聚合物合成工艺-第1章
聚合物合成工艺
第一章高分子合成工业最基本的原料：石油、天然气、煤炭自由基聚合实施方法主要由：本体聚合、乳液聚合、悬浮聚合、溶液聚合等四种方法。
离子聚合及配位聚合实施方法主要有本体聚合、溶液聚合两种方法。
根据聚合反应的操作方式，可分为间歇聚合与连续聚合两种方式。
间歇聚合操作是聚合物在聚合反应器中分批生产的，适于小批量生产，容易改变品种和牌号。
连续聚合操作方式，反应得到的聚合物，连续不断地流出聚合反应器，不宜经常改变产品牌号。
1、高分子合成工业的基本任务将基本有机合成工业生产的单体（小分子化合物），经过聚合反应（包括缩聚反应等）合成高分子化合物，从而为高分子合成材料成型工业提供基本原料。
2、高聚物的合成工艺过程包括：原料准备和精制过程、催化剂（引发剂）配制过程、聚合反应过程、分离过程、聚合物后处理过程、回收过程、三废处理过程。
3、牌号，生产不同牌号的聚合物的方法。
牌号不同：主要是平均分子量不同生产不同牌号产品的方法主要是：(1)使用分子量调节剂（链转移剂CTA）；(2)改变反应条件T、P；（3）改变催化剂配方(4)改变稳定剂、防老剂等添加剂的种类等。
4、简述合成树脂和合成橡胶生产过程的主要区别。
P14合成橡胶生产中所用的聚合方法主要限于自由基聚合反应的乳液聚合法和离子与配位聚合反应的溶液聚合法两种。
而合成树脂的聚合方法则是多种的。
合成树脂与合成橡胶由于性质的不同，生产上的差别主要表现在分离过程和后处理过程差异很大。
①分离过程的差异：合成树脂，通常是将合成树脂溶液逐渐加入第二种非溶剂中，而此溶剂和原来的溶剂是可以混溶的，在沉淀釜中搅拌则合成树脂呈粉状固体析出。
合成橡胶的高粘度溶液，不能用第二种溶剂以分离合成橡胶，其分离方法是将高粘度橡胶溶液喷入沸腾的热水中，同时进行强烈搅拌，未反应的单体和溶剂与一部分水蒸气被蒸出，合成橡胶则以直径10—20mm左右的橡胶析出，且悬浮于水中。
经过滤、洗涤得到胶粒。
②后处理过程的差异：合成树脂后处理方框图：合成橡胶后处理方框图：潮湿的粒状合成橡胶→干燥→压块→包装→合成橡胶制品5、聚合反应器的形状有哪些？根据聚合反应器的形状主要可分为管式聚合反应器、塔式聚合反应器和釜式聚合反应器，此外尚有特殊形式的聚合反应器例如螺旋挤出机式反应器、板框式反应器等。
聚合物合成工艺
植物、农副产品 糠醛、纤维素脂、纤维素醚等。
2.2.3 中国资源情况展望
煤炭资源丰富 石化基地：大型乙烯装置
第3章 自由基聚合生产工艺
本体聚合 乳液聚合 悬浮聚合 溶液聚合
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
自由基聚合引发剂
1.特点：产品不能精制提纯，因此，对聚合反应工艺条件和设备 要求很严格；同一套装置要求生产不同牌号的产品。
2.聚合实施方法 自由基聚合：本体、乳液、悬浮、溶液 离子与配位聚合：本体、溶液
3.聚合反应的操作方式 间歇聚合：分批生产，适于小批量生产； 连续聚合：自动化程度高，质量稳定，适合大批量生产。
4.聚合反应器 管式、塔式、釜式、特殊形式 反应热排除方式：夹套冷却、内冷管冷却、反应物料部分闪蒸、反 应介质预冷、回流冷凝器冷却等。 搅拌器形式：平桨式、旋桨式、涡轮式、锚式、螺带式
1.3.5 聚合物后处理过程
后处理过程主要是脱除水分和有机溶剂的干燥过程。 1 合成树脂：采用气流干燥、沸腾干燥；干燥后得到的粉
状树脂，一般要添加稳定剂、润滑剂等添加剂，经混 炼、造粒制得粒状料（PVC除外）。 2 合成橡胶：采用箱式干燥机、挤压膨胀干燥机干燥。干 燥后进入压块机压制成25kg大块。
