第一章-緒論-化工工藝學(xué)課件

第一章緒論第一節(jié)高分子工業(yè)和高分子科學(xué)發(fā)展簡史第二節(jié)高分子材料及其在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用

第三節(jié)高分子化合物的生產(chǎn)過程1高分子工業(yè)和高分子科學(xué)創(chuàng)立以前19世紀(jì)以前及初期高分子工業(yè):

人類僅僅局限于對天然高分子材料的加工利用。高分子科學(xué):1838年Berzelius提出Polymer一詞。

第一節(jié)高分子工業(yè)和高分子科學(xué)發(fā)展簡史2

20世紀(jì)30年代~40年代——高分子工業(yè)和

高分科學(xué)的創(chuàng)立時期高分子工業(yè):

塑料已出現(xiàn)了聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯等。

合成纖維中出現(xiàn)了尼龍-66、尼龍-6、聚乙烯醇纖維、滌綸纖維和維尼綸纖維等。

合成橡膠中出現(xiàn)了氯丁橡膠、丁基橡膠和丁苯橡膠。5高分子科學(xué):

纖維素相對分子質(zhì)量的測定（粘度法、滲透壓法和端基法）；現(xiàn)代高分子概念獲得公認(rèn)并正式確定；出版了一些高分子科學(xué)方面的書籍如:《高分子有機化合物》（H.Standinger);《縮聚反應(yīng)理論》（W.H.Carothers,P.J,Flory),《橡膠彈性理論》、《鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)和共聚理論》（Flory,Alfrey,Price)等。高分子溶液理論、乳液聚合理論的出現(xiàn)；各種溶液法測定聚合物相對分子質(zhì)量的方法的建立。620世紀(jì)50年代——現(xiàn)代高分子合成工業(yè)的確

立和高分子合成化學(xué)大發(fā)展時期高分子工業(yè)：

20世紀(jì)50年代以后全世界高分子材料生產(chǎn)蓬勃發(fā)展，幾乎以12%~15%的年增長的速率高速發(fā)展，是高分子合成工業(yè)確立和高分子合成化學(xué)大發(fā)展時期。高分子科學(xué)：

Ziegler-Natta引發(fā)劑和配位聚合、陰離子活性聚合、陽離子聚合；結(jié)晶聚合物研究的發(fā)展；聚乙烯單晶的獲得；蛋白質(zhì)α-螺旋結(jié)構(gòu)的提出,反螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。720世紀(jì)60年代——高分子物理大發(fā)展時期

隨著大批新合成高分子的出現(xiàn)，解決對這些新聚合物的性能表征，以及了解其結(jié)構(gòu)對性能的影響等問題也隨之變得很必要了。20世紀(jì)60年代高分子物理得到了大的發(fā)展。8

20世紀(jì)70年代——高分子工業(yè)和高分子科學(xué)的大發(fā)展時期

高分子工業(yè)：

高分子工業(yè)發(fā)展以生產(chǎn)的高效化、自動化和大型化為

標(biāo)志；大型加工設(shè)備的出現(xiàn)；新的聚合方法、新的聚合物的出現(xiàn)。三大合成材料超過104×104t，其中塑料8500×104t，以體積計已超過鋼鐵的產(chǎn)量。高分子科學(xué)：高分子共混理論的發(fā)展。

