3.1.4自由基溶液聚合生产工艺详解
高分子化学 自由基聚合讲解
高分子化学
3.1 连锁聚合反应
3.1.2 连锁聚合反应分类
活性中心（reactive center)
可以是自由基、阳离子和阴离子，它进攻单体的双键，使单 体的π键打开，与之加成，形成单体活性种，而后进一步与单体 加成，促使链增长。
自由基聚合
连锁聚合反应
依据活性种的不同
阳离子聚合
阴离子聚合
11
高分子化学
30
高分子化学
3.2
自由基聚合的基元反应
自由基聚合机理
链引发 链增长 链终止 链转移反应
自由基聚合属于一
种链锁聚合反应，符 合一般连锁反应特征
3.2.1 链引发反应 initiation reaction
实现自由基聚合反应的首要条件是在聚合体系中产生自由 基。链引发反应是形成单体自由基活性种的反应。
2．转移反应 3．偶合反应 4．歧化反应
R·+ R'H R· + R'·
R-H + R'· R-R'
5．氧化反应
HO· + Fe2+
HO―+ Fe3+
27
高分子化学
3.2
自由基聚合机理
三．自由基的稳定性
说明：①共轭效应使自由基稳定；和空间效应。
②斥电子诱导效应使自由基稳定性降低； ③共轭效应和诱导效应矛盾时，共轭效应为主； ④空间位阻大，自由基稳定性高。 ⑤电性效应和空间效应矛盾时，空间效应为主。
3.1 连锁聚合反应
三种自由基聚合示例
R
+CH2 CH
X
R
CH2
CH X
n CH
2CHຫໍສະໝຸດ XRCH2
高聚物合成工艺-第七章 溶液聚合
介质pH值
pH<4，NaSCN易分解，生成的硫化物有阻聚和链转 移作用，pH＞7，CN水解，生成NH3，又会与聚 丙烯腈作用生成共轭双键并形成脒基而显黄色，故 控制pH值在4.8～5.2。
引发剂和分子量调节剂
常用偶氮二异丁腈，分子量调节剂异丙醇，用量为 0.2%～0.8%和0～3％。
浅色剂二氧化硫脲
7.5.2 聚丙烯腈结构、性能和应用
• 白色粉末，密度1.14g/cm3,大分子链中丙烯腈以头 －尾相连。由于主链强极性侧基－CN的相互作用， 分子呈无规结构，不易结晶，一般认为有三种不同 的聚集区域，非晶的低序区、非晶的中序区和准晶 的高序区。
• 聚丙烯腈具有独特物理和化学结构，呈某些特性。 热弹性
聚合时间与温度
聚合时间的长短会影响聚合转化率，聚合物 的分子量及其分布。聚合温度的影响也极大。 温度低，引发速度慢，温度高，则产物的颜色 太深。同时温度的高低还会影响转化率和分子 量。通常聚合时间为1～2小时，聚合温度控 制在35～55℃。
添加剂及杂质
加入少量表面活性剂，可提高聚合反应的初速度。 “NaClO3－Na2SO3”体系聚合时，加入Fe2＋可 加速聚合。氧等杂质起到阻聚作用。
= Xn0
+ CS [M]
7.2.3 溶剂对聚合物分子结构、形态的影响
• 在无溶剂存在的自由基聚合反应中，随单体转化 率增高和聚合物浓度的增大，自由基向已生成的 大分子链进行链转移的几率增多，因此产生支链 结构。在溶剂存在的反应体系中，可降低向大分 子进行链转移的机会，从而减少大分子的支链， 降低支化度。
二氧化硫脲的加入量为0.5～1.2％，可改善聚合物色 泽。
7.5.1.3 聚丙烯腈水相沉淀溶液聚合工艺
• 水相沉淀的特点及工艺流程
自由基聚合生产工艺
分子量调节剂
新鲜乙烯
引发剂
25MPa
0.1MPa
25MPa
一次 压缩机
高压分离器
低压分离器
平均聚合度随温度升高而降低
严格控制引发剂用量
选择适当的分子量调节剂
严格控制反应温度 和其它反应条件
产品平均 分子量
合成聚酯的路线
某些物质同自由基作用，可能形成非自由基物质，或形成活性低、不足以再引发的自由基。根据对反应的抑制程度，可将这类物质粗略分为阻聚剂和缓聚剂。
使部分自由基终止，使聚合减慢。
有机玻璃生产工艺
单体
配料
制浆
模板 清洗
裁切 包装
脱模
聚合
封合
排气
灌浆
入库
制模
新模板
第三步聚合： 把封合的模框吊入热水箱（或烘房），根据板厚分别控制温度在25～52℃，经过10～160小时，到取样检查料源硬化为止，用接蒸汽加热水箱内水至沸腾，保持二小时，通水慢慢冷却到40℃，吊出模具，取出中间有机玻璃板材，去边，裁切后包装。
发泡剂
(a) 过氧化氢-亚铁盐氧化-还原体系
Fe+2 + H2O2 Fe+3 + OH- + ·OH
H2O2 H+ + HO2-
Fe+3 + HO2 - Fe+2 + H-O-O·
聚合方法的选择
原始颗粒粒径只有1微米左右，适于生产聚乙烯糊。
例如：聚氯乙烯树脂的生产工艺
Hale Waihona Puke 溶液聚合方法乳液聚合方法悬浮聚合方法
本体聚合方法
2.自由基聚合机理
烯类单体的加聚基本属于连锁聚合。在适当条件下价键有均裂和异裂两种方式。
第四章__自由基悬浮聚合原理及生产工艺
13
2．聚合温度 当聚合配方确定后，聚合温度是反应过程中最主要的参 量。聚合温度不仅是影响聚合速率Rp的主要因素，也是 影响聚合物相对分子质量(或动力学链长Ʋ)的主要因素.
