聚合物制备第三节
聚合物材料的制备和应用
聚合物材料的制备和应用引言聚合物材料是由单体分子经过聚合反应而形成的具有高分子链状结构的化合物，具有独特的物理、化学和力学性能。
聚合物材料广泛应用于制造工业、医疗器械、生物工程、能源和环保等领域。
本文将对聚合物材料的制备和应用进行介绍和分析。
一、聚合物材料的制备1. 选择合适的单体聚合反应的过程中，单体是构建高分子结构的基本组成部分。
在选择单体时需要考虑多种因素，如聚合反应稳定性、单体相互作用力、聚合速率和反应条件等。
2. 聚合反应聚合反应是将单体逐个连接在一起形成高分子链状结构的过程。
聚合反应的类型包括自由基聚合、阴离子聚合和阳离子聚合等。
3. 聚合物特性的调控聚合反应的过程中可以通过控制反应条件、单体配比和添加某些物质等方法，调节聚合物的物化性质，如分子量分布、链结构、共聚特性和化学反应活性等。
二、聚合物材料的应用1. 工业制造聚合物材料在现代工业制造中已经成为不可或缺的材料。
聚合物材料具有高结构可控性、化学活性和表面可处理性等优点，可以用于制造塑料制品、复合材料、橡胶制品以及高分子涂料等。
2. 医疗器械聚合物材料具有良好的生物相容性，在医疗器械制造领域扮演着重要角色。
聚合物材料可以制造人工器官、生物相容性材料、医疗敷料和药物输送系统等，广泛应用于医疗领域。
3. 生物工程聚合物材料在生物工程领域的应用越来越多。
聚合物材料可以用作DNA测序和合成、细胞培养和仿生材料等，为现代生命科学研究提供了重要的技术支持。
4. 能源和环保聚合物材料在能源和环保领域的应用也越来越广泛。
聚合物材料可以制造锂离子电池、太阳能电池和燃料电池等，为新能源技术的发展提供了重要的支持。
另外，聚合物材料也可以制造过滤器和吸附剂等，对于环境保护和治理也起到了重要作用。
结论聚合物材料的制备和应用已经成为现代化学和材料科学的重要领域。
聚合物材料的制备需要选择合适的单体，进行聚合反应并调节聚合物特性，从而得到满足特定需求的高分子材料。
树枝状聚合物和超支化聚合物的合成
第二节：聚合物的结构与支化聚合物
长 期 以 来 人 们 对 聚 合 物 的 分 类
线型聚合物
支链型聚合物（星型、梳型）
聚能化通 合不聚常 物如合认 线物为 型性支
体型聚合物
超支化聚合物之所以长期不被人们重视的另一 原因是表征手段的缺乏。 近年来，随着高分子科学的进展，高分子结构 与性能间的关系研究不断深入，使得人们对支化聚 合物有了新的认识。支化对高分子的性能具有重大 的影响，支化聚合物中支链的性质、长度分布及支 化度等物理参数与它的化学、物理、力学、流变学 性能都有十分密切的联系。这种影响的积极或消极 意义完全根据研究目的和应用目的来应用。
但这一定义并没有考虑到线型聚合物的 支化度等于0。比如说，线型二聚体的支化度 为1，而线型三聚体的支化度等于0.5，显然 与支化度的概念不符。因此Yan和Mueller对 公式进行了修正。
支化度=（端基单元+支化单元-1）/ （端基单元+支化单元+线型单元-1） 在分子、分母上同时-1是由于线型聚合物含有一个起始基团和一个 末端集团
Br
A B B
A B A B B B A B B B B A BA A B B B B
A B B A B
A B B A B A B B B A
A B B B B A B B A
B B A B B B A BA
B A B B B A
B B
