丁腈橡胶的制备.doc

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目录

一、工艺背景

1.丁腈橡胶的发展简介………………………………………………………3

2.丁腈橡胶的性能和用途……………………………………………………3

3合成工艺的研究意义………………………………………………………3

二、设计思路及要解决的问题

1.丁腈橡胶的合成设计思路…………………………………………………4

2.制备丁腈橡胶需要解决的问题……………………………………………4

三、丁腈橡胶的化学组成和结构…………………………………………………4四、丁腈橡胶的合成工艺

1.丁腈橡胶的聚合机理和工艺流程…………………………………………5

2.丁腈橡胶工艺过程及影响因素……………………………………………8

五、丁腈橡胶的性能

1.耐油、耐溶剂性………………………………………………………………9

2.对化学物质的稳定性………………………………………………………9

3.耐氧化和耐日光作用………………………………………………………9

4．耐热及耐寒性………………………………………………………………9

5.物现机械性能………………………………………………………………10

6．电性能和透气性……………………………………………………………10

六、丁腈橡胶的加工工艺与用途

1.丁腈橡胶的加工工艺………………………………………………………10

2.丁腈橡胶的应用……………………………………………………………10

七、设计总结………………………………………………………………………11

八、参考文献………………………………………………………………………13

乳液聚合制备丁腈橡胶

一、工艺背景

1.丁腈橡胶的发展简介

丁腈橡胶初始研究于德国，在l931年首先报导了丁二烯与丙烯腈的共聚物，并对得到的共聚物做了性能鉴定。

结果发现，它在耐老化、耐日光、耐热、耐油以及气密性等方面均优于天然橡胶。

因而引起人们对这个新问世的高分子材料以极大的注意。

时至1937年德国出于发动侵略战争的需要，积极支持和鼓励国内合成橡胶的生产，致使丁腈橡胶的工业化生产首先在德国获得成功，并出法本（I．G．Farban）公司投入正式生产。

2.丁腈橡胶的性能和用途

丁腈橡胶具有优良的耐油性,其耐油性仅次于聚硫橡胶和氟橡胶，并且具有的耐磨性和气密性。

丁晴橡胶的缺点是不耐臭氧及芳香族、卤代烃、酮及酯类溶剂，不宜做绝缘材料。

丁腈橡胶主要用于制作耐油制品，如耐油管、胶带、橡胶隔膜和大型油囊等，常用于制作各类耐油模压制品，如O形圈、油封、皮碗、膜片、活门、波纹管等，也用于制作胶板和耐磨零件。

3.合成工艺的研究意义

丁腈胶因耐油、耐热性能和物理机械性能优异，已经成为耐油橡胶制品的标准弹性体，广泛用于汽车、航空航天、石油开采、石化、纺织、电线电缆、印刷和食品包装等领域，目前国内产不足需，年进口量约4万吨。

2001年全球丁腈胶总年产能力约65万吨，分布在17个国家和地区。

其中，中国周边地区年产能力约27万吨，占世界总年产能力的40％，除印度外均是中国主要进口来源地。

中国目前有3套装置：

一是中石油兰化公司早期从前苏联引进采用高温间歇乳液聚合技术的硬胶装置，年产能力约0.45万吨，可生产3个牌号；二是中石油吉化公司从日本引进丁苯胶装置的1条生产线改造而成的丁腈胶装置，采用多釜串联、低温乳液聚合工艺，年产能力为1万吨，可生产5个牌号；三是兰化公司近年从日本引进的年产1.5万吨低温乳液聚合装置，可生产高、中、低含腈量的9个牌号软胶。

