高分子聚合物 百科内容来自于: 百度百科

指由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量(通常可达10~106)化合物。

定义

高分子聚合物是一类相对分子质量通常在10~10ˆ6以上的大分子物质,其分子所含原子数通常数几万、几十万甚至高达几百万个分子长达10~10nm或更长。

简介

指由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量(通常可达10~106)化合物。例如聚氯乙烯分子是由许多氯乙烯分子结构单元—CH2CHCl—重复连接而成,因此—CH2CHCl—又称为结构单元或链节。由能够形成结构单元的小分子所组成的化合物称为单体,是合成聚合物的原料。 n代表重复单元数,又称聚合度,聚合度是衡量高分子聚合物的重要指标。聚合度很低的(1~100)的聚合物称为低聚物,只有当分子量高达10~106(如塑料、橡胶纤维等)才称为高分子聚合物。由一种单体聚合而成的聚合物称为均聚物,如上述的聚氯乙烯、聚乙烯等。由两种以上单体共聚而成的聚合物则称为共聚物,如氯乙烯—醋酸乙烯共聚物等。

发展简史

人类利用天然聚合物的历史久远,直到19世纪中叶才跨入对天然聚合物的化学改性工作,1839年C.Goodyear发现了橡胶的硫化反应,从而使天然橡胶变为实用的工程材料的研究取得关键性的进展。1870年J.W.Hyatt用樟脑增塑硝化纤维素,使硝化纤维塑料实现了工业化。1907年L.Baekeland报道了合成第一个热固性酚醛树脂,并在20世纪20年代实现了工业化,这是第一个合成塑料产品。1920年H.Standinger提出了聚合物是由结构单元通过普通的共价键彼此连接而成的长链分子,这一结论为现代聚合物科学的建立奠定了基础。随后,Carothers把合成聚合物分为两大类,即通过缩聚反应得到的缩聚物和通过加聚反应得到的加聚物。20世纪50年代K.Ziegler和G.Natta发现了配位聚合催化剂,开创了合成立体规整结构聚合物的时代。在大分子概念建立以后的几十年中,合成高聚物取得了飞速的发展,许多重要的聚合物相继实现了工业化。

聚合物的分类

可以从不同的角度对聚合物进行分类,如从单体来源、合成方法、最终用途、加热行为、聚合物结构等。
⑴按分子主链的元素结构,可将聚合物分为碳链、杂链和元素有机三类。
碳链聚合物大分子主链完全由碳原子组成。绝大部分烯类和二烯类聚合物属于这一类,如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。
杂链聚合物大分子主链中除碳原子外,还有氧、氮、硫等杂原子。如聚醚、聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚硫橡胶等。工程塑料、合成纤维、耐热聚合物大多是杂链聚合物
元素有机聚合物大分子主链中没有碳原子,主要由硅、硼、铝和氧、氮、硫、磷等原子组成,但侧基却由有机基团组成,如甲基、乙基、乙烯基等。有机硅橡胶就是典型的例子。
元素有机又称杂链的半有机高分子,如果主链和侧基均无碳原子,则成为无机高分子。
⑵按材料的性质和用途分类,可将高聚物分为塑料橡胶纤维
橡胶通常是一类线型柔顺高分子聚合物,分子间次价力小,具有典型的高弹性,在很小的作用力下,能产生很大的形变(500%~1000%),外力除去后,能恢复原状。因此,橡胶类用的聚合物要求完全无定型,玻璃化温度低,便于大分子的运动。经少量交联,可消除永久的残余形变。以天然橡胶为例,Tg低(—73℃),少量交联后,起始弹性模量小(<70N/cm2)。经拉伸后,诱导结晶,将使模量和强度增高。伸长率为400%,强度增至1 500N/cm;500%时为2 000N/cm。橡胶经适度交联(硫化)后形成的网络结构可防止大分子链相互滑移,增大弹性形变。交联度增大,弹性下降,弹性模量上升,高度交联可得到硬橡胶。天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶和乙丙橡胶是常用的品种。
纤维通常是线性结晶聚合物,平均分子量较橡胶和塑料低,纤维不易形变,伸长率小(<10%~50%),弹性模量(>3 5000N/cm2)和抗张强度(>35 000N/cm2)都很高。纤维用聚合物带有某些极性基团,以增加次价力,并且要有高的结晶能力。拉伸可提高结晶度。纤维的熔点应在200℃以上,以利于热水洗涤和熨烫,但不宜高于300℃,以便熔融纺丝。该聚合物应能溶于适当的溶剂中,以便溶液纺丝,但不应溶于干洗溶剂中。工业中常用的合成纤维有聚酰胺(如尼龙—66、尼龙—6等)、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯腈等。
塑料是以合成或天然聚合物为主要成分,辅以填充剂、增塑剂和其他助剂在一定温度和压力下加工成型的材料或制品。其中的聚合物常称做树脂,可为晶态和非晶态。塑料的行为介于纤维和橡胶之间,有很广的范围,软塑料接近橡胶,硬塑料接近纤维。软塑料的结晶度由中到高,Tm、Tg有很宽的范围,弹性模量(15 000~350000N/cm2)、抗张强度(1 500~7 000N/cm2)、伸长率(20%~800%)都从中到高。聚乙烯、聚丙烯和结晶度中等的尼龙—66均属于软塑料。硬塑料的特点是刚性大、难变形。弹性模量(70 000~350 000N/cm2)和抗张强度(3 000~8 500N/cm2)都很高,而断裂伸长率很低(0.5%~3%)。这类塑料用的聚合物都具有刚性链,属无定型。塑料按其受热行为也可分为热塑性塑料热固性塑料。依塑料的状态又可细分为模塑塑料、层压塑料、泡沫塑料、人造革、塑料薄膜等。
⑶按几何形状可分为两种,即线型大分子和体型大分子。图(a)所示为直链线型结构大分子 有许多链节联成一个长链,其分子直径与长度比达1:1000以上,这样长而细的结构,如果没有外力拉伸是是不可能成直线状的,所以它通常是卷曲成不规则的团状如聚丙烯等;图(b)所示为线型支链大分子,其线型大分子主链带有一些支链,支链的数量和长短可以不同,甚至支链上还有支链,如高压聚乙烯等;图(c)所示的是体型结构大分子,特点是:大分子链之间以强的化学键相互交联,形成立体的网状结构