引发剂分解速率
与温度有关
引发剂的引发效率
高聚物合成工艺
14
3．聚合时间 连锁聚合的特点之一是生成一个聚合物大分子的时间 很短，只需要0.01秒～几秒的时间，也就是瞬间完成的。 但是要把所有的单体都转变为大分子则需要几小时，甚 至长达十几小时。这是因为温度、压力、引发剂的用量 和引发剂的性质以及单体的纯度都对聚合时间产生影响， 所以聚合时间不是一个孤立的因素。
高聚物合成工艺
17
(3) 粘釜壁 进行悬浮聚合时，被分散的液滴逐渐变成黏性物质， 搅拌时被浆叶甩到聚合釜壁上而结垢。 结垢后使聚合釜传热效果变差，而且，当树脂中混有 这种粘釜物后加工时不易塑化。 粘釜的原因很多，如搅拌器的型式与转速、釜型与釜 壁材料、釜壁的表面粗糙度、水油比、悬浮剂的种类及 用量、聚合温度及转化率和体系的pH值等。 (4)清釜壁 目前，用高压水冲刷釜壁除去粘釜物。高压水的压力在 15MPa～39MPa，此法不损伤釜壁，劳动强度小，效率 高，减少了单体对空气的污染，维护了工人的健康。另 外，还可以用涂布法减轻粘釜，即在釜壁涂上某些涂层。
高聚物合成工艺
8
采用明胶做悬浮剂的缺点： 用量多容易沉积在聚合物粒子表面，形成一层难于洗去 的保护膜，影响产品的色泽而且使粒子表面坚硬，产品 吸收增塑剂的能力变差，且影响产品的耐热性。另外， 由于明胶是一种天然高聚物，杂质较多，在一定温度下 易受细菌的作用而使聚合物分解变质。 (2)纤维素醚类 作为悬浮剂的纤维素醚类有甲基纤维素(MC)、羟乙基 纤维素(HEC)、羟丙基纤维素(HPC)、乙基羟乙基纤维 素(EHEC)等。 纤维素作悬浮剂的优点：可以使聚合体系稳定，防止 聚合物粒子之间粘结，减轻粘釜程度，提高产品质量， 得到的粒子小而均匀，粒子结构疏松，吸收增塑剂的能 力强。
自由基溶液聚合原理及生产工艺
为了降低生产成本和提高生产效率，研究者们不断对聚合工艺进行优化和改进。这些优化和改进包括 改进反应条件、提高反应转化率、降低能耗和减少废弃物排放等。这些措施能够有效地降低生产成本 和提高生产效率，同时也有助于保护环境。
高性能聚合物材料的研发
总结词
高性能聚合物材料的研发是自由基溶液聚合技术的重要应用方向，它们在航空航天、电子信息、生物医疗等领域 具有广泛的应用前景。
加工性能
由于具有良好的溶解性和流动性，自 由基溶液聚合的聚合物适合于采用注 塑、挤出、吹塑等加工工艺，便于生 产各种形状和尺寸的制品。
04 自由基溶液聚合技术发展 与展望
新催化剂与引发剂的开发
总结词
新催化剂与引发剂的开发是自由基溶液聚合技术发展的关键，它们能够提高聚合 效率和聚合物性能。
详细描述
详细描述
随着科技的不断进步，高性能聚合物材料的研发越来越受到关注。这些高性能聚合物材料具有优异的力学性能、 电性能、热性能和化学性能等，在航空航天、电子信息、生物医疗等领域具有广泛的应用前景。通过自由基溶液 聚合技术的不断发展，相信高性能聚合物材料的研发将取得更多的突破和进展。
05 自由基溶液聚合生产安全 与环保
自由基溶液聚合原理及生产工艺
contents
目录
• 自由基溶液聚合原理 • 自由基溶液聚合生产工艺 • 自由基溶液聚合产品性能与应用 • 自由基溶液聚合技术发展与展望 • 自由基溶液聚合生产安全与环保
01 自由基溶液聚合原理
自由基聚合定义
自由基聚合是一种常见的聚合反应类型，它通过引发剂引发 单体分子形成自由基，然后这些自由基与单体分子发生连锁 聚合反应，生成高分子聚合物。
后处理工艺的选择和操作对聚合物质 量和产率具有重要影响，需根据具体 情况进行优化和控制。
聚合物合成工艺-第3章
引发剂的分解速率，应与反应时间（停留时间）匹配
根据引发剂分解速率常数kd
在相同介质和温度下，不同引发剂的kd不同，kd 大者，分解速率快，活性高。
根据引发剂分解活化能Ed
Ed大者，分解的温度范围窄 如要求引发剂在某一温度范围内集中分解，则选
用Ed大者 反之，可选用Ed小者。
化率，是LDPE合成工艺研究的重点。
工艺概况
LDPE的合成工艺均由ICI公司的技术衍生而来，除反应 器、配方、工艺控制有所不同外，流程均大致相同。
生产流程示意图
兰化集团引进Basell公司20万t/aLDPE 装置工艺流程
流程简述
乙烯与分子量调节剂混合后，经一次压缩（25～30MPa） 后与循环乙烯混合，进入二级压缩机，出口压力110～ 400MPa（不同工艺，要求的压力不同）。
变宽 可通过控制反应过程中[S]/[M]值，控制分子量分布 比较常用的方法是分批次补加链转移剂。
链转移剂的选择
