Технология полимерных материалов

w циц «профессия», i.ui4. see npaia «птптмы.

    А. Ф. Николаев, В. К. Крыжановский, В. В. Бурлов,
         Э. С. Шульгина, Н. А. Лавров, И. М. Дворко, Е. В. Сивцов, Ю. В. Крыжановская, А. Д Семенова







            ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛИМЕРНЫХ
            МАТЕРИАЛОВ



Под общей редакцией В.К. Крыжановского


Рекомендовановкачеств еучебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности
   <*Химич еская техн ология в ы сокомолекулярных со един енийэ





                                  ЦЬН !1OriFAHCXiAi^ FibH-sIX

ПРОФЕССИЯ

Санкт-Петербург
2011

w циц «профессия», i.ui4. see npaia «птптмы.

УДК 66.01
ББК 35.71

       Печатаетсяпо решениюУченого Совета ГУО ВПОСанкг-Петербургский ГосударственныйТехнологическийинстигут (техническийуниверситет) от 25.12.2007 г.
       Рецеюенгьс
       Зав. кафедр ой технологии полимеров и композитов СПб ПУ киноителе-видения, д-р техн, наук, пр оф. С.С. Мнацаканов
       Чл.-кор. FAH, засл.изобретатель РФ, д-р хим. наук, пр оф. Е.Ф. Панарин Чл.-кор.Р4Н, д-р хим. наук, пр оф. ИА. Новаков
       Д-р хим. наук, пр оф. Н.В. Сиротинкин

Н63 Технология полимерных материалов: учеб, пособие / А.Ф. Николаев, В.К Крыжановский, В.В. Бурловидр.; под общ. ред. В.К. Крыжановско-го. —СПб.: ЦОП«Профессиям, 2011. — 536 с.,ил.
       ISBN 978-5-93913-152-0

          Вкнигеприведжы сведенияпофизико-химиии разновидностям синтеза полимеров, дано описаниепромышлэшыхтехнологий протвводстваважнач-ших типов полимеров, с овр елейных спо со б ов получения пластмас с, техноло -гийр ециклир оваиия вторичного полимерного сьфья. С о держатся сведэшя по экологии пр оизводств и методам защиты окружающ^! ср еды.
          Изданиеадр ес о ван о инжжерно-тжническим работникампромышлэшо -ста пластмас с и спедиалистампо защите окружакщей среды. Оно может бьпъ и сп о льз о ван о в качестве учебного по с о бия для студаггов полим ерно -техно -логических специальности.
УДК 66.01
ББК 35.71

Все права защищены, Никакая часть данной книга не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разр ешення владельцев авторских прав, Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых нзда тельств ом как надежные. Тем не менее, имея в виду в озможные челов ече окне или техннче окне ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений и не несет отв етствеино стн за возможные ошибки, связанные с использованием книга,

   IS BN 978-5- 93913-152-0   Изд-во « Пр оф ессиям, 2008
                             © НиколаевА.Ф., КрыжановскийВ.К,
                               Бурлов В. В., Шульгина Э.С., Лавр ов Н А., Дворко И. М., Сивцов Е.В.,КрыжановскаяЮ.В., СеменоваА.Д., 2008
                             © ЦОП<Профессиям, 2011
                             © Оформление: ЦОП «Профессиям, 2011

w циц «профессия», i.ui4. see npaia «птптмы.













