氯化聚丙烯用溶剂被水乳化后对建筑设计的影响

刘 验

(惠生公司 (中国)有限公司河南化工设计院分公司 ,河南郑州 450000)

1 引言

氯化聚丙烯是一种黏接剂,所以被李子东等[1]收入《实用胶黏剂原材料手册》中。黏接剂的水性化已成为一种大趋势[2],出于环境友好,最好用水作溶剂。那么,氯化聚丙烯溶解在水中吗?通常用溶度参数δ相近来考察溶解情况。溶度参数的概念由 Hildebrand提出,本来用于非极性化合物,经过Burrell和 Hansen的改进,也可用于极性化合物[4]。为了比较,需要对δ多少算相近,多少算不相近作一明确的定量答复。以常用的塑料聚苯乙烯为例,计算δ的差值,如果δ相差 5(J/cm3)1/2时,就是不可溶的[4],这就是一个量化指标。水的溶度参数是δ=48.09(J/cm3)1/2[5],唐四叶等[6]测定了氯化聚丙烯的溶度参数其δ=18.87(J/cm3)1/2。由于溶度参数相差近 40(J/cm3)1/2,不用作试验也说明是不溶于水的。但因为溶度参数非常接近的缘故,氯化聚丙烯溶于溶度参数是 18.00(J/cm3)1/2的二甲苯。因此溶解氯化聚丙烯的溶剂是使用的是二甲苯,它是有机溶剂。这就需要考虑怎样才能变为水性的。

改为水性的有两种方法,一种是变为水溶性的,一种是变为乳化的 (用于不溶于水的),这两种方法挥发的都是水。显然,由于溶度参数相差太大,变为水溶性的比较困难,作为乳化法,本来就是解决那些不溶于水而挥发的却是水的物料。因此,董雪茹[7]研究了氯化聚丙烯改性而进行的乳化法。董雪茹的方法是先用丙烯酸酯类混合单体 (甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯)采用二甲苯溶液法聚合法接枝到 CPP上,未接枝上共聚物或均聚物加胺成盐可以作为自乳化剂。因此,接枝反应后的产物不用分离,就可以直接制备稳乳液。该方法不但简化了工艺流程,避免了外加乳化剂带来的问题,而且制备的乳液可以加水稀释,因此施工过程中也大大减少了有机溶剂的污染。

氯化聚丙烯本不溶于水,但是如果加入乳化剂将它乳化,即以聚合物的微粒 (粒径在 0.1～10μm)分散在水中成为稳定的聚合物乳液,也可以用水代替有机溶剂至少代替大部分的有机溶剂,当然,如果接枝上带有极性的基团可能更容易乳化一些。我们把溶液聚合后再行乳化的方法叫做后乳化法,用后乳化法合成的化合物称为后乳化物。那么,采用后乳化法生产氯化聚丙烯黏接剂,会对生产黏接剂的工厂建筑设计带来什么影响呢?

2 化工企业建筑设计的目的

化工企业的生产目的是生产出合格的产品,生产厂房建筑设计的目的是为生产工艺服务。即在满足工艺流程的前题下,保证工人安全生产,使厂房符合国家现行设计规范、造价经济合理、适度注意美观。为了达到上述目的,就需要建筑设计人员首先了解产品的工艺流程及部分操作指标;第二,要知晓整个生产过程中从原料到成品的化学、物理性质;第三,要明确反应过程中的温度、压力设备的特性,知道它们的闪点、爆炸极限及火灾危险性分类。

2.1 闪点

理论上讲,当可燃液体能挥发变成蒸气,跑入空气中时,随着温度升高,其挥发速度加快。当挥发的蒸气和空气的混合物与火源接触能够闪出火花时,把这种短暂的燃烧过程叫做闪燃,把发生闪燃的最低温度叫做闪点。即:在规定的试验条件下,液体挥发的蒸气与空气形成的混合物,遇火源能够闪燃的液体最低温度 (采用闭杯法测定)就是闪点。不论是液态、气态还是固态的物质,闪点就是可能引起火灾的最低温度。闪点越低,引起火灾的危险性越大。

闪点低于 28℃的液体称为甲类液体;闪点在28～60℃的液体,称为乙类液体。甲、乙类液体都属于易燃液体。苯、甲苯和二甲苯都是易燃液体。甲基丙烯酸甲酯闪点为 10℃,丙烯酸丁酯闪点是38℃(密闭)、43℃(开口),苯乙烯的闪点是 31～34℃,它们都属于甲、乙类液体,是易燃物。

单体形成聚合物聚合物后,闪点温度也大大提高。一般认为,闪点大于 60℃,而又能燃烧的物质,称为可燃物或丙类液体 (或固体)。乙烯、丙烯的闪点通常都在 0℃以下,属于易燃物,但聚合以后聚乙烯却在 350℃,聚丙烯为 330℃(固体)。氯化聚丙烯来自聚丙烯的氯化,也是聚合物,只属于可燃物,按火灾危险性分类,它们属于丙级。

2.2 爆炸下限

可燃气体、蒸气、粉尘与空气或氧组成混合物(爆炸性混合物)后,如果其浓度不在混合物遇火源即发生爆炸的上、下限范围内,则供给再大的能量也不会爆炸着火。此范围称为爆炸限度。可燃的蒸气、气体或粉尘与空气组成的混合物,遇火源即能发生爆炸的最低浓度 (可燃蒸气、气体的浓度,按体积比计算)称为:爆炸下限 。苯的爆炸范围是 1.40%～7.10%(体积比)甲苯是 1.27%～6.75%(体积比),邻二甲苯是 1.00%～6.00%(体积比),苯乙烯的爆炸限度是:1.1%～6.1%(体积比)。从建筑设计角度看,更为重视的是爆炸下限。粗略地说,如果任意的增加溶剂含量,比如储罐泄漏,二甲苯达到1%左右是比较容易做到的,因此,二甲苯是易爆的物质。

