微波加熱條件對樹脂膨化改性影響的研究

史萬敬，張文學，劉元戎，陳曉雪

（金川集團化工有限責任公司，甘肅 金昌737100）

金川集團化工有限責任公司為中國最大鎳鈷生產加工企業—金川集團股份有限公司所屬。 該公司有 50 萬t/aPVC、40 萬t/a 燒堿、10 萬t/a 硫酸鉀的生產能力， 配套可生產 18 萬t/a 鹽酸、8 萬t/a 液氯、20 萬t/a 片堿。 作為 40 萬t/a 燒堿裝置的配套裝置，公司50 萬t/a PVC 系統采用工藝成熟、 可靠的水相法生產工藝生產樹脂， 且樹脂產品已獲國內主流市場認可，產品質量穩定。

PVC 樹脂因其分子結構的物性限制，無法在高溫環境下單獨加工使用，需要配合一定量的穩定劑、增塑劑、 改性劑等助劑， 以滿足不同用途的加工需求。這就需要PVC 樹脂顆粒表面具有足夠大的比表面積和足夠多的孔洞，可以吸附更多的油性分子，增強與各類助劑的混合均勻度， 發揮分子加工中的連續作用力。 而PVC 樹脂吸油率的高低，將決定樹脂顆粒對油性分子的承載力大小， 目前， 公司生產的PVC 樹脂吸油率在19.0%～20.0%。

微波加熱是一種利用極性分子和非極性分子間的磁場作用加熱的方法， 當有極分子電介質和無極分子電介質置于微波電磁場中， 介質材料終會形成偶極子或已有的偶極子重新排列， 隨著高頻交變電磁場以每秒數億次的速度擺動， 分子要隨著不斷變化的高頻電場方向重新排列， 就必須克服分子原有熱運動和分子相互間作用的干擾和阻礙， 產生類似于摩擦的作用。 整個過程就會使得電磁場能量逐漸轉化為新的熱能，使介質溫度出現大幅度的提升，以達到干燥的目的。 正是因其改變分子間的電磁場作用方向，對分子結構本身不易產生損傷，在樹脂干燥的研究方向上，微波加熱的方法比較理想。

本研究內容使用的同批次PVC 樹脂原始吸油率為19.61%，樹脂含水率0.2%。

考慮微波對PVC 樹脂顆粒的破壞性損傷（顆粒碳化），采用膨化紙袋配合完成實驗。

1 樹脂微波受熱溫度的研究

將PVC 樹脂平鋪盛放至容器中，放入微波反應設備（8 kW、間歇式），擬定作用時長為 90 s、120 s、180 s， 觀察樹脂碳化情況并使用測溫槍測定溫度。微波對樹脂碳化溫度的影響見表1。

表1 微波對樹脂碳化溫度的影響

從表1 可以看出，隨著時間的增加，在相同功率的微波作用下，PVC 樹脂顆粒直接作用， 顆粒表溫達到最高，并受時間的增加陸續出現碳化點，使用測溫槍測得碳化點溫度在75 ℃即發生質變。 因此，PVC 樹脂的干燥溫度不宜超過75 ℃。

2 微波對樹脂吸油的改性影響

使用小型微波設備（700 W），分別對成品PVC樹脂（含水率0.2%）和不同含水率的樹脂，進行微波作用后，檢測吸油率的變化。微波加熱對樹脂吸油的影響（第一批）見表2。

從表2 中可以看出，樹脂中含有一定的水分，可以起到對樹脂一定的保護作用， 給予樹脂溫和的受熱環境， 避免高溫對樹脂分子團的直熱帶來的不可恢復的損傷，影響吸油率。另外，樹脂含水率越高，會對微波的做功加熱產生衰減， 導致樹脂分子團發生改變不大。過高的微波功率和時間，都會加劇樹脂分子團發生碳化和降解速度。 微波加熱對樹脂吸油的影響（第二批）見表3。

表2 微波加熱對樹脂吸油的影響（第一批）

表3 微波加熱對樹脂吸油的影響（第二批）

從表3 中所得的數據同樣可以得出功率、 時長的增加與吸油率成反比。

取關鍵分析數據，做比對性分析圖見圖1。

從圖1 中可以看出，隨著PVC 樹脂中原始水分的增加，吸油率是下降的。而相比成品樹脂原始吸油率19.61%， 經微波處理后的樹脂， 吸油率上升至20.66%，漲幅達5.4%。

圖1 不同含水樹脂微波作用后，樹脂吸油改性情況

隨著時間的延長， 成品樹脂的吸油率下降至18.59%，主要原因為當微波將樹脂顆粒間的水分以電磁場作用受熱揮發后，對PVC 顆粒表面的分子結構造成了破壞，致使樹脂分子表面發生塌陷，從而影響其吸油率。

膨化包裝在一定程度上縮減了微波對PVC 樹脂顆粒的直接作用力， 并給水分的蒸發提供了一個穩定、緩和的環境，避免了微波直射對樹脂顆粒的結構影響。

3 大功率下微波對樹脂吸油的影響

將潮濕的 PVC 樹脂 （含水 20.1%、 吸油率21.1%）平鋪盛放至微波反應設備（8 kW、間歇式）中，擬定作用時長為 90 s、120 s、180 s，經微波反應后，檢測樹脂吸油率，其結果見表4。

表4 大功率微波對樹脂吸油率的影響

從表4 中數據可以看出，在較大功率的作用下，樹脂的吸油率大幅下降。

4 實驗結論

（1）通過微波作用，在合理的范圍內，對PVC 樹脂顆粒的改性，如吸油率具有一定的促進作用。 但作用功率、時長，以及樹脂中還有的原始水分與作用后的樹脂吸油率呈反比，微波改性PVC 樹脂顆粒的吸油率需要的是一個緩和的水分釋放過程。

（2）在較低的功率微波下，有限的時長內，通過微波作用，可以有效提高樹脂吸油率的指標，但需要注意控制水分、作用時長，避免微波對樹脂顆粒的直接作用導致的樹脂分子結構的破壞、損傷。

（3）通過微波實驗，發現已成型的PVC 樹脂顆粒，在其分子外表面依然存在較高的水分，因此，在下游加工的過程中，必要的熱混過程對于減小樹脂水分對加工的影響是有利的。同時可防止樹脂中的水分蒸發在加工過程中給產品帶來的起泡影響。

（4）當樹脂顆粒在80 ℃以上的高溫，或長時間高溫環境下， 極易發生PVC 顆粒分子表面的改變、坍塌，影響其分子力學性能。

（5）針對PVC 樹脂顆粒基本的物性條件，所開展的最佳微波改性條件， 還需要在以上研究結果的基礎上，做進一步方向性研究。

5 結語

通過微波處理PVC 樹脂實驗驗證了利用微波法來增強改性PVC 樹脂的可行性， 并確定了PVC樹脂的微波改性影響因素和條件， 對于微波改性的選擇具有指導性意義。