            Содержание


   Предисловие....................................................... 10
   Основные сокращения............................................... 13
   Введение.......................................................... 16
       Общие понятия................................................. 16
       Состояние и тенденции развития полимерной отрасли............. 17
       Групповая классификация полимерных материалов ................. 21 ,
   Часть I. Основные понятия химии и физикохимии полимеров........... 23
   Глава 1. Химическое строение, структура и физические состояния полимеров . 24
       1.1. Общие сведения о полимер ах и их номенклатур а .......... 24
       1.2. Методы получения синтетических полимеров................. 29
       1.3. Молекулярные характеристики полимеров ................... 31
       1.4. Физическая структураи со стояния полимеров............... 33
       1.5. Пластификация полимеров................................... 42 ¹
   Глава 2. Получение полимеров....................................... 44 '
       2.1. Полимеризация............................................ 44
          2.1.1. Радикальная полимеризация .......................... 45
          2.1.2. Ионная полимеризация................................ 54
          2.1.3. Катионная полимеризация............................. 55
          2.1.4. Анионная полимеризация.............................. 56
          2.1.5. Координационно-ионная (стереоспецифическая) полимеризация .. 58
          2.1.6. Ступенчатая полимеризация............................ 60 ,
       2.2. Сополимеризация ......................................... 61
       2.3. Технические способыпроведения гомо-и сополимеризации..... 63
       2.4. Поликонденсация ......................................... 65
          2.4.1. Влияние р азличных ф актор овна скор о сть п оликон ден с ации и молекулярную массу ...................................... 69
          2.4.2. Совместная поликонденсация.......................... 70
          2.4.3. Технические способыпрове дения поликонденсации...... 70
   Глава 3. Модификация полимеров.................................... 72
       3.1. Общие понятия и методы мо дификации полимеров............ 72
       3.2. Модификация полимеров низкомолеку лярными веществами (на примере производних целлюлозы)................................... 77

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЛАСТМАСС

       3.3. Модификация олигомеров олигомерами........................... 79
       3.4. Модификация ненасыщенных полиэфирных смол полимеризующимся мономером..................................................... 80
       3.5. Комбинированная химическая модификация полимеров (на примере получения материалов медицин ского назначения) ................... 82
   Глава 4. Старение и стабилизация полимеров............................ 84
       4.1. Процессы старения полимеров.................................. 84
           4.1.1. Природа активных центров в процессах старения и их физико-химические особенности....................................... 86
           4.1.2. Термическое старение в отсутствие кислорода............ 87
           4.1.3. Термоокислительное старение ........................... 89
           4.1.4. Термоокислительная деструкция некоторых полимеров...... 91
           4.1.5. Старение поддействием света............................ 95
           4.1.6. Другие виды старения................................... 96
       4.2. Защита полимеров от старения................................. 97
           4.2.1. Защита полимеров от термического и терм о окислительного стар ения.................................................... 98
           4.2.2. Защита полимеров от светового старения.................101
           4.2.3. Защита полимеров от ионизирующих излучений.............102
       4.3. Методы введения стабилизаторов...............................102
   Часть II. Полимеры, получаемые по реакциям полимеризации..............105
   Главаб.  Технология производства полиолефинов ........................106
       5.1. Производство полиэтилена низкой плотности....................107
       5.2. Производство полиэтилена высокой плотности...................111
       5.3. Другие способыпроизводетва полиэтилена.......................115
       5.4. Производств о полипропилен а.................................118
       5.5. Завершающая обработка полиолефинов ..........................121
       5.6. Сведенияпо технике без опасности при произ в о детве полиолефинов.122
       5.7, Свойства и применение полиэтилена............................124
       5.8. Получение, свойства и применение сополимеров этилена.........130
       5.9. Модифицирование полиэтилена..................................132
       5.10. Свойства и применение полипропилена.........................133
       5.11. Свойства и применение других полиолефинов...................135
   Главаб. Технология производства поли стирольных пластиков.............137
       6.1. Производство полистирол а и ударопрочного полистирола в массе.....138
       6.2. Производство полистирола и сополимеров стирола в суспензии...143
       6.3. Производство полистирола для вспенивания блочно-суспензионным методом.......................................................145
       6.4. Производство ударопрочного полистирола блочно-суспензионным методом...........................................................147
       6.5. Производство полистирола в эмульсии..........................148
       6.6. Производство АБС-сополимеров в эмульсии......................150
       6.7, Производство пенополистирола.................................152
       6.8. Сведенияпо технике без опасности при производстве полистир ольных пластиков.........................................................153
       6.9. Свойства и применение полистирольных пластиков...............154
           6.9.1. Полистирол и ударопрочный полистирол...................154
           6.9.2. Сополимеры стирола.....................................155
           6.9.3. Пенополистирол.........................................157
           6.9.4. АБС-сополимеры.........................................157

