聚氯乙烯的聚合原理

1、聚氯乙烯的聚合一、聚氯乙烯懸浮聚合原理聚氯乙烯工業(yè)化生產(chǎn)方法有四種：懸浮法、乳液法、本體法、微懸浮法。懸浮聚合：通過強力攪拌并在分散劑的作用下，把單體分散成無數(shù)的小液珠懸浮于水中由油溶性引發(fā)劑引發(fā)而進行的聚合反應(yīng)。溶有引發(fā)劑的單體以液滴狀懸浮于水中進行自由基聚合的方法稱為懸浮聚合法。 整體看水為連續(xù)相，單體為分散相。聚合在每個小液滴內(nèi)進行，反應(yīng)機理與本體聚合相同，可看作小液珠本體聚合。 懸浮聚合體系一般由單體、引發(fā)劑、水，分散劑四個基本組分組成。懸浮聚合體系是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，需借攪拌和分散劑維持穩(wěn)定。在攪拌剪切作用下，溶有引發(fā)劑的單體分散成小液滴，懸浮于水中引發(fā)聚合。不溶于水的單體在強力攪拌

2、作用下，被粉碎分散成小液滴，它是不穩(wěn)定的，隨著反應(yīng)的進行，分散的液滴又可能凝結(jié)成塊，為防止粘結(jié)，體系中必須加入分散劑。懸浮聚合產(chǎn)物的顆粒粒徑一般在0.050.2mm。其形狀、大小隨攪拌強度和分散劑的性質(zhì)而定。 懸浮聚合法的典型生產(chǎn)工藝過程是將單體、水、引發(fā)劑、分散劑等加入反應(yīng)釜中，加熱，并采取適當?shù)氖侄问怪３衷谝欢囟认逻M行聚合反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后回收未反應(yīng)單體，離心脫水、干燥得產(chǎn)品。 懸浮聚合所使用的單體或單體混合物應(yīng)為液體，要求單體純度99.9%。表1.氯乙烯單體的指標純度，%水，ppm鐵，ppm乙醛，ppm低沸物，ppm高沸物，ppm99.930051010500在工業(yè)生產(chǎn)中，引發(fā)劑、分子

3、量調(diào)節(jié)劑分別加入到反應(yīng)釜中。引發(fā)劑用量為單體量的0.1% 1%。 懸浮聚合目前大都為自由基聚合，但在工業(yè)上應(yīng)用很廣。如聚氯乙烯的生產(chǎn)75采用懸浮聚合過程，聚合釜也漸趨大型化；聚苯乙烯及苯乙烯共聚物主要也采用懸浮聚合法生產(chǎn)；其他還有聚醋酸乙烯、聚丙烯酸酯類、氟樹脂等。 聚合在帶有夾套的搪瓷釜或不銹鋼釜內(nèi)進行，間歇操作。大型釜除依靠夾套傳熱外，還配有內(nèi)冷管或(和)釜頂冷凝器，并設(shè)法提高傳熱系數(shù)。懸浮聚合體系粘度不高，攪拌一般采用小尺寸、高轉(zhuǎn)數(shù)的透平式、槳式、三葉后掠式攪拌槳。二、氯乙烯單體中雜質(zhì)對聚合反應(yīng)的影響1.VCM中乙炔對聚合的影響首先表現(xiàn)在對聚合時間和聚合度的影響上，見表1.表1. VCM

4、中乙炔對聚合的影響乙炔含量/%聚合誘導(dǎo)期/h達85%轉(zhuǎn)化率時間/h聚合度0.000931123000.03419.515000.0752110000.13824300 可知聚合生產(chǎn)中除去單體中的乙炔很重要，一般要求低于10ppm (0.001%)。乙炔的主要危害是和引發(fā)劑的自由基、單體自由基發(fā)生鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)。當乙炔含量高時，生產(chǎn)上一般采取降低聚合溫度的辦法，以免樹脂轉(zhuǎn)型；或在聚合反應(yīng)初期適當提高聚合溫度，以消除誘導(dǎo)期的延長；2.VCM中高沸物對聚合的影響VCM中乙醛、二氯乙烯、二氯乙烷等高沸物，均為活潑的鏈轉(zhuǎn)移劑，從而降低PVC聚合度和降低反應(yīng)速度。由于高沸物存在于VCM中不便于聚合溫度的掌握，

