东华大学材料学院教学实验中心实验讲义东华大学材料学院教学实验中心大型工艺实验讲义PA6 的聚合与表征
东华大学材料学院教学实验中心实验讲义 I 东华大学材料学院 教学实验中心 大型工艺实验讲义 PA6 的聚合与表征
东华大学材料学院教学实验中心实验讲义目录目录第一章实验目的1.1了解聚合反应与缩聚反应11.2了解聚合釜1.3了解PA6的常规合成方法....21.4了解高压间歇聚合PA6工艺和PA6表征的方法1.5了解PA6后续加工工艺（选修）.2第二章实验原理..32.1PA6水解聚合原理..32.2PA6分子量调节原理.42.3PA6加工工艺（选修）.4第三章实验原料和设备F3.1实验原料...S3.2实验设备5.6第四章实验步骤64.1聚合釜清洗与检查4.2称量原料与投料.64.3聚合实验操作步骤.74.4出料第五章PA6性能测试.5.1测试方法+.85.2注意事项..d5.3讨论与思考，9
东华大学材料学院教学实验中心实验讲义目录 目 录 第一章实验目的 .1 1.1 了解聚合反应与缩聚反应 .1 1.2 了解聚合釜 . 1 1.3 了解 PA6 的常规合成方法.1 1.4 了解高压间歇聚合 PA6 工艺和 PA6 表征的方法. 2 1.5 了解 PA6 后续加工工艺（选修）. 2 第二章实验原理 .3 2.1 PA6 水解聚合原理. 3 2.2 PA6 分子量调节原理. 4 2.3 PA6 加工工艺（选修）. 4 第三章实验原料和设备 . 5 3.1 实验原料 .5 3.2 实验设备 .5 第四章实验步骤 .6 4.1 聚合釜清洗与检查 . 6 4.2 称量原料与投料 . 6 4.3 聚合实验操作步骤 . 7 4.4 出料 . 7 第五章 PA6 性能测试. 8 5.1 测试方法 . 8 5.2 注意事项 . 8 5.3 讨论与思考 . 8
东华大学材料学院教学实验中心实验讲义实验目的第一章实验目的1.1了解聚合反应与缩聚反应聚合反应是由单体合成聚合物的反应过程。有聚合能力的低分子原料称单体，分子量较大的聚合原料称大分子单体。若单体聚合生成分子量较低的低聚物，则称为齐聚反应，产物称齐聚物。一种单体的聚合称均聚合反应，产物称均聚物。两种或两种以上单体参加的聚合，则称共聚合反应，产物称为共聚物。缩聚反应，是一类有机化学反应，是具有两个或两个以上官能团的单体，相互反应生成高分子化合物，同时产生有简单分子（如H2O、HX、醇等）的化学反应。兼有缩合出低分子和聚合成高分子的双重含义，反应产物称为缩聚物。缩聚反应本质可看作为取代。缩聚反应根据反应条件可分为熔融缩聚反应、溶液缩聚反应、界面缩聚反应和固相缩聚反应四种。缩聚反应广泛应用在有机合成、化工化纤等领域。1.2了解聚合釜聚合釜是制备高分子化合物的主要设备。一般是立式圆柱形高压釜，带有夹套，以便通入蒸汽或冷水来加热或冷却。用于乳液聚合的，内有不锈钢的水平桨式搅拌器，由电动机通过传动装置和减速器传动。釜的外壁常用碳钢制成，内衬不锈钢，也有衬糖瓷的。聚合时可以单釜间歇生产，也可以是多釜串联连续生产。聚合反应物由一个釜的下部进入下一釜的上部。釜上装有温度、压力等仪表，以及进出料口等。用于本体聚合的，则釜内不装搅拌器，且不串联。此外，还有在长方形金属箱的浅盘中，以一定的速度流入而进行聚合的。聚合釜一般由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成。搅拌形式一般有锚式、奖式、涡轮式、推进式或框式等，搅拌装置在高径比较大时，可用多层搅拌奖叶，也可根据用户的要求任意选配。并在釜壁外设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、远红外加热、外（内）盘管加热等，冷却方式为夹套冷却和釜内盘管冷却，搅拌桨叶的形式等。支承座有支承式或耳式支座等。转速超过160转以上宜使用齿轮减速机.开孔数量、规格或其它要求可根据用户要求设计、制作。1.3了解PA6的常规合成方法尼龙6学名聚己内酰胺（PA6），是工程塑料中开发最早的品种，是目前聚1