一般根据50％转化率－U1/2进行选择。 U1/2－链转移剂消耗50％时单体的转化率。
U1/2＝100（1－0.51/Cs） 一般情况下，CS提高，U1/2下降。 根据反应的单体转化率要求，选择合适的链转移剂。 链转移剂的U1/2可查阅有关手册。
物理机械性能产生重要影响。
聚乙烯的主要分类
a. 低密度（高压）聚乙烯（LDPE）
密度为0.915～0.930 g/cm3的均聚物
自由基 共聚合
含少量极性基团的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物-EVA
乙烯-丙烯酸乙酯共聚物-EAA
b.线性低密度和中等密度聚乙烯（LLDPE、MDPE）
乙烯、α-烯烃（1-丁烯、1-己烯或1-辛烯）的共聚物
第三章自由基聚合工艺
3.1 自由基聚合工艺基础 3.2 本体聚合生产工艺 3.3 悬浮聚合生产工艺 3.4 溶液聚合生产工艺 3.5 乳液聚合生产工艺
3.1 自由基聚合工艺基础
◆自由基聚合反应是当前高分子合成工业中应用最广泛 的化学反应之一
◆自由基聚合反应适用单体：乙烯基单体、二烯烃类单 体
影响聚合物平均分子量的主要因素：反应温度、引发 剂浓度和单体浓度、链转移剂的种类和用量
(1)聚合反应温度升高，所得聚合物的平均分子量降低 (2)引发剂用量对聚合物平均分子量发生显著的影响。
(动力学链长V=K[M]/[Ｉ]0.5
(3)链转移反应导致所得聚合物的分子量显著降低，对 获得高分子量聚合物不利，但可用来控制产品的平均 分子量，甚至还可用来控制产品的分子量。
混炼后用于成型 注塑成型用 假牙齿、牙托等
聚合物溶液 直接用于纺丝或溶解后
或颗粒
纺丝
聚合物溶液 直接用来转化为聚乙烯 醇
表2 四种聚合方法的工艺特点
聚合方法
聚合 主要操作方式 过程 反应温度控制
单体转换率 分离 工序复杂程度 回收 及后 动力消耗 处理 过程 产品纯度
废水废气
本体聚 乳液聚合 合
连续 连续
7.氯乙烯自由聚合时，聚合速率用 引发剂用量 调 节，而聚合物的相对分子质量用 聚合温度 控制。
第3章 自由基聚合生产工艺
3.1 自由基聚合工艺基础 3.2 本体聚合生产工艺 3.3 悬浮聚合生产工艺 3.4 溶液聚合生产工艺 3.5 乳液聚合生产工艺
3.2 本体聚合生产工艺
本体聚合：单体中加有少量引发剂或不加引发剂依赖热 引发，而无其他反应介质存在的聚合实施方法。
① 过氧化物类
通式：R-O-O-H 或 R-O-O-R （R可为烷基、芳基、酰基、碳酸酯基、磺酰基等）
(完整)聚合物合成工艺学思考题及其答案
第一章1.简述高分子化合物的生产过程.答：（1)原料准备与精制过程；包括单体、溶剂、去离子水等原料的贮存、洗涤、精制、干燥、调整浓度等过程和设备。
（2）催化剂（引发剂)配制过程; 包括聚合用催化剂、引发剂和助剂的制造、溶解、贮存。
调整浓度等过程与设备。
(3）聚合反应过程；包括聚合和以聚合釜为中心的有关热交换设备及反应物料输送过程与设备。
（4）分离过程；包括未反应单体的回收、脱出溶剂、催化剂，脱出低聚物等过程与设备.（5)聚合物后处理过程；包括聚合物的输送、干燥、造粒、均匀化、贮存、包装等过程与设备。
(6）回收过程；主要是未反应单体和溶剂的回收与精制过程及设备。
2 简述连续生产和间歇生产工艺的特点答：间歇生产是聚合物在聚合反应器中分批生产的,经历了进料、反应、出料、清理的操作。
优点是反应条件易控制，升温、恒温可精确控制，物料在聚合反应器中停留的时间相同，便于改变工艺条件,所以灵活性大，适于小批量生产，容易改变品种和牌号。
缺点是反应器不能充分利用，不适于大规模生产。
连续生产是单体和引发剂或催化剂等连续进入聚合反应器，反应得到的聚合物则连续不断的流出聚合反应器的生产。
优点是聚合反应条件稳定，容易实现操作过程的全部自动化、机械化,所得产品质量规格稳定，设备密闭，减少污染.适合大规模生产，因此劳动生产率高，成本较低。
缺点是不宜经常改变产品牌号,不便于小批量生产某牌号产品。
3.合成橡胶和合成树脂生产中主要差别是哪两个过程，试比较它们在这两个生产工程上的主要差别是什么？答:合成树脂与合成橡胶在生产上的主要差别为分离工程和后处理工程。
分离工程的主要差别：合成树脂的分离通常是加入第二种非溶剂中,沉淀析出；合成橡胶是高粘度溶液，不能加非溶剂分离，一般为将高粘度橡胶溶液喷入沸腾的热水中，以胶粒的形式析出。