СОДЕРЖАНИЕ

5

   Глава?. Технология производства полимеров на основе хлорированных непредельных углеводородов.............................................159
       7.1. Производство поливинилхлорида в массе.........................160
       7,2. Производство поливинилхлорида в суспензии.....................162
       7,3. Производство поливинилхлорида в эмульсии......................164
       7,4. Производство жесткого поливинилхлорида........................166
       7,5. Производство эластичного поливинилхлорида.....................168
       7,6. Производство пенополивинилхлорида.............................169
       7,7, Св едения по технике б ез опасно сти пр и производств е поливинилхлоридов .............................................................171
       7,8. Свойства и применение поливинилхлоридных пластмасс............172
           7.8.1. Жесткий ПВХ.............................................173
           7,8.2. Эластичный ПВХ..........................................174
           7,8.3. Пенополивинилхлорид.....................................176
           7,8.4. Хлорированный ПВХ.......................................176
           7,8.5. Сополимеры ПВХ..........................................177
   Глава 8. Технология производства полимеров на основе фторированных непредельных углеводородов.............................................179
       8.1. Производство политетрафторэтилена и сополимеров тетрафторэтилена в суспензии и эмульсии.............................................180
       8.2. Пр оиэводство политрифторхлорэтилен аи сополимеров трифторхлор-этилена в суспензии................................................182
       8.3. Производство поливинилфторида и сополимеров винилфторида в суспензии........................................................183
       8.4. Производство поливинилиденфторида и сополимеров винилиденфто-ридав суспензии....................................................183
       8.5. Сведения по технике без опасности производств ................183
       8.6. Свойства и применение фторопластов............................184
           8.6.1. Политетрафторэтилен и сополимеры тетрафторэтилена.......184
           8.6.2. Политрифторхлорэтилен и сополимеры трифторхлорэтилена...186
           8.6.3. Поливинилфторид, поливинилиденфторид и сополимеры винил-иденфторида...................................................187
           8.6.4. Марочный ассортимент фторопластов ......................187
   Глава 9. Технология производства поливинилацетатных пластмасс..........190
       9.1. Производство поливинилацетата в растворе......................191
       9.2. Производство поливинилацетата в эмульсии......................193
       9.3. Производство поливинилацетата в суспензии.....................194
       9.4. Производство поливинилового спирта............................195
       9.5. Производство поливинилацеталей................................198
       9.6. Сведения по технике без опасности производств ................201
       9.7, Свойства и применение поливинил ацетатных пластмасс ..........202
           9.7,1, Поливинилацетат и сополимеры винилацетата...............202
           9.7,2. Поливиниловый спирт.....................................203
           9.7,3. Поливинилацетали........................................203
   Глава 10. Технология производства полимеров и сополимеров на основе акриловой и метакриловой кислот и их производных.......................205
       10.1. Производство полиметилметакрилата в массе....................206
       10.2. Производство полиметилметакрилата и сополимеров метилметакрилата в суспензии................................................210
       10.3. Производство полимеров исополимеров эфиров акриловой и метакриловой кислот....................................................212

