通過升降電機(jī)(31)封閉上蓋
(24)，打開攪拌電機(jī)(21)，使攪拌桿(23)在反應(yīng)腔(I)內(nèi)勻速旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)聚合過程的持續(xù)攪拌；在輸入模塊(84)中設(shè)置控溫程序，總控制模塊(8)根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(81)、(82)、(83)所獲取的溫度傳感器(11)、(12)、(13)值進(jìn)行平均處理，獲得反應(yīng)腔(I)內(nèi)部實(shí)時(shí)溫度值，并基于設(shè)置的控溫程序，下放指令給電流控制模塊(86)從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)絕緣加熱絲
(14)的加熱溫度，使得反應(yīng)腔⑴內(nèi)的聚合溫度與輸入模塊(84)所獲得的指令一致；待到聚合完成，溫度恢復(fù)到常溫，通過升降電機(jī)(31)打開上蓋(24)，扭動(dòng)翻轉(zhuǎn)臂(4)旋轉(zhuǎn)反應(yīng)腔
(I)，取出聚合產(chǎn)物PBI。
[0021]參閱圖1?4，將等物質(zhì)的量的反應(yīng)單體(優(yōu)選2mol)的3，3’-二氨基聯(lián)苯胺(DAB)與(優(yōu)選2mol)的間苯二甲酸二苯酯(DPIP)加入到反應(yīng)腔(I)中，通過升降電機(jī)
(31)封閉上蓋(24)，打開攪拌電機(jī)(21)，使得攪拌桿(23)在反應(yīng)腔(I)內(nèi)以IOOrpm的速度持續(xù)攪拌；設(shè)置控溫程序?yàn)?以5°C / min的速度從室溫升至180°C并保溫2h，接著以IO0C / min的速度升至270°C并保溫3h，然后以10°C / min的速度升至340°C并保溫3h，最后自然降溫。反應(yīng)結(jié)束后，通過升降電機(jī)(31)打開上蓋(24)，扭動(dòng)翻轉(zhuǎn)臂(4)旋轉(zhuǎn)反應(yīng)腔
(I)，取出聚合產(chǎn)物。
[0022]為了確定具體方式所獲得的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，我們對聚合物進(jìn)行了核磁表征，參閱圖5，共有6種化學(xué)位移的氫，其中化學(xué)位移大于13的為PBI聚合物鏈N上的氫，其它化學(xué)位移對應(yīng)于苯環(huán)上相應(yīng)位置的氫。依此分析，這些化學(xué)位移可以歸屬如下:13.26 (Ha), 9.16 (Hb)，
8.30 (He)，8.00 (Hd)，7.80 (He)，7.60 (Hf)。表I給出了這幾種氫的化學(xué)位移及相應(yīng)的積分面積，測試結(jié)果證明該產(chǎn)物為PBI粉料，這說明該反應(yīng)裝置適合于PBI的生產(chǎn)。
[0023]表1:聚苯并咪唑的特征質(zhì)子的化學(xué)位移及其積分面積.[0024]
【權(quán)利要求】
1.一種聚苯并咪唑熔融合成用的自動(dòng)反應(yīng)釜，其特征在于:自動(dòng)反應(yīng)釜由反應(yīng)腔(I)、攪拌裝置(2)、上蓋支架(3)、翻轉(zhuǎn)臂(4)、電源接口(5)、控制接口(6)以及支架(7)組成。
2.如權(quán)利要求1所述的一種聚苯并咪唑熔融合成用的自動(dòng)反應(yīng)釜，其特征在于:反應(yīng)腔(I)內(nèi)材料可由攪拌裝置(2)實(shí)現(xiàn)持續(xù)攪拌，可由翻轉(zhuǎn)臂(4)翻轉(zhuǎn)取出聚合產(chǎn)物。
3.如權(quán)利要求1所述的一種聚苯并咪唑熔融合成用的自動(dòng)反應(yīng)釜，其特征在于:反應(yīng)腔(I)內(nèi)由三個(gè)溫度傳感器進(jìn)行測溫并取平均值，通過絕緣加熱絲(14)的電流改變進(jìn)行反饋控溫。
4.如權(quán)利要求1所述的一種聚苯并咪唑熔融合成用的自動(dòng)反應(yīng)釜，其特征在于:合成過程為將等物質(zhì)的量的反應(yīng)單體的3，3’ - 二氨基聯(lián)苯胺(DAB)與的間苯二甲酸二苯酯(DPIP)加入到反應(yīng)腔(I)中，通過升降電機(jī)(31)封閉上蓋(24)，打開攪拌電機(jī)(21)，使得攪拌桿(23)在反應(yīng)腔(I)內(nèi)以20?300rpm的速度持續(xù)攪拌；設(shè)置控溫程序?yàn)?以5°C /min的速度從室溫升至170?190°C并保溫2h，接著以10°C / min的速度升至260?280°C并保溫3h，然后以10°C / min的速度升至330?350°C并保溫3h，最后自然降溫。反應(yīng)結(jié)束后，通過升降電機(jī)(31)打開上蓋(24)，扭動(dòng)翻轉(zhuǎn)臂(4)旋轉(zhuǎn)反應(yīng)腔(I)，取出聚合產(chǎn)物。
5.如權(quán)利要求4所述的一種聚苯并咪唑熔融合成用的自動(dòng)反應(yīng)釜，其特征在于:等物質(zhì)的量的反應(yīng)單體選取2mol。
6.一種利用權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的自動(dòng)反應(yīng)釜制備得到的聚苯并咪唑。
7.一種利用權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的自動(dòng)反應(yīng)釜制備聚苯并咪唑的方法，其特征在于:將等物質(zhì)的量的反應(yīng)單體的3，3’-二氨基聯(lián)苯胺(DAB)與的間苯二甲酸二苯酯(DPIP)加入到反應(yīng)腔(I)中，通過升降電機(jī)(31)封閉上蓋(24)，打開攪拌電機(jī)(21)，使得攪拌桿(23)在反應(yīng)腔⑴內(nèi)以IOOrpm的速度持續(xù)攪拌；設(shè)置控溫程序?yàn)?以5°C/ min的速度從室溫升至180°C并保溫2h，接著以10°C / min的速度升至270°C并保溫3h，然后以10°C /min的速度升至340°C并保溫3h，最后自然降溫。反應(yīng)結(jié)束后，通過升降電機(jī)(31)打開上蓋(24)，扭動(dòng)翻轉(zhuǎn)臂(4)旋轉(zhuǎn)反應(yīng)腔(I)，取出聚合產(chǎn)物。
【文檔編號】B01J19/18GK103769031SQ201410061212
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】漆奇, 瞿翔宇 申請人:北京中聚科技有限公司