本发明涉及聚酰胺聚合技术领域，具体涉及一种半芳族聚酰胺的熔融聚合方法及装置。
背景技术：
聚酰胺是指主链含有酰胺键(-conh-)的一类聚合物，由于酰胺键的存在，聚酰胺分子链间存在氢键作用，氢键的存在促进了聚酰胺的结晶，同时增强了分子链间的相互作用。从而使聚酰胺树脂具有良好的力学性能、耐磨性能、耐化性等，因而聚酰胺树脂常以管材、型材、制件、薄膜或纤维等形式应用于多种领域，例如汽车、电子电器、建筑建材、照明、航空航天领域等。
为进一步提高聚酰胺树脂的使用温度，往往将芳香环结构引入到聚酰胺主链中，从而提高聚酰胺树脂的熔点和玻璃化转变温度。含芳环结构的聚酰胺树脂按芳香结构的含量可分为全芳族聚酰胺和半芳族聚酰胺，全芳族聚酰胺树脂由于熔点高于分解温度，一般应用于纤维领域；半芳族聚酰胺树脂由于具有较低的熔点，可采用注塑、挤出成型工艺成型，因而应用广泛。
半芳族聚酰胺具有较高的熔点(通常大于300℃)，因此半芳族聚酰胺一般无法通过类似pa66或pa6的聚合工艺来合成。传统的半芳族聚酰胺一般先采用溶液成盐缩聚工艺，在高温高压条件下预聚，通过水的逐步排除，促使聚合反应向高分子量方向进行。待聚合度达到一定程度后获得预聚物，预聚物通过进一步的固相聚合或熔融聚合得到高分子量的半芳族聚酰胺树脂。依据后缩聚的实施方式不同，一般将半芳族聚酰胺的合成工艺分为固相聚合工艺和熔融缩聚工艺(半芳香尼龙合成工艺研究进展，王佩刚等，[j]合成技术及应用，2006，vol.21，p29)。
熔融缩聚工艺过程即使半芳族聚酰胺在熔融状态下，完成树脂分子量的增长。常见的实施方法为采用带有抽气装置的双螺杆设备完成树脂的熔融排气挤出，如专利cn1127266所述。熔融聚合具有反应时间短，分子量分布均一的优点。然而，采用熔融聚合釜或挤出机进行熔融聚合时，由于物料处于堆积状态，不利于小分子副产物的排出，导致聚酰胺分子链聚合平衡反应受限，因此只能通过延长聚合时间来促使聚合反应充分。然而，由于半芳族聚酰胺熔融温度较高，半芳族聚酰胺在高温下停留时间过长会导致尼龙树脂的降解交联，产生凝胶颗粒甚至直接失去熔融加工性，导致半芳族聚酰胺树脂的性能恶化。此外，当采用聚合釜进行半芳族聚酰胺的熔融聚合时，由于高黏性聚酰胺物料排料困难，很难保证物料的彻底排净，堆积的半芳族聚酰胺由于长时间处于加热环境中，导致聚合釜内壁及搅拌桨上残留的聚酰胺物料碳化和降解，为反应设备的清洁带来了困难。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种半芳族聚酰胺的熔融聚合方法，避免了树脂与反应容器的直接接触，从而避免了反应容器的污染，降低了设备的清洁使用成本，同时通过加快缩聚反应速率，改善了半芳族聚酰胺的性能；本发明还提供其装置。
本发明所述的半芳族聚酰胺的熔融聚合方法，步骤如下：
(1)半芳族聚酰胺固体物料从固体物料存储装置经固体传送装置输送至反应器顶部，经进料口进料至反应器内部；
(2)半芳族聚酰胺固体物料进入熔融聚合段，在内部循环气体加热和/或外部加热夹套加热下，进入熔融状态并在重力作用下从反应器顶部向下运动，在重力和气流双重作用下，半芳族聚酰胺熔体液滴在下降过程完成熔融反应；
(3)熔融状态的半芳族聚酰胺熔体液滴进入熔体冷却段，在内部循环气体冷却和/或外部冷却夹套作用下，半芳族聚酰胺熔体液滴从熔融态冷却凝固为固体颗粒；
(4)冷却后的半芳族聚酰胺固体颗粒由反应器底部锥形产品收集器收集，收集好的半芳族聚酰胺固体颗粒进入下部产品存储容器。
步骤(1)中，半芳族聚酰胺固体物料为粉状或颗粒状，可以通过半芳族聚酰胺预聚合-闪蒸干燥或半芳族聚酰胺预聚物粉碎得到。
