《聚合物合成工程》復(fù)習(xí)題及答案—共享1-3章
《聚合物合成工程》復(fù)習(xí)題及答案
一、簡(jiǎn)答題
1．高分子合成材料主要包括哪幾類(lèi)，并簡(jiǎn)述其一般的生產(chǎn)工藝過(guò)程。
答：高分子合成材料主要包括塑料、合成橡膠和合成纖維三大類(lèi)，此外還包括涂料、粘合劑、離子交換樹(shù)脂、功能高分子材料等。高分子合成材料的一般生產(chǎn)工藝過(guò)程如下：原料精制與配制過(guò)程、聚合過(guò)程、聚合物分離、洗滌、干燥、造粒（壓塊）過(guò)程以及溶劑回收再利用過(guò)程等。
2．當(dāng)今，高分子合成材料在人們的生活中扮演著越來(lái)越重要的作用，請(qǐng)列舉至少五種高分子材料制品，并簡(jiǎn)述高分子合成材料的一般的生產(chǎn)工藝過(guò)程。
答：在我們的日常生活中，常見(jiàn)的高分子材料制品有塑料盆（桶、碗、瓶、杯、凳子等）、電視機(jī)外殼、電腦機(jī)箱、汽車(chē)外殼、衣服、皮鞋、尼龍袋、保鮮膜等。它在人們的生活中扮演著越來(lái)越重要的作用。高分子合成材料的一般生產(chǎn)工藝過(guò)程如下：原料精制與配制過(guò)程、聚合過(guò)程、聚合物分離、洗滌、干燥、造粒（壓塊）過(guò)程以及溶劑回收再利用過(guò)程等。
3．高分子科學(xué)發(fā)展至今包括哪兩個(gè)方面，二者什么關(guān)系？
答：高分子科學(xué)發(fā)展至今，形成了學(xué)科基礎(chǔ)研究（包括“高分子化學(xué)” 、“高分子物理”和“高分子工程”三個(gè)分支學(xué)科）和高分子材料研究（包括“功能高分子”，“通用高分子材料”兩個(gè)分支領(lǐng)域）兩格局。二者為密切聯(lián)系，互相滲透，互為依托的關(guān)系。
4．高分子科學(xué)是從何時(shí)真正萌芽并得到發(fā)展的，而我國(guó)高分子科學(xué)研究又是何時(shí)起步的呢？
答：高分子科學(xué)的真正萌芽要追索到1920年前后，由德國(guó)化學(xué)家 H. Staudinger在1919年瑞士學(xué)術(shù)會(huì)上，提出的“高分子化合物是由共價(jià)鍵連接而成的長(zhǎng)鏈分子”觀點(diǎn)，并發(fā)表了“聚合反應(yīng)”的著名論文。此時(shí)，建立了大分子鏈的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，高分子科學(xué)漸漸萌生和發(fā)展。而我國(guó)高分子科學(xué)研究起步較晚，大約在20世紀(jì)50年代初。
5．影響所生產(chǎn)聚合物的分子量及分布、結(jié)構(gòu)與性能以及牌號(hào)的因素有哪些。
答：所生產(chǎn)的聚合物分子量及分布、聚合物結(jié)構(gòu)與性能以及不同產(chǎn)品牌號(hào)與聚合反應(yīng)設(shè)備、聚合反應(yīng)機(jī)理、聚合反應(yīng)實(shí)施方法、物料組成、聚合反應(yīng)操作方式以及聚合反應(yīng)工藝條件有關(guān)。
6．由于聚合方法很多，不同聚合方法聚合得到物料體系組成不同，其形態(tài)也不同，分離方法也不一樣。請(qǐng)以任一種聚合方法簡(jiǎn)述其聚合物生產(chǎn)后期中的分離方法及過(guò)程。