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЛАСТМАСС

        10.4. Производство полиакриламида.................................213
        10.5. Сведения по технике без опасности производств...............214
        10.6. Свойства и применение полиакрилатов.........................214
            10.6.1. Полиметилметакрилат и сополимеры метилметакрилата......214
            10.6. 2. Другие полимерии сополимеры •эфиров акриловойи метакриловой кислот...............................................216
            10.6.3. Полиакриламид ........................................217
   Глава 11. Технология производства, свойства и применение простых полиэфиров, простых виниловых эфиров и поливинилпирролидона.........219
        11.1. Простые полиэфиры...........................................219
            11.1.1. Производств о полиметилен окси да и сополимеров формальдегида .......................................................220
            11.1.2. Производство полиэтилен-и полипропилен оксида.........223
            11.1.3. Производство поли-3,3-бис(хлорметил) оксацикло бутан а.223
            11.1.4. Производство поли-2,6-диметилфенилен оксида...........225
            11.1.5. Сведенияпо технике без опасности при производстве простых полиэфиров....................................................226
            11.1.6. Свойства и применение полиметилен оксида..............226
            11.1.7, Свойства и применение полиэтилен оксида и полипропилен-оксида........................................................228
            11.1.8. Св ойств а и применение п оли-3, 3 - бис (хлор метил) оке ацикло-бутана........................................................229
            11.1.9. Свойства и применение поли-2,6-диметилфенилен оксида...230
        11.2. Технология производства полимеров и сополимеровпростыхвинило-вых эфиров.........................................................231
            11.2.1. Сведенияпо технике безопасности.......................231
            11.2. 2. Свойства и применение полимеров и сополимеров простых виниловых эфиров .............................................232
        11.3. Технология производства, свойства и применение поливинилпирролидона.............................................................233
   Часть III. Полимеры, получаемые по реакциям поликонденсации............235
   Глава 12. Технология производства амин о альдегидных смол..............236
        12.1. И сходные продукты..........................................237
        12.2. Особенности взаимодействия карбамида и меламина с формальдеги            дом. Строение и отверждение амидо форм альдегидных смол.......239
        12.3. Производство олигомерных кар б амидо формальдегидных смол (КФ С) ..246
        12.4. Пр оизв о дств о КФ С н а о сн ов е кар б амидо ф ормаль дегидных конц ен -тратов.............................................................252
        12.5. Применение амин о формальдегидных смол......................253
        12.6. Сведения о технике безопасности.............................254
   Глава 13. Технология производства феноло альдегидных смол..............255
        13.1. И сходные продукты..........................................256
        13.2. Особенности взаимодействия фенологе альдегидами. Отверждение и строение феноло альдегидных смол.................................257
        13.3. Производство новолачных смол................................264
        13.4. Производство резольных смол периодическим методом...........268
        13.5. Свойства и применение феноло альдегидных смол...............270
        13.6. Сведенияпо технике безопасности.............................274
   Глава 14. Технология производства фурановых смол.......................276
        14.1. И сходные продукты..........................................277

СОДЕРЖАНИЕ

7

       14.2. Производство смол и пластических масс на основе фурфурола.......277
       14.3. Производство смол и пластических мае с на основе фурфурола и ацетона . 279
       14.4. Производство смол и пластических масс на осн ове фурфурилового спирта............................................................282
       14.5. Св едения по технике безопасности...............................282
   Глава 15. Технология производства сложных полиэфиров .....................284
       15.1. И сходные продукты..............................................285
       15.2. Производств о ненасыщенных полиэфиров...........................287
       15.3. Производство полиэтилент ере фталата............................291
       15.4. Производств о поликарбоната.....................................293
       15.5. Производство полиарилатов.......................................298
       15.6. Свойствен применение ненасыще иных полиэфиров...................300
       15.7, Свойства и применение полиэтилен терефталата....................302
       15.8. Свойства и применение поликарбоната (ПК)........................304
       15.9. Свойствен применение полиерилетов (пер) и других сложных полиэфиров .......................................................305
            15.9.1. Полиерилеты..............................................305
            15.9.2. Другие сложные полиэфиры.................................307
       15.10. Сведения по технике безопасности...............................308
   Глеве 16. Технология производстве эпоксидных смол.........................310
       16.1. И сходные продукты..............................................311
       16.2. Получение, отверждение, структурен свойстве эпоксидных полимер ов . .311
       16.3. Производствоисвойствезпоксидно-диеновыхсмол.....................315
       16.4. Производство других эпоксидных смол и их применение.............321
       16.5. Сведения по технике без опесн ости производств..................329
   Глеве 17, Технология производстве эпоксидно-фенольных блок-сооли-гомеров...............................................................331
       17,1, И сходные продукты..............................................331
       17,2. Особенностивзеимо действия компонентов, отверждение, структуре и свойстве сетчетых полимеров.....................................332
       17,3. Производствоисвойствезпоксидно-новолечныхблок-соолигомеров . . . 337
       17,4. Сведения по технике безопесности производств....................340
   Глеве 18. Технология производстве алифетических и ароматических полиамидов ...........................................................341
       18.1. И сходные продукты..............................................342
       18.2. Производство и свойств а поликапр о амида (капрон, найлон 6)....344
       18.3. Производство и свойства полигек с аметилен а дип амида (анид, найлон 66, П-66)................................................. 347
       18.4. Производство и свойств а полидодек ан амида (полиамид 12, П-12).351
       18.5. Производство и свойства полифениленизофталамида (фенилон)....352
       18.6. Производство модифицир ованных полиамидов (полиамиды 54, 548, 54/10 и др.)......................................................354
       18.7, Св едения по технике безопасности...............................355
   Глава 19. Технология производства ароматических полиимидов ...............356
       19.1. Производство и свойства полипиромеллитимида.....................357
       19.2. Производство и свойств ап олиимидо амидов ......................363
       19.3. Производство и свойств ап олиимидо эфиров ......................365
       19.4. Св едения по технике безопасности...............................366
   Глава 20. Технология производства полиуретанов............................367
       20.1. И сходные продукты..............................................367