进一步的增长过 程有多个可能性， 三聚体只能通过一 个二聚体与一个单 体反应得到，结果 将形成两个异构体， 至此尚无支化结构 出现。 四聚体的形成 可通过两个二聚体 的结合，或一个三 聚体（两种结构） 与一个单体反应来 实现，四聚体有三 种异构体，其中只 有一种是支化的。
聚合物的制备和应用
聚合物的制备和应用聚合物是由许多重复单元组成的大分子化合物，具有高分子量和多种理化性质。
它们在各个领域中广泛应用，包括塑料制品、纺织品、医学材料等。
本文将探讨聚合物的制备方法以及在不同领域中的应用。
一、聚合物的制备方法1. 自由基聚合法自由基聚合法是最常见的聚合物制备方法之一。
在该方法中，单体分子通过自由基化合物引发聚合反应。
这种方法适用于合成树脂、纤维和乳液等。
2. 阳离子聚合法阳离子聚合法利用阳离子引发剂催化单体的聚合反应。
这种方法通常用于合成丙烯酸酯、苯乙烯和乙烯等聚合物。
3. 阴离子聚合法阴离子聚合法利用阴离子引发剂来催化单体的聚合反应。
这种方法适用于合成丁腈、丁二烯和丁苯胶等聚合物。
4. 缩聚聚合法缩聚聚合法通过缩聚反应，将两个或更多的单体结合成一个分子。
这种方法适用于合成脲醛树脂、聚酰亚胺和聚酯等。
二、聚合物的应用1. 塑料制品聚合物在塑料制品中具有广泛的应用。
例如，聚乙烯和聚丙烯是常见的塑料材料，用于制造瓶子、袋子和容器等。
聚氯乙烯是一种优良的耐腐蚀材料，常用于制造水管和电线套管。
聚酯树脂被广泛应用于纺织品、塑料瓶和包装材料等领域。
2. 纺织品聚合物在纺织品行业中有着重要作用。
例如，聚酯纤维具有优异的耐磨损性和耐久性，常用于制造服装和家居用品。
尼龙是一种强度高、柔软度好的合成纤维，常用于制造绳索、丝袜和衣物。
3. 医学材料聚合物在医学领域有广泛的应用。
例如，聚乳酸被用于制造缝线和身体可吸收的医疗缝合线。
聚氨酯被用于制造心脏起搏器和人工关节。
聚丙烯被用于制造医疗设备和器械。
4. 包装材料聚合物在包装行业中被广泛应用。
例如，聚乙烯袋被用于食品和日用品的包装。
聚苯乙烯被用于制造保鲜盒和泡沫塑料包装。
聚酯薄膜被用于制造塑料瓶和礼品包装。
5. 电子材料聚合物在电子行业中具有重要作用。
例如，聚光合物被用于制造电容器和绝缘材料。
硅酮橡胶被用于制造电线和电缆，提供电绝缘和保护功能。
聚酰亚胺被用于制造印制电路板和太阳能电池。
聚合反应与聚合物的制备
聚合反应与聚合物的制备聚合反应是一种将小分子化合物通过化学反应组装成高分子聚合物的过程。
在聚合反应中的关键步骤是单体的聚合，单体是指由简单的分子单元组成的化合物。
通过聚合反应，单体可以逐渐连接在一起形成聚合物链，形成新的化学结构和性质。
一. 聚合反应的分类聚合反应通常分为两种类型：添加聚合和步骤聚合。
1. 添加聚合添加聚合是指将单体逐渐加入到已有的高分子链中。
这种聚合反应通常需要引入引发剂来引发聚合反应。
引发剂能够引发单体的活性，并将其与链上的自由基连接起来，从而实现聚合反应的进行。
添加聚合被广泛应用于制备丙烯酸钠、聚乙烯等聚合物。
2. 步骤聚合步骤聚合是指通过一系列的化学反应逐步合成聚合物。
在步骤聚合中，单体需要先经过化学反应形成一个中间体，在进一步的反应中将该中间体连接在一起形成聚合物链。
步骤聚合常见的例子是聚酯和聚酰胺的制备。
二. 聚合物的制备聚合物制备是指将单体转化为聚合物的过程。
聚合物的制备通常需要考虑以下几个关键因素。
1. 单体选择单体的选择对聚合物的性质和结构有重要影响。
不同的单体可以通过聚合反应形成不同的聚合物，具有不同的化学性质和物理性质。