3.3.2 聚合工艺
常用釜式反应器、半连续操作。
3.3.3 后处理
聚合物溶液：脱除单体，浓缩或稀释至要求的固含量。 固体聚合物：真空蒸发脱单体、有机溶剂； 水溶液：干燥机脱水。
▲3.4 乳液聚合生产工艺
▲应用：合成树脂如PVC、聚醋酸乙烯、聚丙烯酸酯等； 合成橡胶如SBR、NBR、CR。
▲特点： 优点：聚合反应热清除较容易； 反应体系粘度低； 分散体系的稳定性优良，可连续操作； 产品乳液可直接用作涂料、粘合剂、表面处理剂。 缺点：分离过程较复杂，产生大量废水，直接干燥能耗大； 聚合物杂质含量较高。
聚合物合成工艺学每章节后面的思考题
第一章课后思考题（聚合物合成工艺学）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、调整浓度等过程相设备。
(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、脱除溶剂、催化剂，脱除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。
此外三废处理和公用工程如供电、供气、供水等设备。
2.比较连续生产和间歇生产工艺特点？答：连续生产：优点:聚合反应条件稳定，容易实现操作过程中的自动化；若条件一致，则产品质量规格稳定；设备密闭，减少污染；适合大规模生产；劳动生产率高，成本较低。
缺点：不便于小批量生产某牌号产品。
间歇生产：优点:反应条件以控制；物料在聚合反应器内停留时间相同；便于改变工艺条件。
缺点：不易实现操作过程的全部自动化；必须按配方规定的顺序进行；不适合大规模生产，生产能力低。
3.合成橡胶和合成树脂在生产过程中的那两个过程？试比较他们在这两个生产过程上的主要差别是什么？答：主要差别是分离过程和聚合物后处理过程；分离过程：合成橡胶：不能用第二种溶剂以分离合成橡胶，其分离方法是将高粘度橡胶溶液喷入沸腾的水中，同时进行强烈搅拌，未反应的单体和溶剂与一部分水蒸气被蒸出，合成橡胶则以直径10~20mm左右的胶粒析出，且悬浮于水中，经过滤洗涤得到胶粒；合成树脂：将合成树脂溶液逐渐加入第二种非溶剂中，而此溶剂是可以与原来的容剂混溶的，再沉淀釜中搅拌则合成树脂呈粉末状固体析出，如果通过细孔进入沉淀用溶剂中，则生成纤维状产品。
后处理过程：合成橡胶:采用箱式干燥机活挤压膨胀干燥机进行干燥；合成树脂：用加热的空气作为载热体进行气流干燥，含有机溶剂时，用加热的氮气进行干燥。
聚合物合成工艺设计
聚合物合成工艺设计聚合物合成工艺设计一、聚合物的合成工艺1、热压合成热压合成是指在热压机上通过压力密实，使原料反应，利用压力、温度等好的物理条件促使原料反应，使形成的聚合物具有均一结构和克制度。
这种合成方法有两个优点：1) 合成所需的能耗较低，2) 合成时间较短，但是热压合成反应温度在聚合物热变形温度以下，反应时间较短，仅有一部分工厂拥有热压合成机，因此，这种方法并不能满足所有聚合物的合成需求。
2、水热合成水热合成可利用聚合物在水中的溶解性，是一种比较常用的聚合物合成方法。
水热合成是指在高温水和高温气体中对聚合物进行反应，使原料在水中发生聚合，形成的聚合物具有均一结构和克制度。
这种合成方法有三个优点：1) 无需反应室；2) 反应温度低；3) 反应条件简单，但由于特定的聚合物在水中的溶解性和水热合成反应温度较低，反应时间较长，聚合物很容易磏面变质，因此，不适用于大规模合成。
3、溶剂聚合溶剂聚合也称为液相聚合，是指将聚合物原料加入溶剂中，加热、反应，使聚合物形成，这种合成方法受到的应用最多，可以制成高级聚合物，如聚酯、聚酰胺等。