高分子設(shè)計的提出，基團轉(zhuǎn)移聚合理論的提出

9

特種高分子和功能高分子是20世紀(jì)80年代和今后高分子的重要發(fā)展方向。

不少科學(xué)家預(yù)言，高分子科學(xué)發(fā)展的的重大突破將發(fā)生在生物醫(yī)學(xué)高分子方面。生物醫(yī)學(xué)高分子是高分子和生命科學(xué)的結(jié)合部，在生物體內(nèi)種種生物大分子的極為有效的生物合成方法，種種神奇的功能也將是高分子科學(xué)家努力進行探索并加以模仿的目標(biāo)。10今后發(fā)展方向可環(huán)境降解的高分子材料、生物醫(yī)用高分子（如人造骨關(guān)節(jié)）、高性能低成本高分子材料、高分子設(shè)計、仿生技術(shù)等是高分子科學(xué)發(fā)展的方向。11高分子材料是指三大合成材料、涂料、粘合劑、離子交換樹脂及特種高分子化合物。一、三大合成材料合成樹脂僅是塑料、合成纖維和合成橡膠的最主要的原料（基材）。這些以高聚物為基礎(chǔ)的有機材料統(tǒng)稱為合成材料。三大合成材料：塑料、合成纖維和合成橡膠。

第二節(jié)高分子材料的特性及其在國民經(jīng)濟各部門中的應(yīng)用12⒈塑料

概念：以合成樹脂為基材，添加潤滑劑、穩(wěn)定劑、增塑劑、填料等，經(jīng)混煉、造粒制成的可進行塑性加工的高分子材料。

特點：

質(zhì)輕、絕緣、耐腐蝕、易成型加工。

分類：

熱塑性塑料

①

按受熱行為分

熱固性塑料②按產(chǎn)量和使用情況分

通用塑料——指產(chǎn)量大、成本低、應(yīng)用面廣的塑料。工程塑料——指可以代替金屬做為工程材料的塑料。

13⒉

合成纖維⑴

概念

以線型熱塑性合成樹脂為基材，添加消光劑、防靜電劑等助劑制成，可進行抽絲加工。⑵

特點

優(yōu)點：與天然纖維相比，強度高、不被蟲蛀、耐摩擦、耐化學(xué)腐蝕。

缺點：不易著色、產(chǎn)生靜電、吸濕性差、透氣性差等。

在合成纖維中，產(chǎn)量最大的是聚酯纖維（滌綸）、聚丙烯腈纖維（腈綸）、聚酰胺纖維（尼綸）。14⒊

合成橡膠⑴

概念

合成橡膠是用化學(xué)合成方法生產(chǎn)的高彈性體。加入硫化劑、硫化促進劑、防老劑、軟化劑、增強劑、填充劑等助劑，經(jīng)塑煉、硫化后可以制成各種橡膠制品。⑵

分類通用合成橡膠——性能與天然橡膠相近，物理機械性能與加工性能較好，廣泛用于生產(chǎn)輪胎及其它橡膠制品。（如丁苯橡膠、順丁橡膠、乙丙橡膠等）

特種合成橡膠——具有特殊性能，用作耐熱、耐溶劑、耐輻射、耐化學(xué)腐蝕等特種橡膠制品。

（如氟橡膠、有機硅橡膠、氯丁橡膠等）15二

涂料、粘合劑和離子交換樹脂高分子合成工業(yè)生產(chǎn)的合成樹脂與合成橡膠不僅可以做為塑料、合成纖維和合成橡膠制品的原料，還可以用來生產(chǎn)涂料、粘合劑和離子交換樹脂等合成材料。⒈

涂料⑴

概念

涂料泛指涂布在物體表面能夠形成具有保護作用和裝飾作用的膜層材料。⑵

組成

①

成膜物質(zhì)——天然樹脂、合成樹脂。②

顏

料——各色高分散性物質(zhì)。要具有適當(dāng)?shù)恼谏w力、著色力、高分散度、鮮明的顏色、對光線穩(wěn)定性等。

16

③

溶

劑——使成膜物質(zhì)均勻溶解，干燥后形成具有光澤的漆膜。（如石油類：200號汽油；煤焦油類：甲苯、二甲苯等；酯類：醋酸乙酯類等。）

④

助

劑——種類多，用量少。（如催干劑、固化劑、流平劑、增塑劑等。）17⒉

粘合劑⑴

概念

通過表面粘結(jié)力和內(nèi)聚力把各種材料粘合在一起，并且在結(jié)合處有足夠強度的物質(zhì)。通常為高分子合成樹脂或具有反應(yīng)活性的低分子量合成樹脂。⑵

