第七章 离子聚合原理及生产工艺

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(3)配位阴离子聚合的单体 凡是可以进行聚合的烯类单体都可以在配位阴离子引 发剂的作用下转变为聚合物。 二、离子聚合的引发剂 1.阳离子聚合的引发剂 阳离子聚合的引发剂是“酸”。它包括:含氢酸、 Lewis酸、有机金属化合物和其它。 (1)含氢酸 含氢酸中有HCIO4、H2SO4、H3PO4和三氯乙酸 CCl3COOH等。 (2)Lewis 较强的Lewis酸有BF3、AlCl3,中强的有FeCl3、 SnCl4和TiCl4,较弱的有ZnCl2等。
高效引发剂的特点:使用了载体。Ti组分在载体上 高度分散,增加了引发剂的有效表面积,使活性中心 的数目大大增加;另一方面,过渡金属与载体间形成 了新的化学键。常用的载体有:Mg(OH)Cl和MgCl2。 如用Mg(OH)C1作载体就形成 ……Ti…O……Mg键的 骨架:导致引发剂热稳定性提高,引发剂的寿命延长, 所以引发效率提高。
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(3) a-烯烃配位聚合的引发剂 ① 乙烯配位聚合的引发剂 低压法常用的引发剂是TiCl4+Al(C2H5)2Cl。 二者均为液体,经配合后形成固体配合物,溶剂用 庚烷或汽油。引发剂和聚合物均不溶于溶剂中,属非 均相聚合体系。 中压法常用的引发剂是载于载体上的金属氧化物。常 用的有两种: 三氧化铬(CrO3)载于二氧化硅-三氧化二铝(SiO2A12O3)载体上。CrO3的含量为载体的2%~3%, SiO2:A12O3=9:1。用此引发剂体系生产HDPE的方法常 称为菲利普法; 三氧化钼(MoO3)载于活性g-A12O3上,常称为美浮法。
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由以上两种引发剂体系制得的HDPE产率都比较低, 仅为5kg~50kg PE/gTi(或Cr或Mo) 20世纪60年代后期出现了第一代高效引发剂,即将 Ziegler-Natta引发剂载于镁的化合物等载体上。 20世纪70年代索尔维公司研制得到了第二代 Ziegler~Natta高效引发剂。 使用高效引发剂可以使PE的产率提高到300kg~ 600kg PE/gTi,生产效率提高上百倍。采用高效引 发剂时,即使将引发剂全部留在聚合物中,其质量分 数只有2×10-6~3×10-6,对PE的性能无不良影响。 高效引发剂的采用,简化了生产工艺,革除了繁杂的 弓l发剂后处理工序,从而降低生产成本约15%-20%。
4.气相本体聚合存在的主要问题是反应热的导出较困难, 乙烯的单程转化率很低,只有2%。为此,增加了乙烯循 环、压缩的费用。此外,引发剂的毒性也较大。
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第三节 丙烯非均相溶液聚合(淤浆法)生产工艺 一、淤浆法制备聚丙烯的生产过程 1.原料准备 极性杂质,尤其是水会破坏引发剂的活性,极性杂质都必 须从系统中除去。 此外,象丙二烯、丁二烯、甲基乙炔等对聚合反应和 聚合物的立构规整性都是有害的。 饱和烃如乙烷和丙烷如含量高会降低单体的分压,影 响聚合速率,如有积累需定期排除。 因此,聚合用原料和助剂中杂质的含量必须减少到允 许的范围以下。 聚合用丙烯的纯度>99.6% , 其它杂质允许含量以 10-6计。
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三、离子聚合实施方法
离子聚合所用的引发剂对水极为敏感。因此,离子聚 合的实施中不能用水作为介质,即不能采用悬浮聚合和 乳液聚合。离子聚合只能采用本体聚合和溶液聚合,并 且单体和其他原料中含水量应严格控制,其含水质量分 数小于1×10-6。 在离子聚合中以溶液聚合方法为主,本体聚合法中, 只有低压(2MPa,85~100℃)HDPE的生产。在溶液聚 合方法中常根据聚合物在溶剂中的溶解情况不同可分为 均相溶液聚合(常称为溶液法)和非均相溶液聚合(常称为 淤浆法)。溶液聚合主要用于中压(2~10MPa)HDPE 的生产。淤浆法主要用于聚丙烯(PP)和丁基橡胶(PIBR) 的生产。
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第一代Ziegler—Natta引发剂的缺点:引发活性较低, 聚合物中残留的引发剂较多,后处理较复杂;同时引发 剂的阴离子配位能力低,立构规整度一般在90%左右, 需除去无规聚合物;产品表观密度小,颗粒太细,难以 直接加工利用。 (2)第二代Ziegler—Natta引发剂(又称高效引发剂)
