聚芳醚砜树脂干燥动力学研究

聚芳醚砜(PES)是一种综合性能优异的非结晶热塑性特种工程塑料,表现出良好的耐热性能、力学性能、绝缘性能等,其玻璃化转变温度约225℃,并且在-40℃至210℃之间展示出较高的强度以及韧性[1,2,3]。由于该聚合物优异的机械和热力学性能,以及出色的水解稳定性,在食品容器、电气元件、医疗器械、微孔膜等领域已有广泛应用[4,5,6]。为研究材料各方面性能的机理,广大学者对关于其结晶、凝固、干燥等行为的动力学进行了深入的研究[7,8,9,10]。

干燥是一种复杂的热质同时反向传递的过程,机理相当复杂。干燥动力学数据是干燥机选型和设计的依据[11]。干燥动力学特性不仅与物料的种类和性状有关,同时还取决于所采用的干燥方法和操作条件[12]。PES需经聚合,沉淀,破碎,纯化,干燥过程制备,树脂内部呈多孔结构,纯化离心后有大量的水分需干燥除去。树脂含水量的多少直接影响后加工产品的外观和性能,工业生产中常用的干燥方法有真空干燥,流化床干燥等,存在干燥时间长,能耗高等问题。因此,对其干燥工艺的研究具有重要意义。

本研究采用沸腾床干燥机,测定了在不同进风温度和物性层厚度时树脂含水率随时间变化的关系,绘制了干燥曲线和干燥速率曲线,并得到本试验条件下的动力学模型。实验方法与工业干燥过程接近,实验结论为干燥装置选型和过程参数控制提供依据。

1.实验部分

(1)PES粉末制备方式

聚合制备的PES溶液在沉淀浴中凝固成块,用破碎机打成粉末后,用纯水反复多次洗涤,将树脂中所含的溶剂,反应生成的氯化钠及残留的微量反应原料除去,用离心机脱水后,粉末含水量60%,取含水样品用于干燥实验的原料。

(2)主要仪器与设备

沸腾床干燥机:FG型,常州力马干燥科技有限公司;

红外水分快速测定仪:MB25,奥豪斯仪器(上海)有限公司。

(3)含水量测试方法

含水量测试:设定加热温度130℃,取适量粉末放在托盘上,利用红外水分快速测定仪干燥至水分变化率为0%。

采用该方法测试的物料含水率为其干基含水率[13,14],其计算公式为:

式中:M为物料干基含水率;m为湿物料质量/kg;md为绝干物料的质量/kg。

(4)PES粉末干燥实验方法

取一定量湿物料置于沸腾床干燥机的料仓内,均匀平铺一定厚度,控制热风温度,空气流速和湿度,每隔一定时间取少量样品,用红外水分快速测定仪测试样品中水分含量。通过测定不同进风温度和不同物料层厚度下的干燥实验数据,研究树脂粉末的干燥动力学[15]。

2.结果与讨论

(1)干燥特性曲线和速率曲线测定

①不同进风温度下PES的干燥特性曲线

料仓内物料厚度为16mm,进风温度分别为353K、373K、 393K、413K、433K条件下的干燥曲线和干燥速率曲线。

从图1可以看出,随着进风温度升高,干燥时间缩短,树脂中的水分蒸发速率提高。进风温度373K时,需要45min树脂中水分才可以降低到1%以下,而当进风温度提高到453K时,仅需25分钟,干燥时间明显缩短。从图2可以看出树脂干燥过程分两个阶段,加速干燥阶段和降速干燥阶段,在所取实验条件范围内恒速干燥阶段时间太短,在图中显示不明显[16]。干燥开始物料表面水分快速蒸发,10分钟后即转入降速干燥阶段,干燥过程由表面传质控制转化为内部扩散控制。从图2可以看出,加热温度越高,快速干燥阶段时间越短,干燥速率越快,在最短时间内从快速干燥阶段转入降速干燥阶段。一方面,随着进风温度越高,物料表面温度提高,表面与内部之间的温差提高,传热推动力增大,物料表面水分蒸发速率提高;另一方面,物料表面快速干燥后,物料内部与表面湿度差增大,传质推动力提高,以上两方面的综合效果,导致干燥速率加快。

