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聚磷酸铵在农业、化工及材料领域都有着广泛的应用价值。尤其在水溶肥料生产中，低聚合度聚磷酸铵的速效性和时效性更强，而高聚合度聚磷酸铵则以其环保阻燃性能在多个行业受到重视。
然而，聚磷酸铵的合成过程受原料纯度、工艺参数及反应条件影响显著，制约了其产业化应用与推广。段利中、王硕、周莹涵等人在《工业聚磷酸铵合成工艺条件的试验研究》中，围绕这一现实需求展开系统研究，深入探讨了尿素与磷酸的物质的量比、预聚合温度、固化温度等关键因素对聚磷酸铵质量的影响，为推动聚磷酸铵的规模化、安全化生产提供了重要参考。
试验设计
聚磷酸铵的合成方法
合成原理：nH3PO4+(n-1)CO(NH2)2→(NH4)n+2PnO3n+1+(n-4)NH3↑+(n-1)CO2↑
(1) 湿法磷酸的净化
以湿法磷酸为原料，通过改变预处理、萃取、洗涤、反萃取等工序的处理条件，得到不同杂质系数（MER）的净化湿法磷酸。
(2) 预聚合反应
称取净化湿法磷酸200 g，通过计算得到磷酸的物质的量，按照一定的物质的量比[n(尿素)∶n(磷酸)=1.6~2∶1]计算后称取尿素；将称取的净化湿法磷酸置于2 000 mL自制聚合反应器中，然后将聚合反应器放置于带温控数显的油浴锅内，油浴锅初始温度设置为70 ℃；待温度升至设定温度后，加入已称量的尿素，开启聚合反应器的搅拌装置，以150 r/min的速率搅拌8 min；将油浴锅温度设置为130~150 ℃，温度升至设定温度后，预聚合反应10~25 min，其间有大量白色泡沫和氨味产生。
(3) 固化反应
预聚合反应完成后，将油浴锅的温度设定为200~250 ℃，固化反应时间为1~3 h。在温度升高过程中，先有大量白色泡沫和氨味产生；当温度升至180 ℃时，聚合反应器底部的尿素完全转化成熔融体，氨味逐渐消散，泡沫开始减少。最终熔融体消失，聚合反应器底部形成白色紧致的固体。
(4) 冷却粉碎
待生成的白色紧致固体冷却后，将其从聚合反应器底部取出，放入粉碎机内粉碎成白色粉末，即为聚磷酸铵产品。将制得的聚磷酸铵产品放入封口袋内密封送检。
结果与讨论
正交试验设计
以n(尿素)∶n(磷酸)、MER、预聚合温度、预聚合时间、固化温度、固化时间为合成聚磷酸铵的6个主要影响因素，设计了6因素5水平的正交试验L25(56)，系统研究了各因素水平条件下对合成的聚磷酸铵中N含量(以质量分数表示，下同)、P2O5含量以及聚合度的影响。因素水平表见表 1。
试验结果分析
正交试验结果见表 2。
对表 2进行数据分析，得出各因素水平条件下对应N含量的K1、K2、K3、K4、K5、ΔK值，见表 3。
极差ΔK越大，表示该因素对N含量的影响越大。从表 3可知，在设计试验范围内，影响聚磷酸铵N含量的因素重要性顺序为n(尿素)∶n(磷酸)＞预聚合温度＞预聚合时间＞固化温度＞固化时间＞MER。
对表 2进行数据分析，得出各因素水平条件下对应P2O5含量的K1、K2、K3、K4、K5、ΔK值，见表 4。
极差ΔK越大，表示该因素对P2O5含量的影响越大。从表 4可知，在设计试验范围内，影响聚磷酸铵P2O5含量的因素重要性顺序为n(尿素)∶n(磷酸)＞MER=预聚合温度＞固化温度＞预聚合时间＞固化时间。
对表 2进行数据分析，得出各因素水平条件下对应聚合度的K1、K2、K3、K4、K5、ΔK值，见表 5。
极差ΔK越大，表示该因素对聚合度的影响越大。从表 5可知，在设计试验范围内，影响聚磷酸铵聚合度的因素重要性顺序为n(尿素)∶n(磷酸)＞MER＞预聚合温度＞预聚合时间＞固化温度＞固化时间。
工艺条件的确定
根据以上正交试验结果分析可以看出：n(尿素)∶n(磷酸)对聚磷酸铵的N含量、P2O5含量和聚合度的影响最大；n(尿素)∶n(磷酸)=1.8∶1时，P2O5含量和聚合度最佳；MER为0.003 84时，N含量、P2O5含量和聚合度等3个指标最佳；预聚合温度为145 ℃时，N含量和聚合度最佳；预聚合时间为17 min时，N含量和聚合度最佳；固化温度为235 ℃时，N含量、P2O5含量和聚合度等3个指标最佳；P2O5含量、N含量、聚合度最佳的固化时间分别为2.0、1.5、2.5 h。
为了确定最佳的固化时间，在n(尿素)∶n(磷酸)=1.8∶1、MER为0.003 84、预聚合温度为145 ℃、预聚合时间为17 min、固化温度为235 ℃的条件下，分别设定固化时间为1.5、2.0、2.5 h进行对比试验，结果见表 6。
从表 6可知，在其他条件相同时，当固化时间为2.0 h时，聚磷酸铵中的N含量和聚合度高于固化时间为1.5 h和2.5 h的，故选择固化时间为2.0 h。因此，聚磷酸铵合成工艺条件为：n(尿素)∶n(磷酸)=1.8∶1，MER为0.003 84，预聚合温度为145 ℃，预聚合时间为17 min，固化温度为235 ℃，固化时间为2.0 h。
选择工艺条件下产品的品质
检测选择工艺条件下所制得产品的粒度、水分含量、堆积密度等指标，并与行业标准《工业聚磷酸铵》（HG/T 2770—2020）中Ⅱ型聚磷酸铵一等品指标进行对比，结果见表 7。
结语
(1) 通过多角度研究聚磷酸铵的合成工艺，创新性地使用油浴锅作为聚合反应的热源，确保了聚合反应的充分进行且过程温和。同时，自制聚合反应器的使用确保了氨气不会逸出，避免发生氮源浪费和聚合反应不完全的情况，聚磷酸铵的最高聚合度可达71.24，高于其他研究的结果。
(2) 通过正交试验，得到的较佳工艺条件为：n(尿素)∶n(磷酸)=1.8∶1，MER为0.003 84，预聚合温度为145 ℃，预聚合时间为17 min，固化温度为235 ℃，固化时间为2.0 h。
(3) 在较佳的工艺条件下进行了聚磷酸铵的合成，产品的关键指标如下：聚合度为71.24，w(N)为14.92%，w(P2O5)为69.89%，粒度占比为97.4%，水分质量分数为0.32%，堆积密度为0.63 g/mL，达到了HG/T 2770—2020中Ⅱ型聚磷酸铵一等品指标的要求。