工学论文开题报告
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毕业设计题目:年产4200吨环氧氯丙烷车间氯丙烯合成工段工艺设计
指导教师 :
院 系: 科亚学院
专业班级 : 科化工0401班
学 号:
姓 名:
日 期: XX年 3月 7日
1、环氧氯丙烷的物理、化学性质
环氧氯丙烷(ec)英文名:3—chloro—1,2—epoxypropane;epichlorohydrin。 分子式:c3h5clo ,分子量:92。52 , 熔点—25。6℃,沸点117。9℃,相对密度(水=1):1。18(20℃),相对密度(空气=1): 3。29 ,饱和蒸汽压 (kpa):1。8(20℃) ,自燃点415 ℃,折射率(nd20)1。438。 微溶于水,可混溶于醇、醚、4氯化碳、苯。无色油状液体,有氯仿样刺激气味。用于制环氧树脂,也是1种含氧物质的稳定剂和化学中间体 易燃其蒸气与空气形成爆炸性混合物,遇明火、高温能引起分解爆炸和燃烧。若遇高热可发生剧烈分解,引起容器破裂或爆炸事故。
2、环氧氯丙烷的生产原料及主要产品
环氧氯丙烷是1种重要的有机化工原料和精细化工产品,用途10分广泛。以它为原料制得的环氧树脂具有粘结性强,耐化学介质腐蚀、收缩率低、化学稳定性好、抗冲击强度高以及介电性能优异等特点,在涂料、胶粘剂、增强材料、浇铸材料和电子层压制品等行业具有广泛的应用。此外,环氧氯丙烷还可用于合成甘油、玻璃钢、电绝缘品、表面活性剂、医药、农药、涂料、胶料、离子交换树脂、增塑剂、(缩)水甘油衍生物、氯醇橡胶等多种产品,用作纤维素酯、树脂、纤维素醚的溶剂,用于生产化学稳定剂、化工染料和水处理剂等。
1原料:丙烯
丙烯的化学结构式:ch2=chch2oh 。物理性质::无色透明液体,熔点:—129,沸点:97。1,闪点:28,密度(20):0。854,折光率:1。4135。。
用途::丙烯醇是医药,农药和香料的中间体。主要的衍生物及其用途为:用于合成环氧氯丙烷、甘油、1,4—丁2醇以及烯丙基酮,生产增塑剂和工程塑料等重要有机合成原料。此外,其碳酸盐可以做光学树脂、安全玻璃和显示屏,其醚可以做聚合物的增黏剂等。
2主要产品:环氧树脂
目前我国的环氧氯丙烷主要用于生产环氧树脂,其消费比例为环氧树脂占85%,合成甘油占7%,氯醇橡胶占2%,其他如溶剂、稳定剂、表面活性剂、阻燃剂、油田化学品、水处理剂等占6%
3、环氧氯丙烷工艺生产方法及选择
目前,工业上环氧氯丙烷的生产方法主要有丙烯高温氯化法和乙酸丙烯酯法两种。
丙烯高温氯化法是工业上生产环氧氯丙烷的经典方法,由美国shell公司于1948年首次开发成功并应用于工业化生产。目前,世界上90%以上的环氧氯丙烷采用此法进行生产。其工艺过程主要包括丙烯高温氯化制氯丙烯,氯丙烯与次氯酸化合成2氯丙醇,2氯丙醇皂化合成环氧氯丙烷3个反应单元。
4、 工艺流程叙述
(1)丙烯高温氯化法:
(1)丙烯高温氯化制氯丙烯
丙烯与氯气经干燥、预热后以摩尔比4~5:1混合进入高温氯化反应器,短时间(约3 s)内进行反应,生成氯丙烯和氯化氢气体。精制后得氯丙烯产品,同时副产d—d混剂(1,2—2氯丙烷和1,3—2氯丙烯),氯化氢气体经水吸收后得到工业盐酸。
ch2=chch2 + cl2 →ch2=chch2cl +hcl
(2)氯丙烯次氯酸化合成2氯丙醇
氯气在水中生成次氯酸(或采用介质叔丁醇和氯气在naoh溶液中反应生成叔丁基次氯酸盐,该盐水解生成次氯酸,叔丁醇循环使用),次氯酸与氯丙烯反应生成2氯丙醇(过程中2氯丙醇浓度1般控制在4%左右)。
2ch2=chch2cl +2hocl→ clch2chclch2oh + clch2chohch2cl
2,3—2氯丙醇,70%) (1,3—2氯丙醇,30%)
(3)2氯丙醇皂化合成环氧氯丙烷
2氯丙醇水溶液与ca(oh)2或naoh反应生成环氧氯丙烷。
(3)2氯丙醇皂化合成环氧氯丙烷
2氯丙醇水溶液与ca(oh)2或naoh反应生成环氧氯丙烷。
clch2chclch2oh + clch2chohch2cl + 1/2 ca(oh)2→
clch2chclch2oh + clch2chohch2cl + 1/2 ca(oh)2→
丙烯高温氯化法的特点是生产过程灵活,工艺成熟,操作稳定,除了生产环氧氯丙烷外,还可生产甘油、氯丙烯等重要的有机合成中间体,副产d—d混剂(1,3—2氯丙烯和1,2—2氯丙烷)也是合成农药的重要中间体。缺点是原料氯气引起的设备腐蚀严重,对丙烯纯度和反应器的材质要求高,能耗大,氯耗量高,副产物多,产品收率低。生产过程产生的含氯化钙和有机氯化物污水量大,处理费用高,清焦周期短。
