高聚物合成工艺-第七章 溶液聚合
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溶液法聚合工艺溶液法聚合工艺是一种常用的合成高分子材料的方法,广泛应用于化工、材料科学等领域。
本文将介绍溶液法聚合工艺的基本原理、工艺流程以及其在材料合成中的应用。
一、基本原理溶液法聚合工艺是利用溶液中的单体通过化学反应形成高分子聚合物的一种方法。
其基本原理是将单体溶解在溶剂中,通过引发剂或光照等外界刺激,使单体发生聚合反应,最终形成高分子聚合物。
二、工艺流程溶液法聚合工艺的基本工艺流程包括单体溶解、引发剂添加、聚合反应和后处理等步骤。
1. 单体溶解:将单体溶解于适当的溶剂中,形成单体溶液。
溶剂的选择要考虑到单体的溶解度、反应速率等因素。
2. 引发剂添加:根据聚合反应的需要,向单体溶液中添加适当的引发剂。
引发剂能够在外界刺激下引发单体的聚合反应。
3. 聚合反应:将单体溶液置于适当的温度下,通过外界刺激(如加热、光照等)使引发剂发生分解,引发单体的聚合反应。
聚合反应的条件需要根据具体的单体和引发剂来确定。
4. 后处理:聚合反应完成后,需要对产物进行后处理。
后处理可以包括溶剂去除、洗涤、干燥等步骤,以得到纯净的高分子产物。
三、应用领域溶液法聚合工艺在材料合成中有着广泛的应用。
以下列举几个典型的应用领域:1. 高分子材料合成:溶液法聚合工艺可以合成各种高分子材料,如聚合物、共聚物等。
通过控制溶液中单体的浓度、引发剂的选择和反应条件等因素,可以调节合成材料的性能和结构。
2. 功能性材料合成:溶液法聚合工艺还可以用于合成具有特定功能的材料,如光敏材料、磁性材料等。
通过在单体中引入不同的官能团,可以赋予材料特定的性能。
3. 生物医学材料合成:溶液法聚合工艺在生物医学材料的合成中也有广泛的应用。
例如,可以通过溶液法聚合制备生物可降解的聚合物材料,用于药物缓释、组织工程等领域。
4. 纳米材料合成:溶液法聚合工艺还可以用于合成纳米材料。
通过控制溶液中的反应条件和添加适当的表面活性剂,可以合成具有纳米尺度的结构的材料。
溶液聚合概述溶液聚合是一种化学反应过程,通过将单体溶解在合适的溶剂中形成溶液,进而在适宜的条件下发生聚合反应,将单体分子连接成高分子化合物。
溶液聚合通常由引发剂在溶液中引发的自由基聚合反应来实现。
该方法可以用于合成各种聚合物,如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。
溶液聚合的过程溶液聚合通常包括以下几个步骤:1.单体溶解:将所需单体加入适宜的溶剂中,通过搅拌或加热等方式使单体充分溶解,形成初始的单体溶液。
2.引发剂添加:将引发剂加入单体溶液中,引发剂的选择通常根据所需合成聚合物的特性进行。
引发剂能够引发聚合反应,并控制聚合速率。
3.聚合反应:在适宜的温度下,通过热引发或光引发等方式,引发剂产生自由基,自由基与单体发生反应,连接成高分子链。
这个过程是一个自由基聚合反应,属于链式反应。
4.反应结束与处理:聚合反应进行到一定程度后,根据所需合成聚合物的要求,加入适当的终止剂或通过其他方式终止反应。
终止剂能够与聚合链发生反应,使聚合反应停止。
反应结束后,可以通过过滤、洗涤等步骤将聚合物分离出来。
5.聚合物的后处理:聚合物经过分离后,可能需要进行进一步的处理,例如干燥、粉碎、提纯等,以获得所需的最终产物。
溶液聚合的优势与其他聚合方法相比,溶液聚合具有以下一些优势:1.反应条件温和:溶液聚合通常在相对温和的条件下进行,无需高温高压等特殊条件,适用性较广。
2.反应过程可控性强:通过调节引发剂、单体浓度、反应温度等参数,可以对聚合反应进行有效控制,实现所需聚合物的合成。
