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影响反应器选择的聚合反应


实验室k / 2019-02-16

       鉴于之前讨论了反应器型式对反应收率的影响,这里我们将讨论它对产物质量的影响。可以证明对聚合反应采用不同型式的反应器所生成的聚合物的分子量分布可能会有很大的差别。

       管式反应器可以用于气相聚合反应(例如高压聚乙烯)。对液相或乳液聚合反应来说,因为液体的高粘度或者必须具有搅拌,管式反应器就不能采用。由于高粘度,将使管式反应器内形成的速度分布导致宽的逗留时间分布,其结果之一将使靠近管轴流动的物料聚合度不够,而靠近管壁流动的物料聚合过度。所以这将使固体聚合物粘附在壁上,结果使管子逐渐堵塞。

       所以间歇反应器或连续搅拌釜式反应器是应予考虑的反应器型式。后者通常需用几个反应器串联,但某些聚合反应(如苯乙烯、四氟乙烯)是非常之快,因此采用单个连续搅拌釜就够了。

       要决定是采用问歇反应器还是连续釜式反应器当然取决于许多因素。而其中最重要的一个因素是生产规模——如果规模很大,则总是以采用连续过程为宜。但是,另一个重要因素是反应器对所需产品种类的影响。塑料决不是一个简单的化学物质,而是一种具有相同的一般结构但分子量不同的物质所组成的混和物。这些很自然地是由于反应本身内部的概率因素所引起的,在同一瞬间不是所有的分子都合成为“活化的”或者都经历适当的碰撞,因而各个聚合分子长成的链长就有很大的差別。事实上,如果以M代表单体,Pi代表第i个聚合物,则得到反应序列的种类为

M+M → P1,P1+M → P2,等等

由此可见,某一已知聚合物的特性取决于它在平均链长附近的分布,同样也取决于平均值本身。这里要阐明的一点是:分布宽度取决于在生产聚合物时究竟是采用间歇反应器还是采用连续搅拌釜式反应器。因为该宽度对某一塑料的机械性能和其他性能均具有重要的影响,因此这是影响选择生产方法的重要因素。

       当研究聚合反应动力学的数学式时,发现有二个对立的因素都对分子量分布有影响。这些是:

       (a)逗留时间。在间歇过程中所有分子的逗留时间都相等,而在连续搅拌釜式反应器的情况下会有很大变化;

       (b)浓度的变化过程。特别是在间歇过程中单体浓度逐渐减少,而连续搅拌釜式反应器的各釜浓度则保持恒定。

       至于这些因素中的第一个可以直观地清楚看到各个分子逗留时间分布的任何扩大将使分子量的分布宽度倾向于增加。某些正在增长的聚合分子在很短时间后,即“逸入”了连续搅拌釜式反应器的出口流中,因此没有继续增长到一个可观的链长。其他一些分子长时间地保留在容器内,其结果有可能达到很高分子量的机会。

       第二个因素的影响没有这样明显。但是,重要的一点是在连续搅拌釜式反应器内单体的浓度是固定不变的,并且它低于在间歇系统中具有同样进料条件、进行相同反应时的浓度。对许多类型的聚合反应动力学,这个因素的影响是减少分子量的变化。

       至于二个因素中哪一个占优势,则取决于聚合反应的类型。如果反应后期没有终止过程,如缩聚反应,那么第一个因素占优势,从连续搅拌釜式反应器得到的分子量分布宽于间歇过程得到的,属于这种情况的例子如单体

HO—(CH2)n—COOH

的聚合反应。这里由于伴随着脱水的连续酯化反应而引起链的增长。

HO—(CH2)n—COOH+HO—(CH2)n—COOH → HO—(CH2)n—COO—(CH2)n—COOH    等等,

几种计算所得的分布曲线如图25所示,其中Wr为单体链长r倍的分子在总产物中所占的重量百分数。


       另一种情况,包含自由基或离子反应机理所进行的聚合反应,这时由于发生如同二个自由基结合的终止过程,故这些活化增长中心的寿命可能极短。如果这些活化增长中心的平均寿命比在连续搅拌釜式反应器中的平均逗留时间短得多时,上面所讲的因素(a)影响很小,而因素(b)趋向于占优势。在这些条件下,可以证明,对许多类型的引发和终止机理,分子量分布将比从间歇过程所得到的来得窄。图26表示了一些计算得到的曲线。


       这种因素的重要性在低压乙烯工业聚合反应中采用齐格勒(Ziegler)催化剂时是有名的。例如已有实验证明,这一因素在苯乙烯的乳液聚合中亦是重要的。


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