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微化知識
連續流技術在合成高分子材料方向的應用展望
- 作者:王銳
- 發布時間:2024-12-27
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高分子材料(macromolecule)是由小單元作為基本單元,大量重復連接而組成的高分子化合物,又稱為聚合物(polymer)。這些小分子在聚合過程中,會以共價鍵結合而成,結構十分穩定,由此形成的化合物性能也十分穩定。高分子材料被廣泛應用于工業生產領域。[1] 按來源分為天然高分子材料、合成高分子材料、半合成高分子材料。生活中的高分子材料很多,如蠶絲、棉、麻、毛、玻璃、橡膠、纖維、塑料、高分子膠粘劑、高分子涂料和高分子基復合材料等。[2]
圖1.生活中的高分子材料
高分子材料一般是通過聚合反應合成。聚合反應按照反應類別可以分為加聚反應與縮聚反應。縮聚反應通常是指多官能團單體之間發生多次縮合,同時放出水、醇、氨或氯化氫等低分子副產物的反應,所得聚合物稱縮聚物。加聚反應是指 α-烯烴、共軛雙烯和乙烯類單體等通過相互加成形成聚合物的反應,所得聚合物稱加聚物,該反應過程中并不放出低分子副產物,因而加聚物的化學組成和起始的單體相同。我們平時常見的各種塑料如聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC),合成橡膠如丁苯橡膠、氯丁橡膠,合成纖維如滌綸、晴綸等都是通過聚合反應生成的。
圖2.聚合反應示意圖
我國在高分子材料的開發和綜合利用雖起步較晚,但高分子材料為我國的經濟建設做出了重要的貢獻,已建立了完善的高分子材料的研究、開發和生產體系,取得了進步。[3]但是,目前,在生產高分子材料時所使用的反應器多為間歇式反應器,由于反應釜傳熱與傳質效率的限制,存在著工藝安全問題:
1.聚合原料具有自聚與燃爆的危險。
2.若反應過程熱量不能及時移除,隨物料溫度上升,會發生裂解與爆聚,產生的熱量又會使裂解與爆聚過程進一步加劇,進而可能引發反應器爆炸。
3.部分聚合助劑危險性也較大。
由于連續流動態管反應器具有高效的混合效率、極強的換熱能力以及極窄的停留時間分布,從而不但能夠實現反應物料的瞬間混合,還能夠對溫度、壓力和反應時間等反應工藝參數實現精確調控,極大的降低其安全隱患。同時,基于連續化,產品之間批次概念逐漸得到淡化,降低了批次之間產品質量波動。[4]
另外,傳統的工藝放大的基本過程一般都是:小試-中試-大生產。在小試工藝放大時,因為大生產裝置與小試裝置存在傳熱、傳質效果差異等問題,所以通常都需要合理調節工藝參數。在利用連續流技術實現工業生產時,避免了間歇式反應器的放大難題,研發人員可在短時間內完成對反應條件的優化,在節約科研費用的同時,也極大地節省了產品與工藝研發所需要的時間,從而大幅縮短了研發周期。[4]
因此,利用連續流反應器進行合成生產高分子材料具有很大的應用前景。
[1]鄭翔宇.高分子材料在化學工業中的應用——評《高分子化學》(第三版)[J].化學工程,2024,52(04):95.
[2]丁會利,袁金鳳,鐘國倫等 . 高分子材料及應用[M]. 北京: 化學工業出版社,2012
[3]姚雨辰.高分子復合材料應用及研究現狀分析[J].合成材料老化與應用,2015,44(04):119-121.
[4]喬宇.偶氮染料微通道連續流合成工藝及其生產廢水處理技術的研究[D].上海師范大學,2022.
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