三聚氰胺甲醛树脂泡沫生产工艺探析范文

摘要：三聚氰胺甲醛树脂泡沫是一种以三聚氰胺为原料制取的高开孔率的三维网格结构的新型环保泡沫塑料，具有吸音、阻燃等众多优异性能。本文介绍了三聚氰胺甲醛树脂泡沫的理化性能、国内外技术发展情况、以及实验室和工业制备方法。最后针对三聚氰胺甲醛树脂泡沫连续化生产的要求，改进了生产工艺流程和反应器。

关键词：三聚氰胺；泡沫；生产工艺；反应器

三聚氰胺甲醛树脂泡沫（Melamine–FormaldehydeFoam），又称蜜胺泡沫塑料，是一种开孔率高达99%以上的三维网格结构的新型环保泡沫材料。在民用、工业、建筑、交通、航空、军事、电子信息等领域具有十分重要的应用价值，特别适用于阻燃、耐高温、隔音等环境条件。由于其优良的性质，已经成为了国内最具发展前景的新型环保材料之一。

1三聚氰胺甲醛树脂泡沫的理化性

质三聚氰胺甲醛树脂泡沫是氨基塑料族中的一种热固性树脂泡沫，以“C—N”结构为主的缩聚高分子，具有充分开孔的三维网格结构。其开孔率高达99%以上，使得声波能迅速有效地进入泡沫体的深层并转变为网格的震动被消耗掉，从而可以有效地消除反射声波，达到吸音的效果。三聚氰胺甲醛树脂泡沫的密度仅为4~12kg/m3，且具有三维网格结构，能够使空气的对流传热得到有效的阻滞，加之独具特色的热稳定性，因此具有良好的隔热保温性，成为难以替代的轻质保温隔热材料。三聚氰胺甲醛树脂泡沫自身具有很好的阻燃性能，无需添加任何阻燃剂。只有在与明火接触的情况下表面才开始燃烧，并且燃烧后立即分解产生大量惰性不燃气体氮气，可以隔绝氧气，减缓燃烧速度。同时在燃烧体的表面迅速形成致密的焦碳层，有效地阻滞燃烧向深层的发展，使得明火离开后自动熄灭。

2国内外概况

2.1国外研究进展

将空气通入含有乳化剂和处理剂的水溶性三聚氰胺甲醛树脂中，经过不断搅拌即可制得三聚氰胺甲醛树脂泡沫，但所制备的泡沫硬度和脆性都较高，在使用过程中容易粉碎。为了提高其柔韧性，Frank等人在原料中添加了三元醇类物质，虽使所制泡沫的回弹性和抗开裂性得到了较大提高，但在受压并部分回复后，产品的力学性能和阻燃性仍不能满足使用的要求。经过不断地探索研究，Mahnke提供了一种可实际应用的三聚氰胺甲醛树脂泡沫的生产工艺，他们在三聚氰胺甲醛缩聚物中添加了重亚硫酸钠，增加了其亲水性，适当加入了无机氧化物、阻燃剂、增塑剂等添加剂，采用二氧化碳或氨气等无机发泡剂，得到了一种体积密度低、热导率低、压缩强度低、弹性模量低、断裂伸长率高、可燃性低的三聚氰胺甲醛树脂泡沫。日本则将三聚氰胺甲醛树脂泡沫的密度降低到了30kg/m3以下。

2.2国内研究进展

国内对三聚氰胺甲醛树脂泡沫的研究起步较晚，但随着认识的深入，对其制备、应用及生产的研究也在逐渐增加。杜耕耘采用微波法生产了三聚氰胺甲醛树脂泡沫，并申请了相关的专利。华东理工大学谢丹等人在三聚氰胺甲醛树脂中，应用乳化剂SC121、发泡剂正己烷（8g）和催化剂甲酸，采用微波辐射方式生成泡沫，并研究了微波加热方式、微波辐射功率、微波辐射时间等因素对泡沫性能的影响。

2.3国外生产状况

2.3.1Illtec系列

Illtec是Illbruck公司生产的一种极有柔韧的三聚氰胺甲醛树脂泡沫材料。这种泡沫吸声材料内部是复杂的三维网状结构，并且彼此联通。这一特性使得Illtec具有高度的光反射特性及很宽的吸声频带范围，形成了极佳的降噪效果，同时便于安装，抗老化能力强。

2.3.2Basotect系列

BASF公司开发并推出了商品名为BasotectTG的能加热成型的三聚氰胺甲醛树脂泡沫。该产品可与胶黏剂浸渍，加压和干燥以形成复合物，而且可在普通加工工艺下压塑。该泡沫还具备了其他优良的性能：低密度、阻燃性以及优异的吸音能力等。20世纪90年代开始工业化生产，工艺技术由德国BASF公司所独有并拥有专利。1996年，德国BASF公司首次在民用市场推出软质三聚氰胺甲醛树脂泡沫，引起世界高分子行业的高度关注。随后BASF公司先后建设了几套工业化生产装置，年产能50万m3左右。随着需求量的逐年增加，BASF公司不断扩产并保持市场供需平衡，产品长期在世界处于高价垄断地位，国内进口的BASF泡沫报价高达5000元/m3。

2.4国内生产状况

河南省某化工公司2009年中旬建成国内自主研发、拥有完全知识产权的首套年产20万m3三聚氰胺甲醛树脂泡沫装置。该装置实现了工业化一步法直接合成固含量大于70%的高固含量三聚氰胺发泡树脂。简化了工艺过程，降低了产品成本。此项创新成果拥有完全的自主知识产权，填补了国内空白，打破了长期以来国外公司在该领域的技术垄断。