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЛАСТМАСС

       20.2. Особенности получения и структурирования полиуретанов........371
       20.3. Производство, свойства и применение полиуретанов.............373
       20.4. Производство, свойств а и применение пенополиуретанов........375
       20.5. Сведения по технике без опасности производств................378
   Глава 21. Технология производства кремнийорганических полимеров........380
       21.1. И сходные продукты...........................................381
       21.2. Осо б енн ости получения и отверждения кремнийорганических полимеров..........................................................382
       21.3. Производство полиорган о силоксанов с разветвленными и циклолинейными цепями молекул ...............................................386
       21.4. Свойства и применение полиорган о силоксанов.................387
       21.5. Сведенияпо технике безопасности..............................392
   Часть IV. Технология производства пластических масс....................393
   Глава 22. Компоненты пластмасс.........................................394
       22.1. Наполнители..................................................395
       22.2. Пластификаторы...............................................400
       22.3. Стабилизаторы................................................404
       22.4. Смазкии реологические добавки................................405
       22.5. Пигменты и красители.........................................405
       22.6. Целевые добавки..............................................406
   Глава 23. Сведения по теории и практике смешения компонентов пластмасс . . . 409
       23.1. Сведения о процессах смешения................................409
       23.2. Основные технологические операции............................411
       23.3. Оценка качества смешения.....................................422
       23.4. По дготовкакомпонентов к смешению............................424
   Глава 24. Технология производства материалов на основе термопластичных полимеров..............................................................426
       24.1. Особенности термопластичных связующих........................426
       24.2. Особенности наполнителей.....................................428
       24.3. Технология пр оизв о детва дисп ер снонаполненных термопластов.429
       24.4. Технология получения вы соконаполненных термопластов.........435
       24.5. Технология введения добавок и пр оизв о детва концентратов...436
   Глава 25. Технология производства порошковых и волокнистых материалов на основе термо ре активных связующих..................................440
       25.1. Разновидности материалов.....................................440
       25.2. Фенопласты с дисперсными наполнителями.......................441
            25.2.1. Особенности состава...................................441
            25.2.2. Методы пр оизв о детва................................443
            25.2.3. Технические требования кпресс-порошкам................448
       25.3. Фенопласты с волокнистым наполнителем........................448
       25.4. Аминопласты с дисперсными наполнителями......................453
   Глава 26. Технология слоистых пластиков................................458
       26.1. Общие сведения...............................................458
       26.2. Приготовление препрегов......................................459
       26.3. Применение слоистых пластиков................................465
   Часть V. Технология рециклирования вторичного полимерного сырья........469
   Глава 27, Разновидности и свойства вторичного полимерного сырья (ВПС) . . . 470
       27,1, Общие особенности ВПС........................................470