后处理工程的主要差别：合成树脂的干燥，主要是气流干燥机沸腾干燥;而合成橡胶易粘结成团，不能用气流干燥或沸腾干燥的方法进行干燥，而采用箱式干燥机或挤压膨胀干燥剂进行干燥.4. 简述高分子合成工业的三废来源、处理方法以及如何对废旧材料进行回收利用.答：高分子合成工业中：废气主要来自气态和易挥发单体和有机溶剂或单体合成过程中使用的气体；污染水质的废水主要来源于聚合物分离和洗涤操作排放的废水和清洗设备产生的废水；废渣主要来源于生产设备中的结垢聚合物和某些副产物.。
自由基聚合生产工艺
自由基聚合生产工艺本章主要内容：3.1自由基聚合工艺基础和本体聚合生产工艺3.2悬浮聚合生产工艺3.3溶液聚合生产工艺3.4乳液聚合生产工艺重点：自由基聚合工艺基础难点：无3.1自由基聚合工艺基础和本体聚合生产工艺3.1.1自由基聚合工艺基础自由基聚合反应定义单体借助于光、热、辐射、引发剂的作用，使单体分子活化为活性自由基，再与单体连锁聚合形成高聚物的化学反应。
单体类型:主要是乙烯基单体、二烯烃类单体聚合物特点：碳-碳为主链的线形高聚物、无定形聚合物；Tg低于室温的常温为弹性体用作橡胶；Tg高于室温的常温为塑性体（合成树脂）用作塑料、合成纤维、涂料。
①整个聚合过程分为链引发、链增长、链终止，各步反应速率和活化能相差很大；②高分子瞬间形成，而产品的相对分子质量不随时间变化；③体系内始终由单体和高聚物组成，产物不能分离；④反应连锁进行，转化率随时间的延长而增加；⑤反应是不可逆的。
按参加反应的单体种类分为:自由基均聚合：只有一种单体参加的自由基聚合反应。
常见的有：LDPE、PMMA、PVC、PVAC、PS等自由基共聚合：两种以上单体同时参加的自由聚合反应。
常见的有：乙丙橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、SBS、ABS等最典型；最常见；最成熟；经自由基聚合获得的高聚物产量占总产量的60%以上，占热塑性树脂的80%本体聚合、乳液聚合、悬浮聚合、溶液聚合；聚合方法的选择主要取决于根据产品用途所要求的产品形态和产品成本。
除了苯乙烯本体聚合是热引发聚合，其他单体在工业上都是在引发剂引发聚合。
引发剂种类主要有三大类：过氧化物类、偶氮化合物类、氧化还原引发体系过氧化物类：通式R-O-O-H或R-O-O-R，R——为烷基、芳基、酰基、碳酸酯基、磺酰基。
分子中含有—O—O—键，受热后断裂成相应的两个自由基，初级自由基主要用来引发单体，成为单体自由基，此外，还发生副反应。
偶氮类:偶氮二异丁腈（AIBN）、偶氮二异庚腈（AVBN）氧化还原引发体系：特点：氧化-还原体系产生自由基的过程是单电子转移过程，即一个电子由一个2离子或由一个分子转移到另一个离子或分子上去，因而生成自由基。
《材化高分子化学》第3章 自由基聚合
E = 105～150 kJ/mol （3—1）
kd = 10-4～10-6 s-1
（3—2）
19
第三章 自由基聚合
b. 单体自由基的形成
R + CH2 CH X
RCH2 CH X
由初级自由基与单体加成产生，为放热反应， 活
化能低，反应速度快。
E = 20 ～ 34 kJ/mol
（3—3）
20
第三章 自由基聚合
(CH3)2C N N C (CH3)2
2 (CH3)2C + N2
CN
CN
CN
优点：
（1）分解只形成一种自由基，无诱导分解。 （2）常温下稳定。80℃以上剧烈分解。
35
第三章 自由基聚合
（2）有机过氧化类引发剂
最简单的过氧化物：过氧化氢。活化能较高， 220kJ/mol，一般不单独用作引发剂。
HO OH 2HO
7
第三章 自由基聚合
分子中含有推电子基团，如烷基、烷氧基、苯基、乙 烯基等，碳=碳双键上电子云增加，有利于阳离子聚合进 行。
δ
CH2 CH Y
注意:丙烯分子上有一个甲基，具有推电子性和超共轭双 重效应，但都较弱，不足以引起阳离子聚合，也不能进行 自由基聚合。只能在配位聚合引发体系引发下进行配位聚 合。
30
第三章 自由基聚合
3.4.2 自由基聚合反应的特征
（1）可分为链引发、链增长、链终止等基元反应。 各基元反应活化能相差很大。其中链引发反应速率 最小，是控制聚合过程的关键。
慢引发、快增长、有转移，速终止。
与逐步缩聚机理特征比较见p75表3-6。
31
第三章 自由基聚合
（2）只有链增长反应使聚合度增加。从单体转化为 大分子的时间极短，瞬间完成。体系中不存在聚合 度递增的中间状态（p75图3-2）。聚合度与聚合时间 基本无关。
第四章 自由基溶液聚合过程及合成工艺
大分子的机会减少，特别是对含有叔氢原子的单体如聚丙烯酸
酯、聚乙酸乙烯酯和聚丙烯酰胺的聚合。
4.1.3 溶剂的选择