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萘-钠配合物
3.配位阴离子聚合的引发剂 (1) 第一代Ziegler—Natta引发剂 1953年德国化学工作者Ziegler研究表明:用Ⅳ~Ⅷ族 的过渡金属化合物(TiCl4等)和金属有机化合物组成 的配位引发剂能引发乙烯聚合得到低压聚乙烯或称高密 度聚乙烯。 1955年意大利的Natta改进了Ziegler引发剂。用Ⅳ~ Ⅷ族的过渡金属化合物(TiCl3等)和金属有机化合物组 成的配位引发剂能引发丙烯聚合得到聚丙烯。 Ziegler—Natta引发剂:Ⅳ~Ⅷ族过渡金属化合物 和有机金属化合物组成的引发剂。 Ziegler—Natta引发剂的出现在高分子科学中开创了 一个新的研究领域——配位聚合。
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Ⅳ~Ⅶ族的过渡金属化合物,称为主引发剂。 常用的是+3价的Ti盐。如TiCl3。 TiCl3有四种晶型:a-, b-, g-, d-. 其中a-, b-, g-三种 晶型是有效成分。 有机金属化合物又称为助引发剂。工业上常用的有 Al(C2H5)3、 Al(C2H5)2Cl和AlC2H5C12。
双wenku.baidu.com属活性中心
活性中心是在TiCl3晶体表面上形成 高聚物合成工艺
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a-烯烃在这种活性中心上引发、增长。
单体(丙烯)的p 键先与正电性的过渡金属Ti配位, 随后Ti—C键打开、单体插入形成六元环过渡态,该过 渡态移位瓦解重新恢复至双金属桥式活性中心结构,并 实现了一个单体单元的增长,如此重复进行链增长反应。
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⒉ 溶剂 聚合用的溶剂己烷也必须精制后使用。 (3) 配制和反应系统要求 配制引发剂的系统和聚合反应系统也必须严格防止水和 氧气的进入。 2.引发剂的配制
丙烯聚合采用的Ziegler-Natta络合引发剂,由四组分 组成: TiCl3 / AlC2H5Cl2 / K2TiF6 / CH2 = CH-CH2OC4H9
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Ziegler-Natta引发剂下的配位聚合机理
自从Ziegler-Natta引发剂发现之日起,有关其引发下 的聚合机理问题一直是这个领域最活跃、最引人注目的 研究课题。聚合机理的核心问题是引发剂活性中心的结 构、链增长方式和立构定向原因。至今为止,虽已提出 许多假设和机理,但还没有一个能解释所有实验现象。 现在认同的机理主要有两种,即双金属活性中心机理和 单金属活性中心机理。
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配位聚合(Coordination polymerization):最早是 由Natta提出用于解释α-烯烃在Ziegler-Natta引发剂作 用下的聚合机理而提出的新概念。虽同属链式聚合机理, 但配位聚合与自由基、离子聚合的聚合方式不同,最明 显的特征是其活性中心是过渡金属(Mt)- 碳键。若先 不考虑活性中心的具体结构,以乙烯单体为例配位聚合 过程可表示如下:
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净化产品聚乙烯
产品包装
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二、乙烯气相本体聚合优缺点 1.乙烯气相本体聚合所用的引发剂活性很高,产率很高 为600kg PE/g Cr,所得产品的密度为0.94~0.96g/cm3 其相对分子量大小可由H2调节。 2.气相本体聚合由于不使用溶剂,采用高效引发剂, 省去了溶剂回收、精制、去除引发剂等工序,使工艺过 程简化,生产成本降低15%~20%。 3.乙烯气相本体聚合温度控制在85℃~100℃,在此 温度下PE粉末不会粘结,也不会粘附在聚合反应器壁上
引发剂需现用现配,配制引发剂需经Z-合成、B引发 剂的配制和A引发剂的配制。