(2)乙酸丙烯酯法
前苏联科学院与日本昭和电工均开发了利用乙酸丙烯酯为原料生产环氧氯丙烷的生产工艺。前苏联是采用先氯化后水解工艺,昭和电工则采用先水解后氯化工艺。其工艺过程主要包括合成乙酸丙烯酯,乙酸丙烯酯水解制烯丙醇,合成2氯丙醇以及2氯丙醇皂化生成环氧氯丙烷4个反应单元。
(1)在钯和助催化剂作用下,丙烯与氧在温度160~180 ℃、压力0。5~1。0 mpa,乙酸存在下反应生成乙酸丙烯酯。
ch2=chch2+ 1/2o2 + ch3cooh→ ch2=chch2ococh3 +h2o
(2)在温度60~80 ℃、压力0。1~1。0 mpa下,以强酸性阳离子交换树脂为催化剂,乙酸丙烯酯经水解反应生成烯丙醇。
ch2=chch2ococh3 +h2o→ ch2=chch2oh +ch3cooh
(3)在温度0~10 ℃,压力0。1~0。3 mpa条件下,烯丙醇与氯通过加成反应生成2氯丙醇。
ch2=chch2oh + cl2→ ch2clchclch2oh
(4)2氯丙醇与氢氧化钙发生皂化反应生成环氧氯丙烷。
ch2clchclch2oh+ 1/2ca(oh)2→ ch2— chch2cl + 1/2cacl2 +h2o
与传统的丙烯高温氯化法相比较,乙酸丙烯酯法具有以下优点:(1)避免了高温氯化反应,反应条件温和,易于控制,不结焦、操作稳定,丙烯、氢氧化钙和氯气的用量大大减少,反应副产物和含氯化钙废水的排放量也大大减少。(2)开发了丙烯醇的氯化加成反应系统,成功地将氧引入环氧化物中,首次实现了由氧氧化代替氯氧化的技术,减少了醚化副反应,提高了系统的收率。(3)工艺过程无副产盐酸产生。(4)可以较容易获得目前技术还不能得到的高纯度烯丙醇。主要缺点是工艺流程长,催化剂寿命短,投资费用相对较高。
5、安全环保措施
(1)燃烧爆炸危险性:
危险特性:其蒸气与空气形成爆炸性混合物,遇明火、高温能引起分解爆炸和燃烧。若遇高热可发生剧烈分解,引起容器破裂或爆炸事故。易燃性(红色):3 反应活性(黄色):2
灭火方法:泡沫、2氧化碳、干粉、砂土。消防器具(包括scba)不能提供足够有效的防护。若不小心接触,立即撤离现场,隔离器具,对人员彻底清污。高温下能发生自反应,阻塞安全阀,导致罐体爆炸。蒸气能扩散到远处,遇点火源着火,并引起回燃。封闭区域内的蒸气遇火能爆炸。如果该物质或被污染的流体进入水路,通知有潜在水体污染的下游用户。
(2)包装与储运
储存于阴凉、通风仓间内。远离火种、热源。仓温不宜超过 30℃。防止阳光直射。包装要求密封,不可与空气接触。应与氧化剂、酸类、碱类分开存放。储存间内的照明、通风等设施应采用防爆型。罐储时要有防火防爆技术措施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。搬运时要轻装轻卸,防止包装及容器损坏。 erg指南:131 erg指南分类:易燃液体—有毒的
(3)毒性危害
接触限值:中国mac:1mg/m3[皮] 前苏联mac:1mg/m3 美国tlv—twa:acgih 2ppm,7。6mg/m3 美国tlv—stel:未制订标准。
蒸气对呼吸道有强烈刺激性。反复和长时间吸入能引起肺、肝和肾损害。高浓度吸入致中枢神经系统抑制可致死。蒸气对眼有强烈刺激性,液体可致眼灼伤。皮肤直接接触液体可致灼伤。口服引起肝、肾损害,可致死。慢性中毒:长期少量吸入可出现神经衰弱综合征和周围神经病变。 iarc评价:2a组,可疑人类致癌物;动物证据充分 ntp:可疑人类致癌物 idlh:75ppm,潜在致癌物嗅阈:0。934ppm osha:表z—1空气污染物 niosh标准文件:niosh 76—206 健康危害(蓝色):
(4)防护措施
密闭操作,全面排风。空气中浓度超标时,戴面具式呼吸器。紧急事态抢救或撤离时,建议佩戴自给式呼吸器。戴化学安全防护眼镜。穿紧袖工作服,长筒胶鞋。戴防化学品手套。工作后,淋浴更衣。保持良好的卫生习惯。防止皮肤和粘膜的损害。
(5)泄漏处置:
疏散泄漏污染区人员至安全区,禁止无关人员进入污染区,切断火源。应急处理人员戴自给式呼吸器,穿防护服。不要直接接触泄漏物,在确保安全情况下堵漏。喷水雾可减少蒸发。用砂土或其它不燃性吸附剂混合吸收,然后收集运至废物处理场所。如大量泄漏,利用围堤收容,然后收集、转移、回收或无害处理后废弃。
6、当前生产中存在的问题及建议
(1) 积极发展环氧氯丙烷下游产品,带动环氧氯丙烷的生产与发展今后几年,世界主要国家和地区的环氧氯丙烷下游各消费领域依然会发展较快,各地区的环氧氯丙烷的生产主要是自用,估计会有少量出口。今后几年我国的汽车工业,住宅建设,电子工业等领域将有1个高速发展的阶段,随着我国西部大开发,将有大规模的基础设施投入建设,因此,今后几年,我国的环氧氯丙烷的下游产品,如:环氧树脂、合成甘油等的市场需求量将会很大,美国、西欧及日本主要