②不同物料层厚度下PES的干燥特性曲线

进风速度一定,设定进风温度为413K,测定物料层厚度分别为8mm、12mm、16mm、20mm、24mm的干燥曲线和干燥速率曲线。

从图3可以看出,随着物料层厚度增加,干燥时间逐渐延长,水分蒸发速率降低。厚度超过20mm时,时间明显延长。因为随着物料层厚度增加,内部传递阻力增大,水分从内部向表面迁移速率降低,所以干燥速率降低。

(2)干燥动力学模型介绍

①干燥动力学研究主要集中在降速阶段,用来描述干燥过程的动力学模型一般有以下3种[16,17]:

A.指数模型:MR=e-rt

B.单项扩散模型:MR=Ae-rt

C.Page方程模型:MR=e-rtN

式中:MR-湿分比,;t-干燥时间;Mt-t时刻物料含水率;M0-物料初始含水率;Me-物料平衡含水率; A、r、N-待定系数。

由于Me为物料平衡含水率,与Mt和M0相比很小,通常可以忽略。

由此可得出干燥速率的定义式,。

②为便于分析,将单项扩散模型和Page方程模型取对数为线性模型:

A.单项扩散模型:ln(MR)=lnA-rt;

B.Page方程模型:ln(-lnMR)=lnr+Nlnt。

分别绘制不同进风温度和物料层厚度下的-lnMR—t曲线和ln(-lnMR)—lnt曲线,如图5～8所示。

由图5～8可以看出,所得实验数据绘制的-ln(MR)与t曲线呈非线性关系,而ln(-lnMR)与lnt曲线具有较好的线性关系,因此可以选用Page方程作为PES树脂的干燥动力学模型[16]。该模型中,参数r和N的值随实验条件的改变而变化,在本实验中,随着进风温度(T)和物料层厚度(h)的改变,r和N的值将发生变化,因此,干燥常数r和N是T和h的函数[14]。对所得实验数据进行多元回归分析,方差分析如表1所示,复相关系数R和决定系数R2近似于1,表明该回归方程显著。

求解方程线性拟合中的各相关系数,可得回归方程的动力学模型如下:

为了进一步验证模型的准确性,将进风温度403K、厚度16mm和进风温度443K、厚度20mm实验数据与预测值进行比较,结果如图9所示。

由图9可以看出,在整个干燥过程中,预测值与实验值拟合较好。说明在本实验条件范围内,Page方程模型可以比较准确的描述PES树脂干燥过程中的变化规律。

3.结论

(1)干燥机的进风温度和物料层厚度对PES树脂干燥过程的影响很明显,加热温度越高,物料层厚度越薄,干燥速率越快。干燥过程加速和恒速阶段时间很短,表面水分快速蒸发后转入降速阶段。

(2)通过试验数据分析,PES树脂干燥曲线为典型的指数曲线,其干燥过程符合Page方程。

(3)在本实验条件范围内,Page方程模型预测值与实验值拟合精度较高,说明该模型方程可以准确预测PES树脂干燥过程中的水分变化规律。

摘要：采用沸腾床干燥机,通过测定不同工艺条件下的干燥曲线和干燥速率曲线,研究了PES树脂的干燥特性。结果表明,进风温度和物料层厚度对干燥过程都有明显的影响,且PES干燥的动力学模型符合Page方程,并得到本试验条件下的动力学方程。实验方法与工业干燥过程接近,实验结论对PES的工业化装置选型及干燥过程参数控制具有重要参考意义。

关键词：PES树脂,干燥特性,动力学

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