丁腈橡胶的生产设计

B线项目 B线题目： 丁腈橡胶的生产设计专业： 高 聚 物 生 产 技 术 班级： 高 化 0911 学号： 学生姓名： 指导教师： 目录第一章 工艺背景 1.丁腈橡胶的发展简介.4 2.丁腈橡胶的性能用途.4 3.工艺的研究意义.4第二章 设计思路及要解决的问题 1.橡胶的合成设计思路.52.丁腈橡胶需解决的问题.5第三章 丁腈橡胶的化学组成及结构.6第四章 丁腈橡胶的合成工艺1. 主原料及其规格.7 2.消费定额7 3.丁腈橡胶的聚合机理和工艺流程8 4.丁腈橡胶过程及影响因素11第五章 丁腈橡胶的性能 1.耐油和耐溶剂性.12 2.对化学物质的稳定性.13 3.耐氧化和耐日光作用.13 4.耐热及耐寒性.13 5.物理机械性能.14 6.电性能和透气性.14第六章 丁腈橡胶的加工工艺及用途 1.丁腈橡胶的加工工艺.15 2.丁腈橡胶的应用.15第七章 丁腈橡胶的新发展 1.新发展.16 2.新品种.18设计总结19参考文献20丁腈橡胶的制备的工艺流程第一章 、 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， l931 年首先报导了丁二烯与丙烯腈的共聚物， 在 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 (IGFarban)公司投入正式生产。2.丁腈橡胶的性能与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， -2- 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。第二章 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 7085。2.制备丁腈橡胶需解决的问题 生产工艺中需要解决的问题：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。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。 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。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。第三章 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 (CH2CH=CHCH2)M (CH2CH)N | CN 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 30130ML1+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。第四章 丁腈橡胶的合成工艺1. 主原料及其规格： 规格： 丁二烯 纯度 99% 乙醛 0.12% 轻组分 0.15% 重组分 0.12% 水 0.05% 丙烯腈 纯度 99.8% 过氧化物 0.110-6 铁 0.310-6 醛 1010-6 氢氰酸 510-6 乙腈 5010-62.消耗定额：（以生产1t胶计） 视牌号不同而异。 丁二烯 590714Kg 丙烯腈 300410Kg 工艺水 6t 电 270350KWh 蒸汽 2.22.6t 冷却水 300t3.丁腈橡胶的聚合机理和工艺流程 1.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： CH2=CH-CH=CH2+CH2=CHCN（ CH2-CH=CH-CH2）CH2-CH）- CN 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。 用这种方法制得的丁睛橡胶，分子结构中丁二烯和丙烯睛的排列结合呈无现状态，因此丁睛橡胶不易结晶，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。聚合前，先按聚合配方配制好单体及各种助剂溶液，再将聚合釜抽真空并通入氯气以排除空气。然后在减压下，物料经计量投入具有玻璃衬里或不锈钢的聚合釜内进行聚合，并不断搅拌。聚合釜夹套或列管中通入热水或冷却介质，以控制聚合温度。当转化率达到70一75肘，聚合即告终止。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睛橡胶和冷聚丁睛橡胶。2.丁腈橡胶的生产流程如下：3.聚合工艺过程 1. （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 510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。4.影响因素 丁腈橡胶 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。