一、课题的依据和意义:
1、依据:时尚是有艺术品位的生活,时知务也,尚在品质!时尚一族的生活是艺术化的,所追求的生活随着时间的变化也会不断的提高的,但不变的是一直在追求高品质的生活。为了满足这一人群的需要,时尚产品也在不断的更新,向更高的品质发展。
概念车可以理解为未来汽车,汽车设计师利用概念车向人们展示新颖、独特、超前的构思,反映着人类对先进汽车的梦想与追求。概念车往往只是处在创意、试验阶段,也许永不投产。与大批量生产的'商品车不同,每一辆概念车都可以摆脱生产制造工艺的束缚,尽情地夸张地展示自己的独特魅力。时尚一族这个人群在未来的社会中,随着生活水平和精神追求的提高将会愈来愈庞大。为了满足这一人群的旅游出行进行交通设计是又必要性的。
概念车的最大功能就是发现与引导这些变化的方向。肯·奥库亚马说过世界在变,汽车在变,在今后的10年到20年内会变得很剧烈。交通工具也要随着这种变化不管更新、改变。未来概念车的设计可以推动我们的交通发展,解决很多我们生活中现有的一些问题,使我们未来的出行、旅游更加方便。
天马行空、随心所欲在设计中不再是不切实际,对于概念车的设计天马行空的创意和随心所欲的想象已经成为一种珍贵财富。舞动的概念、迸发的理念塑造了经典概念车的楷模。概念车体现了汽车设计师的灵感和风
格,概念车甚至不受量产车的条件限制,可任意采用未经充分验证的新工艺、新材料和新设计,充分发挥想象力和创造力。
针对时尚一族的概念车设计需要打造出时尚、艺术、高品位的产品,因为品质与美是要艺术的手法去塑造,艺术提高品位,艺术是脱俗的,出类拔萃的;时尚是高尚的,时尚离不开艺术,艺术可以创造时尚。
2、意义:时尚赋予人们不同的内涵和神韵,带给人的是一种愉悦的心情和优雅、纯粹与不凡感受,能体现不凡的生活品味,精致、展露个性。人类对时尚的追求,在精神上的或是物质上的追求都促进了人类生活。概念车是汽车中内容最丰富、最深刻、最前卫、最能代表世界汽车科技发展和设计水平的汽车。概念车是时代的最新汽车科技成果,代表着未来汽车的发展方向,因此它展示的作用和意义很大,能够给人以启发并促进相互借鉴学习。因为概念车有超前的构思,体现了独特的创意,并应用了最新科技成果,所以它的鉴赏价值极高。概念车也是艺术性最强、最具吸引力的汽车。
针对时尚一族未来型概念车的设计,将会改变未来生活的方式,改变时尚潮流的走向,引领未来生活中交通方式的发展方向。
二、国内外研究概况及发展趋势:
1、国内概况:中国概念车设计的起步较晚,1999年在上海国际车展,中国以吉祥动物麒麟为名的第一款概念车吸引了世人的目光,这是第一辆由中国人设计,在中国制造并面向中国市场的经济型汽车。稚嫩的车型,俗气的颜色,平平的参数是人不得不感慨中国汽车设计的落后。但是他最
大的意义就是唤起了中国概念车的设计。
2003年的“鲲鹏”是中国感念车的一个亮点。终于有了对外形和颜色的思考,但是不得不说造型依然很丑。虽然不足还有很多,但是“鲲鹏”对所在微型车细分领域的全新探索,演练了低成本构造,泛亚以每两年一辆概念车的速度成长,这使得中国汽车厂商在目睹这一个又一个的中国概念车之后开始醒悟,中国需要概念车的设计。
2、国外概况:国外概念车的设计尤其是欧美国家的概念车设计较为成熟,不论技术上、造型上、色彩搭配上、还是使用方式等创新都处在世界的前端。
发展趋势:
趋势一:传统车型分类被打破交叉车型成趋势。如今越来越多的车型打出了交叉车型的概念。如大众概念车ConceptA亮点:运动轿车与SUV的结合;斯柯达概念车Yeti亮点:SUV、轿车、旅行车等集于一身。趋势二:传统能源殆尽新能源汽车代替。能源问题是目前汽车技术的最大课题,其也直接影响到节能、环保等一系列技术。如雪佛兰Sequel氢燃料电池车亮点:最先进的氢燃料电池车型;福特Reflex柴电混合动力概念车亮点:利用太阳能的柴油电力混合动力。
趋势三:打破汽车结构的未来智能行走机器。设计师们不满足于这些传统汽车概念,他们需要打破常规的、面向未来的智能行走机器。如丰田全新未来概念车Fine—T亮点:智能交通下的未来车。
趋势四:个性化的突破设计。外形设计的突破性,是一款概念车的基
本要求。如雷诺Zoe概念车亮点:不对称的车门设计;福特iosis概念车亮点:奠定福特未来风格的雕塑感设计
三、研究内容及基本思路:
1、研究内容:
造型上,整车为流线型设计,考虑空气力学,要有效地减小风阻,车体设计时尚前卫,动感活力,遵循简约主义的同时又要凸显个性。整车将采用仿生学进行形态设计,将会运用一些中国传统元素穿插在设计之中。把中国风贯彻在在设计中,要体现原创性。
