自由基聚合工艺基础与本体聚合工艺

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2 R-CN(R′)C•+N2
氧化-还原体系
a)过氧化物-亚铁盐(Fe2+)体系
如Fe2++H2O2
Fe3++OH-+OH•
随引发剂分解,体系碱性增强
b)过硫酸盐-亚硫酸盐体系
S2O82-+HSO3-
SO42-+ SO4-•+ HSO3•
随引发剂分解,体系酸性增强
c)过硫酸盐—Fe2+体系
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
d)过氧化二酰基
通式:R-CO-O-O-CO-R,最常见的为BPO和LPO。
e)过氧化酸酯类
通式: R-CO-O-O-R,如过氧乙酸叔丁酯

CH3-CO-O-OC(CH3)3
f)过氧化碳酸二酯类
通式:R-O-CO-O-O-CO–O-R,如过氧化二异丙基二碳酸酯 (IPP)
(CH3)2CH-O-CO-O-O-CO-O-CH(CH3)2
变宽 可通过调节反应过程中[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
t1/2—半衰期。 对于连续聚合,t1/2=t/6 对于间歇聚合,t1/2=t/3~8 如PVC,t1/2=t/3;PSt, t1/2=t/6~8。
聚合物分子量的控制 与调节手段
分子量与引发剂浓度的关系
根据高分子化学的基本理论
动力学链长υ=k[M]/[I]1/2
k—常数,[M]—单体浓度,[I]—引发剂浓度
b) 反应温度
引发剂的分解速率,应与反应时间(停留时间)匹配
引发剂的选择
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。
使用的反应器有两种类型
耐高压带搅拌器釜式反应器 高压管式反应器
通常将高纯乙烯气经两级压缩后,连续加入反应器进行 聚合,反应后的混合物连续排出反应器;经两级减压分 离,回收未反应的乙烯单体,熔融聚合物经混合助剂后, 造粒包装。
工艺流程
乙烯
一级压缩 二级压缩
气相聚合
引发剂
高压分离
低压分离 挤出切粒
第三章 自由基聚合工艺基础与本
体聚合工艺
3. 1自由基聚合工艺基础
3.1.1概述 自由基聚合反应是高分子合成工业中应用最广泛的
化学反应之一。很多大宗的聚合物和改性聚合物均 依据自由基聚合的原理进行生产。 PVC、PVA、PAN、LDPE、SBR、NBR等。 适应单体:主要是乙烯基单体和二烯烃类单体 实施方法:包括本体聚合、悬浮聚合、溶液聚合和 乳液聚合或它们的混合。
聚合反应温度 150~330℃
一次分离 经高压分离器(温度~230℃,20~30MPa) 分离大部分未聚合的乙烯气体;经分离罐分离掉夹带的 低分子量聚乙烯蜡。
二次分离 经低压分离器(0.05~1MPa,220℃),分离 残留乙烯气体。
经挤出、干燥、混合、造粒即得产品。
主反应器-管式反应器
Rp=K[I]1/2[M]
故提高[I]时,会造成以下后果 反应速率可能明显上升,严重时,反应会失控 造成引发剂残留量提高,影响产物的贮存性能
分子量调节剂的作用
根据高分子化学的基本理论