5、以及高沸物對分散劑的穩(wěn)定性有明顯的破壞作用，因此對VCM中的高沸物含量要嚴加控制。此外，高沸物雜質(zhì)高，影響樹脂的顆粒形態(tài)，造成高分子歧化，以及影響聚合釜粘釜和“魚眼”等。工業(yè)生產(chǎn)要求單體中高沸物總含量控制在100ppm（0.01%）以下，即單體純度99.99%。一般高沸物含量較高時，可借降低聚合反應(yīng)溫度來處理。3.鐵質(zhì)對聚合的影響VCM中鐵離子的存在，使聚合誘導(dǎo)期延長，反應(yīng)速度減慢，產(chǎn)品熱穩(wěn)定性差，還會降低樹脂的電絕緣性能（特別是鐵離子混入PVC中時）。此外，鐵離子還會影響產(chǎn)品顆粒的均勻度。4.水質(zhì)對聚合的影響。聚合投料用水的質(zhì)量，直接影響到產(chǎn)品樹脂的質(zhì)量。如硬度（表征水中金屬等陽離子含量）過

6、高，會影響產(chǎn)品的電絕緣性能和熱穩(wěn)定；氯根（表征水中陰離子含量）過高，特別對聚乙烯醇分散體系，易使顆粒變粗，影響產(chǎn)品的顆粒形態(tài)；PH值影響分散劑的穩(wěn)定性，較低的PH值對分散體系有顯著的破壞作用，較高的PH值會引起聚乙烯醇的部分醇解，影響分散效果及顆粒形態(tài)。此外，水質(zhì)還會影響粘釜及“魚眼”的生成。表2. 純水指標樹脂型號硬度/ppm氯根/ppmPH值SG型5106.57.5三、聚合生產(chǎn)過程中常用的助劑氯乙烯懸浮聚合過程中，聚合配方體系或為改善樹脂性能而添加各種各樣的助劑，其中用得比較廣泛的有以下幾種：分散劑、引發(fā)劑、PH值調(diào)節(jié)劑、終止劑、消泡劑等。1. 分散劑從懸浮聚合的成粒機理可見，分散劑的作用

7、是穩(wěn)定由攪拌形成的單體油珠，阻止油珠的相互聚集或合并。分散劑的組合將影響到聚合產(chǎn)品的主要性能，如：表觀密度、孔隙率、顆粒形態(tài)、粒徑分布、“魚眼”消失速度、熱加工熔融時間乃至殘留單體含量等。常見的分散劑有：聚乙烯醇（PVA）、羥丙基甲基纖維素（HPMC）、甲基纖維素（MC）等。表1.常用聚乙烯醇規(guī)格代號20、4%水溶液粘度（mPa.s）醇解度（mol/%）1%溶液濁點/用量（對單體）/%PVA-1485687890.0650.08PVA-227 338789PVA-3445278.581.549.3PVA-4323878.581.549.7PVA-569717534.5PVA-655.869.5

8、72.530.0PVA-724687226.7助分散劑PVA-87.59.54551PVA-911154551PVA-109133036PVA-1120283440表2.羥丙基甲基纖維素的規(guī)格序號甲基取代度甲基含量/%羥丙基取代度羥丙基含量/%黏度（20，2%溶液）/(mPa.s)HPMC-11.82.028300.200.317.5124060HPMC-21.71.927300.100.204.07.54060HPMC-31.11.619240.100.3041235，801202. 引發(fā)劑在氯乙烯懸浮聚合中，引發(fā)劑對聚合度無影響，而對調(diào)節(jié)聚合速率是重要的助劑，并對PVC顆粒形態(tài)有一定影響。

