第八章 聚合过程及聚合反应器.ppt

聚合过程和聚合反应器 第一节 工业聚合方法 第二节 聚合反应器 第三节 聚合反应器选择原则 聚合过程及聚合反应器 聚合物生产工业通常由原料准备与精制、引发剂（催化剂）配制、聚合、分离、后处理及回收等六个工艺过程组成。聚合物品种不同，生产工艺条件不同，辅助过程的重要性有所差异，但聚合过程总是整个工艺过程的核心。而聚合反应器则是核心中的核心。 采用不同的聚合反应器对聚合产物的结构和性能产生显著的影响。 不同的聚合反应机理对于单体、引发剂（催化剂）和反应介质的要求各不一致，所以实现这些聚合过程要采用不同的聚合方法。 第一节 工业聚合方法 聚合方法的选择要考虑的因素： 单体的化学特性 传热方式 聚合物的特性 对产品的质量要求（实现大型化、连续化） 聚合反应器的结构与特性 工业上常用的聚合方法有本体聚合、悬浮聚合、乳液聚合和溶液聚合。 1.本体聚合 本体聚合最大的特点是在聚合过程中，除了引发剂外不须加入分散剂、乳化剂等聚合助剂或溶剂，所以产品的纯度高与其他聚合方法相比， 工艺流程简单，能耗低，成本低，对环境的污染小。从反应器的利用率来看，是所有聚合方法中最高的。 1.本体聚合 工业上本体聚合可用间歇法和连续法生产。生产中关键的问题是反应热的排除。聚合初期， 转化率不高、体系粘度不大时，散热当无困难。当转化率提高（如20%-30%）、体系粘度增大后，散热不易，造成混合、传热困难，反应情况恶化。如果不能及时带出反应热，就会使体系温度上升，聚合度下降，聚合度分布加宽，副反应增加，最后影响到聚合物的机械强度，严重的则温度失调，引起爆聚。 1.本体聚合 改进的方法是采用两段聚合： 第一阶段为预聚合，保持较低的转化率，10%-40%不等，这阶段体系粘度较低，散热尚无困难，聚合可在较大的聚合釜中进行---搅拌釜式反应器。小型本体聚合可采用间歇搅拌釜，大型本体聚合装置可采用连续搅拌釜。 经预聚后，体系中单体浓度已经降低，反应速率渐趋缓慢，放热速率亦随之减慢，甚至有时还需要外部供给反应体系以热量。这时反应进入第二阶段即后聚阶段。 1.本体聚合 第二阶段采用的反应器为塔式反应器或特殊类型的聚合反应器。第二阶段进行薄层聚合，或以较慢的速度进行。 本体聚合最终因反应前后的温度变化太大 而使产物的聚合度分布拉宽，产物的性能变差。 从本质上看，本体聚合是一种最简单的聚合体系，几乎所有的聚合物均可用此法制备，所以它的通用性很强，有可能发展成为最简单的工业聚合方法。 2.悬浮聚合 悬浮聚合是单体以小液滴状悬浮在水中进行的聚合。单体中溶有引发剂，一个小液滴就相当于本体聚合的一个单元。从单体液滴转变为聚合物固体粒子，中间经过聚合物-单体粘性粒子阶段。为了防止粒子相互粘结在一起，体系中须另加分散剂，以便在粒子表面形成保护膜。因此悬浮聚合体系一般由单体、引发剂、水、分散剂四个基本组分组成。 悬浮聚合机理和本体聚合相似，也有均相聚合和沉淀聚合之分。 2.悬浮聚合 悬浮聚合产品的纯度高，工艺过程的简单程度仅次于本体聚合。 主要缺点为： （1）不易实现连续化 主要原因是聚合物粒子在一定的转化范围内是发粘的，易于粘在反应器的壁面，通过搅拌可以防止或减轻粘壁。 而在连续悬浮聚合时，釜与釜间输送物料的管道由于没有搅拌，粒子很易粘于管壁， 最终堵塞管道，使操作无法进行。 2.悬浮聚合 （2）通用性差。只适用于特殊的单体-引发剂体系。因为悬浮聚合的连续相用水，当使用的引发剂（或催化剂）遇水会分解时，就不能采用。 悬浮聚合最常用的反应器为搅拌釜。 2.悬浮聚合 悬浮聚合有以下几个优点： （1）体系粘度低，聚合热容易从粒子经水介质通过釜壁由夹套冷却水带走，散热和温度控制比本体聚合、溶液聚合容易得多。产品分子量及其分布比较稳定。 （2）产品分子量比溶液聚合高，杂质含量比乳液聚合产品少。 （3）后处理工序比溶液聚合、乳液聚合简单，生产成本较低，粒状树脂可以直接用来加工。 3.乳液聚合 单体在水介质中，由乳化剂分散成乳液状态进行的聚合，称为乳液聚合。 乳液聚合是在乳胶粒中进行反应，反应速率高，产物聚合度高，乳液聚合也是用水作连续相，所以传热问题也易于解决。但为了稳定乳液，必须在聚合体系中加入多种配合剂，而又有些配合剂很难从产物中去除，故乳液聚合的产品适用于制品纯度要求不高的场合。 乳液聚合时，链自由基处于孤立隔离状态，长链自由基很难彼此相遇，以致自由基寿命较长，终止速率较小，因此聚合速率高，且可获得高的分子量。 3.乳液聚合 乳液聚合的优点： （1）以水作分散介质，价廉安全。乳液的粘度与聚合物分子量及聚合物含量无关，这有利于搅拌、传热和管道输送，便于连续操作。 （2）聚合速率快，同时产物分子量高，可以在较低的温度下聚合。 （3）直接采用胶乳的场合，如水乳漆，粘结剂，纸张