高分子材料与工程毕业论文开题报告-年产50000吨丁苯橡胶（低温乳液聚合）合成工艺设计

毕业设计开题报告设计题目：年产50000吨丁苯橡胶（低温乳液聚合）合成工艺设计 学生姓名： 熊勇 班 级： 高分子 131 学 号：_ 1310202124 专 业: 高分子材料与工程 指导教师： 刘 方 2017年 3 月 20 日1本课题的目的、意义及国内外研究进展（2500字左右）1.1 本课题的目的和意义丁苯橡胶和其他通用橡胶一样，是一种不饱和的烃类高聚物。能溶解于大部分溶解度相近的烃类溶剂中，而硫化胶仅能溶胀。光对丁苯橡胶老化作用不明显，与一般通用橡胶相比，丁苯橡胶具有如下优点：低温乳聚丁苯橡胶具有胶料不易焦烧和过硫，硫化平坦性好；耐磨性、耐热性、耐油性和耐老化性能等均比天然橡胶好。加工中分子量降到一定程度后不再降低，因而不易过炼；可塑度均匀很容易与其它不饱和通用橡胶并用，尤其是与天然橡胶和顺丁橡胶并用，经配方调整可以克服丁苯橡胶的缺点。乳液丁苯橡胶与天然橡胶的并用得到非常广泛的应用1。加入少量天然橡胶能改善丁苯橡胶的黏性和工艺性能；丁苯橡胶与顺丁橡胶并用可改进顺丁橡胶的加工性能、抗切割性，同时增加丁苯橡胶的弹性、耐磨性等，在轮胎胎面胶中使用较多。丁苯橡胶与氯丁橡胶并用可改进其耐化学性和耐油性；而且，低温乳聚丁苯橡胶还可以与其他合成橡胶并用，在汽车工业、电器、制鞋等行业均有广泛的应用，使用范围仅次于天然橡胶。2本课题是采用低温乳液聚合工艺生产丁苯橡胶，并得到性能优异的丁苯橡胶。学生通过本项目设计，能掌握高分子合成工艺工程设计方法，提高学生工程设计能力。1.2 国内外研究进展1.2.1 发展概况丁苯橡胶是最早工业化的合成橡胶。1933年德国I.G.Farben公司采用乙炔合成路线首先研制出乳液聚合丁苯橡胶（简称乳聚丁苯橡胶），并于1937年开始工业化生产，商品名为Buna S。美国则以石油为原料，于1942年生产了丁苯橡胶，称为GR-S。苏联于1949年也开始了丁苯橡胶的生产。350年代初，出现了性能优异的低温丁苯橡胶。目前，低温乳聚丁苯橡胶约占整个乳聚丁苯橡胶的80%。60年代中期，随着阴离子聚合技术的发展，溶液聚合丁苯橡胶开始问世。随着合成橡胶技术的不断发展，自1951年出现充油丁苯橡胶之后，又出现了丁苯橡胶炭黑母炼胶、高苯乙烯丁苯橡胶等品种。目前，丁苯橡胶的产量约占整个合成橡胶生产量的55%，约占天然橡胶和合成橡胶总产量的34%。在合成橡胶中，丁苯橡胶仍是产量和消耗量最大的胶种。乳液丁苯橡胶是一种通用型合成橡胶。由于其生产原料丰富，成本低廉，用途广泛，生产技术也较成熟，自1933年开始生产后，发展极快，现已成为合成橡胶中产量最大的一个品种。1.2.2 工业生产方法乳聚丁苯橡胶的典型工艺流程一般以冷法丁苯聚合为代表。其生产工艺大体上分为：单体贮存与混合、助剂配制、聚合、未反应单体的回收、胶乳的掺杂、凝聚及后处理。整个生产工艺流程如图1. 41.2.2.1 原料配制原料丁二烯与一定量的回收丁二烯混合后，用浓度为10%15%的氢氧化钠水溶液于30进行喷淋以脱除所含阻聚剂，再与溶有规数量调节剂叔十二烷基硫醇的苯乙烯在管线中混合，然后与乳化剂混合液（包括乳化剂、电解质、除氧剂、去离子水）等在管线混合后进入冷却器，冷却至10。