• ka ≈ kp ，仅为链转移剂，不影响聚合速率；
• kp >> ktr, s ， 链增长反应为主； • 产品为溶液，选择良溶剂；产品为固体，选择非溶剂； • 成本低，毒性低。
讨论：
向单体、引发剂、 溶剂、大分子转移
向溶剂链转移，对聚合速率的影响有以下三种情况： ka ≈ kp ：仅为链转移剂，不影响聚合速率； ka < kp ：缓聚剂，使聚合速率降低；
ka < < kp ：阻聚剂，使聚合停止。
3、溶剂对产物分子量的影响
向溶剂转移 聚合物分子量降低
链转移反应与溶剂性质及温度有关。溶剂的链转移
讨论：醋酸乙烯在甲醇中的溶液聚合的工艺条件为：
65℃ ±0.5 ℃ ，50％~60％，4hr~8hr，为什么？ 甲醇与 VAc 有恒沸点 64.5℃ ，聚合温度定为 65℃ ±0.5 ℃ 时，聚合反应容易控制。 高于 70℃ 易发生链转移反应，导致最后生成支化的 PVA，不利于纺丝 ；
控制转化率 50％~60％ 结束反应，可消除自动加速现
依据溶剂对聚合物是否溶解，分为均相和非均相两种：
（1）均相溶液聚合：单体和聚合物均溶于溶剂，形成聚合物 溶液。例如，醋酸乙烯 ---- 甲醇；丙烯腈 ---- 浓硫氰化钠 水溶液；丙烯腈 ---- DMF；丙烯酰胺 ---- 水。
（2）非均相溶液（沉淀）聚合：单体溶于溶剂，而聚合物不 溶于溶剂。例如，丙烯腈 ---- 水；丙烯酰胺 ---- 丙酮；苯 乙烯－马来酸酐 ---- 甲苯。 3、主要生产的产品 聚丙烯腈、聚醋酸乙烯酯、丙烯酸酯类共聚物等。
溶液聚合生产工艺LX
3.4.1 概述 3.4.2 溶剂的影响和选择 3.4.3 引发剂 3.4.4 聚合工艺 3.4.5 后处理 3.4.6 聚丙烯腈合成工艺（均相、非均相） 3.4.7 聚乙烯醇纤维的生产工艺
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3.4 溶液聚合生产工艺
3.4.1 溶液聚合工艺概述
单体溶解在适当溶剂中、在自由基引发剂作用下进行
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3.4 溶液聚合生产工艺
● 由聚合物溶液制备固体聚合物：
① 聚合物热稳定性高、具有明显的熔融温度、溶剂为有 机溶剂，此情况下残存单体和溶剂可同时脱除。
由于聚合物溶液粘度很高，因此应采取高温、大 表面积和短扩散行程的设备与措施，以脱除溶剂和残 存单体。此情况下得到聚合物熔融体，再经挤出、冷 却、造粒得到聚合物粒料。
的聚合称为溶液聚合。 反应生成的聚合物若溶解于所用溶剂中，为均相溶液 聚合（如丙烯腈 /NaSCN 水溶液）；若生成的聚合物不溶 于所用溶剂中而沉淀析出，则为非均相溶液聚合，又称为
沉淀聚合（如丙烯腈/水） 。
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3.4 溶液聚合生产工艺
优点：
１）以溶剂为传热介质，聚合温度容易控制； 2 ）体系中 聚合物浓度较低，不易进行链自由基向大分子转移而形成支化 或交联产物。 3 ）因溶剂的链转移作用，容易调节聚合物的分 子量及分子量分布。 4 ）产物易于输送，而且在制造粘合剂、 涂料及纺丝浆的情况下，聚合后溶剂不必除去可直接应用。
缺点：
由于单体浓度低，聚合速率慢，分子量不高；生产过程中 增加了溶剂的回收及纯化等工序，易造成环境污染；此外尚需 考虑安全等问题。
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第3章 自由基聚合生产工艺-1
常用的链转移剂有丙烷、氢、丙烯等。
丙烷是较好的调节剂，若反应温度＞150℃，它能平 稳地控制聚合物的分子量。
氢的链转移能力较强，反应温度高于170℃，反应很不 稳定。
（5）单体纯度的影响 乙烯单体中杂质越多，会造成聚合物分子量降低，且 会影响产品各种性能，工业上，对乙烯的纯度要求超过 99.95％。
乙烯高压聚合生产流程
压缩机 二次 压缩机 150--250MPa 釜 式 反 应 器
引发剂 25MPa
管 式 反 应 器
0.1MPa
低压分离器
乙烯 分子量调节剂 减 压 阀 一次 压缩机 25MPa 高压分离器 减压阀
挤出 造粒机
新鲜乙烯
流程说明：
裂解厂的新鲜乙烯（压力为1.5MPa)与闪蒸气体升压器来的 乙烯混合，经过第一级压缩机，压力升到20-30MPa，冷却后， 在二级压缩机第一段入口与中压分离器分离出来的未反应乙烯 会合，进入压缩机使压力升到120-200MPa，冷却后进入聚合反 应器，在150-300度过氧化物和有机过酸酯引发下，乙烯聚合成