2002年，中国丁腈胶生产能力为2.95万吨，产量为2.5万吨，

开工率约85％。

所以，产量不能满足国内实际生产的需求，每年都要大量进口，开发利用前景广阔。

二、设计思路及要解决的问题

1.丁腈橡胶的合成设计思路

丁腈橡胶多采用乳液聚合连续生产，也有研究溶液聚合法的，但是本课程设计主要介绍乳液聚合法。

一般标准型的丁腈橡胶，是丁二烯与丙烯腈乳液聚合的共聚物，其工艺过程与丁苯橡胶类似。

用这种方法制得的丁腈橡胶，分子结构中丁二烯和丙烯腈的排列结合呈无现状态，因此丁腈橡胶不易结晶，强度不高。

但由于这种方法在工业生产上较为成熟，工艺简单，至今还在广泛应用。

现多采用连续生产过程，以提高生产能力。

温度可采用30℃或约5℃,转化率一般维持在70％～85％。

2.制备丁腈橡胶需要解决的问题

生产工艺中需要解决的问题：

①单体丙烯腈极性较强，致使在聚合过程中胶乳不太稳定，丙烯腈用量越大，胶乳的稳定性就越差。

②介质的碱性或酸性太强或聚合温度过高都会引起氰基的水解，即：

生成的酸会破坏乳化剂，这也是导致乳胶不稳定的原因之一。

③上述水解反应的中间产物酰胺基和聚合物链中的氰基在较高温度下，都可能进行交联反应，使产品质量变坏。

④丁二烯与丙烯腈的竞聚率相差颇远（在40℃时分别为0.3和0.02）,因此，共聚物中单体的组成及分布，对转化率的依赖性较大。

采用分批加入丙烯腈的办法可以改善氰基分布。

三、丁腈橡胶的化学组成和结构

一般标准型丁腈橡胶是丁二烯与丙烯腈的共聚物，其化学组成的通式为：

丁腈橡胶为浅褐色弹性体，由于在大分子结构中含有强极性的-CN基团，所以对汽油及脂肪烃油类，有优异的稳定性。

此外，丁腈橡胶性质与分子量及其分布和大分子单元结构亦有关系。

丁腈橡胶的分子量可由数千到数十万，数千分子量的丁腈橡胶呈液体状态，固体丁肪橡胶分于量则高达数十万以上。

工业生产中，通常采用与分子量密切相关的门尼粘度来表示。

一般标准型丁腈橡胶门尼粘度在30—130ML1+4l00℃之间，其中在45左右者称为低门尼粘度，60左右者称为中门尼粘度，80以上者称为高门尼粘度。

四、丁腈橡胶的合成工艺

1.丁腈橡胶的聚合机理和工艺流程

原料：

一般标准型的丁腈橡胶，是丁二烯与丙烯腈乳液聚合的共聚物，共聚反应式如下：

聚合用辅助原料有如下几种：

聚合引发剂为：

热聚合采用无机过氧化物（如过硫酸盐）；冷聚合采用氧化还原引发剂（如过氧化氢和二价铁盐共存的催化体系）。

聚合度调节剂为长链烷基硫酸等乳化剂为阴离子表面活性剂、松香酸皂和脂肪酸皂等。

电解质为氯化钾、磷酸钠和硫酸钠等。

聚合终止剂为氢醌类、二甲基二硫代氨基甲酸盐类等。

聚合工艺过程：

（1）碳氢相、水相、助剂的配制将一定比例的丁二烯、丙烯腈混合均匀，制成碳氢相。

在乳化剂中加入氢氧化钠、焦磷酸钠、三乙醇胺、软水等制成水相。

并配制引发剂等待用。

将碳氢相和水相按一定比例混合后送入乳化槽，在搅拌下经充分乳化后送入聚合釜。

（2）聚合往聚合釜内直接加入引发剂，在一定温度的釜内进行聚合反应,尔后分批加入调节剂，以调节橡胶的分子量。

当转化率达到70一75％时，加入终止剂终止反应，并将胶浆卸入中间贮槽。

按聚合配方及工艺条件，聚合温度若控制在30一40℃范阔，称为高温聚合；控制在5—10℃范围，称为低温聚合。

据此所得产物分别称为热聚丁腈橡胶和冷聚丁腈橡胶。

（3）脱气经过终止后的胶浆，送至脱气塔，减压闪蒸出丁二烯，然后借水蒸汽加热及真空脱出游离的丙烯腈。

丁二烯经压缩升压后循环使用，丙烯腈经回收处理后再使用。

（4）后处理经脱气后的胶浆加入防老剂D，过滤除去凝胶后，用食盐水凝聚成颗粒胶，经水洗后挤压除去水分，再用干燥机干燥，然后包装即得成品橡胶。

经干燥后的橡胶含水量应低于1％，成品胶一般每包重25kg。

丁腈橡胶生产流程如下：

2.丁腈橡胶工艺过程及影响因素

丁二烯同丙烯腈乳液聚合中主要影响因素有单体用量比、引发剂、调节剂、单体转化率和电解质等。