在选择单体时，需要考虑到预期的聚合物性质，并根据实际需要进行选择。
2. 反应条件聚合反应的反应条件对聚合物的合成起着关键作用。
反应条件包括反应温度、反应时间、添加剂等。
这些条件的选择需要根据具体的聚合体系来决定，以确保聚合反应能够顺利进行并得到合适的聚合物。
3. 聚合反应的控制聚合反应的控制是制备高质量聚合物的关键。
聚合反应的过程中，需要控制单体的添加速率、反应温度等参数，以控制聚合物的分子量、分子量分布等性质。
通过合理的反应控制，可以得到所需的聚合物特性。
4. 后处理在合成聚合物之后，通常需要进行一系列的后处理步骤，以获得所需的聚合物形态和性质。
后处理可以包括溶剂提取、洗涤、干燥等步骤。
这些后处理步骤能够去除残余的单体和引发剂，以及改变聚合物的形态和结构。
化学聚合反应与聚合物制备
化学聚合反应与聚合物制备化学聚合反应是一种通过将单体分子连接在一起形成高分子链的方法，聚合反应的产物被称为聚合物。
聚合物是由重复单元组成的大分子，具有各种各样的性质和应用。
在本文中，我们将探讨化学聚合反应的原理、类型以及聚合物的制备方法。
一、化学聚合反应的原理化学聚合反应是通过共价键的形成将单体化合物连接成长链状的聚合物。
在聚合反应中，单体分子的反应活性部分（通常是双键或官能团）发生聚合，使得聚合物的分子量逐渐增大。
化学聚合反应可以分为两种类型：加聚和缩聚。
加聚是指通过在单体分子中添加微量物质（引发剂）使其单体发生反应，并逐渐形成长链状的聚合物。
而缩聚是指通过两个或更多的单体分子之间的化学反应，生成一个带有一个或多个小分子副产物的大分子。
二、聚合反应的类型根据反应机理和产物特点，聚合反应可分为链聚和步聚两种类型。
1. 链聚链聚是通过一个引发剂或自由基引发剂引发单体的聚合反应。
其中，自由基聚合是最常见的链聚反应类型之一。
在自由基聚合反应中，引发剂产生自由基，促使单体发生聚合反应并形成长链状聚合物。
2. 步聚步聚是由于官能团之间的缩合反应而产生的。
步聚中的反应通常需要在较低的温度下进行，并且需要控制反应物的比例以保持分子量的增长。
三、聚合物制备方法聚合物的制备方法取决于所使用的单体和聚合方法。
常见的聚合物制备方法包括：1. 自由基聚合自由基聚合是一种常用的聚合物制备方法。
在这种方法中，引发剂产生自由基，促使单体发生自由基聚合反应，并形成长链状聚合物。
常见的自由基聚合反应包括自由基聚合聚合物化学和自由基聚合聚合物化学。
这些方法具有简单、高效的特点，广泛应用于工业生产中。
2. 阳离子聚合阳离子聚合是一种通过阳离子引发剂引发的聚合反应。
此方法适用于具有活性位置的单体，如烯烃类和环氧化合物。
阳离子聚合方法可用于制备防腐剂、粘合剂等。
3. 阴离子聚合阴离子聚合是通过阴离子引发剂引发的聚合反应。
此方法适用于具有阴离子功能基团的单体，如乙烯基聚合物和苯乙烯聚合物。
聚合物的制备
第三篇高分子材料加工基础第九章聚合物的制备本章内容及要求1.本章共三节，教授课时2学时，通过本章学习，要掌握聚合物制备的两种方法，即加聚型和缩聚型。
9.1 概述9.2 加聚型聚合物的制备9.3 缩聚型聚合物的制备2.重点：加聚型聚合物的制备方法3.要求：①了解高分子材料制备的四个环节；②掌握高分子化合物的基本概念：结构单元、单体、聚合度；③了解高分子化合物的分类；④掌握加聚型聚合物的四种制备方法的原理、特点与应用；⑤了解缩聚型聚合物的三种制备方法；⑥掌握加聚反应与缩聚反应在反应物和产物的特点。
具体内容第一节概述1.定义：高分子化合物:简称高分子，由成百上千个原子组成的大分子。