半芳族聚酰胺固体物料的颗粒尺寸为0.001-20mm，优选0.1-3mm。
半芳族聚酰胺固体物料为低分子量预聚物，特性粘度为0.01-0.5dl/g，优选0.1-0.5dl/g。
半芳族聚酰胺选自pa6t、pa9t、pa10t、pa11t、pa12t、pa13t、pa14t、pa6t/66、pa6t/6、pa6t/10、pa6t/11、pa6t/12、pa6t/13、pa6t/14、pa6t/610、pa6t/611、pa6t/612、pa6t/613、pa6t/614、pa6t/46、pa6t/410、pa6t/411、pa6t/412、pa6t/413、pa6t/414、pa6t/6i、pa6t/6i/66、pa6t/6i/6、pa6t/6i/610、pa6t/6i/612、pa6t/6i/614、pa6t/6i/10、pa6t/6i/12、pa6t/6i/13中的一种或多种。
半芳族聚酰胺固体物料通过固体物料存储装置和/或固体输送装置加热，预热至10-150℃，同时低于半芳族聚酰胺熔融温度；优选预热至30-50℃，同时低于半芳族聚酰胺熔融温度。
步骤(2)中，半芳族聚酰胺固体的熔融加热通过外部加热夹套和/或内部循环气体加热。
其中，外部加热夹套通过导热介质完成加热，导热介质优选高温导热油，如联苯、二苯醚、二苯砜、硅油中的一种或多种混合。
循环气体系统由熔融聚合段气体循环风机和熔融聚合段气体加热装置构成，气体加热装置可以采用列管式换热器、循环管换热器、平行板换热器、蒸发管换热器，优选列管式换热器。
循环气体为氮气、氩气、氢气、过热蒸汽、二氧化碳中的一种或多种，优选氮气或过热蒸汽。
循环气体经加热装置加热至250-400℃，优选280-360℃。
循环气体流速0.1-10000l/min，优选10-1000l/min。
通过外部加热夹套和/或内部循环气体加热保持熔融聚合段温度为250-400℃，优选300-360℃。
通过调节熔融聚合段的长度及控制循环气体流速，使半芳族聚酰胺在熔融聚合段的停留时间控制在0.001-100s，优选0.1-60s。
可通过改变循环气流方向或转换进出气口实现循环气体的气流方向改变，从而改变反应器熔融聚合段内的气流方向。
循环气体进出气口用于实现进出气体的均匀分布，通过进出气口可实现循环气体在熔融聚合段内部气体呈直线或螺旋运动。
步骤(3)中，半芳族聚酰胺熔体的冷却通过外部冷却夹套和/或内部循环气体冷却。
其中，外部冷却夹套通过冷却介质完成冷却，冷却介质优选水、乙二醇、乙醇、丙醇、丁二醇、甘油、冷冻液中一种或多种混合。
循环气体系统由熔体冷却段气体循环风机和熔体冷却段气体加热装置构成，气体冷却装置可以采用列管式换热器、循环管换热器、平行板换热器、蒸发管换热器，优选列管式换热器。
循环气体为氮气、氩气、氢气、空气、二氧化碳中的一种或多种，优选氮气。
循环气体经冷却装置冷却至-50-200℃，优选-20-50℃。
循环气体流速0.1-10000l/min，优选10-1000l/min。
通过外部冷却夹套和/或内部循环气体冷却保持熔体冷却段温度为0-200℃，优选0-100℃。
通过调节熔体冷却段的长度及控制循环气体流速，使半芳族聚酰胺在熔体冷却段的停留时间控制在0.001-100s，优选1-60s。
可通过改变循环气流方向或转换进出气口实现循环气体的气流方向改变，从而改变反应器熔体冷却段内的气流方向。
循环气体进出气口用于实现进出气体的均匀分布，通过进出气口可实现循环气体在熔体冷却段内部气体呈直线或螺旋运动。
步骤(4)中，半芳族聚酰胺固体颗粒经锥形产品收集器收集后排出反应器。