聚合物的结构

聚合物的结构可分为链结构和聚集态结构两大类。

分子链结构

链结构又分为近程结构和远程结构近程结构包括构造与构型,构造指链中原子的种类和排列、取代基和端基的种类、单体单元的排列顺序、支链的类型和长度等。构型是指某一原子的取代基在空间的排列。近程结构属于化学结构,又称一级结构。远程结构包括分子的大小与形态、链的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象。远程结构又称二级结构。链结构是指单个分子的形态。
近程结构对聚合物链的重复单元的化学组成一般研究得比较清楚,它取决于制备聚合物时使用的单体,这种结构是影响聚合物的稳定性、分子间作用力、链柔顺性的重要因素。键接方式是指结构单元在高聚物中的联结方式。在缩聚和开环聚合中,结构单元的键接方式一般是明确的,但在加聚过程中,单体的键接方式可以有所不同,例如单烯类单体(CH2=CHR)在聚合过程中可能有头—头、头—尾、尾—尾三种方式。
对于大多数烯烃类聚合物以头-尾相接为主,结构单元的不同键接方式对聚合物材料的性能会产生较大的影响,如聚氯乙烯链结构单元主要是头-尾相接,如含有少量的头-头键接,则会导致热稳定性下降。
共聚物按其结构单元键接的方式不同可分为交替共聚物、无规共聚物、嵌段共聚物与接枝共聚物几种类型。同一共聚物,由于链结构单元的排列顺序的差异,导致性能上的变化,如丁二烯与苯乙烯共聚反应得丁苯橡胶(无规共聚物)、热塑性弹性体SBS(苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物)和增韧聚苯乙烯塑料
结构单元原子在空间的不同排列出现旋光异构和几何异构。如果高分子结构单元中存在不对称碳原子(又称手性碳),则每个链节就有两种旋光异构。它们在聚合物中有三种键接方式:若聚合物全部由一种旋光异构单元键接而成,则称为全同立构;由两种旋光异构单元交替键接,称为间同立构;两种旋光异构单元完全无规时,则称为无规立构。分子的立体构型不同对材料的性能会带来影响,例如全同立构的聚苯乙烯结构比较规整,能结晶,熔点为240℃,而无规立构的聚苯乙烯结构不规整,不能结晶,软化温度为80℃。对于1,4—加成的双烯类聚合物,由于内双键上的基团在双键两侧排列的方式不同而有顺式构型与反式构型之分,如聚丁二烯有顺、反两种构型:其中顺式的1,4—聚丁二烯,分子链与分子链之间的距离较大,在常温下是一种弹性很好的橡胶;反式1,4—丁二烯分子链的结构也比较规整,容易结晶,在常温下是弹性很差的塑料。
远程结构
⑴高分子的大小:对高分子大小的量度,最常用的是分子量。由于聚合反应的复杂性,因而聚合物的分子量不是均一的,只能用统计平均值来表示,例如数均分子量重均分子量。分子量对高聚物材料的力学性能以及加工性能有重要影响,聚合物的分子量或聚合度只有达到一定数值后,才能显示出适用的机械强度,这一数值称为临界聚合度。
⑵高分子的内旋转:高分子的主链很长,通常并不是伸直的,它可以卷曲起来,使分子呈现各种形态,从整个分子来说,它可以卷曲成椭球状,也可伸直成棒状。从分子局部来说,它可以呈锯齿状或螺旋状,这是由单键的内旋转而引起的分子在空间上表现不同的形态。这些形态可以随条件和环境的变化而变化。
⑶高分子链的柔顺性:高分子链能够改变其构象的性质称为柔顺性,这是高聚物许多性能不同于低分子物质的主要原因。主链结构对聚合物的柔顺性有显著的影响。例如,由于Si-O-Si键角大,Si-O的键长大,内旋转比较容易,因此聚二甲基硅氧烷的柔性非常好,是一种很好的合成橡胶。芳杂环因不能内旋转,所以主链中含有芳杂环结构的高分子链柔顺性较差,具有耐高温的特点。侧基极性的强弱对高分子链柔顺性影响很大。侧基的极性愈弱,其相互间的作用力愈大,单键的内旋转困难,因而链的柔顺性差。链的长短对柔顺性也有影响,若链很短,内旋转的单链数目很少,分子的构象数很少,必然出现刚性。

