聚合物制备工程》2003A卷标准答案

聚合物制备工程》考试试题A卷考试时间：2003年06月20日
考试班级：材001～009
一、填空(25)
1. 常用反应器有釜式反应器、管式反应式、塔式反应器、及螺杆挤出反应器。

2. 常用搅拌器的型式有桨式搅拌器、螺旋推进式搅拌器、锚式搅拌器、
螺带式搅拌器、及涡轮式搅拌器；
各自适合的场合分别是低粘度流体的搅拌分散及聚合、低粘度流体的分散或乳化、高粘度流体的分散或聚合、高粘度流体的分散或聚合、低粘度流体的分散或聚合。

3. 釜式反应釜的除热方式有夹套冷却、夹套与内盘管冷却、回流冷凝冷却、反应物料预冷、反应物料外循环冷却、反应物料闪蒸冷却及7种。

4. 反应器的最基本特征是具有一定的反应容积和具有一定的除热设施。

5. 工程塑料的特征是由材料应具有高的耐热温度和优异的低温抗冲性能体现的。

二、选择题(正确的打√，错误的请本体下改正过来，15分)
1. 玻璃化效应常发生在二烯烃聚合的橡胶制备中( 错)。

玻璃化效应多发生在玻璃化转变温度(Tg)较高的聚合物的制备中，如聚苯乙烯及聚甲基丙烯酸甲酯的制备中。

2. 在二烯烃橡胶生产中常控制转化率小于100％，这是因为要控制产品的凝胶含量和共聚物组成( √)；
3. 乳液聚合过程中，分子量的控制更多的是控制聚合温度( 错)。

乳液聚合过程中，聚合物的分子量控制多用分子量调节剂进行控制，尽管温度、乳化剂用量、引发剂用量等均分子量有影响，但都不容易稳定控制。

4. 苯乙烯的本体聚合的主要控制因素是压力控制( 错)。

必要性的本体聚合的主要控制因素是聚合温度，这是因为温度不仅控制引发速度，而且影响体系的粘度、聚合物的分子量及其分布，而且温度过高还会引起聚苯乙烯的分解或交联。

5. 聚酰胺只能作纤维材料用( 错)；
聚酰胺除作纤维材料用外，还可通过控制两种单体的长度控制单位质量中的酰胺基团的含量，从而可以将其制成弹性体，另一方面，通过控制其分子量，控制其熔点将其成为可塑性加工的塑料材料。

三、简述题(20分)
1. 目标聚合物采用何种实施方法主要由哪些因素决定。

目标聚合物采用何种聚合实施方法，首先应考虑产品的性能及形态和可能的聚合机理。

采用何种聚合机理往往由催化剂(引发剂)的性质所决定。

若在满足产品性能的前提下有多种聚合历程，应优先选择投资少、工艺简单的工艺，在催化剂体系决定后，再选择出合理的、具体的实施方法。

如丁二烯虽可进行阴离子聚合、配位阴离子聚合及自由基聚合，但若采用自由基聚合，产物凝胶含量非常大，根本不能作为橡胶使用，因此只能从前两个历程进行着手。

因此现在有锂系顺丁橡胶和镍系顺丁橡胶，但两种催化剂的性质和产品的性能(高分子的橡胶)，其只能用溶液聚合，而不能用本体聚合的实施方法。

这两种橡胶的性能又存在差别，前者因凝胶含量极低，常用来最HIPS和电泳漆的原料。

还有，苯乙烯可采用阴离子聚合、阳离子聚合及自由基聚合，前两种历程存在操作控制难度高、投资大等，因此均采用控制难度低的自由基聚合，因自由基可以采用四种聚合实施方法，但目前多采用本体聚合或悬浮聚合为主。

2. 丁苯橡胶有哪些品种？各是由何种工艺得到的，并从聚合物的结构区别说明他们的特
性和适用场所。

丁苯橡胶分为乳聚丁苯橡胶和溶聚丁苯橡胶，溶聚丁苯橡胶又可分为嵌段型和无规型两类。

乳聚丁苯橡胶因丁二烯链段不具立体配向性，因此其结晶性相对较差，一般作为胎邦胶或与天然橡胶并用。

而无规溶聚丁苯橡胶有立体配向性，具有适当的结晶温度，滚动阻力小，适合作胎面胶。

二嵌段型溶聚丁苯橡胶因聚苯乙烯链段可物理结晶，而且结晶温度较高，常作弹性体用，当分子量低时可作热熔粘合剂用。

3. 聚合物后处理工序包括那些内容？其对产品质量的影响体现在哪些方面？
聚合物的后处理工序包括脱灰、脱挥发份、产品形态处理及添加辅助助剂等四个内容。

前两者最为重要。

若处理工艺(温度、停留时间及真空度)或设备选择不当，将引起聚合物的结构发生变化，从而影响产品的质量，重者形成废品。

因此聚合物的性能好坏不仅与聚合工艺及聚合设备有关，还与产品的后处理工序的工艺条件和设备有关。

举例说明。

4. 简述间歇反应器、平推流反应器和理想反应器的定义、特点是什么，其各自的浓度变
化特征是什么？
间歇反应器：指所有物料一次投料反应的反应器，其特点是所有的物料的停留时间相等，反应器内各微元的物料浓度相等，需辅助时间。

