聚合物工艺学第一PPT课件

Chapter 1 Introduction1-1 Action of the CourseConcept of TechnologyTPCatpolymermonomer原材料准备原材料准备涉及到合成条件（涉及到合成条件（TPCatTPCat），合成设备），合成设备配方配方合成合成分离分离后处理后处理5 5、高分子化合物的生产过程、高分子化合物的生产过程（1 1）高分子材料的生产概况：）高分子材料的生产概况：由最基本的原料，石油、天燃气、煤碳由最基本的原料，石油、天燃气、煤碳等制造高分子合成材料制品的主要过程等制造高分子合成材料制品的主要过程如表所示：如表所示：原材料原材料单体单体高聚物高聚物合成合成加工成加工成型型基本有机合成基本有机合成石油开采石油开采石油炼制石油炼制煤矿开采煤矿开采炼焦（煤焦油及焦碳）炼焦（煤焦油及焦碳）（2 2）高分子合成的一般过程）高分子合成的一般过程原料原料准备准备聚合聚合反应反应分离分离后处理后处理产物产物本体后处理本体后处理催化剂配制催化剂配制回收回收v(1(1）a.a.不精制，产生阻聚和链转移作用，不精制，产生阻聚和链转移作用，降低转化率及分子量降低转化率及分子量。

b.b.早封端早封端降低产品平均分子量降低产品平均分子量c.c.离子型聚合离子型聚合破坏催化剂破坏催化剂因此要求单体和溶剂具有很高的纯度，因此要求单体和溶剂具有很高的纯度，一般要求单体纯度达到一般要求单体纯度达到99%99%以上对苯二甲酰胺对苯二甲酰胺KevlarKevlar纤维纤维一、原材料的准备与精制一、原材料的准备与精制v（2 2）强化入厂检验（要是容量分析法）气相）强化入厂检验（要是容量分析法）气相色增，红外、薄层色谱色增，红外、薄层色谱,质谱v（3 3）除阻聚剂）除阻聚剂,除水除水添加阻聚剂；添加阻聚剂；贮存气体状态单体（如乙烯）经压缩冷贮存气体状态单体（如乙烯）经压缩冷却液化为液体的单体（如丙烯、氯乙烯、却液化为液体的单体（如丙烯、氯乙烯、丁二烯等）的贮灌应是耐压容器丁二烯等）的贮灌应是耐压容器为防止贮灌内进入空气，高沸点的单体为防止贮灌内进入空气，高沸点的单体的贮灌应当用氯气保护的贮灌应当用氯气保护低温贮存低温贮存（4 4）贮存）贮存措施二、催化剂（或引发剂）的准备及配制二、催化剂（或引发剂）的准备及配制q 聚合反应中，使用的催化剂（引发剂）的浓度聚合反应中，使用的催化剂（引发剂）的浓度很低，因此它们的纯度更显得特别重要。

显然，很低，因此它们的纯度更显得特别重要显然，如果纯度不纯则计量不准引发剂（催化剂）的如果纯度不纯则计量不准引发剂（催化剂）的净化提纯：减压蒸馏，重结晶此外催化剂的安净化提纯：减压蒸馏，重结晶此外催化剂的安全全贮存也特别重要贮存也特别重要q过氧化物需要在非纯粹的状态下保存；烷基金属过氧化物需要在非纯粹的状态下保存；烷基金属化合物和过渡金属卤化物要求隔绝氧气和隔绝水化合物和过渡金属卤化物要求隔绝氧气和隔绝水保存三、聚合过程三、聚合过程 聚合物在聚合反应器中分批生产，聚合物在聚合反应器中分批生产，也即在反应器中加入单体及引发剂（或催化剂），也即在反应器中加入单体及引发剂（或催化剂），反应介质等原材料以后，控制反应条件，使之进反应介质等原材料以后，控制反应条件，使之进行聚合反应，当达到要求的转化率时，将聚合物行聚合反应，当达到要求的转化率时，将聚合物等自聚合反应器中卸出等自聚合反应器中卸出进料进料反应反应出料出料清洗清洗反应器中进行了如下的循环操作：反应器中进行了如下的循环操作：3-1 间歇操作与连续操作：间歇操作与连续操作：间间 歇歇 聚合聚合（1 1）不易实现操作过程的全部自动）不易实现操作过程的全部自动（2 2）产品规格难以控制；）产品规格难以控制；（3 3）设备利用率降低；）设备利用率降低；（4 4）不适合大规模生产；）不适合大规模生产；（5 5）便于改变工艺条件，适宜小批量生）便于改变工艺条件，适宜小批量生产，容易改换品种和牌号。

