王曉妹 張 鵬 吳利峰 田仁平 毛超仁

(1.浙江巨化股份有限公司氟聚合物事業(yè)部，浙江 衢州 324004； 2.上海翊科聚合物科技有限公司，上海 200120)

0 前言

科技的不斷進步與專業(yè)的逐步細(xì)化助推著信息時代的高速發(fā)展，特種材料在新能源、新通訊和新健康等領(lǐng)域中所發(fā)揮的作用愈發(fā)重要。氟塑料自問世以來，其對于航空航天、能源化工和機械建筑等領(lǐng)域發(fā)展的影響日益深刻。當(dāng)下5G科技快速發(fā)展以及全球性防御新冠病毒，聚四氟乙烯(PTFE)分散樹脂在高頻信號輸送組件以及高效醫(yī)用口罩的應(yīng)用中表現(xiàn)卓越，使得氟塑料的重要地位更加凸顯。PTFE是由氟原子“包裹”碳原子形成高度結(jié)晶的線性聚合物，其具有良好的耐高低溫性、耐化學(xué)性等優(yōu)點，在社會發(fā)展的各個領(lǐng)域中都體現(xiàn)出了獨一無二的應(yīng)用優(yōu)勢。分散樹脂作為PTFE的主要產(chǎn)品之一，不僅是新興科學(xué)研究關(guān)注的焦點，而且在傳統(tǒng)領(lǐng)域也吸引著大量的注意力。目前，PTFE分散樹脂全球年產(chǎn)量在5萬t左右。PTFE分散樹脂的生產(chǎn)工藝主要包括聚合、凝聚和干燥等工序，由于水分對PTFE分散樹脂存儲及成型加工的影響，要求PTFE分散樹脂中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.04%時才能進行包裝[1]。由于PTFE分散樹脂的成纖性對于其成型加工的影響，其干燥工序不能應(yīng)用類似懸浮樹脂的振動干燥、噴霧干燥、流化床干燥以及氣流干燥等干燥技術(shù)[2]，而只能采用樹脂基本處于靜置狀態(tài)的烘箱干燥、隧道干燥、真空干燥以及微波干燥等方式進行干燥[3-4]。PTFE分散樹脂的干燥質(zhì)量對于后續(xù)的成型加工過程有著不可逆轉(zhuǎn)的影響，充分了解PTFE分散樹脂干燥的工藝特點，對于進一步改進干燥工序具有重要意義。通過對PTFE分散樹脂的幾種干燥方式進行介紹，簡述干燥的基本過程及其影響因素，為PTFE分散樹脂的干燥選型提供理論上的參考。

1 廂式干燥和隧道式干燥

廂式干燥是PTFE分散樹脂工業(yè)化應(yīng)用最為常見的干燥方式。廂式干燥是將需要干燥的物料置于容易拆卸的托盤上，托盤固定于外壁設(shè)有絕熱保溫層的廂式干燥器中，通過在廂式干燥器中引入熱風(fēng)與物料進行接觸而帶走水分，從而完成物料的干燥。根據(jù)干燥器中熱風(fēng)與物料接觸形式的不同，廂式干燥器可分為水平氣流廂式干燥器和穿流氣流廂式干燥器[3]。其中，熱風(fēng)沿著物料表面通過的水平氣流廂式干燥器由于傳熱系數(shù)較小，熱風(fēng)速率成為干燥過程控制的關(guān)鍵參數(shù)。較大速率的熱風(fēng)具有較大的傳熱系數(shù)，而熱風(fēng)速率過大可能會造成物料間摩擦甚至帶出物料，由于PTFE分散樹脂具有成纖性，這不僅會造成成本上升，而且會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。此外，物料層間距對于熱風(fēng)流速的影響、物料層厚度及熱風(fēng)風(fēng)量與干燥時間及效率的關(guān)系等都是需要考慮的重點。穿流氣流廂式干燥器利用熱風(fēng)穿過物料內(nèi)層而具有較高的傳熱系數(shù)，但穿流氣流廂式干燥器對于物料的放置狀態(tài)有一定的要求，通常需要對物料進行擠壓、滾壓等使其緊湊，而對于PTFE分散樹脂則是采取在物料平鋪層中設(shè)置溝、槽的形式。同樣，熱風(fēng)風(fēng)速、物料層厚度以及熱風(fēng)風(fēng)量等也是穿流氣流廂式干燥需要注意的要點。