在这种合成方法中，聚合物原料具有较高的溶解度，合成时间较短，但溶剂聚合的反应温度比较高，聚合物的熔点较低，不适合大规模合成。
二、聚合物合成工艺的选择1、热压合成热压合成最适合制造低熔点、结晶度大的聚合物，如聚醚醚酮、聚醚醚醚、聚醚、聚氨酯、聚酰胺等，这些聚合物在热压机上的反应温度比较低，同时可以在反应时间较短的情况下实现克制度高、结构均一的聚合物。
2、水热合成水热合成最适合制造溶于水的聚合物，如聚氨酯、聚醚醚酮、聚醚醚醚、聚醚、聚酰胺等，这些聚合物在水中可以容易溶解，可以在较短的时间内实现克制度高、结构均一的聚合物。
3、溶剂聚合溶剂聚合最适合制造有较高溶解度的聚合物，如聚酯、聚酰胺等，这些聚合物可以在芳香烃溶剂中溶解，可以在较短的时间内实现克制度高、结构均一的聚合物。
聚合物成型加工习题答案
高分子材料加工工艺第一章绪论1.材料的四要素是什么？相互关系如何？答：材料的四要素是：材料的制备(加工)、材料的结构、材料的性能和材料的使用性能。
这四个要素是相互关联、相互制约的，可以认为：1)材料的性质与现象是新材料创造、发展及生产过程中，人们最关注的中心问题。
2)材料的结构与成分决定了它的性质和使用性能，也影响着它的加工性能。
而为了实现某种性质和使用性能，又提出了材料结构与成分的可设计性。
3)材料的结构与成分受材料合成和加工所制约。
4)为完成某一特定的使用目的制造的材料(制品)，必须是最经济的，且符合社会的规范和具有可持续发展件。
在材料的制备(加工)方法上，在材料的结构与性能关系的研究上，在材料的使用上，各种材料都是相互借鉴、相互渗透、相互补充的。
2.什么是工程塑料？区分“通用塑料”和“工程塑料”，“热塑性塑料”和“热固性塑料”。
答：按用途和性能分，又可将塑料分为通用塑料和工程塑料。
工程塑料是指拉伸强度大于50MPa，冲击强度大于6kJ/m2，长期耐热温度超过100℃的、刚性好、蠕变小、自润滑、电绝缘、耐腐蚀性优良等的、可替代金属用作结构件的塑料。
但这种分类并不十分严格，随着通用塑料工程化(亦称优质化)技术的进展，通过改性或合金化的通用塑料，已可在某些应用领域替代工程塑料。
热塑性塑料一般是线型高分子，在溶剂可溶，受热软化、熔融、可塑制成一定形状，冷却后固化定型；当再次受热，仍可软化、熔融，反复多次加工。
例如：PE、PP、PVC、ABS、PMMA、PA、PC、POM、PET、PBT。
热固性塑料一般由线型分子变为体型分子，在溶剂中不能溶解，未成型前受热软化、熔融，可塑制成一定形状，在热或固化剂作用下，一次硬化成型；一当成型后，再次受热不熔融，达到一定温度分解破坏，不能反复加工。
如PF（酚醛树脂）、UF（脲醛树脂）、MF（三聚氰胺甲醛树脂）、EP（环氧树脂）、UP（不饱和树脂）等。
3.与其它材料相比，高分子材料具有那些特征（以塑料为例）？答：与其他材料相比，高分子材料有以下特性(以塑料为例)。
聚合物合成工艺设计 课件
一 化工设计的发展
• 1949-1978年
计划经济、苏联模式
• 1979年-现在
54年国家计委《关于工业及民用建设设 计及预算编制条例》
《关于国内设计计划任务书及设计文件 审批程序和计委内部审批分工的临时规 定》([54]计基字第96号)
西方先进设计理念与模式
• 设计工具
计算尺 绘图
计算器 描图
计算机 晒图（蓝图）
聚合物合成工艺设计与其他专业知识之间的关系及用途
二 本课的主要内容