答：例如：本體聚合與熔融縮聚：反應(yīng)轉(zhuǎn)化率很高，單體幾乎全部轉(zhuǎn)化為高分子，一般不需要經(jīng)過(guò)分離，可將高粘度的熔體直接鑄帶，進(jìn)行后處理。若要求生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品時(shí)，需要脫出少量未反應(yīng)單體，應(yīng)使聚合物熔體呈薄層或線狀流動(dòng)下抽高真空。
或懸浮聚合：聚合物呈圓珠狀，分散在水介質(zhì)中，未反應(yīng)的單體及分散劑、懸浮劑等必須進(jìn)行分離。首先采用蒸汽蒸餾（沸點(diǎn)較高單體,與水共沸）或閃蒸（常溫下是氣體的單體，迅速減壓）等方法除去單體，利用離心過(guò)濾和離心洗滌等方法除去分散劑、懸浮劑，再用凈水反復(fù)洗滌保證聚合物無(wú)其他雜質(zhì)。
或乳液聚合：① 聚合物呈膠體分散狀的固-液乳液體系，固體顆粒粒徑在0.01-1μm之間，由于布朗運(yùn)動(dòng)，靜置時(shí)，固體顆粒不會(huì)沉降析出，若作為涂料或粘合劑用時(shí)，僅用閃蒸或蒸汽蒸餾脫出未反應(yīng)單體,濃縮法提高濃度即可；若產(chǎn)品為固體時(shí)，工業(yè)上一般是將聚合物進(jìn)行噴霧干燥即可得到粉狀樹(shù)脂。
② 聚合物為合成橡膠乳膠時(shí), 分離過(guò)程更復(fù)雜一些，特別是二烯 類(lèi)產(chǎn)品，聚合完后，未反應(yīng)單體含量較多，乳液在凝聚之前，先脫除單體, 再加入防老劑、填充劑混合均勻后加入電解質(zhì)如NaCl水溶液進(jìn)行破乳凝聚,然后用酸性溶液使乳化劑析出得到合成橡膠膠粒,最后進(jìn)行分離、洗滌、過(guò)濾得到潮濕的膠粒。
或自由基溶液聚合和溶液縮聚：聚合物溶液，主要除去未反應(yīng)的單體和溶劑。作為涂料或黏合劑時(shí),用閃蒸或蒸汽蒸餾脫出未反應(yīng)單體,濃縮法提高濃度即可;若作為固體時(shí), 加入沉淀劑將聚合物從溶劑中分離出后，再用蒸餾法分離單體和溶劑，并回收循環(huán)使用。
或離子型溶液聚合：聚合物溶液(或淤漿液)，在分離溶劑之前可在聚合物溶液中加入醇類(lèi)（如甲醇、乙醇）將金屬有機(jī)化合物破壞，生成的金屬鹽及鹵化物用水洗滌使其溶解于水中作為廢料處理。
對(duì)于合成樹(shù)脂而言,加入一定的沉淀劑使聚合物分離，用離心機(jī)將固體物與溶劑分離;對(duì)于合成橡膠而言,將高黏度橡膠溶液噴入沸騰的水中,強(qiáng)烈攪拌,未反應(yīng)單體和溶劑與一部分水蒸氣蒸出,合成橡膠以10-20 μm膠粒析出,過(guò)濾洗滌得到。
7．簡(jiǎn)述聚合物生產(chǎn)過(guò)程與一般化工產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的獨(dú)特之處。
答：聚合物生產(chǎn)過(guò)程是將簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物經(jīng)聚合反應(yīng)生產(chǎn)出分子量和用途不一的高分子化合物的過(guò)程，它不同于一般化工產(chǎn)品如酸、堿、鹽以及有機(jī)化合物的生產(chǎn)過(guò)程，具有如下特性：① 單體具有雙鍵或兩個(gè)及其以上活性官能團(tuán)；② 聚合物分子量具有多分散性；③ 聚合反應(yīng)中熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)不同于一般有機(jī)化學(xué)反應(yīng)；④ 聚合反應(yīng)體系多樣、伴隨相態(tài)變化；⑤ 生產(chǎn)品種多、生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜、設(shè)備要求高。
