重沉淀法制备聚苯乙烯粉末

朱志超，李思文

（武汉纺织大学 化学与化工学院，湖北 武汉 430073）

废旧聚苯乙烯泡沫塑料（WEPS）所造成的环境污染已引起人们的关注，目前关于废旧聚苯乙烯泡沫资源化利用的研究报道日益增多[1-4]。本文采用重沉淀法对WEPS实现消泡减容，并制备聚苯乙烯粉末。许多EPS的溶剂均有显著的消泡效果，如苯及苯的衍生物、低级卤代烃、酯类等。对溶剂选择的理想条件是：① 对泡沫塑料的消泡减容速度快，溶解量大；② 安全、无毒或低毒、成本低且易得；③ 溶剂的沸点大小适中；④ 便于回收和循环使用，且回收利用率高[5]。基于此原则，实验中我们选择合适的有机溶剂，使WEPS消泡减容；从环境保护和经济效益的角度考虑，采用两种溶剂的复配技术，优化实验条件，制备聚苯乙烯粉末，提高资源利用率。

图1 废旧聚苯乙烯消泡流程图

图2 甲苯/乙酸乙酯消泡所得PS粉末与废聚苯乙烯泡沫对比图

1 实验

1.1 试剂与仪器

试剂：废旧聚苯乙烯泡沫（电器外包装），1,2-二氯乙烷，乙酸乙酯，环己烷，甲苯，无水乙醇，石油醚，甲醇。

仪器：电子天平，数显恒温水浴锅，循环水式多用真空泵，恒温磁力搅拌器，电热恒温干燥箱，超声波震荡仪，激光粒径分布仪。

1.2 废旧聚苯乙烯泡沫的消泡

1.2.1 废旧聚苯乙烯消泡步骤

将废旧聚苯乙烯泡沫塑料（WEPS）用自来水洗净晾干备用。称取2.0 g的WEPS溶解在良溶剂中，室温密封搅拌1 h后，用滴管缓缓滴加到100 mL不良溶剂中。此时有固体析出，室温搅拌24 h，静置，抽滤并干燥即得已消泡的聚苯乙烯产品，其收率可达95.0 %以上。实验流程图如图1所示。

1.2.2 废旧聚苯乙烯消泡实验数据

实验中，我们选取四种不同的聚苯乙烯良溶剂：环己烷、1,2-二氯乙烷、甲苯及乙酸乙酯，以乙醇为不良溶剂，对WEPS进行消泡，制备聚苯乙烯粉末。另外，我们还以甲苯/乙酸乙酯的混合溶剂作为良溶剂体系，以资比较。所得实验数据见表1、表2、表3、表4、表5及图2。

表1 环己烷为良溶剂实验数据

表2 1,2-二氯乙烷为良溶剂实验数据

表3 甲苯为良溶剂实验数据

表4 乙酸乙酯为良溶剂实验数据

表5 甲苯/乙酸乙酯混合溶剂为良溶剂的实验数据

2 结果与讨论

2.1 单一溶剂消泡实验现象及讨论

从单一溶剂的实验现象和激光粒径分布测试结果可以得出以下结论：

（1）以环己烷为良溶剂且其用量在40～60 mL范围，消泡所得聚苯乙烯粉末的性状较好；以1,2-二氯乙烷为良溶剂且其用量在14～20 mL范围内，消泡所得聚苯乙烯粉末的性状较好；以甲苯为良溶剂且其用量在16～24 mL范围内，消泡所得聚苯乙烯粉末的性状较好；以乙酸乙酯为良溶剂且其用量在24～30 mL范围内，消泡所得聚苯乙烯粉末的性状较好。不同溶剂的用量范围如表6所示。