根据工艺设计的任务，选择适当的工艺路线， 设计恰当的流程，进行正确的化工计算（物料、能 量衡算、设备选型和计算），以此为基础进行主要 设备的选型和设计，最后能进行车间的布置（平面、 立面）和绘制，并绘制带控制点的工艺流程图、单 元操作设备的绘制，同时掌握一定的土建、公用工 程以及安全、环保知识。
模课程的学习，要求大家基本掌 握高聚物合成工艺初步设计的全过程， 为大四最后一学期的毕业设计打好基础； 同时，对于今后踏上工作岗位后对于有 关聚合车间以及其他化工的设计，也有 初步的了解。
四个概念
设 计 （ design ） ： 就 是 在 做 某 项 工 作 之 前 ， 根据一定的目的要求，预先制定方法、图样 等。
聚合物合成 工艺设计
材料科学与工程学院 许莉莉
授课说明
• 考核及要求 • 教材和参考书：
聚合物合成工艺设计 陈昀 高聚物合成工艺设计基础 张洋 化工设计
第1章 绪 论
第2章 设计内容与设计程序
第3章 工艺流程设计 第4章 物料衡算 第5章 热量衡算
第6章 设备的工艺设计 第7章 车间的布置
1绪 论
高质量、高水平工程设计→质量优等、水平先 进的化工装置。
高聚物合成工艺学
高分子合成工业
合成工业任务： 是将基本有机合成工业生产的单
体(小分子化合物)，经过聚合反应(包括缩聚反应等) 合成高分子化合物，从而为高分子合成材料成型工 业提供基本原料。基本有机合成工业、高分子合成 工业和高分子合成材料成型工业是密切相联系的三 个工业部门。 高分子合成材料的制备过程： 经过石油开采、石油 炼制、基本有机合成、高分子合成、高分子合成材 料成型等工业部门。
合成纤维—— 合成纤维：通常由线型高分子量合成树脂经熔融纺丝 或溶液纺丝制成。合成纤维中通常要加有少量消光剂、 防静电剂以及油剂等。消光剂的作用可以消除合成纤 维的光泽，一般为白色颜料如钛白粉，锌白粉等。油 剂的作用是增加纤维的柔性和饱合性。
1.2 高分子合成材料的特性和在国民
经济各部门中的应用
通用塑料： 通用塑料产量大，生产成本低，性能多样 化。主要用来生产日用品或一般工农业用材料。例如聚 氯乙烯塑料可制成人造革、塑料薄膜、泡沫塑料、耐化 学腐蚀用板材、电缆绝缘层等。
工程塑料： 工程塑料产量不大，成本较高，但具有优 良的机械强度或耐摩擦、耐热、耐化学腐蚀等特性。可 作为工程材料，制成轴承、齿轮等机械零件以代替金属、 陶瓷等。
20世纪
50年代以后：由于发现了由有机金属化合物和过渡 金属化合物组成的催化剂体系，可以容易地使烯烃、 二烯烃聚合为性能优良的高聚物，因此对原料烯烃、 二烯烃的需要量急增。许多以煤和粮食为原料的化工 产品纷纷转向石油路线进行生产，石油化学工业迅速 扩大增长。
20世纪——
解放后：逐渐建立了化学纤维工业、合成橡胶工业 和塑料工业。相继建成了若干大型石油化工基地， 如燕山、兰州、吉林、大庆、齐鲁、金山、仪征、 高桥、辽阳等。它们以石油裂解气为原料，已形成 了合成纤维工业、合成橡胶工业和合成树脂与塑料 工业的骨干企业，使我国高分子合成材料工业迅速 发展。
聚合物合成原理及工艺学题库
聚合物合成原理及工艺学题库第一部分：聚合物合成原理1. 聚合物的基本概念聚合物是由大量重复单元组成的巨大分子，通过化学键相互连接形成线性或者支链结构。
常见的聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。
聚合物的性质取决于其结构以及聚合过程中的控制条件。
2. 聚合物的合成方法(1) 聚合反应聚合反应是指将单体分子通过共价键将其连接成高分子聚合物的过程。
常见的聚合反应有自由基聚合、离子聚合和羧化聚合等。