大分子是由一种或多种小分子通过共价键一个接一个地连接而成的链状或网状分子。
高分子链的形态▪线型：长径比1000:1，具有良好的弹性和塑性，可溶解或溶胀，加热可熔化或软化；易于加工成形，可重复使用。
热塑性塑料PE、PVC等。
▪体型：网状结构，不溶不熔，具有良好的耐热性和强度，但脆性大，弹性、塑性低，不能重复使用。
热固性树脂—酚醛树脂等。
高分子材料是以有机高分子聚合物为主并往往加入多种添加剂形成的材料。
2.结构单元、单体、聚合度一个大分子往往由许多相同的简单结构单元通过共价键重复连接而成。
例如聚氯乙烯的分子是由许多氯乙烯结合而成结构单元（链节）：聚合物分子结构中出现的以单体结构为基础的原子团单体：能够进行聚合反应，并构成高分子基本结构组成单元的小分子。
聚合度：塑料分子链所含链节的数目3.分类：其中（1）热塑性聚合物：加热后软化，冷却后又硬化成型，这一变化随温度变化可以反复进行。
聚乙烯、聚氯乙烯属于此类。
（2）热固性聚合物：聚合物原料经混合并受光、热或其它外界环境因素的作用发生化学变化而固化成型，但成型后再加热也不会软化变形。
如酚醛树脂、环氧树脂等。
4.高分子材料制备过程人们从古时候起就知道应用棉花、丝绸、羊毛、皮革之类的高分子材料，但第一种合成高分子材料——酚醛塑料是20世纪初(1907年)才问世的。
聚合物的制备方法与性质研究
聚合物的制备方法与性质研究一、聚合物的制备方法1、聚合反应聚合反应是通过热稳定性聚合物的非可逆结合来制备聚合物的方法。
在这个过程中，单体以可被聚化的聚合试剂形式存在，这些试剂分子随着反应进行而结合起来形成高分子聚合物。
聚合反应根据聚合反应过程中引发聚合的引发剂类型，分为自由基聚合和离子聚合。
其中自由基聚合是最常用的方法。
2、缩合反应缩合反应是通过可逆结合来制备聚合物的方法。
在这个过程中，单体以微观上的单体形式存在，在引发物存在的情况下，单体被连接，形成宏观上的聚合物。
在这个过程中反应物是相对简单的有机分子，因此缩合反应可以用比聚合反应更多的有机化学反应代替或添加以制备新材料。
缩合反应可以使用的引发性物质非常多，这给了材料科学家无数的可能性。
3、重均聚合反应重均聚合反应是通过反应OCN同分异构体（O-双异氰酸酯N-丙基）向异构化或解聚来进行的。
双异氰酸酯（compare zu Isocyanaten）在空气中具有容易的水解反应和缓慢的反应，因此需要使用有机溶剂作为催化剂来加速反应。
这个过程是以催化剂催化下的双异氰酸酯在溶液中短暂缩合，并与催化剂形成烷氨基化物。
随着反应的继续，形成的化合物经过断裂、重组和缩合等环节，形成高分子聚合物。
二、聚合物的性质研究1、热稳定性聚合物的热稳定性是指聚合物在高温下的稳定性。
这个概念在塑料和橡胶等材料中尤其重要。
高温性能的改进是在工程耐热塑料和“连续使用温度”等材料中的最主要目标。
2、机械性能聚合物的机械性能是指聚合物在机械应力和塑性变形下的性能。
聚合物的强度和刚性与其化学组成和聚合方式有关。
线性聚合物和两互连聚合物由于其结构不同，其机械性能也不同。
3、耐老化性能聚合物的耐老化性能是指聚合物在持久暴露于紫外线和其他辐射下的性能。
例如，聚合物的颜色及其外观是对其耐老化性能的一个指示。
4、稳定性聚合物的稳定性是指聚合物在光、热和其他特定条件下的稳定性。
仅有部分聚合物具有较高的稳定性。
第三节聚氨酯的合成单体
T65 65.5±1 >99.5 6 ～7 <0.01 <0.01 <0.1 <50 1.22 246～247 约3 127
