高分子化学-绪论

1、聚合物合成工艺学聚合物合成工艺学授课人：王正平授课人：王正平 高分子合成工业概述高分子合成工业概述 高分子合成材料的品种和特性高分子合成材料的品种和特性 高分子化合物生产过程高分子化合物生产过程 生产流程评价和新工艺、新产品的开发生产流程评价和新工艺、新产品的开发 合成工业的三废处理与安全合成工业的三废处理与安全 废旧材料的回收利用废旧材料的回收利用1.1.高分子合成材料高分子合成材料 塑料可以代替大量钢材、有色金属、木材等；塑料可以代替大量钢材、有色金属、木材等； 合成纤维比天然纤维合成纤维比天然纤维( (棉花、羊毛、蚕丝等棉花、羊毛、蚕丝等) ) 更为牢固耐久更为牢固耐久。1000 100

2、0 吨吨天然橡胶天然橡胶300300万株橡胶树万株橡胶树50005000名农业工人名农业工人三万亩地三万亩地1000 1000 吨吨合成橡胶合成橡胶1010名工人名工人1010亩地亩地 人类社会早期就开始了对天然高分子材料的利用，人类社会早期就开始了对天然高分子材料的利用，包括蚕丝、羊毛、皮革、棉花、木材及天然橡胶等。包括蚕丝、羊毛、皮革、棉花、木材及天然橡胶等。2.2.高分子合成材料发展简史高分子合成材料发展简史19世纪世纪40年代，美国人发明了天然橡胶的硫化；年代，美国人发明了天然橡胶的硫化； 20世纪世纪60年代，以纤维素为原料获得了赛璐珞塑料；年代，以纤维素为原料获得了赛璐珞塑料； 2

3、0世纪世纪80年代末期用蛋白质年代末期用蛋白质-乳酪素为原料获得了乳酪素为原料获得了 乳酪素塑料。被称为半合成材料。乳酪素塑料。被称为半合成材料。 1925-1935年年，逐渐明确了有关高分子化合物的基，逐渐明确了有关高分子化合物的基本概念，诞生了本概念，诞生了“高分子化学高分子化学”这一新兴学科。反这一新兴学科。反过来，它又有力地促进了过来，它又有力地促进了高分子化合物的工业生产高分子化合物的工业生产； 50年代年代， 发现了由有机金属化合物和过渡金属化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

4、高聚物，同时由于石油化学工烃聚合为性能优良的高聚物，同时由于石油化学工业的建立与发展，业的建立与发展，高分子合成材料的产量激增高分子合成材料的产量激增； 1994年年，全世界三大合成材料的产量超过，全世界三大合成材料的产量超过1.4104万吨，按体积计算万吨，按体积计算超过钢铁超过钢铁。 材料科学的高速发展与高新技术的广泛采材料科学的高速发展与高新技术的广泛采用使高分子材料合成工业进入一个崭新的时期。用使高分子材料合成工业进入一个崭新的时期。 3.3.我国高分子材料合成工业现状我国高分子材料合成工业现状新中国成立后，我国的高分子材料合成工业从无新中国成立后，我国的高分子材料合成工业从无到有、从

5、小到大，发展至今已形成一个完整的工到有、从小到大，发展至今已形成一个完整的工业体系。业体系。目前，各类材料生产配套、产品品种基本齐全，目前，各类材料生产配套、产品品种基本齐全，已广泛用于国民经济和生活的各个领域。相继建已广泛用于国民经济和生活的各个领域。相继建成若干大型石油化工基地如成若干大型石油化工基地如燕山燕山、兰州兰州、吉林吉林、大庆、齐鲁、金山、仪征、高桥、辽阳大庆、齐鲁、金山、仪征、高桥、辽阳等。等。合成高分子材料的主要过程合成高分子材料的主要过程高分子产品形态可能是高分子产品形态可能是液态低聚物、坚韧的固态液态低聚物、坚韧的固态高聚物或弹性体高聚物或弹性体。必须经过成型加工才能得到

6、有。必须经过成型加工才能得到有用的材料及其制品。用的材料及其制品。塑料由塑料由合成树脂合成树脂和和添加剂添加剂（包括稳定剂、润滑刑、（包括稳定剂、润滑刑、着色剂、增塑剂、填料以及根据不同用途而加入着色剂、增塑剂、填料以及根据不同用途而加入的防静电剂、防霉剂、紫外线吸收剂等）。的防静电剂、防霉剂、紫外线吸收剂等）。塑料成型塑料成型重要的有：注塑成型、挤塑成型、吹塑重要的有：注塑成型、挤塑成型、吹塑成型、模压成型等。除模塑制品外，还有薄膜、成型、模压成型等。除模塑制品外，还有薄膜、人造革、泡沫塑料等。人造革、泡沫塑料等。 合成橡胶制造橡胶制品时加入的合成橡胶制造橡胶制品时加入的添加物添加物通常通常