非均相本体聚合——聚氯乙烯本体聚合生产
本体浇铸聚合——有机玻璃生产
气相本体聚合——高压聚乙烯生产
法国本体法（PSG法)制聚氯乙烯
氯乙烯两段本体聚合生产聚氯乙烯是法国圣戈班公司 （PSG）首先工业化。 一、主要原料及规格 沸点 纯度 -13.9 >99.99%
法国本体法（PSG法)制聚氯乙烯
二、制法 聚氯乙烯可用悬浮聚合、乳液聚合、本体聚合实施方法 生产，目前仍以悬浮聚合法为主，而本体聚合法生产的聚 氯乙烯约占10%。
（2）温度的影响 操作温度：130℃～280℃ 温度升高将使聚合物的分子量相应降低，聚乙烯分子链
第5章_自由基溶液聚合
溶液聚合法的单体主要品种和聚合条件
聚 合 条 件 单体种类 丙烯酸酯 丙烯酰胺类 丙烯腈 苯乙烯 醋酸乙烯酯 氯乙烯 溶剂 反应时间， 转化率， 温度， 温度，℃ 反应时间，h 转化率，% 苯，甲苯等 水 水，DMF等 等 乙苯等 甲醇等 氯苯等 50~70 30~70 40~70 90~130 70~80 40~60 6~8 3~6 6~8 6~8 4~8 4~8 >95 >95 >90 >95 >90 90~95
(2)操作方式：半连续操作，便于控制聚合反应温度和速度。
(3)反应器：釜式反应器 反应器： 反应器
(4)聚合过程：先加溶剂于反应釜中加热至反应温度，再将溶有 聚合过程： 聚合过程
引发剂的单体按一定速度连续加入反应釜中。
(5)单体分离：如得到的聚合物溶液直接应用时，在聚合结束前补 单体分离： 单体分离 加引发剂尽量减少残存单体含量，或用化学办法除去。如果单体 沸点低于溶剂可采用蒸馏的办法或减压蒸馏除去单体。
2. 单体在水中的溶解度 温度℃ 温度℃ 溶解度 0 7.2 20 7.35 40 7.9 60 9.1 80 10.8
3. 水相沉淀聚合工艺条件
聚合温度：35-55℃（45℃最佳）；聚合时间：1~2 h ）；聚合时间 聚合温度：35-55℃ 45℃最佳）；聚合时间： 转化率：80~85%，单体总质量分数： 转化率：80~85%，单体总质量分数：28~30% 搅拌速度： 搅拌速度：55~80 r/min
脒基
（5）浅色剂的影响——还原剂 浅色剂的影响——还原剂
（6）转化率的选择
低转化率（50~55%）：聚合物色白， ）：聚合物色白 低转化率（50~55%）：聚合物色白，设备利用率低 中转化率（70~75%）：聚合物色浅， ）：聚合物色浅 中转化率（70~75%）：聚合物色浅，设备利用率高 高转化率（>80%）：聚合物发黄， ）：聚合物发黄 高转化率（>80%）：聚合物发黄，设备利用率高 6 均相聚合的优缺点 ① 优点：聚合热容易导出，分子量分布窄，聚合反 优点：聚合热容易导出，分子量分布窄， 应容易控制，可进行连续聚合、连续纺丝。 应容易控制，可进行连续聚合、连续纺丝。 缺点：大量溶剂存在影响聚合反应，增加回收成本。 ②缺点：大量溶剂存在影响聚合反应，增加回收成本。
《聚合物合成工艺学》复习知识点及思考题
《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。
自由基溶液聚合过程
4.1 自由基溶液聚合过程4.1.1 溶液聚合及其分类溶液聚合是指单体、引发剂溶于适当溶剂中聚合为聚合物的过程。
依据溶剂对聚合物是否溶解，分为均相和非均相聚合两种：均相溶液聚合时，单体和聚合物均溶于溶剂，形成聚合物溶液。
例如，醋酸乙烯---- 甲醇；丙烯腈---- 浓硫氰化钠水溶液；丙烯腈---- DMF ；丙烯酰胺---- 水的溶液聚合属于均相溶液聚合。
非均相溶液（沉淀）聚合时，单体溶于溶剂，而聚合物不溶于溶剂。
例如，丙烯腈---- 水；丙烯酰胺---- 丙酮；苯乙烯－马来酸酐---- 甲苯的溶液聚合属于非均相溶液聚合。
表4-1-1溶液聚合单体、溶剂注：“+”为可溶解，“—”为不溶解4.1.2 溶液聚合的特点科学研究上，可选用Cs 较小的溶剂，控制低转化率，容易建立聚合速率、数均聚合度和单体浓度、引发剂浓度的定量关系，方便动力学研究。
生产工艺上，散热控温容易，可避免局部过热，体系粘度较低，可推迟自动加速现象出现，控制较低转化率可消除自动加速现象，接近匀速反应，分子量分布窄。
设备利用率低；增加溶剂分离与纯化的回收工艺；聚合速率慢；分子量不高。
工业上，溶液聚合多用于聚合物溶液直接使用的场合，如涂料、胶粘剂、浸渍液、合成纤维纺丝液等。