T80 79±1 >99.5 12～13 <0.01 <0.01 <0.1 <50 1.22 246～247 约3 127
T100 ≥97.5 >99.5 >20 ≤0.01 ≤0.004 ≤0.01 20 1.22 251 3 127
返回
3
第二节 聚氨酯化学 一、异氰酸酯的反应机理 异氰酸酯指结构中含有异氰酸酯（—NCO，即—N==C==O）基团 的化合物，其化学活性适中。一般认为异氰酸酯基团具有如下的电子共 振结构：
R N C O R N C O R N C O
根据异氰酸酯基团中N、C、O元素的电负性排序：O(3.5) ＞N(3.0) ＞ C(2.5)，三者获得电子的能力是：O ＞ N ＞ C。另外， —C==O键键能为733kJ/mol，—C==N—键键能为553kJ/mol，所以碳 氧键比碳氮键稳定。 因此，由于诱导效应在—N==C==O基团中氧原子电子云密度最高， 氮原子次之，碳原子最低，碳原子形成亲电中心，易受亲核试剂进攻， 而氧原子形成亲核中心。当异氰酸酯与醇、酚、胺等含活性氢的亲核试 剂反应时，—N==C==O基团中的氧原子接受氢原子形成羟基，但不饱 和碳原子上的羟基不稳定，经过分子内重排生成氨基甲酸酯基。
O2N NCO > NCO > CH3 NCO >
CH2
NCO >
NCO >R
NCO
由于电子效应的影响，聚氨酯合成用的二异氰酸酯的活性往往增加。 而当第一个 N C O 基团反应后，第二个的活性往往降低。如甲苯二 异氰酸酯，两个 N C O 基团活性相差2~4倍。但当二者距离较远时， 活性差别减少。如MDI上的两个 N C O 基团活性接近。 2．位阻效应的影响 位阻效应亦影响 N C O 基团的活性。甲苯二异氰酸酯有两个异 构体：2,4-甲苯二异氰酸酯和2,6-甲苯二异氰酸酯，前者的活性大于后 者，其原因在于2,4-甲苯二异氰酸酯中，对位上的－NCO基团远离
第三节 聚合物胶束、纳米乳与亚微乳制备技术
• (2)配制微乳
• 从相图确定了处方后将各比例混合即 得微乳，无需作多少功，且与各比例 混合的次序无关，通常制备W/O的微 乳比制备O/W微乳容易。
• 3.自乳化
• 药物使用后遇体液后自动乳化形成微乳。
• 如：环孢菌素(器官移植后的免疫抑制剂)微乳 浓液胶囊口服后在消化道与体液相遇,自动乳化 形成O/W微乳,生物利用度可提高74~139%。
离心后分层
制备时不需要外力作功
制备时需要能量
长效制剂，在体内转运时间较长
可同时增溶不同脂溶性的药物
包封的药物高度分散提高生物利用度
提高一些不稳定药物的稳定性
既能与油相混匀又能与水相混匀
只能与某一相混合
• 5．亚微乳(Subnanoemulsion) 又称亚纳米 乳(subnanoemulsion)：
微乳
普通乳状液
粒径10—100nm之间
1~100µm且分布不均匀
组成＝水相、油相、表面活性物质(必含助乳化剂)
相同
O／W和W／O型
O／W和W／O型
外观透明或半透明粘度接近于水
乳状粘度大于水
表面活性剂含量显著高（5％～30％）
表面活性剂含量低
热力学稳定体系（不易聚集稳定）
热力学不稳定体系
可以长期放置经热压灭菌及离心也不分层
利用度 （2）促进蛋白质等大分子的吸收，可同时增溶
不同脂 溶性的药物 （3）提高一些不稳定药物的稳定性 （4）近年来作为缓释和靶向给药系统应用
• 7.目前存在的主要问题：因乳化剂、 助乳化剂用量大20～30％，产生 乳化剂毒性.