7、称为称为配合剂配合剂，包括包括硫化剂、硫化促进剂、助促进剂、防老硫化剂、硫化促进剂、助促进剂、防老剂、软化剂、增强剂、填充剂、着色剂等。增强剂与剂、软化剂、增强剂、填充剂、着色剂等。增强剂与填充剂用量较大（填充剂用量较大（20）。）。 合成橡胶合成橡胶1.1.塑料塑料二、二、高分子合成材料的品种和特性高分子合成材料的品种和特性塑料是以合成树脂为基本成分，它是在加工过塑料是以合成树脂为基本成分，它是在加工过程中可塑制成一定形状，而产品最后能保持形程中可塑制成一定形状，而产品最后能保持形状不变的材料。状不变的材料。它具有质轻、绝缘、耐腐蚀、美观、制品形式它具有质轻、绝缘、耐腐蚀、美观、制品形式多样

8、化等优点。多样化等优点。其主要缺点其主要缺点是绝大多数塑料制是绝大多数塑料制品易燃烧，在长期使用过程中发生老化现象。品易燃烧，在长期使用过程中发生老化现象。根据受热后的情况，塑料可分为根据受热后的情况，塑料可分为热塑性热塑性塑塑料料和和热固性热固性塑料塑料两大类。两大类。前者可反复受热前者可反复受热软化或融化，后者经固化成型后，再受热软化或融化，后者经固化成型后，再受热则不能熔化，强热则分解。则不能熔化，强热则分解。根据生产量与使用情况可以分为根据生产量与使用情况可以分为通用塑料通用塑料和和工程塑料工程塑料。 工程塑料工程塑料是指被用做工业零件或是指被用做工业零件或外壳外壳材材料的工业用塑料，

9、是强度、耐冲击性、耐热料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、性、硬度硬度及抗老化性均优的塑料。及抗老化性均优的塑料。 日本日本业界将它定义为业界将它定义为“可以做为构造用可以做为构造用及机械零件用的高性能塑料，耐热性在及机械零件用的高性能塑料，耐热性在100 以上，主要运用在工业上以上，主要运用在工业上”。 合成橡胶合成橡胶是用比学合成方法生产的高弹性体。是用比学合成方法生产的高弹性体。经硫化加工可制成各种橡胶制品。经硫化加工可制成各种橡胶制品。某些合成橡胶具有较天然橡胶为优良的耐热、某些合成橡胶具有较天然橡胶为优良的耐热、耐磨、耐老化、耐腐蚀或耐油等性能。缺点耐磨、耐老化、耐腐蚀或耐油等

10、性能。缺点是发生老化现象。是发生老化现象。根据产量和使用情况合成橡胶可分为根据产量和使用情况合成橡胶可分为通用合通用合成橡胶成橡胶与与特种合成橡胶特种合成橡胶两大类两大类。合成橡胶合成橡胶是由人工合成的是由人工合成的高高弹弹性性聚合物。也称合成聚合物。也称合成弹性体，是弹性体，是三大合成材料三大合成材料之一。之一。橡胶橡胶是制造飞机、军舰、是制造飞机、军舰、汽车汽车、拖拉机拖拉机、收割机收割机、水利排灌机械、医疗器械等所必需的材料。水利排灌机械、医疗器械等所必需的材料。合成橡胶与天然橡胶均是合成橡胶与天然橡胶均是高弹性的高弹性的高分子材料高分子材料，一，一般均需经过硫化和加工之后，才具有实用性

11、和使用般均需经过硫化和加工之后，才具有实用性和使用价值。价值。合成橡胶在合成橡胶在2020世纪初开始生产，从世纪初开始生产，从4040年代起得到了年代起得到了迅速的发展。迅速的发展。 特种合成橡胶特种合成橡胶指具有特殊性能和特殊用途的一种指具有特殊性能和特殊用途的一种橡胶，主要有橡胶，主要有卤化合成橡胶卤化合成橡胶（卤化丁基橡胶、氯化卤化丁基橡胶、氯化聚乙烯橡胶、氯醇橡胶）聚乙烯橡胶、氯醇橡胶）、硅橡胶硅橡胶、稀土橡胶稀土橡胶、丙丙烯酸酯橡胶烯酸酯橡胶、氟橡胶氟橡胶、聚氨酯橡胶聚氨酯橡胶等，等，应用领域有汽车、航空航天、石油钻探、电子电器应用领域有汽车、航空航天、石油钻探、电子电器等。等。 2