产，容易改换品种和牌号优缺点：优缺点：是单体和引发剂或催化剂等是单体和引发剂或催化剂等连续加入聚合反应器反应得到的聚合连续加入聚合反应器反应得到的聚合物则连续不断地排出聚合反应器物则连续不断地排出聚合反应器优点：优点：（1 1）容易实现操作过程的全部自动化、机械）容易实现操作过程的全部自动化、机械化；化；（2 2）产品质量规格稳定；）产品质量规格稳定；（3 3）适合大规格生产、污染小；）适合大规格生产、污染小；（4 4）劳动生产率成本低；）劳动生产率成本低；缺点：缺点：不适合生产小批量牌号的产品不适合生产小批量牌号的产品连续聚合连续聚合3-2 3-2 聚合反应器聚合反应器聚合反应是高分子材料生产过程中最主要聚合反应是高分子材料生产过程中最主要的化学反应过程约占反应周期的的化学反应过程约占反应周期的70%70%聚合反应在反应器这个特殊的场合进行，聚合反应在反应器这个特殊的场合进行，是设备的核心部分是设备的核心部分反应器有管式聚合反应器、塔式聚合反应反应器有管式聚合反应器、塔式聚合反应器、器、釜式聚合反应器釜式聚合反应器、螺旋挤出式反应器、螺旋挤出式反应器、板框式反应器板框式反应器1 1）产品形成之后，不易进行精制提纯。

要）产品形成之后，不易进行精制提纯要求生产设备在材质方面不会污染聚合物因此求生产设备在材质方面不会污染聚合物因此聚合反应设备和管道在多数情况下应当采用不聚合反应设备和管道在多数情况下应当采用不锈钢，搪瓷、或不锈钢与碳钢的复合材料等制锈钢，搪瓷、或不锈钢与碳钢的复合材料等制成2 2）反应条件的波动变化，将影响平均分子）反应条件的波动变化，将影响平均分子量，分子量分布及结构等因此，为控制产品量，分子量分布及结构等因此，为控制产品的规格，反应条件应（温度，压力）稳定不变的规格，反应条件应（温度，压力）稳定不变或控制在允许变化的最小范围，最好采用高度或控制在允许变化的最小范围，最好采用高度自动化控制并便于调节，便于取样观察，自动化控制并便于调节，便于取样观察，（看反应是否正常，测定转化率、粘度、（看反应是否正常，测定转化率、粘度、MIMI等）3-3 3-3 反应热的去除反应热的去除不饱和单体经聚合反应转变为聚合物的不饱和单体经聚合反应转变为聚合物的化学反应是放热反应因此聚合反应器化学反应是放热反应因此聚合反应器的首要问题是如何有效地去除聚合反应的首要问题是如何有效地去除聚合反应热，以保证规定的反应温度。

釜式聚合热，以保证规定的反应温度釜式聚合反应器去热方式是多种多样的反应器去热方式是多种多样的重要的有：重要的有：（1 1）夹套冷却；）夹套冷却；（2 2）夹套附加内冷管冷却；）夹套附加内冷管冷却；（3 3）釜体内加内冷管冷却；）釜体内加内冷管冷却；（4 4）反应物料釜外循环冷却；）反应物料釜外循环冷却；（5 5）回流至冷凝器冷却；）回流至冷凝器冷却；（6 6）反应物料部分闪蒸；）反应物料部分闪蒸；（7 7）反应介质予冷反应介质予冷3-4 3-4 搅拌搅拌聚合反应器中的反应物在反应初期，大多都聚合反应器中的反应物在反应初期，大多都是易于流动的液体状态，随着聚合反应的进是易于流动的液体状态，随着聚合反应的进行，单体逐渐转变为聚合物，逐渐变稠行，单体逐渐转变为聚合物，逐渐变稠聚合反应釜内的物料是均相体系时聚合反应釜内的物料是均相体系时，随着单，随着单体转化率的提高物料的粘度明显增大，此体转化率的提高物料的粘度明显增大，此时搅拌器的作用主要是使物料强烈流动，以时搅拌器的作用主要是使物料强烈流动，以使各部分物料的温度均匀，同时加大对器壁使各部分物料的温度均匀，同时加大对器壁的给热系数，使聚合热及时传导给冷却介质，的给热系数，使聚合热及时传导给冷却介质，以免产生局部过热现象。

