聚四氟乙烯懸浮樹(shù)脂流化床干燥中影響因素

張 鵬，錢(qián)慶東，田仁平，路 迪，張高明，蔡理靜

（浙江巨化股份有限公司氟聚合物事業(yè)部，浙江 衢州 324004）

根據(jù)使用性質(zhì)進(jìn)行劃分，聚四氟乙烯（PTFE）樹(shù)脂主要有懸浮樹(shù)脂、分散樹(shù)脂以及分散乳液。從強(qiáng)酸強(qiáng)堿環(huán)境中使用的墊片、襯里，到超純電子化學(xué)品范疇的晶圓處理工具、控制閥門(mén)，再到5G建設(shè)中核心基材的重要組件材料，都充分體現(xiàn)了PTFE懸浮樹(shù)脂優(yōu)異的使用性能。隨著社會(huì)文明進(jìn)程的逐步深化，PTFE懸浮樹(shù)脂的全球年產(chǎn)量已超過(guò)100 kt，加強(qiáng)對(duì)PTFE懸浮樹(shù)脂產(chǎn)品質(zhì)量的管控與優(yōu)化，對(duì)PTFE樹(shù)脂的多極發(fā)展具有重要影響。

在PTFE懸浮樹(shù)脂的生產(chǎn)過(guò)程中，干燥作為生產(chǎn)流程的最后階段，直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。PTFE懸浮樹(shù)脂的干燥方式較多，主要有振動(dòng)干燥、噴霧干燥、輻照干燥、真空干燥以及氣流干燥等[1-3]。其中，烘箱干燥、氣流干燥等干燥方式已在PTFE懸浮樹(shù)脂工業(yè)化生產(chǎn)方面得到了廣泛的應(yīng)用與研究[4-5]。流化床干燥屬于氣固接觸干燥，而且固體顆粒的無(wú)序運(yùn)動(dòng)增加了顆粒的碰撞概率，這種擾動(dòng)作用進(jìn)一步提高了傳熱與傳質(zhì)的效果[6]。目前，以流化床的形式對(duì)PTFE懸浮樹(shù)脂進(jìn)行干燥的生產(chǎn)應(yīng)用較少，也缺乏相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)PTFE懸浮樹(shù)脂在流化床干燥中的影響因素進(jìn)行分析，為PTFE懸浮樹(shù)脂的干燥選型提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 工藝流程

為了更清晰地了解PTFE懸浮樹(shù)脂在流化床干燥過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)以透明的塑料管模擬工業(yè)化生產(chǎn)中的流化設(shè)備。PTFE懸浮樹(shù)脂流化床干燥實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 PTFE流化床干燥流程Fig 1 Schematic diagram of PTFE drying process in fluidized bed

PTFE懸浮樹(shù)脂選取經(jīng)離心機(jī)離心后的同一批次物料，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.02%，平均粒徑在577μm左右。壓縮空氣由外廠送至，露點(diǎn)-70℃，溫度10℃。實(shí)驗(yàn)設(shè)備（流化設(shè)備）為長(zhǎng)度9 m的耐高溫塑料管，公稱(chēng)直徑100 mm，塑料管的頂端連接足夠長(zhǎng)的透明放空管。在距塑料管底部1 m左右的位置設(shè)置加料口，分別在距塑料管底部2、5、8 m左右的位置分別設(shè)置上部、中部、下部取樣口，取樣口在同一垂線上，加料口與取樣口的結(jié)構(gòu)形式對(duì)于物料干燥的影響忽略不計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了便于實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展以及結(jié)果的分析，實(shí)驗(yàn)中保證流化設(shè)備（流化塑料管）中的物料處于散式流化態(tài)，不出現(xiàn)氣泡所導(dǎo)致的氣栓對(duì)于實(shí)驗(yàn)的影響，而且實(shí)驗(yàn)中流化床層的上端不超過(guò)流化塑料管頂端，所有實(shí)驗(yàn)均以床層快速形成及其上端接近流化塑料管的頂端為實(shí)驗(yàn)判定一致的依據(jù)，同時(shí)每次實(shí)驗(yàn)所需的PTFE樹(shù)脂一次性加入。

將壓縮空氣通過(guò)管道經(jīng)換熱器、分布板后引入流化設(shè)備，待管道上壓縮空氣流量計(jì)顯示穩(wěn)定后，打開(kāi)流化塑料管側(cè)面的加料口，將定量的PTFE樹(shù)脂加入，關(guān)閉加入口，物料在流化塑料管內(nèi)形成穩(wěn)定的床層，空氣向上由放空管排空。一段時(shí)間后打開(kāi)上部、中部、下部的取樣口進(jìn)行取樣分析。以壓縮空氣的流量、溫度及物料懸停的時(shí)間為變量，探討流化床干燥過(guò)程中各因素間的內(nèi)在聯(lián)系。