单体用量比主要由产品的性能要求确定的，要求丁腈橡胶的耐油性能好，丙烯腈用量增多，要求耐寒性能好的丁腈胶，丙烯腈的含量相对减少。

单体用量比的变化，还影响反应速度。

随丙烯腈用量增加，反应速度加速，聚合时间缩短，反之，丙烯腈用量少，聚合反应速度变慢，单位时间内转化率低，聚合时间增加。

引发剂体系若只用过硫酸盐，热分解速度慢，聚合温度高。

过硫酸盐在有还原剂存在情况下能降低分解活化能，可在低温聚合。

常用还原剂有胺类、醛类、糖类。

硫醇在聚合反应中不仅起调节分子量的作用，而且还起活化剂的作用。

胺类活化剂，对亚铁盐敏感，很少量亚铁盐将会使聚合反应加快。

乳化剂的不同类型影响反应速率和胶乳粒子的大小和形态，也对胶乳液的稳定性有影响。

调节剂常用十二碳酸硫醇和调节剂丁。

聚合温度不仅对分子量及聚合速度有明显的影响，而且影响大分子的微观结构。

低温聚合的丁腈，分子量大，结构规整性高，含反-1，4结构多，加工性能好。

高温聚合丁腈支化度大，易产生结构化反应，交联结构增加，凝胶量多，生胶性能差。

反应过程中，随转化率增加，共聚物中支化和交联结构增多。

为了控制分子结构，丙烯腈可采用分批加料，使生成的丁腈共聚物中丙烯腈在大分子链中能均匀地分布。

可改善耐油、耐寒及回弹性能。

生产工艺过程包括物料准备、聚合反应、胶乳凝聚及后处理，与丁苯橡胶相似。

生产流程如上图，首先配置好水相和油相，聚合前将配制槽中加入软水，然后将乳化剂、氢氧化钠（或钾）加入水中搅拌乳化均匀为水相，聚合前将配制好引发剂加入水相中。

水相送入高位计量槽，聚合时用。

油相配制是将丁二烯、丙烯腈在混合槽中混匀，送入高位计量槽聚合时用。

调节剂溶剂的配制，是将调节剂丁溶剂溶于丙烯腈中，配成15%～20%的溶液。

引发剂溶液的配制，是将过硫酸钾溶于软水制成的。

五、丁腈橡胶的性能

丁腈橡胶具有一系列优越性能，如具有优越的耐油性。

耐磨性比天然橡胶高30～45％，耐高温性能较天然橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶等都强。

但在弹性、生热及多次变形、耐龟裂、电绝缘性能等方面则存在缺点，耐臭氧能力也不够理想。

1.耐油、耐溶剂性丁腈橡胶对非极性或低极性的溶剂表现有较强的稳定性，特别是耐汽油及脂肪烃油类，比其它许多橡胶都好。

丁腈橡胶中丙烯腈含量愈高，耐油性愈强。

此外，对植物油、脂肪酸类亦具有良好稳定性。

在接触芳香族溶剂、卤代烃、酮及脂类等极性较大的溶剂时，有溶胀作用。

2.对化学物质的稳定性对无机酸、有机酸、碱类、盐类以及氧化剂等的作用都比天然橡胶稳定。

如碱溶液或稀酸等对丁腈橡胶基本不起作用。

具有高极性的含氮的酮类化合物及芳香族化合物对丁腈橡胶有溶胀作用。

丁腈橡胶对下列化学物质有不同的稳定性：

（1）各种浓度的硝酸、浓硫酸、次氯酸及盐类和氢氟酸、臭氧等很易侵蚀丁腈橡胶；

（2）浓盐酸、甲酸和醋酸等较易侵蚀丁腈橡胶；

（3）过氧化氢、铬酸、磷酸以及二氧化硫等弱氧化剂，在一定条件下，可能侵蚀丁腈橡胶。

3.耐氧化和耐日光作用丁腈橡胶的氧化作用同样会引起大分子链发生断裂，但氧化过程较为缓慢，故较天然橡胶的耐氧化作用强。

丁腈橡胶的耐臭氧化能力较差，所以必需使用抗臭氧化剂，但应注意一般适用于天然橡胶、丁苯橡胶的抗臭氧刑，对丁腈橡胶都不是那样有效。

因此提高抗臭氧化作用的有效途径，是采用与聚氯乙烯树脂并用的办法，可明显提高抗臭氧化能力。

热量对促进丁腈橡胶的氧化过程比天然橡胶缓慢。

丁腈橡胶耐紫外线的辐射作用比天然橡胶稳定，但不如氯丁橡胶。

采用与聚氯乙烯或氯丁橡胶并用，可提高耐日光老化性能。

4．耐热及耐寒性丁腈橡胶的耐热性优于天然橡胶和氯丁橡胶。

提高丙烯腈含量，有助于改善耐热性，但降低了耐寒性。

与其它橡胶相比，丁腈橡胶的硫化胶具有放宽的使用温度范围。

如中等以上丙烯腈含量者，在120℃下可连续使用较长时间，甚至在190℃的热油中浸渍70小时，亦能保持良好的屈服性能。

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