3.可溶性高分子合成:溶液聚合能够合成可溶于溶剂中的高分子聚合物,并能够制备高分子溶液,便于后续加工和应用。
4.适用范围广:溶液聚合适用于合成各种类型的聚合物,如线性聚合物、交联聚合物、共聚物等,具有较高的适用性。
5.反应速度较快:相比其他聚合方法,溶液聚合的反应速度较快,可以较快地合成所需聚合物。
应用领域溶液聚合在许多领域都有广泛的应用,如:•化学工业:溶液聚合可用于合成树脂、涂料、胶水等化工产品,广泛应用于建筑、汽车、家居装饰等领域。
名词解释浊点:非离子表面活性剂被加热到一定温度,溶液由透明变为浑浊,出现此现象时的温度称为浊点,乳液聚合在浊点以下进行均缩聚:一种单体参加的缩聚反应共缩聚:均缩聚体系和混缩聚体系加入其它单体进行缩聚三相点:离子型乳化剂在一定温度下会同时存在乳化剂真溶液、胶束和固体乳化剂三相态,此温度点称三相点。
乳液聚合在三相点以上进行。
离子聚合:乙烯基单体,二烯烃单体以及一些杂环化合物在某些离子的作用下进行的聚合反应称之为离子聚合反应。
(单体在阳离子或阴离子作用下,活化为带正电荷或带负电荷的活性离子,再与单体连锁聚合形成高聚物的化学反应,统称为离子型聚合反应)配位聚合:是烯烃单体的碳-碳双键与引发剂活性中心的过渡元素原子的空轨道配位,然后发生位移使单体分子插入到金属-碳之间进行链增长的一类聚合反应。
混缩聚(异缩聚物):两种单体参加的缩聚反应逐步加成聚合反应:某些单体分子的官能团可以按逐步反应的机理相互加成而获得聚合物,但又不析出小分子副产物,这种反应称为逐步加成聚合反应。
扩链反应:预聚物通过末端活性基因的反应使分子相互连结而增大分子量的过程均相本体聚合:指生成的聚合物溶于单体(如苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯)。
非均相本体聚合:指生成的聚合物不溶解在单体中,沉淀出来成为新的一相(如氯乙烯)。
HLB值:亲水亲油平衡值用来衡量乳化剂分子中亲水部分和亲油部分对其性质所做贡献大小的物理量。
HLB值越大表明亲水性越大;反之亲油性越大。
"临界胶束浓度"(CMC):表面活性剂分子形成胶束时的最低浓度.从结构而言,疏水基团越大,则CMC值越小。
在烃基带有极性基团时,CMC值增大。
萃取精馏:是用来分离恒沸点混合物或组分挥发度相近的液体混合物的特殊精馏方法。
基本原理是,液体的混合物中加入较难挥发的第三组分溶剂,以增大液体混合物中各组分的挥发度的差异,使挥发度相对地变大的祖坟可以由精馏塔顶馏出,挥发度相对地变小的组分则与加入的溶剂在塔底流出。
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在进行溶液聚合之前,有大量的准备工作需要完成。
《高聚物合成工艺学》课程教学大纲英文名称:Synthetical Technic of Polymer课程类型:专业课课程要求:必修学时/学分:40/2.5适用专业:高分子材料与工程一、课程性质与任务过本课程的学习,使学生能掌握几种高聚物生产工艺,并能够用所学基础理论解决实际问题,对生产技术和发展方向有所了解,掌握高聚物合成工艺过程及方法的规律性。
掌握高分子材料科学的基础理论知识、高分子材料合成及改性的方法,具有开发新型高分子材料及产品的初步能力;具有对现有通用产品的生产和操作能力;具有常规分析仪器的操作和检测能力;具有进行技术经济分析和管理的初步能力。
二、课程与其他课程的联系高聚物合成工艺学是将单元操作技术,聚合反应工程及高聚物合成原理等综合一体的应用性较强的课程,该课程是在本专业学生学过了无机化学、有机化学、物理化学、化工原理和高分子化学及高分子物理等专业学科基础课的基础上开设的,在知识和内容上与这些课程紧密相关,特别是化工原理的单元操作和高分子化学的聚合反应过程是构成高聚物合成工艺的基本单元。