2.3 火灾危险性的分类

生产的火灾危险性的分类有多种指标,但对于建筑设计来讲通用的是按《建筑设计防火规范》(GB50016-2006)来执行的。即:生产的火灾危险性应根据生产中使用或产生的物质性质及其数量等因素,分为甲、乙、丙、丁、戊类,并按闪点及爆炸下限来划分[8]。闪点 ＜28℃的液体,爆炸下限小于 10%的气体称为甲类。闪点≥28℃但 ＜60℃,爆炸下限大于等于 10%的称为乙类。闪点≥60℃,又是可燃的称为丙类。至于丁类和戊类,因与主题无关,就不再介绍了。我们通常把甲类液体或气体称为易燃易爆物质。按照火灾危险性分类的规定,目前生产氯化聚丙烯黏接剂所用的溶剂原料如:苯、甲苯、二甲苯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯、丙烯等,基本都属于甲、乙类液体或固体。

3 对建筑设计的影响

从建筑设计的角度看,由于原料组成是由工艺决定的,是溶液聚合还是其它的聚合方法也是由工艺决定的。所以,当工艺明确了工艺流程,给下游专业提出设计条件后,才轮到建筑做设计。工艺流程决定了不论是生产黏接剂的反应物,如:甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯等,还是作为溶剂的二甲苯。其闪点和可燃性并没有变化,仍然为甲乙类的易燃易爆物。对于建筑设计来说,工厂的生产车间按照防火规范的要求,由于生产原料火灾危险性分类没有变化,所以生产车间的建筑耐火等级、防火分区、消防疏散及防爆构造等建筑设计因素并没有因为生产出来的成品溶于水,而减少一点设计难度。反而,因工艺的变化、反应步骤的延长,带来了生产设备的增加与管道、预埋件、支架、电缆等辅助设施的投资增长。如:生产用水并不是普通水而是蒸馏水,生产车间需增加蒸馏装置或加铺管道;由于使用超声波乳化,还需要增加超声波装置等等。如此看来,无论是从生产车间的功能分区、物流、人流导向,还是到工艺配管、自动控制点的增加、供配电设备的联锁与防爆等方面,生产厂房的综合设计难度是大幅增加了。这一点大大出乎原来的预料。原来认为,由于产品的乳化,必将引起生产车间建筑设计的难度降低或者不变,看来这样的设想要落空了。但从成品方面来看,由于黏接剂的溶剂从原易燃物改为现在的水,因此就大大的减少了燃烧的危险性。其工厂的成品仓库等建构筑物的火灾危险性分类,从甲类降到丁类。使这些厂房由防火防爆厂房变为了普通工业厂房,从而设计简单了。

总之,从黏接剂工厂的整体设计来看,采用“氯化聚丙烯用溶剂被水乳化后”的新工艺并没有给建筑设计带来简化,或者说这个结论是否定的 (因为成品仓库等原设计就不复杂)。

4 结论

实际上,不论是乳化还是后乳化,只要原料不变,对于厂房设计来说,后果都是一样的。例如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯都可用乳化法来制备。但对其原料的闪点或爆炸限度来说,都具有同样的问题。它们的闪点都很低,并且都属于易燃易爆的物种。因此,用氯化聚丙烯/MMA/BA/MAA接枝共聚物的合成丙烯作后乳化不过是一个复杂一点的例子罢了。这样,如果不改变原料,乳化法在厂房设计上的难度是难以改变的。只有彻底的改变原料,才可以改变建筑设计的方法,才能使建筑变得简单。

用水乳化代替溶剂以后,从建筑设计角度看,由于原料的制备没有改变,生产车间的火灾危险性没有降低,但产品没有燃烧的危险。从工厂的整体设计来看,用水乳化来代替有机溶剂还没有降低黏接剂工厂建筑设计的难度。

[1]李子东,李广宇,于 敏.实用胶黏剂原材料手册[M].北京:国防工业出版社,112.

[2]庞来兴,杨建文,曾兆华,等.涂料工业的世纪进展——绿色涂料[J].广州化工,2001,29(4):3-6.

[3]李小苗,刘大壮,董雪茹.Hansen三维溶度参数的 40年 [J].黏接,2007,28(6):33-35.

[4][荷兰 ]D.W.范克雷维伦著.许元泽,赵得禄,吴大诚译.聚合物的性质:性质的估算及其与化学结构的关系[M].科学出版社,1981:95-119.

[5]涂伟平.水性涂料 [M].化学工业出版社,2006:48-49.

[6]唐四叶,刘大壮,范忠雷.氯化聚丙烯三维溶度参数及其与不同溶剂相互作用参数的研究[J].涂料工业,2006,(10):47-50.

[7]董雪茹,孙培勤,刘大壮,等.氯化聚丙烯 /MMA/BA/MAA接枝共聚物的合成丙烯酸改性氯化聚丙烯乳液的合成与性能 [J].塑料工业,2007,35(增刊)(6):109-111.

[8]GB50016-2006.北京:中国计划出版社,2006.