结构上,整车为两厢设计,发动机中置,车门为双开门上旋打开方式。车型初步定为跑车类汽车。
材料上,材料主要以环保型材料取代钢铁和塑料,可能采用碳纤维,不过更多的将会使用采用铝或者钢这样的常见材料。
色彩上,定位人群为时尚一族,因此选用较亮丽的彩色,多种配色方案。
人机上,考虑人与机器的关系,遵循人机工程学。
2、基本思路:
打造一款时尚的未来型概念跑车,形态上拥有张力,在年轻的90后上寻找灵感,根据时尚的90后们的喜好来进行设计。收集一些相关的资料,研究90后时尚人群中的习惯和遇到的问题,这些研究在设计中得以体现。结构设计会在现有的一些汽车结构基础上进行改进,尽量保持楔形车型。
四、进度安排:
1、前期阶段(—):
1)—制定工作计划,指导教师资格审定;
2)10月13日下午召开毕业设计(论文)动员大会(全院);
3)—指导老师制定毕业设计题目,学生进行选题;指导老师与学生双向选择,题目
上要求做到一人一题。下达具体任务书;
2、中期阶段(—寒假前)
1)—开题报告,毕业设计调研分析及材料整理;前期发散草图;
2)—课题研究报告,毕业设计前期方案、方案初选及深入;
3)—方案定稿,深入草图,毕业论文前三章初稿。
4)2011年12月18日学院毕业设计(论文)中期检查;
5)—寒假放假毕业设计建模、渲染、版面,寒假放假前集中检查;
中科院化学所工程塑料国家重点实验室取得的成就有:单体插层缩聚制备了尼龙6/粘土纳米复合材料,可大幅度提高其热变形温度,扩大了材料的应用范围,并对插层剂的碳链长度与有机蒙脱土的层间距的关系进行了研究,在此基础上开发了PET/粘土、PBT/粘土纳米复合材料,提高了材料的热性能和阻隔性,其中PET/粘土纳米复合材料的结晶速度较PET提高了约5倍。此外还通过聚合物溶液插层及熔体插层分别制备出硅橡胶/蒙脱土及PS/粘土纳米复合材料,其中硅橡胶/蒙脱土纳米复合材料具有良好的耐磨性,各项物理、力学性能指标得到很大提高,可代替气相白炭黑填充硅橡胶,具有实用前景。相信在不久的将来,PLS纳米复合材料将会广泛应用于高分子材料及其它领域。
各个学校都有不同的要求,手里有我自己的,也有别的学校的,你要要的话Email: 可以传给你做个参考!
开题报告填写事项一、填写必须实事求是,字迹要端正、清楚。二、本报告的第一至第六部分由研究生本人填写(字数不少于2000字)。其余部分由指导教师、开题报告评议小组、教研室(研究室)主任、院长、研究生处填写。三、硕士研究生开题报告日期规定为进校后第三学期完成。四、开题报告评议小组由学院统一集中组织,对开题报告通不过者要在1至2个月内补做,重新审核合格后,才允许正式进入课题,否则取消进入论文阶段资格。五、此表留存研究生处学位办一份。 本课题所涉及的内容(包括实验数据、计算机程序、导师未公开发表的研究成果及心得等),除在毕业论文中所发表的以外,本人保证:未经导师正式同意,五年内不以任何形式向第三方公开。研究生(签字) 导 师(签字) 年 月 日 一、课题的来源及意义本课题主要来源于导师的研究课题。现代科学技术发展使得复合化成为材料发展的必然规律。近年来,纳米复合材料的研究发展迅速,无论是从学术研究角度考虑,还是从工业生产实际出发,人们都已开展了大量的实验研究工作。所谓纳米复合材料(Nanocomposites)是80年代初由Roy等人提出的,是指复合材料中分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。由于纳米粒子具有小尺寸效应、大的比表面产生的界面效应、量子效应等特殊性能,故能赋予纳米复合材料许多特殊的性能,为设计和制备高性能、多功能新材料提供了新的机遇。纳米复合材料被誉为“21世纪最有前途的材料”,成为材料科学研究的热点之一。聚合物/层状硅酸盐(Polymer/Layered Silicate,PLS)纳米复合材料是纳米复合材料领域重要研究方向之一。PLS纳米复合材料既具有高分子材料的质轻、耐腐蚀、绝缘性好、易加工等特点,又具有无机材料的高强度、高模量、高耐热性等优点,有着广阔的发展前景。PLS纳米复合材料除具有一般纳米复合材料的性能外,还因其特有的纳米尺度上的片层结构使得复合材料的耐热性、尺寸稳定性、气体阻隔性及阻燃性等得到明显提高。PLS纳米复合材料的研制与开发为提高传统聚合物材料性能、拓宽聚合材料的应用范围起到了极大的促进作用。根据复合物的微观结构,可以把复合物分成四类:相容性差的粒子填充复合物;普通的微粒填充复合物;插层型纳米复合材料;剥离型纳米复合材料。