然后与活化剂溶液（包括还原剂、络合剂）进行混合，从第一聚合釜的底部进入聚合系统，氧化剂则直接从釜底进入。71.2.2.2 聚合聚合系统由812个聚合釜串联组成，反应温度57，操作压力0.25MPa，平均停留时间710h，控制末釜聚合转化率（602）%。由最后一台聚合釜流出的胶乳进入串联的5台终止釜，根据转化率测定数据向其中一台注入终止剂溶液。加入终止剂的胶乳进入缓冲罐，然后送入单体回收系统。然后进行掺混，后处理。1.2.3 低温乳聚丁苯橡胶的配合与加工配合的原则是应能满足产品的性能要求，胶料的焦烧时间要适当，现有设备能够能够工，产品的成本降低等。丁苯橡胶的配合基本上与天然橡胶类似。1.2.3.1 硫化体系传统的硫磺硫化体系使硫化胶产生以多硫键为主的交联结构，并存在游离硫，从而降低了硫化胶的耐热老化性能和抗压缩永久变形性能等。为改善这些性能，就要少用硫磺，使其仅参与有效交联，这种低硫高促硫化体系称为有效硫化体系。用硫磺给予体代替部分硫磺的硫化体系称半有效硫化体系。但由于促进剂价格高，通常丁苯橡胶中没有采用纯有效硫化体系的，而是采用成本和性能均佳的半有效硫化体系。81.2.3.2 补强与填充体系未加填料的纯丁苯硫化胶的强力很低，没有实用价值，只有加入补强剂后才具有良好的物理机械性能。补强剂中以炭黑最优。1.2.4 丁苯橡胶的塑炼丁苯橡胶可以通过调节平均分子量来改善其加工性能，一般来说，丁苯橡胶的门尼粘度多在3560之间。因此丁苯橡胶也可不用塑炼。但实际上经过塑炼后，可增进配合剂的分散性，有助于提高产品质量。特别是海绵橡胶创品，丁苯橡胶经过塑炼后，容易发泡，且泡孔大小均匀。因此，丁苯橡胶与天然橡胶一样，塑炼也是重要工艺之一。1.2.4.1塑炼与分子量分布丁苯橡胶的加工性能不仅受微观结构如顺式、反式及乙烯型等的影响，而且也受其平均分子量与分子量分布的影响。经过塑炼后，橡胶分子量中的大分子发生解聚，使得平均分子量降低，加工性能改善。研究表明丁苯橡胶比在相同条件下薄通的天然橡胶塑炼效果小，但高粘度的丁苯橡胶有较明显的塑炼效果。91.2.4.2 塑炼条件对塑炼效果的影响丁苯橡胶塑炼时，炼胶机的辊筒转速、速比、辊距及橡胶混度等各种条件对塑炼效果均有影响。辊筒速比愈大，亦即前后辊筒平均转速愈快，则塑炼效果亦愈大。此时也意味着橡胶通过辊缝次数愈多，塑炼效果愈好。另外根据炼胶机的塑炼条件，存在一定的极限粘度。随着辊筒平均转速的增加，辊距的减小及橡胶温度的降低极限粘度值也低。要想在某个极限粘度以下进行塑炼时，需要变换塑炼条件以适应低极限粘度要求。辊筒大小对塑炼效果没有多大影响，而辊距大小确有显著影响。辊筒温度愈低，塑炼效果越大。辊距愈小，速比愈大，塑炼橡胶的门尼粘度愈低。1.2.4.3 塑炼条件与凝胶生成塑炼温度对丁苯橡胶的塑炼效果影响颇大，当塑炼辊温超过120oC时，会迅速产生凝胶。在150oC时凝胶生成可高达44.3%11，一般认为，在这么高温度下生成的凝胶属于自动氧化类型。凝胶含量与门尼粘度之间不一定成比例，在凝胶含量非常高时，会出现假门尼现象，门尼粘度反而会低。另外辊筒收缩性与凝胶含量关系也不大，与上述门尼现象相似。