表4-1-2溶液聚合举例4.1.3 引发剂的选择与使用根据溶液聚合所用溶剂、反应条件和引发剂半衰期选择引发剂。
偶氮化合物引发剂的分解不受溶剂的影响，应用较广泛。
过氧化物的分解速度受极性溶剂的影响，而且分解产生的氧化物，可能进一步参加反应生成交联结构，因而可能产生凝胶，应谨慎使用。
引发剂的用量通常为单体量0.01—2％。
引发剂的加料方式采用半连续操作，便于控制聚合反应温度和速度。
4.1.4 溶剂的影响一、对引发剂分解速率的影响有机过氧类引发剂在某些溶剂中有诱导分解作用。
原理是首先引发剂自由基向溶剂链转移产生溶剂自由基，然后溶剂自由基可诱导有机过氧类引发剂的分解。
诱导分解的结果是引发效率降低，也就是部分自由基损失掉，同时导致引发剂的总反应速率增加，即引发剂半衰期降低。
自由基溶液聚合原理及生产工艺
醋酸乙烯溶液聚合有关旳聚合反应如下：
高聚物合成工艺 13
④链转移
(a) (b)
CH2 CH
(c)
OCOCH3
高聚物合成工艺 14
继续与单体反应，经终止后形成支化聚醋酸乙烯
高聚物合成工艺 15
支化旳聚醋酸乙烯经醇解后形成支化旳聚醋酸乙烯醇
(b)位置旳转移反应
高聚物合成工艺
16
二、溶液聚合旳优缺陷 1．溶液聚合旳优点 ①因为使用了溶剂，降低了体系旳黏度，推迟了自 动加速现象旳到来，假如控制合适旳转化率能够基本 上消除自动加速现象，聚合反应接近匀速反应，聚合 反应轻易控制，聚合物旳相对分子质量分布较窄。
高聚物合成工艺 3
②假如选用Cs(链自由基向溶剂转移常数)较小旳溶剂， 控制低转化率结束反应，轻易建立正常聚合速率Rp与单 体浓度c(M)和引起剂浓度c(I)旳定量关系以及Xn与单体 浓度c(M)和引起剂浓度c(I)旳定量关系，这对试验室做 动力学研究有独到之处。
高聚物合成工艺 5
其中Kps代表新生旳自由基与单体加成旳增长反应速 率常数，SH代表溶剂。
3．溶剂对聚合物大分子旳形态和相对分子质量分布旳 影响
溶剂能控制生长着旳链自由基旳分散状态和形态。
如使用良溶剂，链自由基在其中处于伸展状态，将形 成直链型大分子。
如使用不良溶剂，因为链自由基在其中处于卷曲状态 或球型，在高转化率时会使链自由基沉淀，以溶胀状态 析出，形成无规线团。
芳香类 醇类 酚类 醚类 胺类
溶剂对偶氮类引起剂分解速率一般不产生影响，偶氮 类引起剂中只有偶氮二异丁酸甲酯可被溶剂诱导而加速 分解。 2．溶剂旳链转作用及其对聚合速率和聚合物相对分子 质量旳影响
若Kps≈Kp，则SH为链转移剂，不影响聚合速率， 但使聚合物旳相对分子质量降低。 若Kps<Kp ，则SH为缓聚剂，使聚合速率和聚合物 旳相对分子质量降低。 若Kps«Kp ，则SH为阻聚剂，使聚合反应终止并使 聚合物旳相对分子质量降低。
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第三单体：乙烯基苯磺酸、甲级丙烯酸、甲叉丁二酸（即衣康酸）
或2-乙烯基吡啶、2-甲基-5-乙烯基吡啶等 ； 作用：改进纤维的染色性；
(HNO3)、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)等
二步法 ：非均相溶液聚合 ，聚合过程中聚合物不断地呈絮状沉淀析出。 需经分离以后用合适的溶剂重新溶解，以制成纺丝原液。
溶剂：水（水相沉淀聚合）
4 典型的溶液聚合—丙烯腈的溶液聚合
1.丙烯腈溶液聚合的特点
（1）聚丙烯腈不溶于丙烯腈，但丙烯腈与丙烯酸甲酯等第二单体共聚合，溶 解性能改善，可溶于硫氰酸钠、二甲基甲酰胺等溶剂中进行均相溶液聚合。 （2）丙烯腈溶液聚合中，存在多种链转移反应。因此，一般选择链转移常数
适当的溶剂，且用异丙醇或乙醇作调节剂。
（3）丙烯腈聚合中，采用不同溶剂、不同的聚合方法，对引发剂的选择也有 所不同。 （4）丙烯腈单体活性较大，可以同许多单体进行共聚改性，为改善腈纶纤维性 能奠定了基础。
4 典型的溶液聚合—丙烯腈的溶液聚合
2.共聚单体的选择
第一单体：丙烯睛 用量：>85％
第二单体：丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、醋酸乙烯酯 ；
X (A)n Y
通过调聚反应合成的产品还有许多用途，如制造增塑剂、润滑油、
涂料、洗涤剂以及杀虫剂等。
4 典型的溶液聚合—丙烯腈的溶液聚合
概况：