聚集态结构

聚集态结构是指高聚物分子链之间的几何排列和堆砌结构,包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构以及织态结构。结构规整或链次价力较强的聚合物容易结晶,例如,高密度聚乙烯、全同聚丙烯和聚酰胺等。结晶聚合物中往往存在一定的无定型区,即使是结晶度很高的聚合物也存在晶体缺陷,熔融温度是结晶聚合物使用的上限温度。结构不规整或链间次价力较弱的聚合物(如聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等)难以结晶,一般为不定型态。无定型聚合物在一定负荷和受力速度下,于不同温度可呈现玻璃态、高弹态和黏流态三种力学状态(见下图)。玻璃态到高弹态的转变温度称玻璃化温度(Tg),是无定型塑料使用的上限,橡胶使用的是下限温度。从高弹态到黏流态的转变温度称黏流温度(Tf),是聚合物加工成型的重要参数。
当聚合处于玻璃态时,整个大分子链和链段的运动均被冻结,宏观性质为硬、脆、形变小,只呈现一般硬性固体的普弹形变。聚合物处于高弹态时,链段运动高度活跃,表现出高形变能力的高弹性。当线型聚合物在黏流温度以上时,聚合物变为熔融、黏滞的液体,受力可以流动,并兼有弹性和黏流行为,称黏弹性。聚合熔体和浓溶液搅拌时的爬杆现象,挤出物出口模时的膨胀现象以及减阻效应等,都是黏弹行为的具体表现。其他如聚合物的蠕变、应力松弛和交变应力作用下的发热、内耗等均属黏弹行为。

聚合物的生产

天然聚合物多从自然植物经物理或化学方法制取,合成聚合物由低分子单体通过聚合反应制得。聚合方法通常有本体(熔融)聚合、溶液聚合、乳液聚合和悬浮聚合等,依据对聚合物的使用性能要求可对不同的方法进行选择,如带官能团的单体聚合常采用溶液或熔融聚合法。研究聚合过程的反应工程学科分支称为聚合反应工程学。聚合物加工成各种制品的过程,主要包括塑料加工、橡胶加工和化学纤维纺丝,这三者的共性研究体现为聚合物流变学

聚合物的性能

高弹形变和黏弹性是聚合物特有的力学性能。这些特性均与大分子的多层次结构的大分子链的特殊运动方式以及聚合物的加工有密切的关系。聚合物的强度、硬度耐磨性耐热性耐腐蚀性耐溶剂性以及电绝缘性、透光性、气密性等都是使用性能的重要指标。