9、引發(fā)劑可分有機和無機兩大類，有機類引發(fā)劑能溶于單體和油類中，適于懸浮聚合，無機類引發(fā)劑溶于水，適用于乳液聚合。有機類引發(fā)劑又可分為過氧化物和偶氮化合物。由于分子結(jié)構(gòu)不同，其活性存在很大的差別，衡量引發(fā)劑活性的主要指標是半衰期。半衰期是指其在氯乙烯聚合條件下，在該溫度時分解一半量所需的時間，以小時為單位。對同一種引發(fā)劑在不同的溫度下有不同的半衰期，溫度越高，半衰期越短，則活性越高；對不同引發(fā)劑，在相同溫度下半衰期不同，半衰期越短，則活性越高。一般以60時引發(fā)劑的半衰期作為劃分活性高低的界限：半衰期大于6h為低活性引發(fā)劑，半衰期1-6h為中活性引發(fā)劑，半衰期小于1h為高活性引發(fā)劑。引發(fā)劑具有自身分

10、解的性質(zhì)，為安全起見，應(yīng)采用低溫條件運輸和貯存。3.終止劑當聚合轉(zhuǎn)化率達到80%-85%時，大分子游離基之間的歧化終止增加，易生成較多的支鏈結(jié)構(gòu)，影響樹脂的熱穩(wěn)定性。因此，在聚合反應(yīng)結(jié)束（釜壓下降0.1-0.2MPa）時，立即加入終止劑，以使游離基反應(yīng)停止，從大分子結(jié)構(gòu)上減少支鏈來提高樹脂熱穩(wěn)定性。4.PH值調(diào)節(jié)劑聚合用水須經(jīng)脫離子水，處理后的水中鈣、鎂等金屬離子、氯根離子、碳酸根等離子基本除凈。在聚合加水時，空氣中的二氧化碳很易溶入水中而降低水的PH值，一般常添加緩沖劑如碳酸氫鈉（又稱小蘇打）來穩(wěn)定體系的PH值。5.消泡劑在聚合反應(yīng)結(jié)束出料時，須回收未反應(yīng)的單體，往往由于氣體降壓而引起體積的

11、急劇膨脹和料層內(nèi)液態(tài)單體的沸騰，使回收的氣相單體夾帶許多泡沫樹脂，造成回收系統(tǒng)管道堵塞，因此在聚合釜出料之前應(yīng)加入消泡劑。四、影響聚合反應(yīng)的因素1 .溫度對聚合的影響根據(jù)一般反應(yīng)動力學(xué)其反應(yīng)速度隨溫度上升而加速。聚合溫度每升高10，聚合速度約增加3倍。對聚合度的影響若溫度升高，引發(fā)劑的引發(fā)速度加快，活性中心大大增加，因而使聚合物分子量縮小，黏度下降。一般溫度波動2，平均聚合度相差336，分子量相差21000左右，所以在工業(yè)生產(chǎn)時，在工藝設(shè)備固定的前提下，聚合溫度幾乎是控制PVC分子量的唯一因素。而把引發(fā)劑濃度的改變作為調(diào)節(jié)聚合反應(yīng)速度的手段。因此必須嚴格控制聚合反應(yīng)溫度。以求得分子量分別均勻的

12、產(chǎn)品。一般要求聚合釜溫度波動0.3。表1.聚合溫度與聚合度的關(guān)系型號聚合溫度/絕對黏度/mPa.s粘數(shù) ml/g聚合度PVCSG2型50.551.52.12.014313615351371PVCSG3型52532.01.913512712501350PVCSG4型53.5551.91.812611811501250PVCSG5型56581.81.7117107100011002.PH值對聚合反應(yīng)的影響聚合體系的PH值對聚合反應(yīng)影響很大，一般必須嚴加控制。一般的，PH值升高，引發(fā)劑分解速度加快，對縮短反應(yīng)時間有好處。但PH值8.5時，如果使PVA作分散劑，PVA中的酯基可繼續(xù)醇解，使醇解度增加，