8．聚合用單體、溶劑以及易分解引發(fā)劑在反應(yīng)前必須精制，為什么？若不進(jìn)行精制，聚合反應(yīng)能否進(jìn)行？
答：這主要是由于：① 通常,為了防止單體貯存時(shí)發(fā)生自聚，單體中一般都加入了少量如對(duì)苯二酚、苯醌等阻聚劑, 對(duì)聚合反應(yīng)有阻聚作用；② 單體、溶劑中以及易分解引發(fā)劑因純度不夠含有有害雜質(zhì)會(huì)影響聚合反應(yīng)速度、聚合物分子量、聚合物色澤以及引發(fā)劑或催化劑活性等；③ 易分解引發(fā)劑聚合前進(jìn)行精制可以提高引發(fā)效率，減少引發(fā)劑的加入量。若不進(jìn)行精制，聚合反應(yīng)能一般能進(jìn)行，只是會(huì)影響其聚合反應(yīng)速率，聚合物分子量等。
9．對(duì)于自由基聚合用易分解引發(fā)劑而言，一般可加入適量水或溶劑使其保持潮濕狀態(tài)或低濃度保存；而對(duì)于離子聚合用催化劑而言，萬(wàn)萬(wàn)不能將其與水及空氣中的氧、醇、醛、酮等極性化合物接觸，這是為什么？
答：對(duì)于自由基聚合用易分解引發(fā)劑而言，適量水或溶劑可防止易分解引發(fā)劑受碰撞發(fā)生爆炸等；而對(duì)于離子聚合用催化劑而言，催化劑可與水及空氣中的氧、醇、醛、酮等極性化合物發(fā)生爆炸分解，失去活性。
10．根據(jù)聚合反應(yīng)器的形狀可將聚合反應(yīng)器分為哪幾類(lèi)？其中，釜式反應(yīng)器主要組成部分有哪些？各組成部分又起什么作用？
答：根據(jù)聚合反應(yīng)器的形狀可將聚合反應(yīng)器分為釜式反應(yīng)器（聚合反應(yīng)釜）、管式聚合反應(yīng)器、塔式聚合反應(yīng)器以及帶有特殊形式的聚合反應(yīng)器。釜式反應(yīng)器主要由釜體 、熱交換裝置、攪拌裝置和密封裝置等部分組成。其中，釜體作用是為物料提供反應(yīng)空間；熱交換裝置作用是供給或帶走熱量保證反應(yīng)順利進(jìn)行；攪拌裝置作用是提高釜內(nèi)物料的流動(dòng)性,保證物料混合均勻、傳熱和傳質(zhì)等；密封裝置作用是保證釜內(nèi)處于一定的正壓或真空及防止反應(yīng)物逸出或雜質(zhì)滲入。
11．為什么離子型聚合不能通過(guò)常規(guī)乳液聚合和懸浮聚合實(shí)施？
答：這主要是由于常規(guī)乳液聚合和懸浮聚合體系中均采用分散介質(zhì)水，而對(duì)于離子型聚合而言，所選用催化劑對(duì)水及空氣中的氧、醇、醛、酮等極性化合物很敏感，少量水分會(huì)催化劑失活。
12．簡(jiǎn)述間歇操作與連續(xù)操作方式的特點(diǎn)？
答：對(duì)于間歇操作而言，它是一種分批投料，一次出料的操作方式，反應(yīng)條件易控制、聚合物停留時(shí)間相同、靈活大，工藝條件可改變生產(chǎn)不同品種或牌號(hào)的產(chǎn)品；但產(chǎn)品規(guī)格難以控制統(tǒng)一、聚合反應(yīng)器不能充分利用、不易實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程的全部自動(dòng)化，適于小批量生產(chǎn)。對(duì)于連續(xù)操作而言，它是一種連續(xù)投料，連續(xù)出料的操作方式，聚合反應(yīng)條件穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)格穩(wěn)定、設(shè)備密閉，污染少、容易實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程的全部自動(dòng)化、適合大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)率高，成本較低；但不便于小批量產(chǎn)品品種或牌號(hào)的生產(chǎn)。