(2) 聚合物合成的原理在聚合物合成中，通常需要考虑单体的选择、聚合反应的控制条件以及引发剂等因素。
合成聚合物的过程一般包括引发剂引发聚合、聚合反应的进行以及制备和纯化工艺。
第二部分：聚合物工艺学1. 聚合过程的设计(1) 聚合物合成的反应条件在设计聚合过程中，需要考虑反应温度、压力、溶剂选择等因素。
这些条件会直接影响到聚合反应的进行以及最终聚合物的性质。
(2) 聚合物的结构控制通过不同的反应条件和控制手段，可以实现对聚合物结构的调控。
例如，改变引发剂种类和用量、反应温度和时间等，可以获得不同结构和性能的聚合物。
2. 聚合物的后处理工艺(1) 聚合物材料的纯化合成完聚合物后，通常需要进行纯化工艺以去除单体、引发剂和副产物等杂质。
纯化工艺包括溶剂萃取、结晶分离等方法。
(2) 聚合物制品的加工聚合物在制品化生产中，还需要进行各种后处理工艺，比如塑料制品的注塑成型、挤出成型等，以获得符合需求的最终产品。
第三部分：题库1.请简要介绍聚合物的基本概念。
2.聚合物的合成方法有哪些？请简要描述其中一种方法。
3.在聚合物工艺学中，为何需要考虑聚合反应的反应条件？4.聚合物的结构控制对其性能有何影响？举例说明。
5.请描述一种聚合物材料的纯化工艺。
6.聚合物制品的加工工艺有哪些？简要描述其中一种加工方法。
通过对聚合物的合成原理及工艺学的学习和掌握，可以更好地理解聚合物材料的合成与加工过程，为相关领域的研究和应用提供基础支持。
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蒸馏 精馏
1.3聚合物合成工艺评价
产品性能 技术成熟度
产品适应性与牌号多寡 能否可靠稳定进行规模化工业生产
能耗与综合利用 技术经济性
三废排放与治理 操作安全性
节能评价 投资、成本 环境影响评价 安全性评价
高分子合成工艺的研究内容
工艺配方优化-原料与配比 合成条件 关键生产设备 工艺控制原理与技术 产品性能的优化途径
2005年我国五大合成树脂进口来源分布
五大合成树脂 聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS
我国大陆高分子材料工业面临的竞争
高分子合成的工艺过程
高分子化合物的合成途径 大品种 自动化程度高 设备先进
烯烃单体
自由基聚合 离子与配位聚合 （链式聚合）
聚合物 合成
活性单体
逐步聚合
聚合物
化学改性
高分子合成的典型工艺过程 －链式聚合反应工艺过程
原料准备与精制过程－单体制造过程
催化剂（引发剂）的配制过程
聚合过程
分离过程
后处理过程 回收过程
六个过 程
1.2.1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、 精制、浓度调整等内容。
聚合反应过程对单体、溶剂等的纯度要求高
杂质、阻聚剂等会造成阻聚、链转移反应 介质中的杂质：对产品的色泽、外观、性能、反应过
1.1.2发展简史
1840年前 天然材料的处理和加工，如桐油、生漆的加工和应 用。
1840～1900年半合成材料出现 如天然橡胶的硫化、赛璐珞
（樟脑增塑的硝化纤维塑料）生产等。
20世纪初出现真正意义上的合成材料 如发明酚醛塑料。
1925～1935年 Staudinger，Carothers, Flory等建立 “高分 子科学”。
1.2.5后处理过程
干燥 输送 均化 造粒（压块） 包装
最终产品
喷雾干燥
干燥
气流干燥 沸腾干燥
挤出干燥
溶液或乳液状 液体物料
不易黏结的 粉状、颗粒状物料
溶液或橡胶凝聚团块
1.2.6回收过程