由丙烯腈聚合物经纺丝即可制成聚丙烯腈纤维。中国商品成为腈 纶，它是聚丙烯腈或丙烯腈占85%以上的共聚物制得的纤维。 聚丙烯腈在1929年问世，但其严重缺点是发脆、熔点高，当加热 到280~290℃还未熔融就开始分解无法进行纺丝，其应用受到限制。自 从使用第二单体与丙烯腈共聚，聚合物分子间作用力降低，克服了脆 性并改善了柔性和弹性，因而使聚丙烯腈成为重要的合成纤维品种。 以后随着第三单体的引入，进一步改善了纤维的染色性，这样聚丙烯 腈的生产才得到迅速发展。
1/ Pn = Cm + Cs [S]/[M] + C i[I]/[M] +ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1/2 (1+λ)(kt/kp). (Rp/[M]2) =1/ Pn0 + Cs ([S]/[M]) 1/ Pn与 ( [S]/[M] ) 线性关系
• 同一种溶剂对不同的活性自由基具有不同的链转移常数； • 不同的溶剂对于同一种自由基链转移能力为：异丙苯 > 乙苯> 甲苯 > 苯； • 提高温度可以使链转移常数增加。
酸甲酯。 诱导作用总的效果是引发效率下降，引发剂分解速率增大，引发剂的半衰 期降低。
过氧化物在不同溶剂中的分解速率的增加顺序： 卤化物 < 芳香烃 < 脂肪烃 < 醚类 < 醇类
2 溶剂的作用和选择
2.溶剂链转移作用及其对分子量的影响：
自由基溶液聚合的特征是链转移反应。 由于链转移反应，导致聚合物分子量较低。 由链转移产生的溶剂自由基（A.），可能很活泼，易与单体分子发生反应 而重新引发聚合反应，也可能不活泼，即不与单体分子反应。 存在有链转移剂的自由基聚合反应所得聚合物的数均聚合度 (Pn)，可用下 式表示：
目前其产量仅次于涤纶和尼龙，位居第三位。
4 典型的溶液聚合—丙烯腈的溶液聚合
丙烯腈的聚合属于自由基型链式反应。其聚合方法根据所用溶
剂（介质）的不同，可分为均相溶液聚合（一步法 ）和非均相溶液聚 合（二步法 ）。 一步法 ： 均相溶液聚合 ，所用的溶剂既能溶解单体，又能溶解聚合物， 聚合结束后，聚合可直接纺丝，使聚合纺丝连续化。 溶剂：硫氰酸钠(NaSCN)浓水溶液、氯化锌(ZnCl2)浓水溶液、硝酸
（3）考虑聚合物是否可溶于选择的溶剂中，按要求选用聚合物的良溶或
非溶剂； （4）尚需考虑溶剂的毒性和安全性以及生产成本等问题。
3 链转移作用的应用
1.调节聚合物的分子量； 2.降低聚合物的支化或交联； 3.调节聚合
利用链转移作用，可生成很低分子量的调聚物或低聚物。一般可 由下式表示：
nA + XY
（2）反应后的产品易于输送，低分子易除去。在某些场合，如生产
粘合剂、涂料及纤维纺丝等，聚合后可不必除去溶剂直接使用，简 化了工艺； （3）单体被溶剂稀释，聚合速率慢；相对其他各种聚合方法，溶 液聚合所得的分子量不高，转化率较低； （4）聚合生产过程中，增加了溶剂的分离、纯化等后处理工序，增
加成本，易造成环境污染。
自由基溶液聚合生产工艺
1 溶液聚合生产工艺的特点
溶液聚合： 将单体溶解于溶剂中进行聚合的方法。 反应体系组成：
单体、溶剂、引发剂、（调节剂）等
• 均相溶液聚合——丙烯睛聚合（一步法） • 非均相溶液聚合——丙烯睛聚合（二步法）
1 溶液聚合生产工艺的特点
溶液聚合生产工艺的主要特点：
（1）传热容易，聚合温度容易控制；体系中聚合物浓度较低, 容易 调节聚合物的分子量分布；
从而减少大分子的支链，降低支化度，甚至还可改变大分子的构型。
2 溶剂的作用和选择
4．溶剂的选择
（1）溶剂对于自由基聚合反应应当无阻聚或缓聚等不良影响，即单体(M) 与聚合物自由基(Mx.)的反应速率常数 (kp) 和单体与溶剂自由基 (A.) 的反 应速率常数 (kps) 约相等。 kp ≈ kps ； （2）单体大分子活性链与单体的加成能力要远远大于分子活性链与溶剂 的链转移能力，即kp 〉〉ktrs；
2 溶剂的作用和选择
3．溶剂对聚合物分子结构的影响
链转移作用使聚合物的分子量较低； 而当使用不良溶剂时，聚合物分子成卷曲状或球形的结构，甚至在 高浓度下溶剂会引起聚合物沉淀而成溶胀状态析出；此时自由基互相靠 近机会减少，单单体仍能扩散到生长着的链段中去进行聚合反应，使聚 合物的分子量增加。 聚合物分子量分布都是由这两种相互矛盾的因素决定的。 如果反应体系中有溶剂存在，则可降低向大分子进行链转移的机会，
2 溶剂的作用和选择
1.溶剂对引发剂分解速率的影响：
溶液聚合的引发剂通常用过氧化物体系和偶氮体系,引发剂的分解速率与 采用的溶剂有关。 有机过氧化物在某些溶剂中被溶剂自由基诱导分解作用。
C O O C O O
+ S.
C O S + O
C O. O
部分偶氮类引发剂也可被溶剂诱导而加速分解，如α ,α ’-偶氮二异丁