第五章 丁腈橡胶的性能 丁睛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30一4S，耐高温性能较天然橡胶、氯丁橡胶、丁苯像胶等都强。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、耐溶剂性丁睛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。丁睛橡胶中丙烯睛含量愈高，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睛橡胶基本不起作用。具有高极性的含氮的酮类化合物及芳香族化合物对丁睛橡胶有溶胀作用。丁睛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、臭氧等很易侵蚀丁睛橡胶; (2)浓盐酸、甲酸和醋酸等较易侵蚀丁睛橡胶; (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，可能侵蚀丁睛橡胶。 3、耐氧化和耐日光作用丁睛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，故较天然橡胶的耐翱艺作用强。丁睛橡胶的耐臭氧化能力较差，所以必需使用杭臭氧化剂，但应注意一般适用于天然橡胶、丁.苯像胶的杭臭氧刑，对丁睛橡胶都不是那样有效。因此提高杭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，可明显提高杭臭氧化能力。热量对促进丁睛橡胶的氧化过程比天然橡胶缓慢。 丁睛橡胶耐紫外线的辐射作用比天然橡胶稳定，但不如氯丁像胶。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、耐热及耐寒性丁睛橡胶的耐热性优于天然橡胶和氯丁橡胶。提高丙烯睛含量，有助于改善耐热性，但降低了耐寒性。与其它橡胶相比，丁睛橡胶的硫化胶具有放宽的使用温度范围。中等以上丙烯睛含量者，在120下可连续使用较长时间，甚至在190的热油中浸渍o .、时，亦能保持良好的屈服性能。必须指出，丁睛橡胶在高温下使用，有使硬度上升、杭张强度提高和伸长率下降的趋势。 5、物现机械性能与天然橡胶比较，丁睛橡胶物理机械性能不够理想，丁睛橡胶是非结晶的无定形聚合物，本身强度较低，使用时必需填充补强剂(如炭黑等)，强度可达250公斤/厘米以上。提高丙烯睛含量有助于增大强度。 6、电性能和透气性由于丁睛橡胶大分子结构中存在有易被电场极化的睛基，因而降低了介电性能，所以不宜用作绝缘材料。丁睛橡胶的各种电性能参数下表所示。 丁腈橡胶电性能参数体积电阻（欧姆-厘米功率因数3.51093.0介电常数介电强度(伏/0.001英寸)13.0251 丁腈橡胶的透气性较低，仅次于丁基橡胶。透气性与丙烯腈含量有关，增大丙烯腈含量，可提高气密性。第六章 丁腈橡胶的加工工艺及应用 1.丁腈橡胶的加工工艺： 丁睛胶的加工过程与其他胶相似，经过塑炼，混炼，硫化成型等过程。塑炼时要求低温，小辊距塑炼效果最好。生产中要分段塑炼2一3次，强化塑炼过程。混炼时，粉料不易分散均匀，易脱辊，塑料生产热大，在低温混炼效果较好。硫磺在丁睛胶中溶解度小，应在混炼开始时加入。炭黑分批少量加入，软化剂和炭黑分批交替加入，促进剂最后加入。混炼温度开初以60左右为宜，但不能超过1200C一 1400C,避免烧焦。 2.丁腈橡胶的应用： 丁睛胶不同于其他橡胶，其分子结构中有极性睛基存在，对矿物油，动植物油，液体燃料和某些有机溶剂有较高稳定性，芳烃溶剂，酮类，脂类等化合物对它有溶胀作用。随丁睛胶分子链中丙烯睛含量增加，耐油和溶剂性能，耐热性能有待提高。它的耐热性能优于天然橡胶，顺丁，丁.苯及氯丁胶，可在120长期使用。在隔绝空气条件下，1600C可长期使用。丙烯睛含量增加，耐寒性下降，回弹性减少，耐磨性提高。丁睛胶是非结晶性橡胶，所以生胶强度不高。加工时必须加入补强剂。丁睛胶的脆性温度比氯丁胶，丁.苯胶高，含丙烯睛37. 0%的丁睛胶，Tb为一26. 50C。丁睛胶存在有一CN基，在电场中易极化。降低介电性能，丁睛胶属于半导体橡胶。它的气密性较好，仅次于丁基橡胶。 丁睛胶主要用于耐油橡胶制品，可以用于压出制品，模压制品，石棉制品，海绵制品，工业耐油胶辊，耐油手套，耐油胶鞋，电线电缆，胶布，耐油密封制品。丁睛胶可制得性能优良的粘合剂，以及纺织，印刷，建筑上用胶制品，耐油耐热的运输带，胶管及贮槽衬里，油箱衬里等。第七章 丁睛橡胶的新发展 近年来，世界各国丁睛橡胶产量的增长速度远不如其它品种的合成橡胶。例如仅从六十年代才开始生产的顺丁橡胶，其世界总产量至1970年就达99万吨，约占合成橡胶总生产能力的14%，可见发展之快。相比之下，丁睛橡胶生产的发展速度较为缓慢。究其原因，首先是由于用途和消耗量所限，这与其性能的缺陷有关，例如热聚法的丁睛橡胶，加工性能较差，塑性低，难于塑炼、混炼，耐油性与耐寒性矛盾较大。