只有第三、第四类复合物实现了纳米尺度上的插层复合,且第四类复合物即剥离型纳米复合材料由于无机物在聚合物基体中实现了充分均匀的分散,其纳米尺度效应显著、界面结合强度更高。此类复合材料具有优异的力学性能和耐热性,并且材料的阻隔性均有所提高,是当前研究的主方向。PLS纳米复合材料以其优良的性能越来越受到广泛地重视。目前,PLS纳米复合材料已从基础研究阶段向工业化生产阶段发展,日本的丰田公司(TOYOTA)、宇部公司(Unitsika)、美国的南方粘土(Southernay)等已经研制开发出PLS纳米复合材料的商业化产品。本课题利用省内层状硅酸盐矿物(膨润土)和高分子原料,对聚合物原料进行改性,对膨润土原料进行深加工处理。研究聚合物、层状硅酸盐二者之间的复合机理、结晶过程、界面特征以及结构性能之间的关系,研究加工制备工艺过程对PLS纳米复合材料性能的影响以及最佳制备工艺参数的确定。用合理的加工技术方法,制备出性能优良的剥离型纳米复合材料。这既是本课题的特色和创新之处也是纳米复合材料的研究发展趋势所在。二、简述该领域目前的国内外研究水平和发展趋势聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料是当今众多无机纳米粒子改性复合材料中最有潜力的一类纳米复合材料,也是目前研究最多、最有希望工业化生产的聚合物纳米复合材料。自从1987年日本丰田公司的研究开发中心首次报道用插层聚合的方法制备了尼龙6/粘土纳米复合材料以来,由于聚合物/粘土纳米复合材料实现了纳米相分散、强界面作用和自组装并具有较常规聚合物/无机填料复合材料无法比拟的优点(如优异的力学、热学性能和气体阻隔性能等),因此倍受关注。据报导,预计今后PLS纳米复合材料的产值每年会增长约100%。到2009年,产值会达到15亿欧元/年,产量会达到50万吨/年。PLS纳米复合材料将会遍及人们生活的各个方面,飞机、汽车、包装、电子电器、建材、家俱等产业将广泛受益于这种新型材料。1、 国外PLS纳米复合材料研究现状自从20世纪80年代末期,Okada等人报道了PA6/层状硅酸盐纳米复合材料以来,迄今这一领域已得到长足的发展,成为目前聚合物材料的一个新热点。到目前为止,日本丰田研究中心、美国康耐尔大学、密歇根大学以及中国科学院化学研究所国内外众多研究单位都在这一领域进行深入的科学研究。1987年,丰田中心研究和发展公司的Fukushima和Inagaki仔细地研究了聚合物/层状硅酸盐复合材料后,用季铵盐取代粘土片层间的无机离子,成功地改善了粘土与聚合物基体的相容性,研制出PLS型尼龙6/硅酸盐纳米复合材料,材料的热变形温度较纯尼龙6有大幅度提高,同时力学性能与阻隔性能均有不同程度的提高。丰田中心研究和发展公司的Usuki、Fukushima用已内酰胺的原位聚合法制备了剥离型的尼龙6/蒙脱土纳米复合材料(季铵盐改性的蒙脱土事先被均匀地分散于已内酰胺中),并制备出聚酰亚胺/蒙脱土纳米复合材料,发现只需添加2%(质量分数)的粘土,材料的气体阻隔性及线胀系数显著降低,适合PI在微电子领域的应用,这极大地引起了材料科学家的关注。美国Comell大学的R A Vaia和E P Giannelis等对聚合物熔体插层进行了热力学分析,认为该过程是焓驱动的,因而必须加强聚合物与粘土间的相互作用以补偿整个体系熵值的减少。在此理论的指导下,他们通过聚合物熔体插层制备出PS/粘土,聚氧乙烯/粘土纳米复合材料,并对层间聚合物的受限运动行为进行了研究。Usuki等人深入研究了有机插层剂对插层复合的影响,并制备出一系列PLS纳米复合材料,并首先报道了“两步法”制备聚酰胺6/蒙脱土纳米复合材料,即先用12~18烷基氨基酸作插层剂对钠基蒙脱土进行阳离子交换处理,然后将阳离子交换后的蒙脱土与ε-己内酰胺复合,在常规条件下聚合,得到聚酰胺6/粘土纳米复合材料。西欧一些国家也先后制定了发展纳米复合材料研究的计划。一些国外的大公司特别是生产聚合物的厂家纷纷加入聚合物纳米材料的开发应用。目前,丰田汽车公司已成功地将Nylon 6/clay纳米复合材料应用于汽车上。由于层状硅酸盐是纳米尺度分散于聚合物基体中,可以成膜、吹瓶和纺丝。在成膜和吹瓶过程中,硅酸盐片层平面取向形成阻挡层,因此可用于高性能包装和保鲜膜。2、国内PLS纳米复合材料研究现状我国的PLS纳米复合材料研究开始于90年代,现已取得了许多成果,并已列入国家“863规划”和“九五计划”的重点研究开发课题。中科院化学所对聚合物基粘土纳米复合材料的研究,发明了“一步法”制备Nylon 6/粘土纳米复合材料(nc-PA6),即将蒙脱土阳离子交换、己内酰胺单体插层以及单体聚合在同一个分散体系中完成,在不降低产品性能的前提下缩短了工艺流程,降低了成本。