三、课程教学目标通过高聚物合成工艺学这门课程的学习,使学生达到以下目的:1 .了解高分子材料合成与分子设计的关系,了解高聚物合成所用的主要单体,合成树脂、合成橡胶、合成纤维、涂料、粘合剂、工程高分子材料、特种高分子、功能高分子等品种的生产和制备方法。
2.掌握重点高聚物品种生产工艺过程、工艺设备、过程控制方法和调节手段,掌握工艺计算和程序。
3.培养和训练学生将所学过的基本理论和技术与高聚物合成工艺紧密结合在一起,形成有机地统一体,从而提高学生分析和解决实际问题的能力。
4.从网上查找相关高聚物发展新材料。
新信息介绍给学生。
开拓学生视野。
四、教学内容、基本要求与学时分配五、其他教学环节(课外教学环节、要求、目标)1.教学方式与教学方法的具体改革措施是教学以讲授为主,辅以现场参观和文献调研等教学形式。
在教学过程中将参观辽阳石化分公司烯炷厂的聚乙烯装置。
名词解释:链转移常数:链转移速率常数K tr和增长速率常数K p之比,代表链转移反应与链增长反应的竞争能力。
P46 均缩聚物:用一种单体分子中含有两种可相互发生缩聚反应的官能团,则其缩聚产物称为均缩聚物。
P109 一级交联:一种是通过氨基甲酸酯基、脲基甲酸酯基或缩二脲基等化学键所形成的交联,它们是不可逆的和稳定的,键能都较大,常称为一级交联。
P138缩聚反应:含有反应性官能团的单体经缩合反应析出小分子化合物生成聚合物的反应。
P107硫化三要素:时间、温度、压力P36动态界面缩聚:在搅拌力的作用下使两相中的一相为分散相,另一相为连续相,此时大大的增加了两相的接触面积,而且界面层可以不断的更新,从而促进了缩聚反应的进行。
P121人造纤维:由非纤维状天然高分子化合物经化学加工得到的纤维。
P191阻聚剂:阻聚剂可以防止聚合作用的进行,在聚合过程中产生诱导期(即聚合速度为零的一段时间),诱导期的长短与阻聚剂含量成正比,阻聚剂消耗完后,诱导期结束,即按无阻聚剂存在时的正常速度进行。
缓聚剂:缓聚剂是调节树脂的放热性能,以满足工艺要求的添加剂,它不产生诱导期,只降低聚合速度,缓聚剂除不少品种与阻聚剂相同外,最有效的是α-甲基苯乙烯。
透气性:一般为一定厚度的薄膜于一定时间,与规定压力下,单位面积所透过的气体体积。
P184填空:1.支数表征纤维的粗细程度。
P1922.在橡胶硫化阶段,除了交联键的形成,还存在交联键的、和断裂。
P4353.塑料在长期受热条件下使用时会发生热老化现象,表现为颜色发生变化、机械强度降低、重量有损失等。
P1874.阴离子聚合所用的催化剂为5.过氧化二酰基和过氧化碳酸酯等化合物在分解时除了产生自由基外,还放出气体。
6.溶液聚合时,溶剂对产物分子量有影响只要是因为7.表面活性剂的表面张力随溶质浓度增加而下降达到一定值后,浓度在增加表面张力变化很小。
8.乳化剂可分为阳离子、阴离子、非离子乳化剂。
9.异氰酸酯指数大于2则说明分子不扩链,端基为—NCO,且存留有未反应的异氰酸酯。
习题集(348)第一章绪论(37)一、判断(10)1、由于塑料包装物大多呈白色,它们造成的环境污染被称为白色污染。
(+ )2、连续聚合特点是聚合反应条件是稳定的,容易实现操作过程的全部自动化,机械化,便于小批量生产。
(_ )3、进行聚合反应的设备叫做聚合反应器。
根据聚合反应器的形状主要分为管式、塔式和釜式聚合反应器。
(+ )4、本体聚合与熔融缩聚得到的高粘度熔体不含有反应介质,如果单体几乎全部转化为聚合物,通常不需要经过分离过程。
如果要求生产高纯度聚合物,应当采用真空脱除单体法。
(+)5、乳液聚合得到的浓乳液或溶液聚合得到的聚合物溶液如果直接用作涂料、粘合剂,也需要经过分离过程。
(_ )6、合成橡胶是用物理合成方法生产的高弹性体。
经硫化加工可制成各种橡胶制品。