聚丙烯酰胺产品简介

聚丙烯酰胺分类聚丙烯酰胺产品简介:聚丙烯酰胺(PAM)为水溶性高分子聚合物,不溶于大多数有机溶剂,具有良好的絮凝性,可以降低液体之间的磨擦阻力,按离子特性分可分为非离子、阴离子、阳离子和两性型四种类型。

技术指标

技术指标
项目
型号
外观
分子量(万)
固含量%
离子度或水解度%
残余单体%
使用范围
阴离子型
白色颗粒或粉末
300—2200
≥88
水解度
10—35
≤0.2
水的PH值为中性或碱性
阳离子型
白色颗粒
500-1200
≥88
离子度
5-80
≤0.2
带式机离心式压滤机
非离子型
白色颗粒
200—1500
≥88
水解度
0-5
≤0.2
水的PH值为中性或碱性
两性离子型
白色颗粒
500—1200
≥88
离子度
5-50
≤0.2
带式机离心式压滤机
阴离子型
比重
0.62
容重
0.5


作用原理
1)絮凝作用原理:PAM用于絮凝时,与被絮凝物种类表面性质,特别是动电位,粘度、浊度及悬浮液的PH值有关,颗粒表面的动电位,是颗粒阻聚的原因加入表面电荷相反的PAM,能使动电位降低而凝聚。
2)吸附架桥:PAM分子链固定在不同的颗粒表面上,各颗粒之间形成聚合物的桥,使颗粒形成聚集体而沉降。
3)表面吸附:PAM分子上的极性基团颗粒的各种吸附。
4)增强作用:PAM分子链与分散相通过种种机械、物理、化学等作用,将分散相牵连在一起,形成网状

产品使用特性

1 、絮凝性:PAM能使悬浮物质通过电中和,架桥吸附作用,起絮凝作用。
2 、粘合性:能通过机械的、物理的、化学的作用,起粘合作用。
3 、降阻性:PAM能有效地降低流体的摩擦阻力,水中加入微量PAM就能降阻50—80%。
4 、增稠性:PAM在中性和酸条件下均有增稠作用,当PH值在10以上PAM易水解。呈半网状结构时,增稠将更明显。