1.3 性能測(cè)試

將在各實(shí)驗(yàn)條件下得到的PTFE懸浮樹(shù)脂通過(guò)稱(chēng)量法獲取其含水量的信息，應(yīng)用激光粒度分析儀（Malvern Instruments Mastersizer 3000）對(duì)樹(shù)脂的粒徑進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 流化區(qū)域的影響

當(dāng)壓縮空氣的體積流量為40 m3/h時(shí)，加入一定量樹(shù)脂后，流化塑料管內(nèi)快速形成穩(wěn)定的流化床層，經(jīng)過(guò)60 s后進(jìn)行取樣，結(jié)果如表1所示。

表1 流化床層不同區(qū)域的取樣結(jié)果Tab 1 Sampling results in different areas of the fluidized bed

由表1可知，在穩(wěn)態(tài)的PTFE懸浮樹(shù)脂流化床層中，由下至上，樹(shù)脂含水量逐漸降低、粒徑逐漸變小。相較于初始含水量，PTFE樹(shù)脂的含水量在短時(shí)間內(nèi)大幅降低。原因是在流化床干燥的前期，粒徑較小的樹(shù)脂在氣流夾裹下無(wú)規(guī)律擾動(dòng)而進(jìn)行了充分的雙向接觸，樹(shù)脂表面的水分快速揮發(fā)，而含水量的減少，樹(shù)脂本身的質(zhì)量加上樹(shù)脂內(nèi)部殘余水分的質(zhì)量在流化塑料管的上部等于壓縮空氣帶來(lái)的壓降。這樣，粒徑較小的樹(shù)脂在短時(shí)間內(nèi)快速到達(dá)流化塑料管的上部，并且樹(shù)脂的含水量有明顯的降低。而粒徑較大的樹(shù)脂質(zhì)量較大，樹(shù)脂內(nèi)部含水量相對(duì)較多，在同樣的壓降條件下，這部分樹(shù)脂在短時(shí)間內(nèi)都集中在流化塑料管的下部。而流化塑料管中部的樹(shù)脂狀況則處于兩者之間，在整個(gè)PTFE懸浮樹(shù)脂的流化床層內(nèi)，樹(shù)脂的含水量及粒徑大小遵循客觀規(guī)律。

在流化床干燥實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，流化床層下部的樹(shù)脂集中區(qū)域逐漸向中部移動(dòng)，而流化床層上部的樹(shù)脂有著明顯的返混現(xiàn)象，從整個(gè)實(shí)驗(yàn)的角度考慮，后續(xù)實(shí)驗(yàn)通過(guò)在流化塑料管的中部進(jìn)行取樣來(lái)分析其它因素的影響，以此來(lái)提高實(shí)驗(yàn)的代表性。

2.2 壓縮空氣流量的影響

在以流化床層的上端接近流化塑料管頂端為判斷一致的標(biāo)準(zhǔn)下，通過(guò)固定壓縮空氣的流量，調(diào)節(jié)匹配PTFE懸浮樹(shù)脂的加入量，從而探討壓縮空氣的流量對(duì)于流化床干燥的影響。分別以體積流量30、40、50 m3/h的壓縮空氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在加入一定量樹(shù)脂后，流化塑料管內(nèi)快速形成穩(wěn)定的流化床層，經(jīng)過(guò)60 s后進(jìn)行取樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 壓縮空氣流量的影響Tab.2 Influence of compressed air flow

由表2可知，隨著流量的增加，處于PTFE懸浮樹(shù)脂流化床層中部的樹(shù)脂含水量逐漸降低，粒徑逐漸變小，這與流化床干燥的客觀規(guī)律相符合。在實(shí)驗(yàn)中還觀測(cè)到，壓縮空氣體積流量為30 m3/h時(shí)，流化床層中樹(shù)脂集中區(qū)域在中部與下部之間，上部樹(shù)脂較少，這表明雖然樹(shù)脂加入量隨著壓縮空氣的流量降低而減少，但壓縮空氣流量的降低在一定程度上弱化了干燥效果，壓縮空氣的流量對(duì)于流化床干燥的影響更為直接。而當(dāng)壓縮空氣體積流量為40 m3/h或50 m3/h時(shí)，流化床層中樹(shù)脂集中區(qū)域靠近中部，干燥效果明顯。