本发明所述的半芳族聚酰胺的熔融聚合方法所用的装置，包括依次相连的固体物料存储装置(1)、固体物料输送装置(2)、反应器和产品存储容器(19)；反应器包括从上到下设置的进料口(3)、带有夹套的熔融聚合段(16)、带有夹套的熔体冷却段(17)、产品收集器(18)；所述熔融聚合段(16)设置有加热循环气体进气口(9)和加热循环气体出气口(8)，其夹套设置有导热介质进口(13)和导热介质出口(12)；所述熔体冷却段(17)设置有冷却循环气体进气口(11)和冷却循环气体出气口(10)，其夹套设置有冷却介质进口(15)和冷却介质出口(14)。
熔融聚合段(16)的加热循环气体进气口(9)和加热循环气体出气口(8)之间形成循环通路，循环通路上设置有熔融聚合段气体循环风机(4)和熔融聚合段气体加热装置(5)，循环通路上还连接气体调节管路(21)，气体调节管路(21)上设置有气体调节阀(20)。
熔体冷却段(17)的冷却循环气体进气口(11)和冷却循环气体出气口(10)之间形成循环通路，循环通路上设置有熔体冷却段气体循环风机(6)和熔体冷却段气体冷却装置(7)。
固体物料输送装置(2)可以是螺杆输送、螺带输送、气体辅助输送、真空输送装置。
进料口(3)处，通过气体辅助、分流板、机械振动形式完成物料的均匀加料。
产品收集器(18)外部可装有冷却夹套，完成物料的进一步冷却。
产品收集器(18)外部可装有空气锤、电动锤，促使物料方便收集。
半芳族聚酰胺与全脂肪族聚酰胺相比，具有更高的熔融温度和更高的高温力学特性保持率，因此能应用于更高的高温环境。由于更高的熔融温度，在制备半芳族聚酰胺过程中，一般不能采用常规的预聚-熔融聚合工艺。在半芳族聚酰胺聚合过程中，随水分的排出，预聚物有从聚合体系析出的风险，为防止该现象的发生，可将预聚物排出或终止反应。此时获得的预聚物分子量较低，无法满足使用要求，因此往往需要进一步进行熔融聚合或固相聚合来提高分子量。固相聚合在较低的温度下进行，物料处于固体状态，因此聚合时间长，能耗高。而熔融聚合过程中，由于半芳族聚酰胺在熔融状态下停留时间有限，因此聚合设备表面的半芳族聚酰胺残料由于长时间加热而降解交联、碳化，导致设备需要定时停车清理，此外凝胶或碳化后的残料会导致聚合物熔体过滤设备的堵塞和失效。
聚合时间的缩短对半芳族聚酰胺的性能改善非常有利，过长的熔融聚合时间，不可避免的使半芳族聚酰胺发生高温降解反应，从而使树脂性能恶化。
本发明将半芳族聚酰胺粉状树脂在惰性气体氛围中进行熔融聚合，不仅避免了树脂与反应容器的直接接触，避免了反应容器的污染，降低了设备的清洁使用成本；而且将粉状物料在惰性气体氛围中熔融聚合，增大了树脂在聚合过程的比表面积，加速了聚合过程中的换热及小分子副产物的溢出，从而加快了缩聚反应速率，聚合时间缩短，从而极大改善了半芳族聚酰胺的性能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的半芳族聚酰胺的熔融聚合方法，将半芳族聚酰胺粉状树脂在惰性气体氛围中进行熔融聚合，避免了树脂与反应容器的直接接触，从而避免了反应容器的污染，降低了设备的清洁使用成本；
(2)本发明通过将粉状物料在惰性气体氛围中熔融聚合，增大了树脂在聚合过程的比表面积，加速了聚合过程中的换热及小分子副产物的溢出，从而加快了缩聚反应速率，聚合时间缩短，从而极大改善了半芳族聚酰胺的性能。
附图说明
图1为本发明半芳族聚酰胺熔融聚合的反应装置结构示意图；