隧道式干燥也稱洞道式干燥，是將物料置于小車內(nèi)、輸送帶上或其他自由模塊上，物料在運輸載體上一次性通過一定長度的干燥通道從而完成物料干燥的過程[3]。物料在干燥器的兩端分別完成加料與卸料的操作。根據(jù)隧道式干燥的生產(chǎn)特點，為盡量發(fā)揮出隧道式干燥的優(yōu)點，一般工業(yè)化的隧道式干燥通道長度為20～50 m、高度為2～4 m，以此來滿足在干燥通道長度及高度兩個維度生產(chǎn)狀況的調(diào)節(jié)。隧道式干燥需要考慮的主要問題是機械運行與干燥溫度。由于隧道式干燥的干燥通道較長，涉及的輸送模塊、循環(huán)風(fēng)機、裝卸器具等動力裝置較多，這就要求隧道式干燥設(shè)備具有較高的機械化程度。輸送模塊卡死或停頓會直接造成干燥設(shè)備停車，不僅會造成額外能源的消耗，而且會導(dǎo)致生產(chǎn)效率的急劇下降。循環(huán)風(fēng)機的故障，會導(dǎo)致干燥設(shè)備內(nèi)局部濕度過高，甚至可能引起冷凝現(xiàn)象，這對產(chǎn)品的質(zhì)量有重要影響。裝卸器具損壞，隧道式干燥設(shè)備進行無物料運行，這在自動化生產(chǎn)中是一個十分值得關(guān)注的問題。隧道式干燥設(shè)備要求其具有穩(wěn)定的干燥溫度才能達到干燥的目的，這就要求配備穩(wěn)定的熱源。隧道式干燥設(shè)備的熱源較多，通常有高溫廢氣、煙道氣、蒸汽和電加熱等，考慮到生產(chǎn)成本以及來源問題，使用高溫廢氣和蒸汽作為熱源的較多。在PTFE分散樹脂的干燥中，熱源基本以過濾后的潔凈蒸汽為主。熱源可以以多次循環(huán)、中間段加熱、多段再循環(huán)的方式重復(fù)利用?？紤]到隧道式干燥設(shè)備的拆裝、檢修和監(jiān)控等問題，隧道式干燥的干燥通道多采用模塊組裝拼接而成，這對于干燥通道的保溫性能來說是一個考驗。

2 真空干燥

真空干燥是根據(jù)環(huán)境壓力與溶劑沸點的關(guān)系進行干燥控制的過程。相較于其他干燥形式，真空干燥具有設(shè)備體積小、工藝排氣量低、裝置安裝布置簡易等優(yōu)勢，而且真空干燥具備在低溫下操作的便利條件，這對于無法進行升溫干燥的稀缺物料具有明顯優(yōu)勢。在PTFE分散樹脂的生產(chǎn)過程中，往往采用真空干燥與廂式干燥相結(jié)合的方式。上海華誼三愛富新材料有限公司所采用的PTFE分散樹脂真空干燥工藝流程如圖1所示。

圖1 PTFE分散樹脂的真空干燥工藝流程

其主要干燥過程：將凝聚后的PTFE分散樹脂置于真空烘箱內(nèi)，樹脂中大量的水分以及殘存的助劑、乳化劑等在真空、高溫條件下快速氣化，氣化后的混合物經(jīng)冷凝器、氣液分離器和氣體過濾器系統(tǒng)分離后，采用真空泵進一步處理，最后經(jīng)氣液分離器分離后的廢氣進入特定的處理系統(tǒng)，從而完成樹脂的干燥過程[5]。但在其干燥的過程中，由于助劑、乳化劑等酸堿性物質(zhì)的存在，使真空系統(tǒng)的密閉性和穩(wěn)定性都大大降低，這對于產(chǎn)品的質(zhì)量和系統(tǒng)的生產(chǎn)效率都有著非常大的影響。由山東東岳高分子材料有限公司研發(fā)的一種真空干燥方法，其主要包括：將負(fù)壓引風(fēng)機置于干燥系統(tǒng)內(nèi)，通過在干燥過程中控制系統(tǒng)于負(fù)壓引風(fēng)與真空干燥兩種形式間的快速切換，然后通入干燥后的熱風(fēng)，使樹脂的干燥狀態(tài)發(fā)生快速變化，從而達到樹脂快速干燥的目的。該種方法可將分散樹脂的干燥時間控制在12～18 h，相較于現(xiàn)在工業(yè)化的24 h干燥時間，大大提高了系統(tǒng)的生產(chǎn)效率[6]。