黄锐等利用刚性粒子对聚合物改性的研究在学术界极有影响;另外,四川大学高分子科学与工程国家重点实验室发明的磨盘法、超声波法制备聚合物基纳米复合材料也是一种很有前景的制备手段。中科院化学所工程塑料国家重点实验室取得的成就有:单体插层缩聚制备了尼龙6/粘土纳米复合材料,可大幅度提高其热变形温度,扩大了材料的应用范围,并对插层剂的碳链长度与有机蒙脱土的层间距的关系进行了研究,在此基础上开发了PET/粘土、PBT/粘土纳米复合材料,提高了材料的热性能和阻隔性,其中PET/粘土纳米复合材料的结晶速度较PET提高了约5倍。此外还通过聚合物溶液插层及熔体插层分别制备出硅橡胶/蒙脱土及PS/粘土纳米复合材料,其中硅橡胶/蒙脱土纳米复合材料具有良好的耐磨性,各项物理、力学性能指标得到很大提高,可代替气相白炭黑填充硅橡胶,具有实用前景。相信在不久的将来,PLS纳米复合材料将会广泛应用于高分子材料及其它领域。3、存在的问题及研究发展趋势PLS纳米复合材料的不断涌现以及大量研究结果的报道,让我们看到了这类复合材料具有的优异特性,使得层状无机物插层改性聚合物制备高性能纳米复合材料成为国际上最新技术热点之一,但也存在以下几个问题。① PLS纳米复合材料的研究尽管十分热门,但由于其插层复合机理复杂、结构与界面特征复杂,微区尺寸小,再加上量子效应、表面效应等,对它的研究还不够深入,特别是运用热力学、动力学和结晶学知识研究不够。对其结构、形态特征与材料性能的关系研究较少,合成方法大多基于合成宏观材料上的改进,存在着一定局限性;② 剥离型PLS纳米复合材料比其它类型的复合材料具有更优异的性能,但对原材料加工处理、制备方法要求严格,对其制备工艺及过程研究不够;③ 高聚物与纳米材料的混合、分散缺乏专业设备,用传统的设备往往使纳米粒子得不到良好的分散,要研究出新的混合分散技术方法及设备。三、课题所要研究的内容及实施方案(主要研究内容及预期成果,拟采用的研究方法、技术路线、实验方案的可行性分析。)1、研究内容(1)了解相应聚合物的物理化学性质,合成方法,用途及研究现状;了解PLS纳米复合材料所具备的优良性能,熟悉国内外PLS纳米复合材料的应用现状、研究进展、存在的问题及解决的措施; (2)研究层状硅酸盐(膨润土)矿物学特征和纳米结构特征(层间距、层面特征和边缘特征),熟悉测试表征方法;并掌握对测试结果分析的技术方法;(3)深入研究膨润土提纯、钠化、有机化的各种方法、反应机理;了解钠基土及有机土的应用价值和研究现状;制定合理的实验方案,对膨润土进行提纯,通过实验选择合适的反应条件和合适的钠化剂和表面修饰剂进行钠化、有机化,制备出亲油或亲水亲油的纳米膨润土;(4)了解剥离型PLS纳米复合材料制备方法及性能特点,从动力学、热力学、结晶学、流变学等方面探讨纳米材料复合过程和机理;(5)选择聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚氨酯(PU)两种聚合物,对其进行改性(接枝方法和离子化方法)制定合理的加工制备方案、确定最佳实验流程及实验参数,制备出剥离型PLS纳米复合材料;(6)从制备方法、表面改性剂的选择、加入第三组分等方面研究有机膨润土在聚合物中的分散形态;并探讨多相体系中物相界面结构特征,制备出剥离型纳米复合材料。 (7) 研究PLS纳米复合材料结构和性能之间的关系。进行产品结构分析、力学性能和阻燃性能对比测试分析。2、预期成果(1)制备出优良的有机膨润土,制备出改性性能良好的聚合物;(2)制备出剥离型PLS纳米复合材料;(3)预期在核心期刊发表2篇论文或申报1项发明专利;(4)完成毕业论文的编写,顺利通过答辩。3、研究方法及技术路线(1)实验研究流程图(2)实验研究过程(方案)① 层状硅酸盐的选择及改性处理目前为止,能够在PLS纳米复合材料中得到应用的有膨润土、高岭土、海泡石等少数几种属于层状硅酸盐的矿物质。这其中最根本的原因是绝大多数的层状无机矿物质无法利用插层处理的方式扩张其片层之间的重复间距。因此,虽然他们具有层状的结构,各相邻的片层之间也具有一定的空间,但却不足以容纳旋转半径为上百埃的聚合物分子链插入到各片层之间,形成所谓的插层复合材料;而仅仅允许离子、小分子等小的介质进入其中。对于膨润土、高岭土等粘土矿物, 由于他们具有较大的初始间距以及可交换的层间阳离子,使得我们可以利用离子交换的方式将他们的层间距扩大到允许聚合物分子链插入的程度,从而可以利用它们制备出性能优异的插层纳米复合材料。本课题利用省内矿产资源优势膨润土,其主要成分为蒙脱石。蒙脱石的基本结构单元是有一片铝氧八面体夹在两片硅氧四面体之间靠共用氧原子而形成的层状结构,属于2:1型层状硅酸盐。