• 二、常用的载体材料
• （一）聚合物囊束的载体材料
常用合成的线形两亲性嵌段共聚物，其亲水 段材料一般为PEG、PEO（聚氧乙烯）、 PVP（聚维酮）、降解的壳聚糖等，疏水 段材料有聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨基酸、 聚乳酸、精胺或短链磷脂
高分子化学第七章聚合物的化学反应
二、 化学因素
• 1. 几率因素
大分子链上相邻基团作无规成对反应时，往往有一 些孤立的基团残留下来，反应不能进行到底。
～～CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2～～
O -CH2- O
OH
O -CH2- O
按反应的几率，羟基的最高转化率86.5％，实验
测得为85～87％。
二、 聚合物化学反应的影响因素
影响聚合物功能基反应能力的因素：
（1）物理因素 （2）化学因素
一、 物理因素
• 1. 结晶的影响(聚合物的聚集态)
对于部分结晶的聚合物，晶区分子的取向 度高，分子间作用力大，低分子试剂不易扩散 进去，反应往往只限于无定形区。无定形物处 于玻璃态时，链段被冻结，不利于低分子扩散 ，反应最好在Tg以上或使其适当溶胀后。
• CPE可用于电缆护套，耐热输送带，胶 辊，工业用胶管等。
2.聚氯乙烯的氯化(CPVC)
~CH2–CH~ + HCl Cl
~CH–CH~ + HCl Cl Cl
• 氯化聚氯乙烯的特点是耐热、耐老化 、耐化学腐蚀性好，基本性能于PVC 接近，但耐热性比PVC高。
三、聚乙烯醇的合成及其缩醛化
• 1.聚合
n CH2=CH BPO OCOCH3
－[ CH2-CH－] n
OCOCH3
控制合适条件，制备聚合度适当的产物
• 2.醇解
－[ CH2-CH－] n
CH3OH,OH–CH3COOCH3
OCOCH3
~~CH2-CH~~ OH
制备维尼纶纤维，醇解度要大于99% 悬浮聚合分散剂，醇解度大约为80%
• 3.缩醛化
化学分析。 (5)研究材料的老化和防老化
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螺杆及螺带式
• 螺杆及螺带式：适 合高粘度液体的搅 拌
• 特点：转速低，剪 切若；通常需要搅 拌附件叶轮
搅拌器的选用
• 基本要求 1. 保证物料的混合 2. 消耗最小的功率 3. 所需费用最低 4. 操作方便，易于制造和维修
选择的一般考虑方法
• 如果生产上对搅拌无特殊要求，则可参照 生产时所使用的类似搅拌器经验选定；
注： D：桨叶直径 N：转速 ρ ：密度 μ ：流体粘度 qd ：单位时间从桨
叶排除的流量
2.其他准数
功率准数：
Np P
N 3 D5
排除流量：
Nqd
qd ND3
混合时间：Nb=Nθ M
循环次数：Nc Nc=3~5次/min 普通 Nc=5~10次/min 强
单位体积的搅拌功率：P/V
注 D：桨叶直径 N：转速 ρ ：密度 μ ：粘度 qd ：单位时间从桨
桨式
• 桨式搅拌器：桨叶构形为平桨、斜桨、 锚式、框式等。
• 特点：结构简单，转速低，桨叶面积大 平桨、斜桨：剪切强，转速为20～200rpm
适合粘度为0.1～102Pa·S的液体 锚式、框式：转速低，剪切小 • 选用：
中、低粘度液体：平桨、斜桨 高粘液体：锚式、框式
桨式
锚式叶轮
框式叶轮
推进式
导流筒
• 安装方式： 1.对于推进式搅拌器，导流筒
套在桨叶的外面； 2.对于涡轮式搅拌器，导流筒
则置于桨叶的上方。 • 作用： 1.提高釜内流体的搅拌程度，
加强桨叶对流体的直接剪切 作用； 2.造成一定的循环流型，使物 料均可以通过导流筒内的强 烈混合区，提高混合效率