1/Xn=1/X0 + CS[S]/[M]
Xn-加分子量调节剂后的平均聚合度
X0-加分子量调节剂前的平均聚合度
其它介质存在,产生的反应热移除困难。
单体转化率相对较低 大规模生产时,多采用分段
聚合(原因分析见p24-25,新版p32)
产物的MWD相对较宽 反应后期传热、传质困难,凝
胶效应严重。
本体聚合的反应器
A.形状一定的模型—PMMA的生产
模型无搅拌器,只是形状一定的模型或模子 生产中,将预聚到一定程度的聚合液加入模型中
3.3本体聚合生产工艺
概述 本体聚合
单体中加入少量引发剂(或不加引发剂,而 依赖热或光引发),在无其它介质存在的情 况下进行的聚合实施方法。
采用本体聚合方法生产的聚合物主要有LDPE、 PSt、PMMA、部分PVC等。
本体聚合的几种工艺流程
MMA 引发剂 苯乙烯
预聚合
浇模 升温聚合
聚乙烯简介
通式:-[CH2-CH2]n-,n=400~50000 沿-C-C-主链分布长度为1~8个碳原子的短支链 根据计算,纯结晶聚乙烯密度约为1.0g/cm3
纯无定形聚乙烯密度约为0.855g/cm3 工业生产的聚乙烯树脂密度0.915~0.970 g/cm3 结晶区与无定形相区比例不同导致其密度差异,并对其
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 装置工艺流程示意图
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)。
主反应器-釜式反应器
釜式反应器的长径比一般为10:1 由不锈钢锻件经车床切削加工制成 10万t/a装置的反应器体积约为1.5m3 该反应器基本就是一个厚壁容器,传热较差,反应几
产物的平均聚合度Xn

偶合终止 Xn=2υ

歧化终止 Xn=υ
因此,可以说[I]对产物的平均聚合度Xn有明显的影响。
但是,可否通过控制[I]来调节产物的分子量?
分子量与引发剂浓度的关系
答案是:理论上可行,实际操作中尽量不采用!
原因分析: [I]上升时,Rp也会上升;反之亦反。
根据半衰期(t1/2) 半衰期(t1/2)是引发剂分解一半
时的时间,它与反应温度有关。
复合引发剂的半衰期
t1/2m[Im]1/2=t1/2A[IA]1/2+t1/2B[IB]1/2 引发剂的残留量:v=ln2/[t/t1/2+ln2] v—引发剂的残留量(%),t—反应时间或停留时间,
g)过氧化磺酰酯
通式:R-SO2-O-O-R′。这一类较少采用。
过氧类引发剂活性判断
①从a)
g)引发剂的活性越来越高
②R基团结构与引发剂活性
脂肪烃基团>芳烃基团