每个结构单元的尺度为1nm厚、长宽均为100nm的片层,层间有可交换性阳离子,如Na+、Ca2+、Mg2+等金属离子,因此容易与烷基季铵盐或其他有机阳离子进行交换反应生成有机膨润土。由于膨润土本身的亲油性较差,聚合物的单体或分子链又多为亲油性物质。因此,膨润土使用前必须经过有机化改性处理。膨润土改性处理方案。A、膨润土的提纯实验方案:将膨润土与水(固液比为1:10)配成悬浮液,再经高速旋转的离心机沉降分离,并且加入适量的分散剂(六偏磷酸钠),进一步分离粒度较细的碎屑矿物(长石、碳酸盐等),得到粒度小于5µm的膨润土浆料或悬浮液,再将该悬浮液抽滤、洗涤、干燥、打散解聚,即可得到高纯度的膨润土产品。测其吸蓝量,CEC,膨胀倍,胶质价等性能指标。B、钙基膨润土的钠化钠化原理:当膨润土-水系统中存在两种离子时,就存在一个动态的吸附-解吸平衡,即离子吸附与交换过程。如当膨润土-水系统中同时含有Ca2+、Na+时就会发生如下离子交换平衡: Ca-膨润土+2Na+ 2Na-膨润土+Ca2+钠化剂的选择、用量、钠化温度及钠化时间对钠化效果都有一定的影响,通过实验,确定最佳反应条件。C、膨润土的有机化在制备PLS纳米复合材料时,常采用有机阳离子(插层剂)进行离子交换而使层间距增大,并改善层间微环境,使粘土内外表面由亲水转变为疏水,降低硅酸盐表面能,以利于单体或聚合物插入粘土层间形成PLS纳米复合材料。因此插层剂的选择是制备PLS纳米复合材料的关键步骤之一。它必须符合以下几个条件:(1)容易进入层状硅酸盐晶片(001面)间的纳米空间,并能显著增大粘土晶片间层间距;(2)插层剂分子应与聚合物单体或高分子链具有较强的物理或化学作用;(3)价廉易得,最好是现有的工业品。在不同用量、酸碱性、反应温度等条件下,选择阳离子(十六烷基三甲基溴化铵)、阴离子(十二烷基硫酸钠)及阴阳双离子为插层剂,制备有机土,通过测试确定最佳反应条件。② 聚合物改性③ PLS纳米复合材料的制备A、复合材料的类型从微观结构上看,复合材料可分为四类,如下图。在第一类复合物中(a),蒙脱土颗粒分散在聚合物基体中,但聚合物与蒙脱土的接触仅限于蒙脱土的颗粒表面,聚合物没有进入蒙脱土颗粒中。第二类复合物(b)中,聚合物进入蒙脱土颗粒,但没有插层进入硅酸盐片层中。在插层型复合物(c)中,聚合物不仅进入蒙脱土颗粒,而且插层进入硅酸盐片层间,使蒙脱土的片层间距明显扩大,但还保留原来的方向,片层仍然具有一定的有序性。在剥离型复合物(d)中,蒙脱土的硅酸盐片层完全聚合物打乱,无规则地分散在聚合物基体中,此时蒙脱土片层与聚合物实现了纳米尺度上的均匀混合。四类复合材料中只有后两种才算是纳米复合材料,而且第四类剥离型复合材料比第三类插层型复合材料具有更理想的性能,是众多材料科学家追求的目标,也是本课题研究的重点。 B、制备方法插层复合法(Intercalation Compounding)是制备PLS纳米复合材料的方法。按照复合的过程,插层复合法可分为两大类。(1)插层聚合法(Intercalation Polymerization),即先将聚合物单体分散、插层进入层状硅酸盐片层中,然后原位聚合,利用聚合时放出的大量热量,克服硅酸盐片层间的库仑力,使其剥离(exfoliate),从而使硅酸盐片层与聚合物基体以纳米尺度相复合;(2)聚合物插层(Polymer Intercalation),即将聚合物熔体或溶液与层状硅酸盐混合,利用力化学或热力学作用使层状硅酸盐剥离成纳米尺度的片层并均匀分散在聚合物基体中。从制备方法来看,PLS纳米复合材料的制备可分为单体插层原位聚合与大分子直接插层;从实施途径来说有溶液法和熔体法。它们互相组合成四种具体制备过程:大分子熔体直接插层;大分子溶液直接插层;单体熔体插层原位本体聚合;以及单体溶液插层原位溶液聚合。制备PLS纳米复合材料流程图如下:C、有机土加入量的选取有机土加入量的多少直接影响着制品的质量和性能,有机土的加入量过高时,体系的粘度增大,很难脱泡及浇注;有机土加入量过低时,有机土在体系中的分散不好,起不到增强和增韧的效果。对于有机土加入量的多少,在研究领域内众口不一。我们采用不同含量(2-5%)的有机土进行插层复合,寻找最佳加入量。D、实验方案以PBT、PU聚合物为例,选用合适的插层方法,在不同的配料比下插层复合,测其力学性能、阻燃性能、热稳定性能等,从热力学、动力学等方面研究复合机理及影响复合过程的因素,得到性能优良的剥离型PLS纳米复合材料。