四、搅拌釜中的混合与分散
1、液-液均相混合
1.搅拌雷诺数
搅拌雷诺数
ND2 NRe
1.NRe<10，存在死角 2. NRe～10，体系处于层流 3. NRe:100~1000，体系为过渡流
4. NRe>1000，湍流；无挡板时会 引起漩涡。当桨叶直径D与釜径T之比 D/T<0.1时，釜内流体虽为湍流状态，但上 下循环流不会遍及整个釜内，易出现死角
2、液-液非均相混合
搅拌的作用－－液液分散
• 液液分散概念：利用机械搅拌不互溶的 液－液体系，使其中的一相（分散相） 分散到另一相（连续相）中的过程。
例如：悬浮聚合，乳液聚合 • 液－液分散影响：传质，传热－－产品
质量，特别使聚合物的颗粒形态。
液－液分散与合并
• 分散：较大的液滴分裂成二个以上的液滴的过程。 影响因素：分散的推动力是液滴受到的剪切力；而分散的阻
3.固体悬浮：主要控制因素为容积循环速率及湍流强度； 固体粒子较大，固液密度差大，固/液比<30％，开式涡轮 固体粒子较小，固液密度差小，固/液在60～90％，平桨 固液密度差小，固/液比<50％，推进式
4.气体吸收及气液相反应：主要控制因素为局部剪切作用、容 积循环速率及高转速，圆盘式涡轮
5.高粘度体系：控制因素为容积循环速率及低转速，随粘度增 大可以依次选用：透平、锚式、框式、螺杆、螺带、特殊型 高粘度搅拌器
不同物料体系的搅拌目标 和搅拌效果检验方法
液液分散对聚合物颗粒形态的影响
• 聚合物颗粒形态的相关因素：添加剂（表面活 性剂、分散剂等）性质与用量，流体的性质， 搅拌器的特性，反应釜的特性，水油比，釜的 附件等。
• 一般定性的规律：
1.单位体积的搅拌功率对液滴平均直径的影响：P/V d 2.循环次数：n d 3.表面张力（界面张力） ： f d 4.搅拌转速：马鞍形 5.水油比：水油比 d
• 目的：消除漩涡和涡流，改善流动效果，提 高混合效率，加强传质和传热
漩涡
• 产生：流体粘度不大，搅拌转速较 高，且桨叶在釜的中心线时，液体 将随着桨叶旋转的方向循着釜壁滑 动，釜内液体在离心力作用下涌向 釜壁，使液面沿着釜壁上升，中心 部分的液面下降，形成一个漩涡。
• 危险：降低搅拌效率，危害搅拌轴
2018～2019年度 2nd semester
“聚合物制备工程”
第二章 聚合反应工程基础
第2章 聚合反应工程基础
2.1概述 2.2化学反应工程基础
2.2.1化学反应与工业反应器分类 2.2.2均相化学反应动力学基础 2.2.3理想反应器设计 2.2.4理想混合反应器的热稳定性 2.2.5连续反应器的停留时间分布与流动模型 2.2.6釜内流动状态与搅拌 2.3聚合反应过程与聚合反应器 2.3.1聚合反应过程 2.3.2聚合反应器 2.3.3聚合物制备工程的辅助过程与设备 2.4聚合反应工程分析 2.4.1概述 2.4.2聚合反应动力学基础与理想反应器基本模型 2.4.3反应器形式对聚合反应产物的影响 2.4.4聚合反应过程的调控手段
分 溶 固 气 结 传 液 槽容积
散 解 体 体 晶 热 相 范围
悬吸
反
m3
浮收
应
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 1～100
○○
○ ○ ○ 1～200
○○○
○ ○ ○ 1～1000
○○○
○ ○ 1～1000
○
○ ○ 1～100
○
1～100
○
1～50
○
1～50
转速范围
r/min
10～300 10～300 100～500 10～300
典型搅拌器结构
搅拌器组成：
传动装置
搅拌装置
搅拌轴
桨/叶轮
搅拌器
常用搅拌桨/叶轮
搅拌器分类
搅拌器分类
A • 桨式 • 推进式 • 涡轮式 • 螺杆及螺带式 • 组合式
B