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(3)有机金属化合物 有Al(C2H5)3、Al(C2H5)2 Cl、AIC2H5Cl2等。 (4)其它能产生阳离子的物质 如卤素中I2、氧翁离子、高氯酸盐[CH3CO(CIO4)]、砷酸 盐、[(C6H5)3C(SbCl6)]、[C7H7(SbCl6)]和高能射线等。 2.阴离子聚合的引发剂 阴离子聚合的引发剂是“碱”。它包括:烷基金属化 合物和碱金属、碱金属配合物和活性聚合物等。 (1)烷基金属化合物和碱金属
烷基金属化合物中主要有丁基锂C4H9Li、1,1’,4,4’ -四 苯基丁基二锂;碱全属中主要有Li、Na和K等。 它们的碱性最强,聚合活性最大,可以引发各种能进 行阴离子聚合的烯类单体。
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(2)碱金属配合物
(3)活性聚合物 先制备一个活性聚合物做为种子.然后用它引发第二 单体。 (4)其他 如醇钠RONa、醇钾ROK、强碱KOH、NaOH和吡啶等
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②丙烯配位聚合的引发剂 用于生产有规聚丙烯的Ziegler—Natta引发剂最基本 的组成是:a-TiCl3-Al(C2H5)2Cl。 使用以上发剂所得的聚丙烯全同立构体含量达80%~ 90%(其结晶部分为50%~60%,无定型部分20%~30 %),无规立构体为10%~20%:加入第三组分.能提 高引发剂的引发活性,聚合物的立构规整度和表观密度 以及生产能力等。例如加入甲基磷酰三胺,聚丙烯的立 构规整度可高达97%,但聚合速率有所下降。 20世纪60代末期,比利时的索尔维公司开发了用于聚丙 烯生产的高效引发剂,即用Al(C2H5)2Cl还原TiCl4生成 TiCl3,再将TiCl3经异戊醚处理,引发剂效率提高5-6倍.可 省去脱除引发剂残渣工序,生产成本降低20%,聚合物 的立构规整度为95%~96%。
为了提高Ziegler—Natta引发剂的引发活性,常在上 述双组分引发剂中加入第三组分。 第三组分成分:含有给电子元素周期律N、O和S等的 化合物。如叔丁基胺,乙醚、硫醚和N,N-二甲基磷化氧 等。 第三组分作用:将AlC2H5C12转化为Al(C2H5)2Cl,因 为后者的引发活性较高。
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☻离子聚合及配位聚合的原理
离子聚合:离子聚合与自由基聚合一样,同属链式聚 合反应,但链增长反应活性中心是带电荷的离子而不是 自由基。根据活性中心所带电荷的不同,可分为阳离子 聚合和阴离子聚合。对于含碳-碳双键的烯烃单体而言, 活性中心就是碳阳离子或负碳离子,它们的聚合反应可 分别用下式表示:
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第一节 离子聚合原理 一、离子聚合及其单体 1.离子聚合 概念:增长活性中心为离子的连锁聚合。 种类:离子聚合包括阴离子聚合、阳离子聚合和配位 阴离子聚合。 2.离子聚合的单体 (1)阳离子聚合的单体 含有强的推电子取代基的单取代和同碳二元取代的烯类 单体、含有共轭取代基的烯类单体和某些环状化合物。 (2)阴离子聚合的单体 含有强的吸电子取代基的单取代和同碳二元取代的烯类 单体、含有共轭取代基的烯类单体和某些环状化合物。
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第二节 乙烯气相本体聚合(低压法) ——HDPE的生产工艺 一、乙烯气相本体聚合生产过程
1.原料准备
乙烯的纯度>99%,其中杂质允许 (1)单体准备 质量分数为:w(H2O)<10×10-6 原因 w(O2)<5×10-6 , w(硫化物)<10×10-6, w(CO)<10×10-6,w(乙炔)<10×10-6。
H2O、CO2、CO、O2和硫化物的存在会使引发剂失活。 另一方面杂质的存在易发生链转移反应或链终止反应, 使聚合物的相对分子质量降低或结构发生变化。 方法:采用精馏方法,也可以采用净化剂如活性 炭、硅胶、活性氧化铝或分子筛来除去杂质和水分。
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(2)引发剂 采用比利时索尔维公司开发的高效引发剂——特制 的铬化合物——CrO3载于脱水硅胶上或其他载体上, 如MgO或:MgCl2等载体上。 (3)相对分子质量调节剂 用氢气作为相对分子质量调节剂。 2.聚合工艺 (1)工艺条件 操作压力:2MPa,聚合温度:85~100℃,转化率:2%. (2)工艺过程 加入引发剂,单体和分子量调节剂 聚合
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