(3)PLS纳米复合材料主要性能测试与表征① 甲醛容量法测膨润土阳离子交换容量(CEC),测吸蓝量计算膨润土中蒙脱土的含量,带塞量筒测其膨胀倍、胶质价;② 扫描电镜(SEM)测聚合物及PLS纳米复合材料的微观形貌;③ 傅立叶转换红外光谱(FTIR)分析,根据谱图的吸收峰判断有机化改性效果及插层效果;④ X射线衍射分析仪(XRD)测试膨润土的层间距和复合材料的剥离程度;根据谱图用Jade软件确定蒙脱土的化学成分及含量;⑤ 差热-热失重分析仪(TG-DTA)测定膨润土的转化温度及复合材料的热稳定性;⑥ 电子万能实验机测拉伸强度和断裂伸长率,判断聚合物及PLS纳米复合材料的力学性能。4、实验研究方案的可行性分析(1)实验室有一系列的实验仪器:如真空泵、磁力搅拌器、恒温水浴锅、高温炉、干燥箱、开练机、双螺杆机和造粒机等;学校测试中心有扫描电镜、X-射线衍射仪、傅立叶转换红外光谱仪、差热-热失重分析仪、原子力显微镜等测试用仪器;(2)导师长期从事这一领域的研究工作,有扎实的理论基础和丰富的实践经验,有师生组成的研究团队;(3)学校图书馆可以查到大量的中外文文献资料和学术专著,可供参考;(4)与企业合作,有丰富的实践基地和广阔的应用前景;(5)已做了一些实验前期工作,制得的复合材料力学性能显著提高,且热稳定性很好;(6)实验方案叙述合理,技术路线可行,理论基础清楚明了,实验研究条件基本具备,加上前期研究工作的进展,故本实验研究方案是可行的。四、课题研究的创新之处(研究内容、拟采用的研究方法、技术路线等方面有哪些创新之处。)(1)PLS纳米复合材料作为一个崭新的研究领域,对其研究尤其剥离型复合材料的研究可以说仍处于初级阶段,理论上不够成熟,制备技术不够完善,对材料的复合机理,材料的结构及结构与性能间的关系等方面还有待于进一步探索。本课题从热力学、动力学等方面研究聚合物与层状硅酸盐(膨润土)复合的界面特征、内部结合机理,并探讨复合过程、材料结构对其力学性能、阻隔性能、流变性能、结晶性能等的影响。(2)剥离型PLS纳米复合材料的发展水平仍处在实验研究或专利阶段,工业化项目极少,在高性能工程塑料、高性能树脂基体中的研究报道还较少。本课题从表面改性剂的选择、加入第三组分、高性能纳米膨润土的制备、聚合物的改性、合理制备方法的选择等方面进行系统实验研究,制备出性能优异的剥离型纳米复合材料。五、工作量及工作进度安排(包括文献查阅、方案设计与实现、计算与实验、论文书写等)起止日期 课题阶段工作进程查阅文献资料、学术专著、参考书等,同时做了大量实验前期工作及一定的实验研究工作;写开题报告并进行答辩,准备实验所需试剂和仪器;研究钠基土、有机土的结构及结构与性能的关系,设计实验方案;通过实验和性能表征确定钠化、有机化过程最佳反应条件;在最佳反应条件下制备大量有机土,用XRD、FTIR、TG-DTA等表征,做好实验记录;以PBT、PU聚合物为例,了解其物理化学性能、合成机理、合成方法及应用现状;选择合适的反应装置、合成方法,用单体合成所需要的聚合物;查阅大量当前最新的中外文文献,了解纳米复合材料的研究现状及先进的制备方法;选择不同的有机土加入量(2-5%),用聚合物熔融插层法,聚合物熔液插层法,单体插入原位聚合法等不同的方法,控制反应条件,制备PLS纳米复合材料;对制品进行力学性能、热学性能、阻隔性能等方面的测试,确定有机土的最佳加入量,找出即使制品性能优异、成本低又环保的制备方法;用SEM测试产品的形貌,证实其剥离程度;用XRD测试有机土的层间距,分析其改性效果;复合材料中界面层的性质可以用示差扫描量热法(DSC)来表征;热失重分析(TGA)可以研究有机物对蒙脱土的改性程度及纳米复合材料的耐热性;选择最好的制备方法,将聚合物与有机土进行复合,研制出纳米复合材料制品并详细表征其各种性能;撰写论文,准备答辩。六、国内外主要参考文献(列出作者、论文名称、期刊名称、出版年月) 序号 参考文献名称 梁宏斌,倪靖滨.聚合物/纳米复合材料研究进展[J].化学工程师,2006,3:26-28.陈光明,李强,漆宗能.聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料研究进展[J].高分子通报,1999,4:1-9.韩建竹,夏英.聚合物/蒙脱土纳米复合材料的研究进展[J].高分子通报,2006,12:66-70.李春生,周春晖,李庆伟.聚合物/蒙脱土纳米复合材料的研究进展[J].化工生产技术,2002,9(4):22-26. 陈国华,李明春.聚合物/粘土纳米体系[J].高分子材料科学与工程,1999,15(3):9-12.Jitendra K Pandey,et a1.Polymer Degradation and 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