(_ )7、合成纤维通常由线型高分子量合成树脂经熔融纺丝或溶液纺丝制成。
加有少量增光剂、防静电剂以及油剂等。
(+ )8、合成树脂生产中回收的溶剂。
通常是经离心机过滤与聚合物分馏得到的。
(+ )9、高分子合成工厂中最易发生的安全事故是引发剂、催化剂、易燃单体、有机溶剂引起的燃烧与爆炸事故。
(+ )10、塑料具有取材容易,价格低廉,加工方便,质地轻巧等优点。
(+ )二、填空(10)1、根据产量和使用情况合成橡胶可分为通用合成橡胶与特种合成橡胶两大类。
2、离子聚合及配位聚合实施方法主要有本体聚合与溶液聚合两种方法。
3、在溶液聚合方法中,如果所得聚合物在反应温度下不溶于反应介质中而称为非均相溶液聚合。
4、塑料的原料是合成树脂和助剂。
5、塑料成型重要的有:注塑成型、挤塑成型、吹塑成型、模压成型等。
6、高分子合成工业的产品形态可能是液态低聚物、坚韧的固态高聚物或弹性体。
7、高分子合成工业的基本原料为石油、天然气、煤炭等。
8、为使釜式聚合反应器中的传质、传热过程正常进行,聚合釜中必须安装搅拌器。
9、自由基悬浮聚合得到固体珠状树脂在水中的分散体系。
可能含有少量反应单体和分散剂。
名词解释:链转移常数:链转移速率常数K tr和增长速率常数K p之比,代表链转移反应与链增长反应的竞争能力。
P46 均缩聚物:用一种单体分子中含有两种可相互发生缩聚反应的官能团,则其缩聚产物称为均缩聚物。
P109 一级交联:一种是通过氨基甲酸酯基、脲基甲酸酯基或缩二脲基等化学键所形成的交联,它们是不可逆的和稳定的,键能都较大,常称为一级交联。
P138缩聚反应:含有反应性官能团的单体经缩合反应析出小分子化合物生成聚合物的反应。
P107硫化三要素:时间、温度、压力P36动态界面缩聚:在搅拌力的作用下使两相中的一相为分散相,另一相为连续相,此时大大的增加了两相的接触面积,而且界面层可以不断的更新,从而促进了缩聚反应的进行。
P121人造纤维:由非纤维状天然高分子化合物经化学加工得到的纤维。
P191阻聚剂:阻聚剂可以防止聚合作用的进行,在聚合过程中产生诱导期(即聚合速度为零的一段时间),诱导期的长短与阻聚剂含量成正比,阻聚剂消耗完后,诱导期结束,即按无阻聚剂存在时的正常速度进行。
缓聚剂:缓聚剂是调节树脂的放热性能,以满足工艺要求的添加剂,它不产生诱导期,只降低聚合速度,缓聚剂除不少品种与阻聚剂相同外,最有效的是α-甲基苯乙烯。
透气性:一般为一定厚度的薄膜于一定时间,与规定压力下,单位面积所透过的气体体积。
P184填空:1.支数表征纤维的粗细程度。
P1922.在橡胶硫化阶段,除了交联键的形成,还存在交联键的、和断裂。
P4353.塑料在长期受热条件下使用时会发生热老化现象,表现为颜色发生变化、机械强度降低、重量有损失等。
P1874.阴离子聚合所用的催化剂为5.过氧化二酰基和过氧化碳酸酯等化合物在分解时除了产生自由基外,还放出气体。
6.溶液聚合时,溶剂对产物分子量有影响只要是因为7.表面活性剂的表面张力随溶质浓度增加而下降达到一定值后,浓度在增加表面张力变化很小。
8.乳化剂可分为阳离子、阴离子、非离子乳化剂。
9.异氰酸酯指数大于2则说明分子不扩链,端基为—NCO,且存留有未反应的异氰酸酯。
《聚合物合成工艺学》各章重点第一章绪论1.高分子化合物的生产过程及通常组合形式原料准备与精致,催化剂配置,聚合反应过程,分离过程,聚合物后处理过程,回收过程2.聚合反应釜的排热方式有哪些夹套冷却,夹套附加内冷管冷却,内冷管冷却,反应物料釜外循环冷却,回流冷凝器冷却,反应物料部分闪蒸,反应介质部分预冷。
3. 聚合反应设备1、选用原则:聚合反应器的操作特性、聚合反应及聚合过程的特性、聚合反应器操作特性对聚合物结构和性能的影响、经济效应。