PTFE分散樹脂的成纖性使其在真空干燥的選擇中只能采用靜態(tài)真空干燥的形式，靜態(tài)真空干燥的時間、真空度等與樹脂結(jié)塊的嚴(yán)重程度成正比，PTFE分散樹脂的結(jié)塊對于PTFE的成型加工有致命的影響，結(jié)塊占比越高，產(chǎn)品出現(xiàn)開裂、凸點等瑕疵的幾率越大，甚至無法使用[2]。通過縮短真空干燥的時間或優(yōu)化PTFE分散樹脂的鋪放方式等來降低樹脂的結(jié)塊程度，是PTFE分散樹脂真空干燥技術(shù)發(fā)展需要考慮的問題。

3 帶式干燥

帶式干燥是在隧道式干燥的基礎(chǔ)上衍生出來的干燥技術(shù)，是將需要干燥的物料置于干燥通道內(nèi)的輸送履帶上，與通道內(nèi)的熱源進行傳質(zhì)、傳熱，從而達到物料干燥的一種技術(shù)。帶式干燥設(shè)備通常由多個獨立的干燥單元組成，每個單元的工藝參數(shù)可以單獨控制，從而可對整個帶式干燥工藝系統(tǒng)參數(shù)進行階梯式組合設(shè)置，保證了干燥工藝的優(yōu)越性、可靠性和靈活性。

在PTFE分散樹脂帶式干燥的應(yīng)用中，一般是將PTFE分散樹脂置于移動的履帶上，履帶上方安裝輻射電加熱器，或是在履帶支撐層中通入蒸汽或熱水，履帶在移動的過程中使得相對履帶靜止的樹脂溫度發(fā)生變化，在不同的干燥單元進行階梯式升溫、降溫，從而完成樹脂中水分、殘存助劑等的氣化、排出過程以及樹脂降溫進入包裝環(huán)節(jié)的準(zhǔn)備過程。張鵬等[7]對PTFE分散樹脂的帶式干燥過程進行了研究，在傳熱性能優(yōu)越的布式履帶支撐層中通入180 ℃的蒸汽作為干燥熱源，通入5 ℃左右的工業(yè)用水作為樹脂的降溫介質(zhì)，干燥通道以便于拆卸的單元結(jié)構(gòu)進行組裝，整個干燥通道處于封閉的環(huán)境中。干燥工藝流程如圖2所示。

圖2 PTFE分散樹脂的帶式干燥工藝流程

分別以履帶上5 mm和10 mm厚度的樹脂作為研究對象，履帶運行速率約為18 m/h，研究了樹脂干燥時間與PTFE分散樹脂鋪設(shè)厚度的關(guān)系。結(jié)果表明，厚度為5 mm的PTFE分散樹脂經(jīng)過5 min左右即可達到干燥要求，厚度為10 mm的PTFE分散樹脂則需要8 min才能達到干燥要求，而且厚度為5 mm的PTFE分散樹脂所在輸送履帶運行長度只有1.2 m。此外，兩種厚度的樹脂經(jīng)高溫干燥后，在后續(xù)通過長度6 m的工業(yè)用水降溫單元降溫后都達到了包裝環(huán)節(jié)的準(zhǔn)備要求，由此可推算出一個升溫長度為6 m、降溫長度為6 m、履帶寬度為3.6 m的干燥系統(tǒng)，PTFE分散樹脂每小時的干燥產(chǎn)量約為0.53 t。相對而言，PTFE分散樹脂帶式干燥生產(chǎn)效率具有十分明顯的優(yōu)勢，但帶式干燥在PTFE分散樹脂的工業(yè)化應(yīng)用中較少，主要是因為在帶式干燥中PTFE分散樹脂的進料和出料包裝程序十分繁瑣，需要消耗大量的人力和物力，而且意外情況對于產(chǎn)品的質(zhì)量影響特別明顯。此外，帶式干燥裝置檢修、維護成本較高也是其在PTFE分散樹脂干燥應(yīng)用方面難以普及的重要影響因素。