分類

按固化機理分類不發(fā)生化學(xué)變化而固化的黏合劑。（如熱封膠）借化學(xué)反應(yīng)而固化的黏合劑。（如酚醛樹脂類等）18

⒊離子交換樹脂

⑴

概念

含有離子官能團，其部分離子可與溶液中的同性電荷的離子進行交換，具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的合成樹脂。⑵

分類

陽離子交換樹脂

按交換離子特性分類

陰離子交換樹脂

工業(yè)上使用較多的有三類：苯乙烯類；丙烯酸類；酚醛類。合成方法：①

苯乙烯與少量二乙烯基苯懸浮共聚生成骨架。

②

骨架經(jīng)磺化反應(yīng)引入磺酸基，形成陽離子型。

骨架經(jīng)氯甲基化引入氯甲基，形成陰離子型。19三、特種高分子化合物具有特殊性能、用途和某些功能的高分子化合物可統(tǒng)稱為特種高分子化合物。工業(yè)上重要的特種高分子化合物是耐高溫的高聚物、水溶性聚合物、液晶聚合物、高分子半導(dǎo)體、高分子導(dǎo)體、感光高分子化合物、高分子催化劑、醫(yī)用高分子材料、高分子醫(yī)藥、無機聚合物、元素有機聚合物、螯合聚合物和離子聚合物等等。

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生皮皮革鞣制皮革皮革制品蠶絲羊毛纖維及其制品棉花人造纖維人造材料

木材紙張

天然橡膠橡膠制品

圖1-1天然高聚物的主要用途天然高聚物機械加工機械加工機械加工機械加工皮革加工21

圖1-3熱塑性塑料的主要成型方法混煉造粒壓制成型注塑成型擠塑成型吹塑成型薄膜塑料壓延成型泡沫塑料發(fā)泡成型人造革制品人造革制造板材層壓一定形狀的模塑制品空心制品管、帶制品合成樹脂（線型高聚物）添加劑熱塑性塑料22

注塑成型模壓成型層壓板增強塑料合成樹脂（具有反應(yīng)活性的低聚物）添加劑（填料等）塑料制品混合粉碎壓塑粉壓制成型干燥浸漬圖1-4熱固性塑料的主要成型方法圖1-5橡膠制品的制造過程合成橡膠天然橡膠配合劑塑煉橡膠制品配料混煉成型硫化23與高分子合成工業(yè)有關(guān)的工業(yè)部門石油開采工業(yè)石油煉制工業(yè)高分子合成工業(yè)基本有機合成工業(yè)高分子材料成型加工工業(yè)第三節(jié)高分子化合物的生產(chǎn)過程24二．高分子化合物的生產(chǎn)過程⒈單體的種類和聚合反應(yīng)的類型

見表1.125表1.1單體的種類和聚合反應(yīng)的類型單體種類聚合反應(yīng)的類型聚合物用途乙烯及其衍生物單烯烴連鎖聚合產(chǎn)物為合成樹脂，其主要用來做塑料和合成纖維的基本原料（基材）雙烯烴連鎖聚合主要用來生產(chǎn)合成橡膠含有兩個官能團的單體逐步聚合產(chǎn)物為線型縮聚物，其主要用來做塑料和合成纖維的基本原料（基材）環(huán)狀化合物開環(huán)聚合有一種單體含有兩個以上官能團體型縮聚先合成具有反應(yīng)活性的低聚體，以便進行成型加工，用于生產(chǎn)熱固性塑料26高分子化合物的生產(chǎn)過程原料準(zhǔn)備與精制

引發(fā)劑配制

聚合

聚合物后處理分離

溶劑回收27

⑴原料準(zhǔn)備和精制過程精制目的：除去單體、引發(fā)劑、溶劑和介質(zhì)水中含有的雜質(zhì)一般單體的純度要求﹥99%。單體儲存要注意的問題：①防止單體自聚（加入阻聚劑）②防止著火（嚴(yán)禁明火，遠(yuǎn)離火源）③防止爆炸（禁泄露，加壓、加氮氣保護）28⑵引發(fā)劑配制過程