图中：1、固体物料存储装置；2、固体物料输送装置；3、进料口；4、熔融聚合段气体循环风机；5、熔融聚合段气体加热装置；6、熔体冷却段气体循环风机；7、熔体冷却段气体冷却装置；8、加热循环气体出气口；9、加热循环气体进气口；10、冷却循环气体出气口；11、冷却循环气体进气口；12、导热介质出口；13、导热介质进口；14、冷却介质出口；15、冷却介质进口；16、熔融聚合段；17、熔体冷却段；18、产品收集器；19、产品存储容器；20、气体调节阀；21、气体调节管路。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
本发明中固相聚合、固相反应、固相缩聚意义相同，均指在固相状态下发生缩聚反应。本发明中上下文中出现的一些缩写为本领域中常用，用pa表聚酰胺或尼龙，pan或pax/y中n表示氨基羧酸单体中碳原子数目，x表示二胺单体中碳原子数目，y表示二酸单体中碳原子数目。缩写字母t表示为对苯二甲酸，缩写字母i表示为间苯二甲酸单体，例如pa6t/66为己二胺、对苯二甲酸和己二酸共聚聚酰胺。
本发明中上下文所述预聚物、齐聚物、聚酰胺预聚物均指具有一定分子量的低分子量聚酰胺聚合物。
实施例1-2中半芳族聚酰胺熔融聚合的反应装置如图1所示，包括依次相连的固体物料存储装置1、固体物料输送装置2、反应器和产品存储容器19；反应器包括从上到下设置的进料口3、带有夹套的熔融聚合段16、带有夹套的熔体冷却段17、产品收集器18；所述熔融聚合段16设置有加热循环气体进气口9和加热循环气体出气口8，其夹套设置有导热介质进口13和导热介质出口12；所述熔体冷却段17设置有冷却循环气体进气口11和冷却循环气体出气口10，其夹套设置有冷却介质进口15和冷却介质出口14。熔融聚合段16的加热循环气体进气口9和加热循环气体出气口8之间形成循环通路，循环通路上设置有熔融聚合段气体循环风机4和熔融聚合段气体加热装置5，循环通路上还连接气体调节管路21，气体调节管路21上设置有气体调节阀20。熔体冷却段17的冷却循环气体进气口11和冷却循环气体出气口10之间形成循环通路，循环通路上设置有熔体冷却段气体循环风机6和熔体冷却段气体冷却装置7。
其中，反应器为高度6.5m、内部直径750mm圆柱形反应器，采用不锈钢材质，熔融聚合段16和熔体冷却段17外部均装有壳管式换热夹套，熔融聚合段16采用联苯导热油导热，熔体冷却段17采用冷却液为冷却介质。加热循环气体和冷却循环气体均为氮气，气体循环通路及反应器内充满氮气，防止外界空气进入反应器内部，并将反应体系内设为微正压状态。熔融聚合段16通过外部加热夹套和内部循环气体加热，将熔融聚合段16升温至350℃维持恒定，上下温差波动控制在±2℃。熔体冷却段17通过外部冷却夹套和内部循环气体冷却，将熔体冷却段17温度维持在50℃，上下温差波动控制在±5℃。
实施例1
(1)将pa6t/6i/66＝65:25:10固体粉末(特性粘度0.18dl/g，平均粒径1-2mm)以50g/min从固体物料存储装置经固体传送装置输送至反应器顶部，经进料口进料至反应器内部；
(2)半芳族聚酰胺固体粉末进入熔融聚合段，调节熔融聚合段循环气流速度120l/min，温度350±2℃，固体粉末进入熔融状态并在重力作用下从反应器顶部向下运动，在下降过程完成熔融反应；
(3)熔融状态的半芳族聚酰胺熔体液滴进入熔体冷却段，调节熔体冷却段循环气流速度250l/min，温度50±5℃，熔体液滴从熔融态冷却凝固为固体颗粒；
(4)物料在反应器中平均停留时间为8.5s，将冷却后的半芳族聚酰胺固体颗粒由反应器底部锥形产品收集器收集，收集好的半芳族聚酰胺固体颗粒进入下部产品存储容器。
实施例2