此外，耐低温性、杭臭氧化以及介电性能等都不够理想。致使丁睛橡胶的扩大应用受到限制。其次，是因新型合成弹性体的出现一一如具备优异耐油性的氯醇橡胶等一一在一些性能上能够代替丁睛橡胶，也使丁睛橡胶在某些应用范围内受到排挤。 1.新发展 为了改变上述局面，近些年进行了多方面试验研究，试图对丁睛橡胶进行改性，发展新品种，达到改善丁睛橡胶的加工性能和使用性能的目的，满足不断增长的需要。目前已取得很大进展。 首先在改善丁睛橡胶加工性能方面，已采取了很多有效措施。 1)软丁睛橡胶从1955年起，已有几个国家先后开始生产一种低粘度的丁睛橡胶，即所谓软丁睛橡胶。粘度降低不是通过降低分子量获得，而是通过降低聚合转化率达到的，由90%以上降至o%左右。这能有效的减少交联和支化程度，故不会降低橡胶的物理机械性能。这种软丁睛橡胶具有粘度低、加工时不需塑炼、容易混炼、生热低、节省动力消耗和压出半成品表面光滑等一系列优点。同时，很适用于丁睛橡胶制品的注射成型。 2)冷聚丁睛橡胶大力推广冷聚丁睛橡胶的生产，即控制聚合温度在5一10的范围。低温聚合法始于四十年代，在1948年提出的明确证据表明，对原.来热聚合系统的改进，可以降低聚合物中的凝胶含量及支化程度，从而改善了加工性能。冷聚丁睛橡胶塑性大，故较易塑炼，易于包辊，压出时膨胀小，表面光滑，尺寸稳定。 上述两种丁睛橡胶，近年来已得到大量生产，对改善加工工艺起到很大作用。 2.新品种 其次，在改善丁睛橡胶应用性能方面，亦有很大进展。出现一些丁睛橡胶的新品种:1)采取新的含睛基单体制造新型丁睛橡胶，以期在较大程度上改进丁睛橡胶的使用性能。如已生产山一种睛酸乙醋与50%的氯化乙基乙4f的共聚物，由这种共聚物制得的橡胶具有十分优异的耐候性和耐油性。另外，为了提高丁睛橡胶的机械性能，日前已开始生产一种欺基丁睛橡胶，它是通过引入作为第三成分的丙烯酸或甲基丙烯酸经共聚而成的聚合物。其特点是强度高(可达150一200公斤/厘米)，定伸强度亦高。再如，将丁睛橡胶中传统的丁二烯单体换成异戊二烯，也能够提高橡胶的自身强度。2)从改变丁睛橡胶大分子结构入手，来改善使用性能。据最近报导，采用改良的齐格勒一纳塔(Ziegler-Natta)型催化剂，成功地合成了丁二烯与丙烯睛等分子交替的共聚物。丙烯睛含量虽然较高，但生胶却很柔软，弹性也好，杭张强度较乳液聚合的高丙烯睛含量的丁睛橡胶高o. s一1倍，且易于加工，与炭黑易于混炼，补强效果亦显著。这种丁睛橡胶很有发展前途。3)生产与树脂混合的丁睛橡胶一树脂并用体，国外已广泛应用的有与聚氯乙烯树脂、酚醛树脂等的并用体。橡胶与树脂通常以70: 30或50: 50的比例并用。并用体具有优越的杭臭氧作用和耐热性，提高了耐磨耗、耐撕裂、耐溶剂性，并且改善了工艺加工性能。4)丁睛橡胶还可以与其他橡胶并用。丁睛像胶具有良好的耐油性能，它的分子链也有不饱和双键，同二烯类橡胶有相同的硫化体系，利用丁睛与天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、氯化及氯磺化聚乙烯等橡胶能很好并用。如顺丁及天然橡胶加入丁睛橡胶可提高耐寒、耐磨、回弹等性能，与三元乙丙橡胶并用课提高耐候、耐老化及物理机械、耐热等性能。与氯丁橡胶并用，可改善氯丁橡胶耐油、耐热、粘辊等性能，可制成各种户外耐油制品。与氟橡胶并用可提高胶料耐油、耐高温、耐溶剂等性能。5)丁睛醋橡胶。它是由丁二烯、丙烯睛和丙烯酸丁醋三元共聚而成的。具有耐热、耐寒、耐油、耐水及压缩变形小等优点。可满足一般工业橡胶制品的要求，优于丁睛橡胶，是很有发展前途的新胶种。 此外，尚有一种低分子量的液体丁睛橡胶，主要用作丁睛橡胶的增塑剂，亦常用于丁睛橡胶胶粘剂中，均具有良好作用。 设计总结 近年来，世界各国丁腈橡胶产量的增长速度远不如其它品种的合成橡胶。 例如仅从六十年代才开始生产的顺丁橡胶， 其世界总产量至 1970 年就达 99 万吨， 约占合成橡胶总生产能力的 14，可见发展之快。相比之下，丁腈橡胶生产的 发展速度较为缓慢。究其原因，首先是由于用途和消耗量所限，这与其性能的缺 陷有关，例如热聚法的丁腈橡胶，加工性能较差，塑性低，难于塑炼、混炼，耐 油性与耐寒性矛盾较大。 此外， 耐低温性、 抗臭氧化以及介电性能等都不够理想。 致使丁腈橡胶的扩大应用受到限制。其次，是因新型合成弹性体的出现如具 备优异耐油性的氯醇橡胶等在一些性能上能够代替丁腈橡胶， 也使丁腈橡胶 在某些应用范围内受到排挤。 参考文献： 1 梁星宇.丁基橡胶应用技术M.北京: 化学工业出版社, 2004: 2 张玉龙, 齐贵亮.橡胶改性技术M. 北京: 机械工业出版社, 2006: 192- 199. 3 耿慧.高聚物合成工艺学天津: 天津大学, 硕士学位论文, 2003: 1- 30. 4 王飞, 刘海洪, 司俊杰合成树脂及塑料手册 2004, 20( 13) : 23- 24. 5 钱知.2004 年实用塑料材料学, 2004( 2) : 61.