表1.2引發(fā)劑的種類、性質(zhì)和儲存聚合類型引發(fā)劑種類引發(fā)劑性質(zhì)儲存條件自由基聚合過氧化物易分解小包裝，陰暗、低溫條件，防火、防撞擊。偶氮化合物過硫酸鹽離子聚合Lewis酸烷基金屬化合物（烷基鋁）遇水易爆炸加入惰性溶劑（濃度5~25%）；氮氣保護。金屬鹵化物接觸潮濕空氣易水解，生產(chǎn)腐蝕性煙霧。接觸的空氣要干燥，有的還要防止接觸空氣。29

聚合過程

聚合反應(yīng)產(chǎn)物的特點

對工藝條件和設(shè)備的要求生產(chǎn)不同牌號產(chǎn)品的方法

聚合操作方式

聚合反應(yīng)器

聚合方法的選擇

(3)聚合過程30①聚合反應(yīng)產(chǎn)物的特點a聚合物的相對分子質(zhì)量具有多分散性。b聚合物的形態(tài)有堅韌的固體,粉狀,粒狀和高粘度的溶液.c聚合物不能用一般產(chǎn)品精制的方法如蒸餾、重結(jié)晶和萃取等方法進行精制和提純。②對聚合反應(yīng)工藝條件和設(shè)備的要求a對原料純度要求高b反應(yīng)條件應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定不變或控制在所允許的最小范圍內(nèi)波動c要求反應(yīng)設(shè)備不能污染產(chǎn)品31③生產(chǎn)不同牌號的產(chǎn)品的方法a使用相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑通過改變其種類或用量，獲得不同牌號的產(chǎn)品。b改變反應(yīng)條件通過改變溫度和壓力，獲得不同牌號的產(chǎn)品。c改變穩(wěn)定劑、防老劑等添加劑的種類④聚合方法的選擇

聚合方法的選擇原則是根據(jù)產(chǎn)品的用途所要求的產(chǎn)品形態(tài)和產(chǎn)品成本選擇適當(dāng)?shù)木酆戏椒ā?/p>

32

⑤

操作方式a間歇操作b連續(xù)操作（一般采用多釜串聯(lián)）目前，除懸浮聚合采用間歇法外，高分子合成工業(yè)中的大品種生產(chǎn)都已實現(xiàn)了連續(xù)聚合操作。⑥聚合反應(yīng)器

a聚合反應(yīng)器的類別聚合反應(yīng)器按形狀分主要有管式反應(yīng)器、塔式反應(yīng)器和釜式反應(yīng)器，螺旋擠出機式的反應(yīng)器和板框式反應(yīng)器。釜式反應(yīng)器最為重要，應(yīng)用最普遍，又稱為聚合反應(yīng)釜。33b聚合反應(yīng)釜的排熱方式

排熱方式有多種:有夾套冷卻、夾套附加內(nèi)冷管冷卻、內(nèi)冷管冷卻、夾套附加反應(yīng)物料釜外循環(huán)冷卻、夾套附加回流冷凝器冷卻等。最好是夾套冷卻和回流冷凝管冷卻兼有之。排熱方式如圖1-7所示。3435C

攪拌裝置

攪拌器有帶導(dǎo)流筒的螺軸式、螺帶式、平漿式、推進器式、透平式、錨式、渦輪式和旋漿式。在均相體系中，隨著單體轉(zhuǎn)化率的提高，物料的粘度明顯提高。此時，攪拌器的作用非常重要，攪拌在均相體系中有加速傳熱的作用，而在非均相體系中則有加速傳熱和傳質(zhì)的雙重作用。常見的攪拌器如圖1-7所示。

3637⑷分離過程

⑸

聚合物后處理過程⑹溶劑的回收過程38表1.3聚合方法及對應(yīng)的聚合物分離過程