(1)将pa6t/6i/66＝60:15:25固体粉末(特性粘度0.15dl/g，平均粒径1-2mm)以50g/min从固体物料存储装置经固体传送装置输送至反应器顶部，经进料口进料至反应器内部；
(2)半芳族聚酰胺固体粉末进入熔融聚合段，调节熔融聚合段循环气流速度120l/min，温度350±2℃，固体粉末进入熔融状态并在重力作用下从反应器顶部向下运动，在下降过程完成熔融反应；
(3)熔融状态的半芳族聚酰胺熔体液滴进入熔体冷却段，调节熔体冷却段循环气流速度250l/min，温度50±5℃，熔体液滴从熔融态冷却凝固为固体颗粒；
(4)物料在反应器中平均停留时间为8.5s，将冷却后的半芳族聚酰胺固体颗粒由反应器底部锥形产品收集器收集，收集好的半芳族聚酰胺固体颗粒进入下部产品存储容器。
对比例1
将pa6t/6i/66＝65:25:10固体粉末(特性粘度0.18dl/g，与实施例1相同)采用科倍隆zsk-35挤出机进行熔融挤出增粘，挤出机挤出速率25kg/h，挤出机转速300rpm。挤出机有10个温度区，相应设定温度依次为30℃/40℃/100℃/300℃/330℃/350℃/350℃/350℃/340℃/330℃，其中第九段为真空脱气段。树脂在挤出机中停留时间1min。样品经挤出机挤出后经机头成型、冷却水冷却、切粒机切粒得到半芳族聚酰胺固体颗粒。
对比例2
采用与实施例2相同的半芳族聚酰胺预聚物固体粉末进行螺杆挤出增粘，挤出增粘操作过程及工艺条件与对比例1相同。
对本法明实施例1-2和对比例1-2制备的产品进行性能检测，检测方法如下：
(1)玻璃化转变温度(tg)、熔融温度(tm)和结晶温度(tc)通过差式扫描量热法(dsc)测定。
dsc测试中，加热和冷却速率均为10℃/min，测试过程中吹扫气和保护气均为氮气，吹扫气速率为20ml/min。熔融温度(tm)选自二次升温曲线中熔融峰的峰值温度，玻璃化转变温度(tg)选自dsc二次升温曲线中玻璃化转变的中点温度。
(2)端氨基含量([nh2])和端羧基含量([cooh])通过端基滴定测定。
端氨基滴定时，在加热条件下将聚酰胺溶解在苯酚和甲醇的混合溶剂中(苯酚甲醇质量比3:1)，将合适的指示剂(如，苄橙与亚甲蓝的甲醇溶液)与冷却的聚酰胺溶液混合，并用在乙二醇中的高氯酸甲醇溶液滴定至该溶液直至发生颜色发生变化，氨基端基的浓度由高氯酸的消耗量计算而得。
端羧基滴定时，在加热条件下将聚酰胺样品溶于苯甲醇中，加入冷凝器并将体系用氮气惰化，随后趁热加入指示剂甲酚红，然后立即用氢氧化钾醇溶液(氢氧化钾溶于甲醇、丙醇和乙醇的混合溶液)滴定，直至溶液颜色发生变化，通过氢氧化钾消耗量计算聚酰胺中端羧基含量。
(3)特性粘度采用乌氏粘度计测得。
在浓硫酸中，通过粘数公式求出30℃下，0.05g/dl、0.1g/dl、0.2g/dl、0.4g/dl浓度的试样比浓对数粘度(ηinh)，将其外推至浓度0，将所得值作为特性粘度[η]。
表1实施例1-2和对比例1的测试结果
1.一种半芳族聚酰胺的熔融聚合方法，其特征在于：步骤如下：
(1)半芳族聚酰胺固体物料从固体物料存储装置经固体传送装置输送至反应器顶部，经进料口进料至反应器内部；
(2)半芳族聚酰胺固体物料进入熔融聚合段，在内部循环气体加热和/或外部加热夹套加热下，进入熔融状态并在重力作用下从反应器顶部向下运动，在重力和气流双重作用下，半芳族聚酰胺熔体液滴在下降过程完成熔融反应；
(3)熔融状态的半芳族聚酰胺熔体液滴进入熔体冷却段，在内部循环气体冷却和/或外部冷却夹套作用下，半芳族聚酰胺熔体液滴从熔融态冷却凝固为固体颗粒；