13、從而使VCM液滴發(fā)生兼并，粒子變粗或結(jié)塊。PH值過低，影響分散劑的分散和穩(wěn)定能力，用PVA作分散劑時，粘釜加劇。PH值嚴重偏堿性時，分散劑的保膠能力對PVC樹脂表觀密度、吸油率的影響將被破壞，會出顆粒料。3. 攪拌對聚合反應(yīng)的影響聚合釜的攪拌主要目的是使VCM單體均勻地分散成微小的液珠懸浮于水中，并得到預(yù)期大小和形狀的PVC樹脂粉，其二是使釜內(nèi)物料在縱向、橫向均勻流動和混合，有效地除去聚合熱，使釜內(nèi)溫度均一。攪拌作用影響到PVC顆粒的粒徑和粒徑分布、孔隙率極其相關(guān)性質(zhì)。從分散劑角度看，增加攪拌強度，將使液滴變細。但強度過大，促使液滴碰撞而并粒，使顆粒變粗。4. 引發(fā)劑對聚合反應(yīng)的影響引發(fā)劑的選

14、擇和用量對聚合反應(yīng)、聚合物的分子結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響。 引發(fā)劑濃度和引發(fā)劑活性的影響 引發(fā)劑分解活性高時，一般鏈引發(fā)速度也大，對同一種引發(fā)劑，鏈引發(fā)速率隨溫度而迅速增加。引發(fā)劑用量多，單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的自由基也相應(yīng)增多，故反應(yīng)速度快，聚合時間短，設(shè)備利用率高。但用量過多，反應(yīng)激烈，不易控制，如反應(yīng)熱不及時移出，則溫度、壓力均會急劇上升，容易造成爆炸聚合的危險。不同引發(fā)劑對樹脂質(zhì)量的影響使用不同的引發(fā)劑不但可以決定氯乙烯單體聚合時分子間結(jié)合的方式和引發(fā)速度，而且也影響樹脂質(zhì)量。引發(fā)劑還對PVC樹脂的結(jié)構(gòu)疏松程度以及顆粒尺寸均勻性有較大影響。引發(fā)劑的分類選擇為了保證聚合反應(yīng)和樹脂質(zhì)量，選擇適當

15、的引發(fā)劑是非常重要的。常常由引發(fā)劑的半衰期來進行選擇。在聚合反應(yīng)時，為使引發(fā)劑盡量分解完全，減少殘存量，必須考慮單體在一定溫度下，完全聚合反應(yīng)的時間，例如：對氯乙烯聚合來說，反應(yīng)時間通常為所用引發(fā)劑在同一溫度下引發(fā)劑半衰期的三倍。這樣不僅可以利用半衰期來估算該引發(fā)劑在給定的溫度下進行聚合反應(yīng)的時間，而且當需要在一定溫度一定時間內(nèi)完成聚合反應(yīng)時，可以根據(jù)引發(fā)劑的半衰期選擇適當?shù)囊l(fā)劑。如：當需要8h內(nèi)完成氯乙烯聚合反應(yīng)時，就得選擇在給定溫度下半衰期為8/33h的引發(fā)劑。5.分散劑對聚合反應(yīng)的影響。從懸浮聚合的成粒機理可以看出，分散劑的作用，是穩(wěn)定由攪拌形成的單體油珠和阻止油珠的相互聚合和合并。分

16、散劑的組合將影響反應(yīng)的正常進行，同時影響聚合產(chǎn)品的主要性能，如表觀密度、孔隙率、顆粒形態(tài)、粒徑分布、“魚眼”消失速度，熱加工熔融時間乃至殘留單體含量等。分散劑的水溶液具有保膠功能，作為高分子化合物的分散劑，其水溶液的黏度是依分子量（聚合度）而變化的，即黏度越大或分子量越高，吸附于氯乙烯水相界面的保護膜強度越高，愈不容易發(fā)生膜破裂的并粒變粗現(xiàn)象。分散劑的水溶液具有界面活性，分散劑水溶液的表面張力越小其表面活性就越高，所形成的單體油珠越細，所得到的樹脂顆粒表觀密度愈小，也愈疏松多孔。分散劑加人的先后對PVC性能有一定的影響，一般來說先加分散劑后加VCM。如果在加完VCM單體再加分散劑，則會使PVC

