超重力强化调控阳离子聚合反应机制及应用

本项目针对阳离子聚合反应过程，以超重力设备为核心聚合反应器，以丁基橡胶和/或聚异丁烯的合成为实施对象，在对超重力设备中流体力学行为研究基础上，采用实验研究和计算流体力学相结合的方法，建立分子混合/传递-反应过程的理论模型；同时对反应动力学与混合、传递过程的协同机制进行研究，掌握过程调控方法，实现分子混合/传递与反应过程的匹配，形成超重力反应器内反应与混合、传递过程协同控制的基础理论，并用于指导阳离子聚合法制备丁基橡胶和/或聚异丁烯，为超重力技术在阳离子聚合过程中的应用提供良好的理论基础和实验指导。

阳离子聚合是工业生产中应用相对较少的一类聚合反应，但采用离子聚合可对产品结构进行有效调控，优化产品性能，因此是一种重要的聚合方法。研究表明，阳离子聚合反应速率快、放热量大，若极短时间内催化剂与单体不能实现快速均匀混合，则反应器不同位置的单体与催化剂的比例将出现很大差别，会严重影响产品品质。同时，随着聚合反应进行，体系粘度将迅速增大，因此，如何在高粘状态下实现对聚合反应器内混合和传递过程的有效调控就成为阳离子聚合过程的关键。. 本项目以超重力反应器(RPB)为聚合反应器，针对RPB反应器的流体流动、混合与反应过程进行了实验和模拟研究，揭示了RPB 填料流动端效应区、宏观混合对微观混合效率以及黏性流体微观混合效率的影响规律，建立了CFD模型，阐明了RPB对流体传递混合效率的强化机制;以RPB为聚合反应器，采用阳离子聚合法制备了聚异丁烯，研究了聚合物分子量及分子量分布等变化规律;为进一步提高丁基橡胶产品的应用性能，本项目还进行了丁基橡胶的溴化研究，探索了适宜的工艺条件;结合实验建立了聚合反应动力学模型，研究了反应动力学与传递、混合过程的协同机制，为超重力反应器在产品工程中的应用提供新的思路和理论基础。. 主要成果包括：1) 采用高速摄像技术对旋转床空腔区内液滴的尺寸和速度进行了测量，研究了各操作条件下从填料甩出的流体形态，并将液体微元尺寸及速度回归为经验方程式;2) 建立了应用x-射线CT技术进行超重力反应器内液体流动的可视化新观测方法，为研究RPB传质和反应行为提供重要基础数据；3) 考察了黏度和转速等对分子混合效率的影响规律，证实了RPB分子混合效率的可调变性；并实验研究了不同填料表面结构对微观混合性能的影响，为填料的选择提供依据；4) 成功将RPB应用到高活性聚异丁烯的生产中，制备出了各项指标优异的聚异丁烯产品，并确定了最优化的操作参数；5)以RPB为丁基橡胶溴化反应器，实现了溴化过程强化，基本形成了超重力反应器制备BIIR的新方法，为进一步提高丁基橡胶产品的性能提供技术基础;6) 采用链节分析法，结合聚并-分散模型，建立了RPB内聚合反应过程数学模型，模型计算结果与实验结果吻合良好。. 获得国家技术发明奖二等奖1 项；共发表论文9篇（SCI收录5篇；EI收录2篇），申请发明专利3件。培养博士后1名，毕业博士生1名、硕士生4名。