13．聚合物生產(chǎn)設(shè)備一般包括哪幾類(lèi)？各自在生產(chǎn)聚合物過(guò)程中扮演什么角色？
答：聚合物生產(chǎn)設(shè)備一般包括聚合物合成設(shè)備、聚合物分離設(shè)備和聚合物脫水及干燥設(shè)備三類(lèi)。其中，聚合物合成設(shè)備是單體在特定聚合工藝條件下經(jīng)過(guò)聚合反應(yīng)得到聚合物的場(chǎng)所；聚合物分離設(shè)備是將未反應(yīng)的單體、溶劑從聚合物中分離出來(lái)，提高聚合物的純度，從而提高聚合物的質(zhì)量，同時(shí)降低環(huán)境污染以及生產(chǎn)成本；聚合物脫水及干燥設(shè)備主要是將分離并經(jīng)過(guò)反復(fù)洗滌過(guò)得聚合物進(jìn)行脫水及干燥，使聚合物體系中含水量降至0.5%以下，提高聚合物質(zhì)量。
14．聚合物分離設(shè)備一般包括哪幾類(lèi)？并簡(jiǎn)述各自所依據(jù)的分離原理？
答：聚合物分離設(shè)備也是關(guān)鍵設(shè)備,主要包括脫揮發(fā)分分離設(shè)備、化學(xué)凝聚分離設(shè)備和離心分離設(shè)備三種。其中，脫揮發(fā)分分離設(shè)備主要是脫除未反應(yīng)的低沸點(diǎn)單體和溶劑，采用減壓或共沸的方法進(jìn)行分離；化學(xué)凝聚分離設(shè)備是將聚合物從液體介質(zhì)中分離出來(lái)，它主要是通過(guò)在聚合物膠液體系中加入凝聚劑、沉淀劑等，使固體聚合物從膠液中析出的化學(xué)凝聚方法；離心分離設(shè)備是將聚合物從液體介質(zhì)中分離出來(lái)，它主要是離心力作用下，將聚合物與液體介質(zhì)分離的物理方法。
15．聚合物脫水及干燥過(guò)程有何區(qū)別？
答：經(jīng)分離、水洗的聚合物粗產(chǎn)品中一般含有一定量（如40 -70％）水分和少量其他有機(jī)揮發(fā)分，必須除去。工業(yè)上，將水分從初始含量脫除到5-15%的過(guò)程稱(chēng)為脫水，進(jìn)一步將剩余水分和少量其他揮發(fā)分脫除至0.5 %以下的過(guò)程稱(chēng)為干燥。脫水和干燥可單獨(dú)為兩步，也可聯(lián)合成一個(gè)連續(xù)的過(guò)程。
16．對(duì)于釜式反應(yīng)器而言，攪拌裝置必不可少，通常情況下，不同攪拌體系要求選擇不同的攪拌器，請(qǐng)舉例說(shuō)明。
答：例如：對(duì)于低粘度體系而言，一般采用漿葉尺寸較小、攪拌轉(zhuǎn)速較高的漿式（平漿、斜漿）、透平漿和推進(jìn)式攪拌器；對(duì)于高粘度體系而言，一般采用漿葉尺寸較大（螺桿式攪拌器除外），攪拌轉(zhuǎn)速較低的錨式、框式、螺帶式和螺桿式攪拌器，其中，采用螺桿式攪拌器時(shí)，一般與螺帶式攪拌器或?qū)Я魍才浜鲜褂?；?duì)于粘度極高的體系，還可采用帶刮板的螺帶式攪拌器等，或采用雙層或多層攪拌漿葉，或根據(jù)需要采用兩種及其以上漿型組合。