12、0102010年中国特种合成橡胶总消费约年中国特种合成橡胶总消费约100100万吨，市场万吨，市场将保持将保持20%20%以上的增长。以上的增长。线型结构的高分子量合成树脂，经过适当线型结构的高分子量合成树脂，经过适当方法纺丝得到的纤维称为方法纺丝得到的纤维称为合成纤维合成纤维。与天然纤维相比较强度高、耐摩擦、放蛀、与天然纤维相比较强度高、耐摩擦、放蛀、耐腐蚀等耐腐蚀等优点优点。缺点缺点是不易着色，未经处理时易产生静电，是不易着色，未经处理时易产生静电，多数合成纤维的吸湿性差。因此制成的多数合成纤维的吸湿性差。因此制成的衣物衣物易污染，不吸汗，透气性差易污染，不吸汗，透气性差。 聚合官能度数目

13、与合成材料的关系聚合官能度数目与合成材料的关系三、高分子化合物生产过程三、高分子化合物生产过程高分子合成生产过程高分子合成生产过程高分子合成生产过程大体上可分为以下几个工序高分子合成生产过程大体上可分为以下几个工序: :(1)(1)原料准备与精制过程原料准备与精制过程; ;(2)(2)催化剂催化剂( (引发剂引发剂) )配制过程配制过程; ;(3)(3)聚合反应过程；聚合反应过程； (6)(6)回收过程回收过程(4)(4)分离过程；分离过程； (5)(5)聚合物后处理过程聚合物后处理过程 u 此外三废处理和公用工程如供电、供气、供水此外三废处理和公用工程如供电、供气、供水等设备。等设备。1.

14、1. 生产流程评价生产流程评价l 现代化的大规模生产装置基本是连续生产；现代化的大规模生产装置基本是连续生产；l 连续生产的生产流程对于生产技术和设备的连续生产的生产流程对于生产技术和设备的 要求较高；要求较高；l 间歇生产方式中某一工序发生故障对于整个间歇生产方式中某一工序发生故障对于整个 生装置的影响小。生装置的影响小。原料路线的考查原料路线的考查2产品性能的考查产品性能的考查1能量消耗与利用的考查能量消耗与利用的考查3生产技术水平的考查生产技术水平的考查42. 2. 聚合方法的选择聚合方法的选择高分子化合物工业生产中同一种聚合物可以用高分子化合物工业生产中同一种聚合物可以用几种不同的聚合

15、方法进行生产。几种不同的聚合方法进行生产。聚合方法的选择取决于聚合物性质。聚合方法的选择取决于聚合物性质。相同性能的产品，产品质量好，设备投资少，相同性能的产品，产品质量好，设备投资少，生产成本低的方法将得到发展。其它方法则逐生产成本低的方法将得到发展。其它方法则逐渐被淘汰。渐被淘汰。例如：聚氯乙烯树脂的生产工艺例如：聚氯乙烯树脂的生产工艺 乳液聚合方法乳液聚合方法悬浮聚合方法悬浮聚合方法本体聚合方法本体聚合方法溶液聚合方法溶液聚合方法 同一种生产方法由于引发剂成催化剂的改进可以大大缩短同一种生产方法由于引发剂成催化剂的改进可以大大缩短聚合反应时间或简化生产过程，从而增加产量，降低成本。聚合反

16、应时间或简化生产过程，从而增加产量，降低成本。3. 3. 生产工艺的改革生产工艺的改革以高密度聚乙烯的生产为例，早期用的催化剂效以高密度聚乙烯的生产为例，早期用的催化剂效率低，每克催化剂仅可得聚乙烯数千克，生产工率低，每克催化剂仅可得聚乙烯数千克，生产工艺复杂。艺复杂。高效催化剂高效催化剂每克催化剂可得聚乙烯最高者甚至达每克催化剂可得聚乙烯最高者甚至达到几百万克，简化了生产工序。到几百万克，简化了生产工序。近来又开发了乙烯气相聚合的方法，进一步革除近来又开发了乙烯气相聚合的方法，进一步革除了溶剂，更加简化了生产工序。了溶剂，更加简化了生产工序。 4. 4. 新产品的开发新产品的开发第一次评价第