生产步骤

聚丙烯酰胺生产步骤一共两步:
1、丙烯酰胺单体生产技术
丙烯酰胺单体的生产时以丙烯腈为原料,在催化剂作用下水合生成丙烯酰胺单体的粗产品,经闪蒸、精制后得精丙烯酰胺单体,此单体即为聚丙烯酰胺的生产原料。
丙烯腈+(水催化剂/水) →合 →丙烯酰胺粗品→闪蒸→精制→精丙烯酰胺
按催化剂的发展历史来分,单体技术已经历了三代:
第一代为硫酸催化水合技术,此技术的缺点是丙烯腈转化率低,丙稀酰胺产品收率低、副产品低,给精制带来很大负担,此外由于催化剂硫酸的强腐蚀性,使设备造价高,增加了生产成本;
第二代为二元或三元骨架铜催化生产技术,该技术的缺点是在最终产品中引入了影响聚合的金属铜离子,从而增加了后处理精制的成本;第三代为微生物腈水合酶催化生产技术,此技术反应条件温和,常温常压下进行,具有高选择性、高收率和高活性的特点,丙烯腈的转化率可达到100%,反应完全,无副产物和杂志,产品丙烯酰胺中不含金属铜离子,不需进行离子交换来出去生产过程中所产生的铜离子,简化了工艺流程,此外,气相色谱分析表明丙烯酰胺产品中几乎不含游离的丙烯腈,具有高纯性,特别适合制备超高相对分子质量的聚丙烯酰胺及食品工业所需的无毒聚丙烯酰胺。
微生物催化丙烯酰胺单体生产技术,首先由日本在1985年建立了6000t/a的丙烯酰胺装置,其后俄罗斯也掌握了此项技术,20世纪90年代时日本和俄罗斯相继建立了万吨级微生物催化丙烯酰胺装置。我国是继日本、俄罗斯之后,世界上第三个拥有此技术的国家。微生物催化剂活性为2857国际生化单位,已经达到了国际水平。我国微生物催化丙烯酰胺单体生产技术是由上海市农药所经过“七五”、“八五”和“九五”等3个五年计划开发完成的,微生物催化剂腈水合酶是在1990年筛选出的,是由泰山山脚土壤中分离出163菌株和无锡土壤中分离出145菌株,经种子培养得到的腈水合酶,代号为Norcardia-163。该技术现已在江苏如皋、江西南昌、胜利油田及河北万全先后投产,目前运行平稳,质量上乘,达到了生产超高相对分子质量聚丙烯酰胺的质量指标。
现在正利用该技术的改进型工艺的油两家:一个是配备2×10t/a为生物催化法丙烯酰胺装置的北京恒聚油田化工集团有限公司,另一个是1.3×10t/a微生物催化法丙烯酰胺装置的配备 大庆炼化公司聚合物二厂。
2、聚丙烯酰胺聚合技术
聚丙烯酰胺生产是以丙烯酰胺水溶液为原料,在引发剂的作用下,进行聚合反应,在反应完成后生成的聚丙烯酰胺胶块经切切割、造粒、干燥、粉碎,最终制得聚丙烯酰胺产品。关键工艺是聚合反应,在其后的处理过程中要注意机械降温、热降解和交联,从而保证聚丙烯酰胺的相对分子质量和水溶解性。
丙烯酰胺+水(引发剂/聚合)→聚丙烯酰胺胶块→造粒→干燥→粉碎→聚丙烯酰胺产品
我国聚丙烯酰胺生产技术大概也经历了3个阶段:
第一阶段是最早采用盘式聚合,即将混合好的聚合反应液放在不锈钢盘中,再将这些不锈钢盘推至保温烘房中,聚合数小时后,从烘房中推出,用铡刀把聚丙烯酰胺切成条状,进绞肉机造粒,烘房干燥,粉碎制得成品。这种工艺完全是手工作坊式。
第二阶段是采用捏合机,即将混合好的聚合反应液放在捏合机中加热,聚合开始后,开始捏合机,一边聚合一边捏合,聚合完后,造粒也基本完成,倒出物料经干燥、粉碎得成品。
第三阶段是,20世纪80年代后期,开发了锥形釜聚合工艺,由核工业部五所在江苏江都化工厂试车成功。该工艺在锥形釜下部带有造料旋转刀,聚合物在压出的同时,即成粒状,经转鼓干燥机干燥,粉碎得产品。
为了避免聚丙烯酰胺胶块黏附在聚合釜釜壁上,有的技术采用氟或硅的高分子化合物涂覆在聚合釜的内壁上,但此涂覆层在上产过程中易脱落而污染聚丙烯酰胺产品。
目前国内外的聚丙烯酰胺生产技术基本上与上述的第三阶段相似,只是在设备上有些不同:聚合釜大小及类型(有固定锥形釜,也有可旋转的锥形釜,聚合反应完成后,聚合釜倒转将聚丙烯酰胺胶块倒出)、造粒方式 (有机械造粒、切割造粒,也有湿式造粒即分散液中造粒)、干燥方式(有采用穿流回转干燥,也有用振动流化床干燥)及粉碎方式。这些不同中有些是设备质量上有差异,有些是采用的具体方式上的油差异,但总的来看,聚合技术趋向于固定锥形釜聚合,振动流化床干燥技术。
聚丙烯酰胺生产技术除了上述的单元操作外,在工艺配方上还有较明显的差别,比如目前生产超高相对分子质量聚丙烯酰胺的生产工艺,同样是低温引发,就有前加碱共水解工艺和后加碱后水解工艺之分,两种方法各有利弊,前加碱共水解工艺过程简单,但存在水解传热易产生交联和相对分子质量损失大的问题,后加碱后水解虽然工艺过程增加了,但水解均匀不易产生交联,对产品相对分子质量损失也不大。
目前我国聚丙烯酰胺聚合用的引发剂有无机引发剂、有机引发剂和无机—有机混合体系3中类型。
(1)过氧化物
过氧化物大致分为无机过氧化物和有机过氧化物。无机过氧化物如过流酸钾,过硫酸铵、过溴酸钠和过氧化氢等。有机过氧化物如过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰和叔丁羟基过氧化物等。它们配用的还原剂有硫酸亚铁、氯化亚铁、偏亚硫酸钠和硫代硫酸钠等。
(2)偶氮化合物类
如偶氮二异丁腈、偶氮双二甲基戊腈、偶氮双氰基戊酸钠和20世纪80年代开发的偶氮脒盐系列,如偶氮N-取代脒丙烷盐酸盐是一类竞相开发的产品,它们的加入浓度为万分之0.005-1,催化效率很高,有助于生产相对分子质量高的产品,且溶于水,便于使用。
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