平推流反应器：是一种连续、稳态、无返混的反应器，其特点是，物料浓度的变化与轴向有关，而与径向无关，所有物料的停留时间一致，通常可把管式反应器或多极串联釜式反应器看作平推流反应器。

理想混合反应器：是一种连续稳态、有最大返混的反应器。

其特点是反应器出口浓度等于釜内任一微元的浓度。

三者的浓度变化是：
C i
C 0
反应物浓度
反应时间
C i
C 0
反应物浓度
反应时间 C i
C 0反应物浓度
反应时间
(a)间歇反应器内物料浓度变化 (b)平推流反应器内物料浓度变化 (c)理想混合反应器内物料浓度变化
5. 丙烯酸酯的乳液聚合与乳聚丁苯橡胶的乳液聚合在聚合速度控制上有何不同，并写出
后者方程。

丙烯酸酯的乳液聚合的聚合速度控制主要靠控制反应器的单体浓度和引发剂浓度，即采用同时滴加单体和引发剂的方法控制聚合速度，从而达到控制聚合热的释放、聚合物的组成等；而丁苯橡胶的乳液聚合的聚合速度控制主要是控制链引发，从而控制聚合速度、进而控制聚合热的释放。

后者的反应式如下：
[Fe 2+] +
[Fe 3+]
C －O －O －C CH 3
CH 3
CH 3
CH 3CH 3
CH 3
C· ＋·OH 2
2+
[Fe 3+] ＋ 2CHO·NaHSO
[Fe 2+] + HCOOH + Na
2SO 4
2(1)(2)(3)[Fe 2+] +
[Fe 3+]
C －O －O －C CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
C· ＋·OH 2
2+
在这个过程中，[Fe 2+]浓度不变，即引发速度恒定。

四、用流程框图描述PET的两种生产工艺过程，并用文字简述其产品质量的控制方法(20分)
答：PET的两种生产工艺过程分别为直接酯化法（PTA）、酯交换法(DMT)，其工艺框图分别简述如下：
直接酯化法（PTA）
酯交换法(DMT)
直接酯化法（PTA）：是采用精制对本二甲酸直接与乙二醇反应制备对本二甲酸二乙二醇酯（BHET），再通过BHET的熔融缩聚，脱除乙二醇，制备PET；其中还包括直接酯化反应时的脱水、精制工序，熔融缩聚脱除乙二醇的回收工序；在后期可以加入各种助剂，冷却后制备切片或熔融纺丝。

酯交换法（DMT ）：是采用精制对本二甲酸与甲醇反应制备对本二甲酸二甲酯（DMT ），再通过对本二甲酸二甲酯与乙二醇制备对本二甲酸二乙二醇酯（BHET ）；随后通过BHET 的熔融缩聚，脱除乙二醇，制备PET ；其中还包括酯化反应时的脱水、精制工序，酯交换时的脱除甲醇及其回收工序，熔融缩聚脱除乙二醇的回收工序；在后期可以加入各种助剂，冷却后制备切片或熔融纺丝。

产品控制方法：
1．催化剂，三氧化二锑（或其他锑盐） 2．搅拌，加快传质脱除小分子 3．高真空，脱除小分子
4．充如惰性气体，氮气，防止氧化等副反应 5．原料纯度 6．添加扩链剂 7．采用熔融缩聚
五、计算(20分)（1。

使用代数解法；2。

使用图解示意）
有一一级反应，在非等温非等体积的三釜串联反应器中进行连续操作，进料的体积流速为500L/h, 三个反应釜的体积依次为2000L ，3000L 和3000L ，三个反应釜反应温度为120℃，180℃和250℃，聚合反应速率方程Rp=KpC A ，Kp 在120℃，180℃及250℃的值分别为1/h,5/h 和10/h ，初始浓度为500mol/L ，试求第三釜的出口浓度C3。

答：
代数解如下：对任一个釜建立衡算方程，如下：
Rp=KpC A ＝K pi C i
i pi i i C v R V C v ⨯+⨯=⨯-010
第一釜：R 1＝K 1C 1 ；101100C v R V C v ⨯+⨯=⨯ 所以： C 1=100mol/L
第二釜：R 2＝K 2C 2；202210C v R V C v ⨯+⨯=⨯ 所以： C 2=3.22mol/L
(100/31)
第三釜：R 3＝K 3C 3；303320C v R V C v ⨯+⨯=⨯ 所以： C 3=0.0526mol/L (0.053) 图解：三组方程线性作图：
第一组：求C1
R 1＝K 1C 1； 01
011
01C V C V R νν+
-
= 所以： C 1=100mol/L
第二组：求C2 R 2＝K 2C 2：12
022
02C V C V R νν+
-= 所以： C 1=3.22mol/L
第三组：求C3
R 3＝K 3C 3；23
033
03C V C V R νν+
-
= 所以：
C 1=0.0526mol/L。