东华大学材料学院教学实验中心实验讲义实验目的 1 第一章实验目的 1.1 了解聚合反应与缩聚反应 聚合反应是由单体合成聚合物的反应过程。有聚合能力的低分子原料称单体， 分子量较大的聚合原料称大分子单体。若单体聚合生成分子量较低的低聚物，则 称为齐聚反应，产物称齐聚物。一种单体的聚合称均聚合反应，产物称均聚物。 两种或两种以上单体参加的聚合，则称共聚合反应，产物称为共聚物。 缩聚反应，是一类有机化学反应，是具有两个或两个以上官能团的单体，相 互反应生成高分子化合物，同时产生有简单分子（如 H2O、HX、醇等）的化学 反应。兼有缩合出低分子和聚合成高分子的双重含义，反应产物称为缩聚物。缩 聚反应本质可看作为取代。缩聚反应根据反应条件可分为熔融缩聚反应、溶液缩 聚反应、界面缩聚反应和固相缩聚反应四种。缩聚反应广泛应用在有机合成、化 工化纤等领域。 1.2 了解聚合釜 聚合釜是制备高分子化合物的主要设备。一般是立式圆柱形高压釜，带有夹 套，以便通入蒸汽或冷水来加热或冷却。用于乳液聚合的，内有不锈钢的水平桨 式搅拌器，由电动机通过传动装置和减速器传动。釜的外壁常用碳钢制成，内衬 不锈钢，也有衬搪瓷的。聚合时可以单釜间歇生产，也可以是多釜串联连续生产。 聚合反应物由一个釜的下部进入下一釜的上部。釜上装有温度、压力等仪表，以 及进出料口等。用于本体聚合的，则釜内不装搅拌器，且不串联。此外，还有在 长方形金属箱的浅盘中，以一定的速度流入而进行聚合的。 聚合釜一般由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组 成。搅拌形式一般有锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等，搅拌装置在高径比 较大时，可用多层搅拌桨叶，也可根据用户的要求任意选配。并在釜壁外设置夹 套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。加热方式有电加热、热水 加热、导热油循环加热、远红外加热、外（内）盘管加热等，冷却方式为夹套冷 却和釜内盘管冷却，搅拌桨叶的形式等。支承座有支承式或耳式支座等。转速超 过 160 转以上宜使用齿轮减速机.开孔数量、规格或其它要求可根据用户要求设 计、制作。 1.3 了解 PA6 的常规合成方法 尼龙 6 学名聚己内酰胺（PA6），是工程塑料中开发最早的品种，是目前聚
东华大学材料学院教学实验中心实验讲义实验目的酰胺塑料中产量最大的品种之一。PA6具有力学强度高、电气性能良好、耐磨、抗震吸音、耐油、耐弱酸、弱碱、弱极性有机溶剂，加工流动性好等优点，广泛应用于汽车工业、电子、机械等领域。根据催化引发体系的不同，已内酰胺聚合可分为三种类型：水解聚合：目前工业上多采用这种方法。纯已内酰胺不能聚合，必须加入少量的水、酸、氨或6一氨基已酸、耐纶单体盐等物质才能聚合。水是主要的引发剂。反应首先是已内酰胺在高温（约260℃）下水解开环生成6一氨基已酸。水量的多少影响反应的快慢和最终平衡时低分子化合物的含量。添加羧酸可以加速水解开环和聚合反应。占优势的聚合反应是已内酰胺逐步加成于线型分子的未端氨基，形成高分子链和线型分子间氨基与羧基的缩聚反应。反应后期还有酰胺交换反应及酸解、胺解等平衡反应发生。工业上已内酰胺水解聚合方法一般采用间歌的高压金法和连续聚合法，而以后者居多。树脂切片通常要经过水洗，以萃取单体和低聚物，再经真空于燥后供纺丝加工或注射成型用。负离子聚合：又称单体浇铸聚合，即无水的己内酰胺在碱金属、碱土金属的存在下，于220℃以上加热，几分钟后即能聚合成粘度极高的聚合物。此法曾称为快速聚合或催化聚合。正离子聚合：单体在无水的条件下和氯化氢、胺盐、金属卤化物等存在下聚合。此法由于聚合转化率和产物的聚合度不高，还仅限于实验室研究。1.4了解高压间歇聚合PA6工艺和PA6表征的方法了解高压间歇聚合PA6的聚合工艺，通过不同的工艺条件得到不同性能的PA6。用粘度法、差示扫描量热法（DSC）、光学解偏振法和热台偏光显微镜等手段和方法测试和表征合成产物的分子量、热性能和结晶性能等结构性能参数，进一步分析聚合反应主要工艺参数，如压力、反应温度（包括开环反应温度和缩聚反应温度）、真空度、催化剂用量等对PA6分子量、粘度、结晶性能等物理和化学性能指标的影响：分析不同配方和不同工艺（如开环反应和缩聚反应过程）对PA6性能（包括玻璃化转变温度Tg、熔点Tm、结晶速度等）的影响。1.5了解PA6后续加工工艺（选修）PA6注塑，纺丝，与玻璃纤维共混。2
