纳微介观尺度聚合物系多相反应过程的基础研究

纳微介观尺度聚合物系的多相反应过程是化学过程中具有代表性的复杂介尺度体系，这类体系呈现强烈的非线性传递行为，对经典的化学工程理论的应用具有挑战性。本项目以丁腈橡胶乳液直接氢化过程为对象，研究纳微介观尺度聚合物系的反应、多相质量传递、反应和质量传递的耦合，探讨聚合物粒子在纳微尺度范围内变化时对过程行为的影响，建立丁腈橡胶氢化体系多相质量传递行为与反应的耦合机理和动力学模型，研究过程的强化途径和优化方法。氢化丁腈橡胶是性能优良的弹性体材料，在汽车发动机、油田等条件恶劣、常规聚合物不能胜任的场所有重要用途；目前其工业过程都是溶液技术，使用大量有机溶剂、过程繁复；如果改成乳液直接氢化过程，则将大大简化过程环节、免除使用有机溶剂、降低成本、节能减排。因此本项目的研究不仅可以加深对纳微介观尺度聚合物系的多相反应过程的认识和丰富相应的基础理论，同时可为我国高性能弹性体绿色技术的建立提供基础依据。

项目背景：.1. 理论背景：传统化学工程基本理论在很多新兴领域遇到了挑战，尤其是在纳微介尺度领域，非线性问题显著的体系。.2.应用背景：我们国家的丁腈橡胶的氢化技术一直没有工业化，而在这个领域中的乳液体系的直接氢化是该领域的目前最尖端的技术，其中存在介尺度问题，很有必要展开深入的研究。.基于以上两个背景，本研究以丁腈橡胶乳液直接氢化为模型体系，研究乳胶颗粒尺度对橡胶氢化过程的影响以及丁腈橡胶乳液直接氢化的应用基础研究。.主要研究内容：.本项目的研究方向没有改变，但随着研究的深入，新的实验现象、研究思路不断产生，以及国家创新创业的导向，研究的具体内容有了一些调整。增加或延伸的部分包括：1)将原来针对丁腈橡胶的氢化扩展到包括丁腈橡胶在内的多种C4、C5二烯基聚合物的氢化；2)将原来偏重于基础理论的研究延伸到产业化；3)把原来着重于高压氢化的研究扩展到偏重于更有价值的常压氢化；4)把原来着重于单核结构的胶乳体系扩展到各种结构的纳微粒子的合成和氢化。缩减的内容包括：部分物性研究和传递实验。这是因为本项目研究在开始初很快就取得进展，找到了克服传质阻力的关键条件，使得体系中的质量传递不再是本项目需要解决的主要问题。.重要成果、关键数据和科学意义：.在本研究的胶乳氢化体系，发现胶乳粒子尺度存在传质-反应耦合奇点。越过了这个点，无凝胶和高氢化度可以同时轻松实现。这个点随反应体系略有不同。发展了简单地合成均匀纳微球形粒子、双球形异性粒子和均中空纳微球形粒子的方法。实现可控合成纳微尺寸的各类聚合物胶乳。 .成功实现气相氢和原位氢直接饱和二烯基纳微胶乳中的双键，无凝胶且氢化度达95%以上。结合烯烃易位技术，成功实现从二烯单体到功能高分子,又从功能高分子回到单体的有效循环，其意义在于目前依赖于化石资源的高分子制造有可能实现可持续循环使用。研究工作得到产业化部门关注，开始C5树脂氢化产业化，获产业化经费520万。.直接相关的授权发明专利2两项，部分相关合作发明专利授权4项、申请8项。发表文章约40篇。.参加国际会议10余次；带研究生去北美参加化学工程会议6人次；邀请诺贝尔奖得主Grubbs教授讲学和交流1次，邀请加拿大皇家科学院院士来访8人次，邀请国外其他教授来访10余人次。培养硕士生14名；联合培养博士生6名。接受滑铁卢大学coop学生15人次，为研究生提供了良好的与国外学者交流环境。