17、一次评价第二次评价第二次评价通用塑料：通用塑料：25-250 kg通用橡胶：通用橡胶：100-1000 kg合成纤维：合成纤维：500-2000 kg五、高分子合成工业的三废处理与安全五、高分子合成工业的三废处理与安全1.1.三废来源和处理三废来源和处理废水废水聚合物分离聚合物分离和洗涤操作和洗涤操作排放的废水排放的废水和清洗设备和清洗设备产生的废水产生的废水废渣（粉尘）废渣（粉尘） 聚合后树脂聚合后树脂 干燥过程干燥过程废气废气 气态和易挥气态和易挥 发单体积有发单体积有 机溶剂或单机溶剂或单 体合成过程体合成过程 使用的气体使用的气体2.2.生产安全生产安全高分子合成工厂中最易发生的安全事

18、故是引发剂、催化剂、高分子合成工厂中最易发生的安全事故是引发剂、催化剂、易燃单体、有机溶剂引起的燃烧与爆炸事故。易燃单体、有机溶剂引起的燃烧与爆炸事故。可燃气体、液体的蒸气或有机固体与空气混合时可燃气体、液体的蒸气或有机固体与空气混合时，当达到，当达到一定的浓度范围，遇火花就会引起激烈爆炸。一定的浓度范围，遇火花就会引起激烈爆炸。例如乙烯的例如乙烯的爆炸极限是爆炸极限是2.72.7( (下限下限) )和和34.034.0( (上限上限) ) 。高分子合成工业所用的化学品、单体、溶剂、聚合用助剂、高分子合成工业所用的化学品、单体、溶剂、聚合用助剂、加工助剂等，有些已知为剧毒品、致癌物质、具腐蚀性

19、、加工助剂等，有些已知为剧毒品、致癌物质、具腐蚀性、可长期积累中毒可长期积累中毒等。等。制约因素：高分子制品废弃后对环境的污染制约因素：高分子制品废弃后对环境的污染 在人类历史上，几乎没有什么科学技术象高分子在人类历史上，几乎没有什么科学技术象高分子科学这样对人类社会做出如此巨大的贡献。科学这样对人类社会做出如此巨大的贡献。六、废旧高分子材料的回收利用六、废旧高分子材料的回收利用 延长使用寿命：减少废弃延长使用寿命：减少废弃 回收利用：低性能应用；降解回收利用：低性能应用；降解自然降解：自然分解回归自然自然降解：自然分解回归自然解决途径解决途径1. 1. 塑料的贡献与白色污染塑料的贡献与白色污

20、染从上世纪六十年代开始，塑料从上世纪六十年代开始，塑料( (主要指聚乙烯、聚主要指聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯) )进入进入广泛实用阶段广泛实用阶段。由于塑料具有由于塑料具有很多优点：很多优点：取材容易，价格低廉，加取材容易，价格低廉，加工方便，质地轻巧，工方便，质地轻巧，因此塑料一问世，便深受欢迎，因此塑料一问世，便深受欢迎，它迅速渗入到社会生活的方方面面，塑料被制成碗、它迅速渗入到社会生活的方方面面，塑料被制成碗、杯、袋、盆、桶、管等。杯、袋、盆、桶、管等。创造创造了巨大的了巨大的社会社会和和经济经济效益。效益。塑料被列为塑料被列为2020世纪最伟大的发明之一

21、，塑料的普及世纪最伟大的发明之一，塑料的普及被誉为被誉为白色革命白色革命。随着塑料产量不断增大，成本越来越低，我们随着塑料产量不断增大，成本越来越低，我们用过的大量农用薄膜、包装用的塑料袋和一次用过的大量农用薄膜、包装用的塑料袋和一次性塑料餐具在使用后被抛弃在环境中，性塑料餐具在使用后被抛弃在环境中，给景观给景观和环境带来很大破坏。和环境带来很大破坏。由于塑料包装物大多呈白色，它们造成的环境由于塑料包装物大多呈白色，它们造成的环境污染被称为污染被称为白色污染白色污染。 2.2.废旧塑料回收废旧塑料回收(1) 作为材料再生循环利用作为材料再生循环利用; (2) 作为能源回收利用作为能源回收利用;(3) 作为化学品循环利用。作为化学品循环利用。A. 解聚、水解等方法降解为单体、低分子量化合物。解聚、水解等方法降解为单体、低分子量化合物。B. 裂解为燃料油品。裂解为燃料油品。3.3.废旧橡胶回收废旧橡胶回收在使用后需要有足够的紫外光作用。在使用后需要有足够的紫外光