以免产生局部过热现象对于非均相体系对于非均相体系，搅拌器作用不仅具有，搅拌器作用不仅具有上述加速热交换，使物料温度均匀的作上述加速热交换，使物料温度均匀的作用而且具有使物料保持分散状态，以用而且具有使物料保持分散状态，以避免发生结块现象的作用避免发生结块现象的作用在缩聚过程中还在缩聚过程中还可以不断更新界面，使可以不断更新界面，使小分子化合物及时蒸出以加速反应的进小分子化合物及时蒸出以加速反应的进行因此，对于均相反应体系，搅拌器的作因此，对于均相反应体系，搅拌器的作用主要是加速传热过程对于非均相体用主要是加速传热过程对于非均相体系，则有加速传热和传质过程的双重作系，则有加速传热和传质过程的双重作用常见的搅拌器有：平浆式、旋浆式、涡轮常见的搅拌器有：平浆式、旋浆式、涡轮式、锚式以及螺带式等式、锚式以及螺带式等四四 分离分离经聚合反应得到的物料，多数情况下不经聚合反应得到的物料，多数情况下不是单纯的聚合物，而含有未反应单体，是单纯的聚合物，而含有未反应单体，催化剂残渣，反应介质（水或有机溶剂）催化剂残渣，反应介质（水或有机溶剂）等因此必须将聚合物与未反应单体、等因此必须将聚合物与未反应单体、反应介质等进行分离。

显然，反应介质等进行分离显然，分离的目分离的目的有二：的有二：一是使所得的聚合物尽可能纯一是使所得的聚合物尽可能纯净，二是使残余单体，活剂介质等经过净，二是使残余单体，活剂介质等经过回收循环使用降低成本，减少环境污染回收循环使用降低成本，减少环境污染脱除溶剂的方法有脱除溶剂的方法有 离心过滤法、离心过滤法、沉降法、沉降法、凝聚法、凝聚法、喷雾干燥法等喷雾干燥法等脱单体脱单体脱催化剂脱催化剂脱溶剂脱溶剂后处理后处理分离过程通常包括分离过程通常包括：脱除单体的方法有：脱除单体的方法有：闪蒸法闪蒸法减压蒸馏法减压蒸馏法水蒸汽蒸馏法等水蒸汽蒸馏法等v选择什么样的分离方法与物料的形态有关选择什么样的分离方法与物料的形态有关本体聚合得到的物料通常含有少量未反本体聚合得到的物料通常含有少量未反应单体或低聚物在熔融状态脱除单体应单体或低聚物在熔融状态脱除单体时，聚合物熔体的粘度增加甚为迅速，时，聚合物熔体的粘度增加甚为迅速，要求更高的温度才能脱除完全，此时可要求更高的温度才能脱除完全，此时可能会引起聚合物分解为了降低温度应能会引起聚合物分解为了降低温度应采用高真空度脱除单体的方法，并使聚采用高真空度脱除单体的方法，并使聚合物熔体呈薄层或线状流动。