• 小桨叶高转速搅拌 器：透平式、推进 式、直桨、斜桨， 适合中、低粘度的 液体
• 大桨叶低速搅拌器： 锚式，框式，螺带 式，螺轴式等，适 合中、高粘度液体
• 如果对搅拌有严格要求，又无参照工艺， 则对应工艺、设备等全面分析，找到操作 的主要控制因素，选择相应的搅拌；
• 过程开发或大型工程，通过试验研究最佳 的型式、尺寸，再相似放大进行设计
选用举例
1.均相液体的混合：主要控制因素为容积循环效率，任何搅拌 器（无混合时间要求）
2.非均相液体的混合：主要控制因素为液滴的大小（分散度） 及容积循环速率，涡轮式
打漩现象
各类挡板
挡板
• 原理：
1.使流况从主要是生成涡流或漩涡的 旋转流改变为对混合有利的垂直流 动，即将切线流变为轴向流或径向 流； 2.增大液体湍动程度，改善搅拌效 果。
• 作用
消除漩涡现象，改善混合效果
• 判断：以搅拌雷诺数NRe判断 NRe<20，一般无需挡板；
NR全e＝挡2板0～（1即03挡－4板，数可小以于装4不）完； NRe> 103－4，需全挡板（4个）
均相混合—包括微观混合和宏观混合两个过程
开始
2秒
4秒
泛能式
双层斜桨
泛能式
6秒
8秒
低粘混合例
高粘混合例
双螺带
开始
30秒
60秒
90秒
120秒
宏观混合和微观混合所需的时间
搅拌条件
混合所需时间
湍流搅拌，使用涡轮式叶轮， 宏观混合所需时间约 25 秒
水溶液，
微观混合所需时间约 0.1 秒
D=H=2m，D=1m，N=1 r s， PV=1kW／m3 层流搅拌，螺带式叶轮，高 宏观混合所需时间约 20 秒
1.桨叶搅拌以循环流为主，称为循环型桨叶
推进式
2.桨叶搅拌以剪切流为主，称为剪切型桨叶
平桨
二、 搅拌釜内流体的循环特性
• 如何关联搅拌器与流体流动状态的关系？
因次分析方法 • 采用因次分析方法得到了许多准数
搅拌雷诺数：代表搅拌釜内流体的粘性力 功率准数：动力特性 排除流量：循环特性 混合时间：混合特性 努塞尔准数：传热特性
力是界面张力和液滴内的粘性力。 搅拌釜内剪切最强的地点：搅拌桨叶端
临界Weber准数 We 2dmax /
• 合并：两个以上的液滴合并为一个液滴的过程。 影响因素：合并的推动力是适当的碰撞；其阻力包括剪切力，
界面张力等。 • 分散与合并：在搅拌釜内共存，两者是动态的过程，与搅
拌器的特性、流体的特性等密切相关。
HVR
SCR
(三菱重工)
砂磨机
LIAS-AP
瑞士LIST全相型
BIVOLAK
(住友重机全相型)
叶排除的流量
混合时间的测量方法 低粘物系：电导法、温差法和折光率法等 高粘物系：脱色法、着色法
电导法
最大叶片式叶轮与双层圆盘涡轮混合速率对比
使用碘加硫代硫酸钠脱色法测量混合时间
开始
2秒
4秒
泛能式
双层斜桨
泛能式
6秒
8秒
低粘混合例
高粘混合例
双螺带
开始
30秒
60秒
90秒
120秒
三、搅拌附件的功能
• 搅拌附件：挡板、导流筒等（注意：内冷管、 蛇管的传热附件也起到类似作用）
循环流动的三种典型流况－－轴向流动
• 轴向流动：流体的流 动方向平行搅拌轴， 流体由桨叶推动，使 流体向下流动，碰到 釜底再翻上，形成上 下循环流动。
循环流动的三种典型流况－－切线流动
• 切线流动：流体绕轴 作旋转运动，也称旋 转流动，当搅拌转速 较高时，液体表面会 形成漩涡。
微观流动（剪切流动）：指流体以小尺寸（小气泡、 液滴分散成更小的微滴）在小范围（气泡、液滴大小 的空间）中的湍动状况。
• 微观流动：是由于搅拌桨的剪切作用而引起的局部
混合作用，它促使气泡、液滴的细微化，最后由于分
子扩散达到微观混合。
• 产生：搅拌－液体粘度－速度梯度－液滴变形－形成 湍动－小漩涡－－促进液体微元的更新－－促进传质、 传热等