СОДЕРЖАНИЕ

9

       27.2. Влияние старения на свойства полимерных компонентов ВПС......473
   Глава 28. Восстановление свойств ВПС ..................................476
       28.1. Рекуперирующие добавки для ВПС...............................476
            28.1.1. Пластификаторы........................................476
            28.1.2. Стабилизаторы.........................................477
            28.1.3. Смазки................................................478
            28.1.4. Антипирены............................................478
            28.1.5. Антистатики...........................................478
       28.2. Смешение со свежим сырьем....................................481
   Глава 29. Технологические процессы рециклирования .....................482
       29.1. Общие положения..............................................482
       29.2. Типовые технологии...........................................484
            29.2.1. Способы сортировки измельченного ВПС..................485
            29.2.2. Удаление металлов.....................................487
       29.3. Специализированные технологии................................488
   Часть VI. Экологические аспекты полимерных технологий и охрана окружающей среды..........................................................493
   Глава 30. Экологические аспекты........................................494
       30.1. Осн овные причины и ср е д ств а з ащиты в оз души ой ср еды.495
            30.1.1. Прикладные аспекты индикации вредных веществ .........496
            30.1.2. Термическое обезвреживание газовыхвыбросов............498
            30.1.3. Беспламенное обезвреживание газовыхвыбросов...........499
            30.1.4. Обеспыливание газов...................................501
       30.2. Основные способы очистки сточных вод.........................503
            30.2.1. Разновидности сточных вод.............................503
            30.2.2. Методы очисткии обезвреживания сточных вод............505
                  30.2.2.1. Термическое сжигание..........................506
                  30.2.2.2. Биологическая очистка.........................507
   Глава 31. Сведения по зкологическому обеспечению полимерных технологий . 509
       31.1. Полиолефины..................................................509
       31.2. Полис тир о льны е пластики..................................511
            31.2.1. Газовые выбросы.......................................511
            31.2.2. Сточные воды..........................................514
       31.3. Поливинилхлорид..............................................517
       31.4. Фторполимеры.................................................518
       31.5. Поливинилацетатные пластмассы................................520
            31.5.1. О чистка газовых выбросов.............................520
            31.5.2. Очистка сточных вод...................................522
       31.6. Производство зпоксидных смол.................................525
       31.7, Обезвреживание газовыхвыбросов в произ в о детве фенопластов.528
   Литература.............................................................530

            Предисловие





      Большинство отечествжных специалистов-технологов в области полимерных материалов обучались по книге А.Ф. Николаева «Технология пластических мае с» (1977г.) и монографии с таким же названием, написанной коллективом ученых во главес В.В. Коршаком( 1976,1985 г.). За прошедшие десятилетия эти книги стали библиографической редкостью. Изменилисьи тр еб ования к с о держанию подо бных изданий, что вызвано принципиальными изменениями в организации и управлении отечественнойполимернойпромышлошостыо. Крупные предприятия, осуществлявшие полный цикл от синтеза шир окого спектра полимер ов и олигомер ов до пр о из -водствапластмасс наих о снове, преобразовались впроюво дстваменыше по мощно сти и специализированные по близким технологиям синтеза. Одновремошо сформировались предприятия, раб отающте на закупаздомпо лимерном сырье ипр оизводящте шир окую гамму нал о лненных и мо дифицир ованных композиционных пластиков с различными потребительскимии технологическими свойствами.
      Быстр о е развитие пр оизво детва полимерной тарыи упаковки, многократно е расширение о б ласта! применения пластмас с практически во всех отрасляхпр омыш-ленности (от авиакосмических технологий до строительства и бытовой техники) наряду с положительными результатами пор о дило ипроблему утилизация вторичного полимерного сырья. Еерешшие потребовало разраб откиновых научно- иэколо -гически о б основанных техно логическихр ешений.
      Наконец, вс ледстше того, что мир овое пр оизво дство синтегическихматериа-ловв начале тр етьего тысячелетия по о бъему пр евысило такие традиционные отрас -ли, как черная и цветнаяметаллургия, оформилась еще одна важнейшаяэко логическая про б лема, неразрывно связанная с полимерными технологиями, а именно — защита окружающей среды.