2、搅拌的功能要求及作用功能要求:混合、搅动、悬浮、分散作用:1)推动流体流动,混匀物料;2)产生剪切力,分散物料,并使之悬浮;3)增加流体的湍动,以提高传热效率;4)加速物料的分散和合并,增大物质的传递效率;5)高粘体系,可以更新表面,使低分子蒸出。
第二章聚合物单体的原料路线1.生产单体的原料路线有哪些?(教材P24-25)石油化工路线,煤炭路线,其他原料路线(主要以农副产品或木材工业副产品为基本原料)2.石油化工路线可以得到哪些重要的单体和原料?并由乙烯单体可以得到哪些聚合物产品?(教材P24-25、P26、P31)得到单体和原料:乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯。
得到聚合物:聚乙烯、乙丙橡胶、聚氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、维纶树脂、聚苯乙烯、ABS树脂、丁苯橡胶、聚氧化乙烯、涤纶树脂。
3. 合成聚合物及单体工艺路线第三章自由基聚合生产工艺§ 3-1自由基聚合工艺基础1.自由基聚合实施方法及选择本体聚合、乳液聚合、溶液聚合、悬浮聚合。
聚合方法的选择只要取决于根据产品用途所要求的产品形态和产品成本。
2.引发剂及选择方法,调节分子量方法种类:过氧化物类、偶氮化合物,氧化还原体系。
选择方法:(1)根据聚合操作方式和反应温度条件,选择适当分解速度的引发剂。
(2)根据引发剂分解速度随温度的不同而变化,故根据反应温度选择适引发剂。
(3)根据分解速率常数选择引发剂。
1生产单体的原料路线有哪几种?试比较它们的优缺点?答:①石油路线:目前最主要的单体原料路线②煤炭路线:乙炔,电石生产需大量电能,经济上不合理,由于我国历史原因和资源情况,乙炔仍是高分子合成的工业的重要原料。
③可再生资源路线,原料不充足,成本高,但充分利用自然资源,变废为宝的基础上,小量生产某些单体出发点还是可取的。
2、如何有C4馏分制取1,3丁二烯?①用C4馏分分离出来的丁烯进行氧化脱氢制取②将裂解气分离得到的C4馏分用PM下进行萃取蒸馏抽提制取。
第三章本体聚合1、简述高压聚乙烯工艺流程答:精制的乙烯进入一次压缩(一级);来自低压分离的循环乙烯与相对分子量调节剂混合后,进入一次压缩机入口,压缩至250MPa,然后与来自高压分离器循环乙烯混合后进行二级压缩;冷却单体进入聚合反应器,引发剂溶液用高压泵送入进料口或直接进入气相聚合;然后高压分离、低压分离挤出切粒,未反应单体分离循环使用。
2、高压PE有哪两种主要工艺路线?各有什么特点?管式反应器进行、反应釜中进行两条主要工艺路线管式反应器反应中:物料在管内呈柱塞状流动,无返混现象,反应温度沿反应管长度而变化,得高压聚乙烯分子量分布较宽,耐高压。
无搅拌系统,长链分枝少。
生产能力取决于反应管参数。
釜式反应器:物料可充分混合,反应温度均匀,还可分区操作。
耐高压不如管式,反应能力可在较大范围内变化,反应易控制。
PE分布窄,长链分枝多。
3、高压PE合成反应条件比较苛刻,具体条件如何?为什么采用这样的工艺条件?反应温度设在150℃~330℃,原因有二:①乙烯无任何取代基,分子结构对称,纯乙烯在350℃以上爆炸性分解,从安全角度,避免因某些特殊不可预知的因素造成温度上升,引发事故,故使T<330℃②PE 熔点为130℃,当T<130℃时造成大量PE凝固,堵塞管道,同样造成反应难以进行,造成事故,故最低温度不低于130℃,一般温度大于150℃。
反应在低压下进行,原因:乙烯常压下位气体,分子间距离远,不易反应,压缩后,分子间距离显著缩短,极大增加了自由基与单体分子之间碰撞几率,易反应,在100~300MPa下,C2H4接近液态烃,近似不可压缩状态,其次T上升,需压力也增加,才能使PE与单体形成均相状态,保持反应顺利进行。