已分离单体和溶剂的回收与精制的操作过程。
主要实现单体、溶剂与聚合物的分离，以及 溶剂与单体的分离。
社. 1997 3.韦军，刘方.高分子合成工艺学，上海：华东理工大学出版社. 2011
连续不断的流出反应器的操作方式。
如本体聚合、溶液聚合、乳液聚合、熔融缩聚等。
1.2.4 分离过程－“聚合物提纯”
实现聚合物与下列组分分离的过程
未反应单体（单体转化率低于100%） 反应介质（水、溶剂） 低聚物
涉及的操作主要有
闪蒸 汽提（蒸汽蒸馏） 凝聚 离心、过滤
20世纪40年代 二战爆发，促使德国开发成功丁钠橡胶，并进 而寻求从石油中解决原料问题，促进了石油化工的发展。
Zigler-Natta催化剂 大批合成材料和新工艺问世，如HDPE、 IPP等，合成高聚物工业迅速发展。
1.1.3高分子合成工业简述
高分子合成工业的任务
将基本有机合成工业生产的单体经聚合反应合 成高分子化合物，从而为高分子成型加工工业
控制系统
聚合物
挤出机反应器
管式反应器
塔式反应器
沸腾床反应器
聚合过程的操作方式
A.间歇聚合操作
中小型生产装置
聚合物在反应器中分批生产，当达到规定的转化率
时，将聚合物从反应器中卸出的方法。
如悬浮聚合、界面缩聚等。
B.连续聚合操作
大型生产装置
单体和助剂等连续加入反应器，反应得到的聚合物
聚合物合成工艺学
第一章 绪论
工艺(process)
将原材料或半成品加工成产品的方法、技术等。如： 创造新工艺，制造新产品。也就是一个过程中用到的 方法和技术，通常是从概念到实物或从材料到产品的 过程里所用到的方法和技术都可以称为工艺。
对应的英文解释
Process Technology Method Craft
沸腾床干燥器
旋风分离器
旋风分离器 排风口
沉降室 人孔 沸腾室
出料口 底座与热风进口
进料口
引风机
气流干燥器
喷雾干燥器
热风入口
雾化喷嘴 旋口
主要参考书 1.王久芬.高聚物合成工艺，北京：国防工业出版社. 2005 2.赵德仁，张慰盛.高聚物合成工艺学（第2版），北京：化学工业出版
程均有影响，尤其是离子与配位聚合更为严格。
1.2.2催化剂（引发剂）的配制过程
大型连续化生产装置（如LDPE的生产、离子与配 位聚合中），引发剂、催化剂需配成溶液。
易燃易爆 添加 计量
需设置专门的引发剂（催化剂）配制与贮存岗位。
1.2.3聚合过程与反应系统
辅助设备
单体
反应器
釜式反应器
1.1高分子材料分类
天然高分子材料
蚕丝、羊毛、 皮革、棉花 木材、天然橡胶
高分子材料
合成高分子材料
合成塑料 合成橡胶 合成纤维 涂料与黏合剂 离子交换树脂
1.1.1合成高分子材料工业的重要性
年产1000t橡胶园
300万株橡胶树 占地3万亩
工人5000～6000人
年产1000t合成橡胶工厂
占地10亩 工人几十人
提供基础原料。
基本有机合成
高分子合成
高分子加工
（上游产业）
（中游产业） （下游产业）
三个产业部门密切相关
我国高分子材料工业现状简介
我国近年高分子材料与主要原料产量/万吨
我国高分子材料生产能力与产能预测
丁苯、顺丁、丁 基、丁腈、异戊、 乙丙、氯丁
我国高分子材料产量及化纤原料供需预测
近年我国合成树脂进出口情况
高分子合成工艺的发展趋势
节能、环保新工艺 通用合成材料的高性能化生产技术 精细、专用合成材料 控制新技术 高效生产设备 化石原料替代技术
常见化工设备简介
反应釜－釜式反应器
联轴器
电机与减速器
各
种
轴封装置
支架
连
接
釜盖
搅拌器
管
温度计套管
口
釜体 夹套
管式反应器
沸腾床反应器
一般为圆形 的设计