短链>长链

直链>支链
偶氮类引发剂
通式
最常见的是AIBN和AIVN 分解式 R-CN(R′)C-N=N-C(R′)CN-R
主流程
高纯乙烯气体经2-3级压缩 聚合 高压分离、低压分离 乙烯循环 造粒等
辅助流程
引发剂、分子量调节剂注入系统 加工助剂注入系统 热水循环系统
反应特性 自由基本体聚合,强放热反应,反应热3.35kJ/g·PE 如何提高反应过程中的传热、传质效率,以提高乙烯转
镍/铬不锈钢内管和碳钢夹套组成的套管型反应器 内径30~60mm,长径比为1/250~1/40000 长度达到10m的反应器,即可形成10万t/a的生产能力 目前该类反应器中最大的管长约为1500m 一般来说,其管径越小,管长越长,越有利于散热;
从而可以提高乙烯的单程转化率和装置的生产能力。 一般单程转化率为20~40%
S2O82-+ Fe2+
Fe3++ SO42-+ SO4-•
随着引发剂分解,体系酸性增强
d) BPO—二甲苯胺体系
引发剂的选择
根据聚合方法
悬浮聚合用油溶性引发剂 乳液聚合选择水溶性引发剂
根据操作方式和反应的温度 a) 操作方式
间歇聚合依据反应时间,连续聚合依据停留时间
聚合实施方法的选择
实施方法的选择与工艺评价的因素基本相同
主要考察工艺的先进性、实用性和可行性(“三性”)
a. 产品用途所要求的产品形态 如PVC b. 技术的难易和成熟程度 如橡胶生产一般为乳液
或溶液法,较少或不采用悬浮法或本体法。 c. 环保角度 不采用或尽量不采用污染较大的工艺 d. 投资规模和产品成本因素等。
密度为0.915~0.940 g/cm3 密度为0.938~0.940 g/cm3的为MDPE
Zieglar催化剂
Phillips催 化剂-Cr2O3
c.高密度聚乙烯(HDPE)
Phillips催化剂或Zieglar催化剂催化 密度0.960~0.970g/cm3的均聚物 密度0.940~0.958g/cm3的乙烯与1-丁烯或1-己烯共聚物
连续聚合反应器
C、管式反应器 如LDPE生产中的聚合反应器 D、塔(釜)式反应器 主要用于PSt的生产(p44)
先将St在釜式反应器中,预聚至转化率为50%左 右,然后使物料自塔顶流下,塔内温度自下而上 逐步提高,使得残留单体自下而上地逆流而上, 与物料充分接触而聚合。
3.4气相本体聚合工艺 —LDPE生产工艺
d.超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)
分子量约为高分子量HDPE的10倍,支链甚少 熔点和强度较高,需用特殊方法加工
e.改性聚乙烯 包括交联聚乙烯、氯化聚乙烯、氯磺
化聚乙烯、氧化聚乙烯以及接枝聚乙烯等。
3.4.2 LDPE的合成工艺
LDPE是通过高压自由基本体聚合法生产的,操作压力约 100~400MPa。
3.1.2自由基引发剂 ——种类与选择
引发剂种类 主要有三大类
过氧化合物类 偶氮化合物类 氧化-还原体系
a. 过氧化合物类
通式:R-O-O-H或R-O-O-R 最常用的为BPO、LPO和DCP。 根据过氧基团的不同,过
氧化合物可分成以下几类:
a) 烷基(或芳基)过氧化 氢
CS-链转移常数
[S]、[M]-链转移剂、单体浓度
根据以上表达式
CS[S]/[M]对产物的Xn影响很大,可有效调节产物分子量
间歇聚合中链转移剂添加方式
在间歇聚合中,[S]/[M]处于不断变动中 反应初期,产物的Xn较小 反应后期,随着[S]/[M]的变化,产物的Xn提高 因此,在整个聚合周期内,易造成产物分子量分布
反应温度的影响
通过调节反应的温度,会对以下参数产生影响 a)引发剂的分解速率和聚合反应速率 b)链转移反应的速率和程度
从而影响产物的平均聚合度
自由基聚合中控制产物分子量的 三个主要手段
自由基聚合中,控制产物分子量的手段主 要有以下三个
①严格控制引发剂的使用量 ②严格控制反应的温度 ③选择适当的链转移剂品种和用量
有机玻璃 浇铸制品
预聚合
塔釜 连续聚合
挤出、切粒
PSt颗粒
乙烯
一级压缩 二级压缩
气相聚合
引发剂
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
高压分离
低压分离
挤出切粒
氯乙烯
引发剂
预聚
后聚合
过筛分离
回收VC
粉状PVC树脂
本体聚合工艺的特点
杂质少、产品纯净 工艺流程相对较短 所需的设备较少 反应器的要求相对较高 大规模生产时,体系中无
通式:R-O-O-H 如:叔丁基过氧化氢、异
丙苯过氧化氢等
CH3
C
O-OH
CH3
异丙苯过氧化氢
b) 过氧酸类
通式:R-CO-O-OH 如过氧乙酸CH3-CO-O-OH
c) 过氧化二烷基(或芳基)
通式:R-O-O-R,如过氧化二叔丁基 CH3-C(CH3)2-O-O-C(CH3)2-CH3
继续聚合,以生产管、板、棒或其它形状的材料。
PMMA材料-亚克力制品
B、釜式聚合反应器

-VC、VAc、St聚合反应器
由于聚合过程中反应物前、后期黏度差别较大,一 般采用分段聚合的方法
反应前期,采用小功率电机配桨式搅拌
反应后期,采用大功率电机配特殊形式搅拌器
目的 节省动力消耗、强化搅拌效果
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