合物熔体呈薄层或线状流动自由基悬浮聚合得到的固体珠状树脂在自由基悬浮聚合得到的固体珠状树脂在水中的分散体系可能含有少量反应单水中的分散体系可能含有少量反应单体和分散剂首先应脱除未反应单体，体和分散剂首先应脱除未反应单体，其方法是对压力下液化的单体进行闪蒸其方法是对压力下液化的单体进行闪蒸对于沸点较高的单体则进行水蒸汽蒸馏，对于沸点较高的单体则进行水蒸汽蒸馏，使单体与水使单体与水沸的沸的脱除之然后用离心机脱除之然后用离心机过滤使水与固体粉状聚合物进行分离过滤使水与固体粉状聚合物进行分离v经自由基溶液聚合或离子聚合或配位聚合得到的高粘经自由基溶液聚合或离子聚合或配位聚合得到的高粘度溶液，其分离方法根据产物是合成树脂还是合成橡度溶液，其分离方法根据产物是合成树脂还是合成橡胶而不同胶而不同v合成树脂，通常是将树脂溶液逐渐加入非溶剂中，在合成树脂，通常是将树脂溶液逐渐加入非溶剂中，在沉淀釜中搅拌使合成树脂呈粉状固体析出沉淀釜中搅拌使合成树脂呈粉状固体析出v合成橡胶的高粘度溶液，不能用非溶剂分离合成橡胶合成橡胶的高粘度溶液，不能用非溶剂分离合成橡胶因为沉淀出固体合成橡胶会粘结为含有有机溶剂的大因为沉淀出固体合成橡胶会粘结为含有有机溶剂的大块，而不能进行出料和后处理。

其分离方法是将高粘块，而不能进行出料和后处理其分离方法是将高粘度橡胶溶液喷入沸水中，同时进行强烈的搅拌，未反度橡胶溶液喷入沸水中，同时进行强烈的搅拌，未反应单体和溶剂与一部分水蒸汽被蒸出，合成橡胶则以应单体和溶剂与一部分水蒸汽被蒸出，合成橡胶则以直径直径1020mm左右的胶粒析出经过滤法所得到胶左右的胶粒析出经过滤法所得到胶粒五、聚合物的后处理五、聚合物的后处理经分离过程得到的聚合物中通常含有少量经分离过程得到的聚合物中通常含有少量的水分，或有机溶剂，必须经干燥脱除水的水分，或有机溶剂，必须经干燥脱除水分有机溶剂而得到干燥的橡胶及树脂工分有机溶剂而得到干燥的橡胶及树脂工业上采用的干燥方法有气流干燥、沸腾床业上采用的干燥方法有气流干燥、沸腾床干燥，箱式干燥或挤压膨胀等方式干燥，箱式干燥或挤压膨胀等方式六、回收过程六、回收过程主要是回收溶剂进行精制，然后循环使用主要是回收溶剂进行精制，然后循环使用1 1）合成树脂中回收的溶剂，通常是经离）合成树脂中回收的溶剂，通常是经离心机过滤与聚合物分馏得到的其中可能有心机过滤与聚合物分馏得到的其中可能有少量单体，破坏催化剂用的甲醇或乙醇等，少量单体，破坏催化剂用的甲醇或乙醇等，还可能溶解有聚合物（如无规聚丙烯）、用还可能溶解有聚合物（如无规聚丙烯）、用水与溶剂静置分层，将可溶于水的组分如醇水与溶剂静置分层，将可溶于水的组分如醇类萃取到水相。

而单体则包溶到溶剂中，然类萃取到水相而单体则包溶到溶剂中，然后用精馏的方法回收溶剂其中高沸物作为后用精馏的方法回收溶剂其中高沸物作为废料弃去，醇类从水中蒸出回收废料弃去，醇类从水中蒸出回收2 2）合成橡胶中回收的溶剂，通常是在）合成橡胶中回收的溶剂，通常是在橡胶凝聚釜中同水蒸汽一同蒸出来的，橡胶凝聚釜中同水蒸汽一同蒸出来的，因此不含有不挥发物，而含有可挥发的因此不含有不挥发物，而含有可挥发的单体和终止剂如甲醇等经冷凝后，水单体和终止剂如甲醇等经冷凝后，水与溶剂通常形成与溶剂通常形成2 2层液相，可溶于水的组层液相，可溶于水的组分则溶于水中，溶剂层中则可能含有未分则溶于水中，溶剂层中则可能含有未反应单体，防腐剂，充油剂等然后再反应单体，防腐剂，充油剂等然后再用精馏的方法使单体与溶剂分离防老用精馏的方法使单体与溶剂分离防老剂等高沸点溶剂则作废料处理剂等高沸点溶剂则作废料处理。