东华大学材料学院教学实验中心实验讲义实验目的 2 酰胺塑料中产量最大的品种之一。PA6 具有力学强度高、电气性能良好、耐磨、 抗震吸音、耐油、耐弱酸、弱碱、弱极性有机溶剂，加工流动性好等优点，广泛 应用于汽车工业、电子、机械等领域。 根据催化引发体系的不同，己内酰胺聚合可分为三种类型： 水解聚合：目前工业上多采用这种方法。纯己内酰胺不能聚合，必须加入少 量的水、酸、氨或 6－氨基己酸、耐纶单体盐等物质才能聚合。 水是主要的引发剂。反应首先是己内酰胺在高温（约 260℃）下水解开环， 生成 6－氨基己酸。水量的多少影响反应的快慢和最终平衡时低分子化合物的含 量。添加羧酸可以加速水解开环和聚合反应。占优势的聚合反应是己内酰胺逐步 加成于线型分子的末端氨基，形成高分子链和线型分子间氨基与羧基的缩聚反应。 反应后期还有酰胺交换反应及酸解、胺解等平衡反应发生。 工业上己内酰胺水解聚合方法一般采用间歇的高压釜法和连续聚合法，而以 后者居多。树脂切片通常要经过水洗，以萃取单体和低聚物，再经真空干燥后供 纺丝加工或注射成型用。 负离子聚合：又称单体浇铸聚合，即无水的己内酰胺在碱金属、碱土金属的 存在下，于 220℃以上加热，几分钟后即能聚合成粘度极高的聚合物。此法曾称 为快速聚合或催化聚合。 正离子聚合：单体在无水的条件下和氯化氢、胺盐、金属卤化物等存在下聚 合。此法由于聚合转化率和产物的聚合度不高，还仅限于实验室研究。 1.4 了解高压间歇聚合 PA6 工艺和 PA6 表征的方法 了解高压间歇聚合 PA6 的聚合工艺，通过不同的工艺条件得到不同性能的 PA6。用粘度法、差示扫描量热法（DSC）、光学解偏振法和热台偏光显微镜等 手段和方法测试和表征合成产物的分子量、热性能和结晶性能等结构性能参数， 进一步分析聚合反应主要工艺参数，如压力、反应温度（包括开环反应温度和缩 聚反应温度）、真空度、催化剂用量等对 PA6 分子量、粘度、结晶性能等物理和 化学性能指标的影响；分析不同配方和不同工艺（如开环反应和缩聚反应过程） 对 PA6 性能（包括玻璃化转变温度 Tg、熔点 Tm、结晶速度等）的影响。 1.5 了解 PA6 后续加工工艺（选修） PA6注塑，纺丝，与玻璃纤维共混
东华大学材料学院教学实验中心实验讲义实验原理第二章实验原理2.1PA6水解聚合原理水解聚合采用已内酰胺为原料，水为催化剂，在高温高压下制备PA6，反应包括了引发、加成、缩聚、链交换四个阶段。引发反应：已内酰胺在水的作用下，发生开环反应，生成氨基已酸。OH加成反应：已内酰胺和已生成的氨基己酸发生亲核加成反应，使分子链增长。H(CH2)5H001k3HLNH+N-(CH2)—COH-(CH2)5OHK'31缩聚反应：氨基己酸自身缩聚。0HnH,N(CH,),COOH-=HN-(CH2)-COH + (n-1)H,O0HmH,N(CH,)-COOH==HHN-(CH,)-C1mOH + (m-1)H,0链交换反应：包括（A）聚合物链之间交换反应，（B）聚合物分子链与另聚合物氨端基之间的交换反应，（C）聚合物分子链与另一聚合物羧端基间的交换反应。00HH-K.HfN-(CH2)-C}mOH + HN-(CH2)-C}rOH:kO-HHfN-(CH2)s-C m+nOH + H2O封端反应：HOOC-R—NH2+CH,COOHHOOC-R-NHCOCH3+ H2O3
东华大学材料学院教学实验中心实验讲义实验原理 3 第二章实验原理 2.1 PA6 水解聚合原理 水解聚合采用己内酰胺为原料，水为催化剂，在高温高压下制备 PA6，反应 包括了引发、加成、缩聚、链交换四个阶段。 引发反应：己内酰胺在水的作用下，发生开环反应，生成氨基己酸。 加成反应: 己内酰胺和已生成的氨基己酸发生亲核加成反应，使分子链增长。 缩聚反应：氨基己酸自身缩聚。 链交换反应：包括（A）聚合物链之间交换反应，（B）聚合物分子链与另一 聚合物氨端基之间的交换反应，（C）聚合物分子链与另一聚合物羧端基间的交 换反应。 封端反应：