17、“魚眼”數(shù)增多，也會使PVC顆粒變粗。6.水油比對聚合反應(yīng)的影響。在PVC懸浮聚合中，水是分散介質(zhì)，并作為傳熱介質(zhì)。水油比就是指水和單體的質(zhì)量比。水油比的大小影響單體分散液滴的數(shù)量和大小，從而影響聚合體系的分散、合并速度、直至宏觀成粒過程，最終集中反映到樹脂的顆粒特性上。隨著水油比的降低，表觀密度和吸油率都有明顯的提高，一般水油比大，VCM分散好、傳熱好、反應(yīng)易控制。但為提高設(shè)備利用率，生成上盡量采用小水比。隨著水油比的縮小，體系中固體體積分數(shù)上升，當水油比小到一定值時，體系黏度驟升，因此，水油比不能無限縮小。否則，由于體系黏度大，影響傳熱及攪拌均勻性（易發(fā)生分層現(xiàn)象），甚至爆聚結(jié)塊。五.影響

18、聚氯乙烯顆粒形態(tài)的因素影響聚氯乙烯形態(tài)的主要因素有攪拌、分散劑、最終轉(zhuǎn)化率、聚合溫度、水比等。攪拌在氯乙烯懸浮聚合過程中，攪拌起著雙重作用，液-液相分散、均勻物料、幫助傳熱、保持顆粒懸浮等。攪拌作用影響到PVC顆粒的粒徑和粒徑分布、孔隙率極其相關(guān)性質(zhì)。對于同一裝置，用轉(zhuǎn)速來表征攪拌強度。一般認為攪拌愈強烈，由剪切所形成的油珠愈細微，但也愈容易發(fā)生臨界破裂的并粒，所以反應(yīng)應(yīng)在適宜的攪拌強度下進行。分散劑選擇分散劑應(yīng)該具有降低界面張力有利于液滴分散和具有保膠能力，以減弱液滴或顆粒聚并的雙重作用。在氯乙烯懸浮聚合中單一分散劑很難滿足上述雙重作用，為了制得顆粒疏松勻稱、粒度分布窄、表觀密度適合的PVC

19、樹脂，往往采用兩種以上的分散劑復(fù)合使用，甚至還可添加少量表面活性劑作輔助分散劑。分散劑在PVC樹脂顆粒表面形成皮膜。在聚合初期，水相中分散劑迅速吸附在單體液滴表面，最后形成皮膜。轉(zhuǎn)化率要獲得質(zhì)量較好的疏松型樹脂，必須使最終轉(zhuǎn)化率控制在85%以下。當聚合轉(zhuǎn)化率達到80%-85%時，大分子游離基之間的歧化終止增加，易生成較多的支鏈結(jié)構(gòu)，影響樹脂的熱穩(wěn)定性。 聚合溫度在無鏈轉(zhuǎn)移劑時，聚合溫度是決定PVC樹脂分子量的唯一因素。聚合溫度對PVC顆粒結(jié)構(gòu)的影響將深入到初級分子。一般隨著聚合溫度的增加，初級離子變小，熔結(jié)程度加深，粒子呈球形；聚合溫度較低時，易形成不規(guī)則的聚結(jié)體，從而使孔隙率增加。水比水和單體的重量比簡稱水比。水的作用有三：A.作分散介質(zhì)，以便將VCM分散成液滴，懸浮于其中；B.溶解分散劑C.傳熱介質(zhì)生產(chǎn)疏松型樹脂時，水比往往高達1.6 2.0。在聚合后期，還可補加適量水。水比過低，將使粒度分布變差，顆粒形狀和表觀密度均受影響