2.3 干燥時(shí)間的影響

從整個(gè)流化床干燥實(shí)驗(yàn)來(lái)看，流化床干燥前期的效果明顯，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，樹(shù)脂含水量下降的速度逐漸變緩。而在干燥的后期，流化床干燥的缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)，在干燥時(shí)間呈幾何倍增長(zhǎng)的條件下，才能達(dá)到PTFE懸浮樹(shù)脂產(chǎn)品水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.04%的要求[7]。恒定壓縮空氣的體積流量為40 m3/h，加入一定量樹(shù)脂后，流化塑料管內(nèi)快速形成穩(wěn)定的流化床層，經(jīng)過(guò)60 s、1 h、12 h后分別進(jìn)行取樣，結(jié)果如表3所示。

表3 干燥時(shí)間的影響Tab 3 The effect of drying time

由表3可知，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，樹(shù)脂的含水量降低，粒徑先變小、后變大。干燥前期效果明顯，含水量急劇下降，但隨著樹(shù)脂表面的水分被帶走，樹(shù)脂內(nèi)部的水分無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)滲透至表面，造成大量空氣未經(jīng)充分利用即被排空，浪費(fèi)嚴(yán)重。在干燥一定時(shí)間后，流化床層內(nèi)返混區(qū)域逐漸增加，出現(xiàn)了一部分較小的顆粒。而且隨著時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，粒徑較大的樹(shù)脂進(jìn)入流化塑料管的中部，而且流化床層返混區(qū)域的面積擴(kuò)大，顆粒間的碰撞、團(tuán)聚幾率增加，也導(dǎo)致一部分樹(shù)脂的粒徑變大。

2.4 干燥溫度的影響

通過(guò)換熱器對(duì)壓縮空氣進(jìn)行加熱，然后送入流化塑料管對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行干燥。恒定壓縮空氣的體積流量為40 m3/h，壓縮空氣加熱后溫度為60℃，加入一定量樹(shù)脂后，流化塑料管內(nèi)快速形成穩(wěn)定的流化床層，經(jīng)過(guò)15 min后進(jìn)行取樣，對(duì)比壓縮空氣未加熱與加熱后的干燥結(jié)果，如圖2所示。

圖2 干燥溫度對(duì)粒徑的影響Fig 2 The effect of drying temperature

由圖2可知，壓縮空氣溫度的提高，大大縮減了PTFE懸浮樹(shù)脂的干燥時(shí)間，但樹(shù)脂的平均粒徑變大。提高壓縮空氣的溫度，不僅加快了樹(shù)脂表面水分揮發(fā)的速度，而且樹(shù)脂內(nèi)、外部形成的溫度差，加快了內(nèi)部水分向外滲透的速度，使得干燥速率大大加快。溫度的升高使得樹(shù)脂變軟，樹(shù)脂間表現(xiàn)出了一定的黏性，經(jīng)過(guò)樹(shù)脂間的碰撞，部分樹(shù)脂粘結(jié)在一起，使得樹(shù)脂的粒徑變大。根據(jù)測(cè)試，在60℃下，15 min后樣品的平均粒徑達(dá)到了0.602 mm，要大于10℃干燥時(shí)樹(shù)脂的粒徑。

2.5其它

在PTFE懸浮樹(shù)脂的流化床干燥過(guò)程中，還有許多其它的影響因素。如樹(shù)脂的加入量，在相同的干燥氣量所形成的壓降下，樹(shù)脂固定不動(dòng)形成固定床，干燥效率低下，或是在流化設(shè)備中產(chǎn)生氣栓，造成床層湍動(dòng)，形成湍動(dòng)床，造成大量的干燥氣浪費(fèi)；如樹(shù)脂的加入方式，一次性加入無(wú)法達(dá)到工業(yè)化的目的，連續(xù)性加入要綜合考慮流化床干燥過(guò)程中進(jìn)、出樹(shù)脂量的平衡，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的綜合因素較多；如在流化設(shè)備中增加附件，加速流化床層內(nèi)傳質(zhì)、傳熱的進(jìn)行，提高干燥的效率等。

3結(jié)論

探討了PTFE懸浮樹(shù)脂在流化床干燥中的影響因素，在以樹(shù)脂處于散式流化態(tài)、流化床層的上端接近流化塑料管頂端為判斷一致的標(biāo)準(zhǔn)條件下，得出以下結(jié)論：

1)在流化床干燥的前期，流化床層由下至上，樹(shù)脂的含水量逐漸降低，粒徑逐漸變小；

2)相較于30 m3/h的干燥氣體積流量，50 m3/h具有更好的干燥效果。干燥氣量愈大，干燥效果愈好；

3)干燥時(shí)間分別為1、12 h時(shí)，所得樹(shù)脂的含水量區(qū)別不大。隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，流化床干燥的效率大大降低；

4)相較于10℃的干燥溫度，60℃的干燥溫度大大縮短了干燥時(shí)間，明顯的加快了干燥的速率，但會(huì)使得樹(shù)脂的平均粒徑在一定程度上變大。