苯乙烯悬浮聚合的实验探索
2012-05-07唐晓红郑会勤李成未
唐晓红,王 瑾,郑会勤,李成未,李 永
(河南教育学院化学系,河南 郑州 450046)
在苯乙烯悬浮聚合过程中,引发剂用量[1]、悬浮剂[2]用量、搅拌速度[3]与反应温度[4]对珠体的粒度分布影响很大,若控制不当,容易引起粒料的粘结,甚至粘结成块,影响单体聚合[5~11]。
为了保证苯乙烯悬浮聚合教学实验开设成功,作者考察了引发剂用量、悬浮剂用量、搅拌速度与反应温度对苯乙烯悬浮聚合反应的影响,以期获得最佳的悬浮聚合实验条件。
1 实验
1.1 试剂与仪器
苯乙烯单体、过氧化二苯甲酰(BPO)、0.3%聚乙烯醇(PVA)、去离子水。
三口烧瓶(350 mL)、球形冷凝管、水浴锅、搅拌马达与搅棒、温度计(100 ℃)、量筒(100 mL)、锥形瓶(100 mL)、布氏漏斗和抽滤瓶。
1.2 苯乙烯的悬浮聚合
苯乙烯的悬浮聚合反应装置如图1所示。
1.搅拌装置 2.四氟塞 3.温度计 4.回流冷凝管 5.三口烧瓶
将0.2~0.5 g BPO和16 mL苯乙烯加入100 mL锥形瓶中,轻轻摇动至溶解后加入350 mL三口烧瓶中,再用6~9 mL 0.3% PVA溶液和130 mL去离子水冲洗锥形瓶与量筒后加入250 mL三口烧瓶中,开始搅拌加热;在0.5 h内,将温度慢慢升至80~95 ℃,并保持此温度聚合反应1.5 h,用吸管吸取少量反应液于盛有冷水的表面皿中观察,若聚合物变硬即可结束反应;反应液冷却至室温,过滤分离,用去离子水反复洗涤,在50 ℃烘箱中干燥,称重,计算产率。
2 结果与讨论
2.1 引发剂用量的影响
固定苯乙烯用量为16 mL、去离子水用量为130 mL、0.3%聚乙烯醇溶液用量为7 mL、搅拌速度为300 r·min-1、反应温度为87 ℃,考察引发剂BPO的用量对聚合反应的影响,结果见表1。
由表1可以看出,随着引发剂BPO用量的增加,聚合物颗粒变大、反应时间缩短。其原因是:增加引发剂用量,可参与反应的自由基浓度增大,反应速率加快,使得单体的聚合中心增长加快,从而有利于颗粒直径和沉淀聚合物浓度的增大,产生较大的珠体粒子。综合考虑聚合物颗粒大小及产率,选择引发剂用量以0.3 g为宜。
表1 引发剂用量对聚合反应的影响
2.2 悬浮剂用量的影响
固定苯乙烯用量为16 mL、去离子水用量为130 mL、BPO用量为0.3 g、搅拌速度为300 r·min-1、反应温度为87 ℃,考察悬浮剂0.3%聚乙烯醇溶液用量对聚合反应的影响,结果见表2。
表2 悬浮剂用量对聚合反应的影响
由表2可以看出,悬浮剂0.3%聚乙烯醇(PVA)用量为8 mL时,聚苯乙烯颗粒较小且分布均匀、透明度较好;继续增加PVA用量时,聚苯乙烯颗粒明显减小。这是因为,在悬浮聚合中,悬浮剂用量过低,将使分散体系不稳定,聚合物微球容易发生粘结;随着悬浮剂用量的增加,聚合物微球粒子周围的悬浮剂浓度增大,从而对粒子的凝聚产生阻碍作用;但悬浮剂用量过高,体系粘度过大,使成核数目增多,阻碍核聚合,影响聚合物微球粒子的生长。因此,选择悬浮剂0.3%聚乙烯醇溶液用量以7~8 mL为宜。
2.3 搅拌速度的影响
固定苯乙烯用量为16 mL、去离子水用量为130 mL、BPO用量为0.3 g、0.3%聚乙烯醇溶液用量为7 mL、反应温度为87 ℃,考察搅拌速度对聚合反应的影响,结果见表3。
表3 搅拌速度对聚合反应的影响
由表3可以看出,搅拌速度越快,聚苯乙烯颗粒越小。其原因可能是:在聚合过程中,液滴的存在是一个动态过程,液滴不断集聚又不断重新生成;随着搅拌速度的加快,剪切力增强,反应体系处于剧烈的湍流状态,液滴周围存在着较大的压力波动和相对速度波动;当液滴和周围流体相对速度大到足以使液滴边缘不稳定时,小液滴就会从大液滴上剥离出来,形成若干个小液滴,每个小液滴在引发剂作用下聚合成一个小粒子,因而得到的产物粒径就比较小。综合考虑聚合物颗粒大小、产率与反应时间,选择搅拌速度以300 r·min-1为宜。
2.4 反应温度的影响
固定苯乙烯用量为16 mL、去离子水用量为130 mL、BPO用量为0.3 g、0.3%聚乙烯醇溶液用量为7 mL、搅拌速度为300 r·min-1,考察反应温度对聚合反应的影响,结果见表4。
表4 反应温度对聚合反应的影响
由表4可以看出,反应温度越高,聚合反应所需的时间就越短;但反应温度过高会导致体系发生爆聚,使反应体系粘结成块。综合考虑聚合物颗粒大小及反应时间,选择反应温度以85~90 ℃为宜。
3 结论
确定苯乙烯悬浮聚合的最佳反应条件如下:苯乙烯用量为16 mL、去离子水用量为130 mL、引发剂BPO用量为0.3 g、悬浮剂0.3%聚乙烯醇溶液用量为7~8 mL、搅拌速度为300 r·min-1、反应温度为85~90 ℃,在此反应条件下,可得到颗粒尺寸均匀适中、透明度良好的聚苯乙烯产品,产率高达98.60%左右。
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