(4)冷却后的半芳族聚酰胺固体颗粒由反应器底部锥形产品收集器收集，收集好的半芳族聚酰胺固体颗粒进入下部产品存储容器。
2.根据权利要求1所述的半芳族聚酰胺的熔融聚合方法，其特征在于：步骤(1)中，半芳族聚酰胺固体物料的颗粒尺寸为0.001-20mm，特性粘度为0.01-0.5dl/g。
3.根据权利要求1所述的半芳族聚酰胺的熔融聚合方法，其特征在于：步骤(1)中，半芳族聚酰胺固体物料通过固体物料存储装置和/或固体输送装置加热，预热至10-150℃，同时低于半芳族聚酰胺熔融温度。
4.根据权利要求1所述的半芳族聚酰胺的熔融聚合方法，其特征在于：步骤(1)中，半芳族聚酰胺选自pa6t、pa9t、pa10t、pa11t、pa12t、pa13t、pa14t、pa6t/66、pa6t/6、pa6t/10、pa6t/11、pa6t/12、pa6t/13、pa6t/14、pa6t/610、pa6t/611、pa6t/612、pa6t/613、pa6t/614、pa6t/46、pa6t/410、pa6t/411、pa6t/412、pa6t/413、pa6t/414、pa6t/6i、pa6t/6i/66、pa6t/6i/6、pa6t/6i/610、pa6t/6i/612、pa6t/6i/614、pa6t/6i/10、pa6t/6i/12、pa6t/6i/13中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的半芳族聚酰胺的熔融聚合方法，其特征在于：步骤(2)中，熔融聚合段温度为250-400℃，半芳族聚酰胺在熔融聚合段的停留时间为0.001-100s。
6.根据权利要求1所述的半芳族聚酰胺的熔融聚合方法，其特征在于：步骤(2)中，循环气体为氮气、氩气、氢气、过热蒸汽、二氧化碳中的一种或多种；循环气体经加热装置加热至250-400℃，循环气体流速0.1-10000l/min。
7.根据权利要求1所述的半芳族聚酰胺的熔融聚合方法，其特征在于：步骤(3)中，熔体冷却段温度为0-200℃，半芳族聚酰胺在熔体冷却段的停留时间为0.001-100s。
8.根据权利要求1所述的半芳族聚酰胺的熔融聚合方法，其特征在于：步骤(3)中，循环气体为氮气、氩气、氢气、空气、二氧化碳中的一种或多种；循环气体经冷却装置冷却至-50-200℃，循环气体流速0.1-10000l/min。
9.一种权利要求1-8任一项所述的半芳族聚酰胺的熔融聚合方法所用的装置，其特征在于：包括依次相连的固体物料存储装置(1)、固体物料输送装置(2)、反应器和产品存储容器(19)；反应器包括从上到下设置的进料口(3)、带有夹套的熔融聚合段(16)、带有夹套的熔体冷却段(17)、产品收集器(18)；所述熔融聚合段(16)设置有加热循环气体进气口(9)和加热循环气体出气口(8)，其夹套设置有导热介质进口(13)和导热介质出口(12)；所述熔体冷却段(17)设置有冷却循环气体进气口(11)和冷却循环气体出气口(10)，其夹套设置有冷却介质进口(15)和冷却介质出口(14)。
10.根据权利要求9所述的半芳族聚酰胺的熔融聚合方法所用的装置，其特征在于：熔融聚合段(16)的加热循环气体进气口(9)和加热循环气体出气口(8)之间形成循环通路，循环通路上设置有熔融聚合段气体循环风机(4)和熔融聚合段气体加热装置(5)，循环通路上还连接气体调节管路(21)，气体调节管路(21)上设置有气体调节阀(20)；
熔体冷却段(17)的冷却循环气体进气口(11)和冷却循环气体出气口(10)之间形成循环通路，循环通路上设置有熔体冷却段气体循环风机(6)和熔体冷却段气体冷却装置(7)。
技术总结