4 微波干燥

相較于PTFE分散樹脂工業(yè)化生產(chǎn)所采用的廂式干燥或隧道式干燥，PTFE分散樹脂微波干燥是一種較為新興的干燥技術(shù)。微波干燥的基本過程是通過微波發(fā)生器發(fā)射電磁波，電磁波進入需要干燥的物料內(nèi)部，電磁波使水等極性分子隨波的頻率進行高速旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)下的極性分子使物料產(chǎn)生摩擦熱，導(dǎo)致物料溫度出現(xiàn)一定程度的升高，使得物料表面及其內(nèi)部的水分快速蒸發(fā)，從而達到物料干燥的目的[8]。在微波干燥的過程中，由于物料表面水分蒸發(fā)的緣故，會使物料內(nèi)部的溫度高于其表面的溫度，形成溫度梯度。而且物料內(nèi)部溫度升高，水變?yōu)樗魵獾乃俾始哟?，?dǎo)致物料內(nèi)部壓力升高，進而在物料內(nèi)外形成壓力梯度。在溫度、壓力梯度的雙重作用下，物料由內(nèi)而外進行干燥，這克服了常規(guī)干燥中因物料外層首先干燥而形成硬殼板結(jié)而阻礙內(nèi)部干燥的缺點。

王進華[8]對PTFE分散樹脂的微波干燥進行了較為深入的研究。通過PTFE分散樹脂在一定厚度的條件下，探討微波強度、干燥時間對于樹脂顏色、結(jié)塊程度、纖維化情況以及含水量的影響。結(jié)果表明：相較于真空干燥，微波干燥所需的時間大大縮短，約為真空干燥的1/8；較高的干燥溫度會導(dǎo)致PTFE分散樹脂出現(xiàn)一定程度的纖維化，但較低的干燥溫度會延遲微波干燥的時間，最佳的干燥溫度控制在135 ℃左右；微波強度對于干燥時間的影響不明顯，這是因為樹脂內(nèi)部水分蒸發(fā)后，水蒸氣由內(nèi)而外的擴散過程成為控制過程，擴散速率成為關(guān)鍵影響因素；微波干燥的持續(xù)進行，會導(dǎo)致樹脂局部出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，從而引起樹脂出現(xiàn)結(jié)塊、表明硬化以及顏色不正等，而采用脈沖間歇式微波干燥能夠較好地避免類似現(xiàn)象的出現(xiàn)。雖然微波干燥取得了一定的研究成果，但是基于微波干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝影響參數(shù)繁多以及生產(chǎn)能耗高等因素，目前還沒有得到社會的廣泛關(guān)注。

5 其他干燥技術(shù)

由于PTFE分散樹脂的成纖性，適用的干燥技術(shù)較少，較為成熟的干燥技術(shù)也是在上述介紹的幾種干燥技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，如廂式干燥或隧道式干燥技術(shù)與真空干燥的結(jié)合，即烘箱或干燥通道在抽真空的條件下通入過濾后的熱風(fēng)對樹脂進行干燥，雖然干燥效果具有明顯的提升，但設(shè)備的造價也大幅度增長；如日本大金公司采用的連續(xù)氣流帶式干燥技術(shù)，不僅實現(xiàn)了工業(yè)化的生產(chǎn)，而且保證了PTFE分散樹脂的質(zhì)量與產(chǎn)量。

6 結(jié)語

由于PTFE分散樹脂具有成纖性，使其在干燥技術(shù)的選擇上具有較大的局限性。雖然廂式干燥技術(shù)是目前PTFE分散樹脂工業(yè)化生產(chǎn)選擇的主流，但在其基礎(chǔ)上發(fā)展而來的真空烘箱干燥等技術(shù)也取得了一系列的應(yīng)用成果。隨著時代的進步，PTFE分散樹脂的應(yīng)用觸角在科技發(fā)展的各個領(lǐng)域不斷延伸，必然會不斷促進干燥技術(shù)的更新迭代，也必然會加速PTFE分散樹脂生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)代化。