1.2.5 丁苯橡胶的混炼丁苯橡胶混炼系指在其塑炼胶中均匀混入硫化剂、补强剂、软化剂等配合剂的作业。混炼胶质量对最终产品物理性能有直接影响，因此要认真操作。丁苯橡胶在设计时虽已考虑了使其易于加工，但由于聚合温度、乳化剂种类、结合苯乙烯含量及凝聚剂种类等制造条件的变化，也会产生种种性质上的差别。因此日本工业标准(JIS)在丁苯橡胶的试验方法中规定了详细的标准混炼方法。1.2.5.1 JIS规定的丁苯橡胶混炼方法12丁苯橡胶胶料用试验开放式炼胶机混炼，按下述操作顺序进行。(1)塑炼胶在辊距0.200.05毫米下薄通2次(不包辊)。(2)放大辊距到1.40.1毫米，胶料包辊以后，进行左右交替3/4搁胶。(3)加硕脂酸。(4)均匀分批加入炭黑。当炭黑加入一半之后，将辊距放大到1.6毫米，左右3/4捣胶各1次。然后加入剩余炭黑，待炭黑全部加完后，将辊距放大到1.9毫米，再从两边各捣胶1次。（炭黑没有全部混入橡胶之前，不能进进捣胶。从辊筒上落到炼胶机底盘上的炭黑应及时收集起来加到辊筒上。）(5)辊距调到1.9毫米，加其它配合剂，向时要注意防止飞扬。(6)从左右两方进行3/4捣胶3次。(7)从辊筒上将胶料刻下，辊距调到0.750.15毫米，再使整个胶料通过辊距6次。(8)混炼胶在7毫米厚度下出片、过秤，重量误差应在配方量的1以内。(9)混炼胶冷却2小时后，用试验开放式炼胶机在辊距0.200.05毫米下薄通10次，然后将辊距调到1.4毫米使胶科包到前辊筒上，按3/4捣胶左右往返3次后下片，胶片收缩后的厚度约为2.2毫米，放置16小时后送去硫化。（谓3/4捣胶是将胶料在辊筒工作面长度之3/4处切断后，使胶落到底盘上，至辊缝间无积胶后再翻捣上去，这种操作左右交替一次约30秒钟。）1.2.5.2 混炼条件对物理性能的影响前已述及，即使规定了丁苯橡胶的标准混炼方法，但实际上还会由于设备条件如炼胶机的规格、辊筒速比、回转速度等，以及人为因素如辊距、混炼温度、混炼时间和加料顺序等的变化而产生硫化橡胶物理性能上的波动。分析其原因不外乎炼胶过程中使橡胶分子链断裂，配合剂分散不匀或配合剂中水分影响以及聚合物凝胶和结合凝胶(填充剂凝胶)的生成等。13一 般来说，薄通得好时物理性能提高。另外，炭黑及白炭黑等配合剂中的水分会缩短焦烧时间与加快硫化速度。在密炼机混炼时，混炼温度、混炼时间、转子速度、上顶栓压力以及加料方法等对配合剂的分散性和加工性及硫化橡胶的物理性能等都有一定影响。在丁苯橡胶中混炼炭黑或白炭黑等活性补强剂时，由于混炼条件变化会生成结合凝胶。一般是炼胶温度提高则凝胶生成也多。将炭黑混炼胶薄片在不同温度下加热一小时生成的结合凝胶量随温度提高而急剧增加。结合凝胶可提高胶料定伸强度与抗张强度，但凝胶量大时会降低加工性能。1.2.6 主要发展趋势(1)环保化是ESBR发展的必然趋势。环保型助剂和环保型橡胶填充油的开发是今后的工作重点，应充分利用资源优势和技术优势，开发出环保型橡胶填充油，满足国内环保型橡胶填充油的需求，符合欧盟环保法规，实现中国石油产业升级和效益最大化。14(2)ESBR的高性能化是提高其性能、拓展其应用领域的重要途径。开发三元共聚、接枝共聚、原位杂化增强技术是ESBR聚合工艺研究的重点。