3三聚氰胺甲醛泡沫材料的工业制法

在工业生产中，首先采用具有直链结构的改性剂部分取代三聚氰胺胺基上的氢，制取改性三聚氰胺，再以其和甲醛为主要原料，添加少量对分子和树脂体系具有改性作用改性剂、缓冲剂、催化剂等，在微波分段加热控制的反应器中制取水溶性的专用发泡树脂，然后送入高速搅拌机。在高速搅拌机中加入的发泡成核剂和分散剂，通过搅拌均匀地分散在发泡树脂中，成为含有成核剂的专用成核树脂，对其进行远红外辐射高温加热。在成核剂的作用下，专用成核树脂中的水汽化发泡，树脂膨胀为定型的初级泡沫塑料。再对初级泡沫塑料进行高温烘烤，使初级泡沫塑料中的三聚氰胺树脂分子链进一步缩聚，最后成为具有稳定亚甲基桥结构的三聚氰胺甲醛树脂泡沫。

4半连续化工艺及设备

早在2000年左右，我公司就成功开发了三聚氰胺甲醛树脂泡沫材料半连续化生产工艺及配套设备。该工艺采用为技术更为成熟的双螺杆乳化机替代图1中的高速搅拌机。首先将三聚氰胺与甲醛树脂在预混料罐中混合至30~40℃的预物料。再将预混料罐中的预混料喂入单螺杆挤出机中。预混罐和单螺杆挤出机均采用一开一备以实现半连续化操作。经由单螺杆挤出机的反应放热的预混料进入经计量后进入双螺杆乳化机。而后经过冷却、计量、稳定、建压至助剂加入点。在助剂加入点中加入了正戊烷及甲酸。预混料、正戊烷、甲酸经过输送冷却进入双螺杆乳化机后段的乳化段并加入乳化剂进行乳化，乳化后的物料经过建压挤出至微波发泡进行发泡程序。通过现场实践生产操作发现，预混料罐的一开一备使得物料性质在整个生产过程中并不连续。而且同一预混料罐先排出的物料与后排出的物料由于在预混料罐中停留时间的不一致，物料性质也不一致。这就使得下游双螺杆乳化机按照固定工艺条件挤出的预发泡料很难在同一批次产品中生产出性质均一的泡沫材料。

5连续化工艺及设备

为了解决上述问题，我公司又开发成功三聚氰胺发泡材料连续化生产工艺及配套设备。

5.1改进工艺

改进后的工艺，采用SFJ-120反应型双螺杆机、SHJ-92冷却双螺杆机、SLF-300卧式连续反应器串联，完成整个制备过程。原料在SFJ-120反应型双螺杆挤出机的高温加热搅拌下，很快由均匀的树脂料浆成为透明的树脂溶液。树脂溶液通过带保温的夹套管路，进入SLF-300卧式连续反应器，继续高温反应，至卧式反应器出口，形成胶状树脂。在卧式反应器出口设置树脂搅拌储存罐，以防止后续工段短暂出现问题时，树脂仍然能够连续生产。胶状树脂通过高精度齿轮泵和齿轮流量计注入SHJ-92冷却双螺杆机，高温树脂快速降温，至螺杆中后部，树脂已经达到树脂乳化所需的温度。此时在SHJ-92冷却双螺杆机的中后部助剂注入筒体注入口加入固化剂、乳化剂、KO助剂及GE助剂共4种助剂，树脂和助剂得到初步乳化，成为均一的树脂乳化液（即发泡原液）后注入微波发泡机中进行发泡。该工艺使得物料在生产流程中始终保持理化性质线性均一，真正做到连续可控生产三聚氰胺甲醛树脂泡沫。

5.2主要设备特点

5.2.1SLF-300卧式连续反应器

我公司在聚合物反应领域做了大量研究和实践工作，拥有丰富的科研和生产经验。卧式双轴连续反应器为我公司针对聚合物反应专门开发的，它结合了反应釜和双螺杆反应器的优点，是一种新型聚合物反应设备。表1将卧式双轴连续反应器与反应釜、反应型双螺杆挤出机的特点进行了比较。

5.2.2SFJ-120反应型双螺杆挤出机

反应型双螺杆挤出机和通用双螺杆挤出机相比，其传热能力和表面更新能力更强。为了提高表面更新能力，专门开发了开槽型元件，能使物料在低螺杆转速下获得最大的表面更新率，有利于缩聚反应的进行。为了延长反应时间，加大了挤出机的长径比。选用合金锻造的螺杆芯轴，在保证强度的前提下将螺杆长径比提高至52:1，使单阶的螺杆自由容积达到~60L。

6结语

（1）本文介绍了三聚氰胺甲醛树脂泡沫的半连续化生产工艺和连续化生产工艺及其相关设备。这两种工艺及设备在国内均有较多的应用，应用效果良好。

（2）据报道，截至2010年底我国三聚氰胺的年产量约为75万t/年。三聚氰胺甲醛树脂是对三聚氰胺进行深加工后生成的一种高附加值的新型材料。在我国化工领域普遍过剩的今天，开展新材料研发，扩展原有材料的性能和应用领域是符合国家相关产业政策的。因此，开展三聚氰胺甲醛树脂相关技术及装备的研究具有十分重要的经济、社会意义。

作者：李景峰，张国强 单位：天华化工机械及自动化研究设计院有限公司