(3)ESBR的粉末化顺应社会“低碳”和“经济”的要求。应加大其开发力度，实现成熟技术的效益。(4)ESBR的废水处理及高固含量聚合是ESBR企业节能减排的重要手段之一。应加强废水回用研究，提高丁苯、丁腈橡胶乳液聚合固含量，对于聚合工艺的研究开发具有重要的意义，有利于树立企业良好的社会形象。142本课题要研究的主要任务2.1、规模年产50000吨丁苯橡胶（低温乳液聚合）合成工艺设计2.2、产品品种、质量要求产品为不充油丁苯橡胶，型号为SBR 1778。其主要质量要求见表1。表1 产品质量要求表项目拉伸强度/mpa伸长率/%弯曲强度/mpa冲击强度/(NM-1)玻璃化温度/K体积弹性模量/GPa指95.00.090.162212.503设计方案（1）设计方案的确定（2）厂址的选择（3）生产方法及工艺流程的确定（4）操作参数的确定（5）物料衡算（6）热量衡算（7）主要聚合釜的工艺设计（8）辅助设备的选型（9）三废处理（10）编制技术文件（设计说明书）4.工艺流程乳聚丁苯橡胶的制造过程如图1所示。5一般包括单体与助剂配制、聚合、单体回收、凝聚与后处理等部分。聚合釜中的单体在氧化-还原催化体系作用下进行游离基聚合，生成丁二烯-苯乙烯共聚物。聚合物采用螺杆脱水机和挤压干燥机进行干燥。高分子凝聚技术有了发展。由于防老剂苯基-萘胺有致癌可能性，国外部分国家已经停止使用。聚合改性剂活性剂乳化剂苯乙烯丁二烯冷却到5污染/非污染催化剂氧化-还原体系聚合釜（5）串联10个聚合釜通常用二硫代氨基甲酸盐终止剂丁二烯真空闪蒸丁二烯，汽提苯乙烯回收塔苯乙烯混合罐防老剂填充油高芳烃/环烷烃凝聚罐凝聚剂通常用水洗槽干燥剂打包机成品图1 丁苯橡胶工艺流程图4进度安排毕业设计进度安排表总期限：2017. 2.202017.6.11时间阶段内容物化成果 2.203. 20开题阶段调研、搜集信息资料查阅文献，方案确定等完成开题报告文献综述初稿3.215.09设计、研究阶段计算、完成草图设计完成计算及绘图工作；设计初稿审阅5.105.12中期答辩对前期阶段工作进行检查和总结中期答辩成绩5.135.28设计、研究阶段完善补充图纸和说明书设计说明书和图纸5.296.03评阅与查重提交电子档，参加学校查重学生设计说明书（电子档）修改定稿、指导教师评阅指导教师成绩评阅教师评阅评阅教师成绩6.046.10答辩毕业答辩、二次答辩答辩成绩5. 参考文献1 王德禧 .热塑性弹性体的现状和发展J. 中国科学院化学研究所,2004 (33):46-512 韦军，刘方.高分子合成工艺学M.上海：华东理工大学出版社，2011.3 橡胶制品生产手册。化学工业出版社2006年5月第1版4 中国石化集团上海工程有限公司. 化工工艺设计手册M.北京：化学工业出版社，2009.5 贺匡国. 化工容器及设备简明设计手册M. 北京：化学工业出版社，2002.6 徐殿梁，橡胶工业，5，18（1984）7 张瑞清，橡胶工业，2，7（1984）8 (日)梅野昌等著，刘登祥，刘世平译，丁苯橡胶加工技术，化学工业出版社，19839 谢遂志等，中国化工协会高分子学会报告，1980年10 Buckler,E.J.et al.,Elasto