表6 不同溶剂的用量范围值

（2）随着单一良溶剂的用量逐渐增多，消泡所得聚苯乙烯粉末的性状越来越好，粉末的粒径分布越来越均匀；但并不是良溶剂的用量越多，最终所得聚苯乙烯粉末的性状越好（细且均匀）。即良溶剂的用量决定了最终 PS粉末的性状，EPS的消泡效果与良溶剂用量的关系呈类似抛物线曲线。究其原因，高分子的溶解经历溶胀和溶解两个阶段，我们认为，当良溶剂用量较少时，良溶剂刚刚溶胀PS，只有少部分的良溶剂小分子渗透到PS高分子链间隙中，聚苯乙烯高分子链仍缠结在一起，没有完全舒展开；当PS溶液滴加到不良溶剂中时，不良溶剂将PS大分子表面的良溶剂洗脱出来，而PS高分子链间隙中的良溶剂被相互缠结的高分子链包裹着，无法洗脱出来，最终得到是块状或团状的PS。另一方面，当良溶剂用量过多时，PS高分子完全分散到良溶剂中，高分子链足够舒展；当PS溶液滴加到不良溶剂中时，在一定的空间内，良溶剂量太多，使得高分子链彼此粘在一起，不良溶剂亦无法将 PS高分子链间隙中的良溶剂完全洗脱出来，所得PS粉末的性状也不好。

2.2 甲苯/乙酸乙酯为良溶剂消泡实验现象及讨论

如表6所示，由单一溶剂的消泡效果可知，对于我们选用的四种溶剂：环己烷、1,2-二氯乙烷、甲苯及乙酸乙酯，甲苯能在较少用量的情况下对PS消泡得到形状较好的PS粉末，但甲苯具有毒性；而乙酸乙酯在成本上要优于其它几种有机溶剂，但其制备PS粉末的最佳用量稍大。鉴于这四种良溶剂的消泡效果、价格、货源、毒性等因素，我们利用混合溶剂的复配技术，采用以甲苯与乙酸乙酯的复配，作为废旧聚苯乙烯的良溶剂，期望以最少用量与最低成本来制备聚苯乙烯粉末。

2.2.1 不同配比的混合溶剂

实验中我们选取混合溶剂的总体积V=16 mL，并改变复配溶剂的比例，混合溶剂甲苯与乙酸乙酯的体积比分别为① V甲苯：V乙酸乙酯=3：1；② V甲苯：V乙酸乙酯=1：1；③ V甲苯：V乙酸乙酯=1：3；④ V甲苯：V乙酸乙酯=1：4。

以上四组不同配比的实验，消泡PS产品的性状（衡量标准：细且均匀）由好到差依次为：②＞①＞③＞④。当混合溶剂的总体积一定，甲苯使用比例少于乙酸乙酯时，消泡 PS的性状会变差；若甲苯使用比例大于乙酸乙酯时，实验效果虽好，但甲苯用量多会引起环境污染。从实验结果可知，混合溶剂甲苯与乙酸乙酯比例为1：1时为宜。

2.2.2 不同总体积的混合溶剂

在甲苯/乙酸乙酯的体积比不变的情况下，改变甲苯/乙酸乙酯混合溶剂的总体积。

当甲苯与乙酸乙酯体积比V甲苯：V乙酸乙酯=1：3时，分别选取总体积为V1=20 mL、V2=16 mL、V3=12 mL的良溶剂实验，通过对这三组实验产品的性状分析可知，消泡PS产品的性状由好到差依次为：V1＞V2＞V3。

当甲苯与乙酸乙酯体积比V甲苯：V乙酸乙酯=1：1时，总体积分别为V4=16 mL、V5=14 mL、V6=12 mL的良溶剂实验，通过对这三组良溶剂实验产品的性状分析可知，消泡 PS产品的性状由好到差依次为：V4＞V5＞V6。即当我们逐渐减少甲苯/乙酸乙酯混合溶剂的总体积，消泡PS产品的性状变差。

综上所述，由WEPS消泡减容来制得均匀PS粉末的较佳实验条件为：对2.0 g 废旧聚苯乙烯消泡，以甲苯/乙酸乙酯混合溶剂为良溶剂，其总体积为16 mL，甲苯/乙酸乙酯体积比V甲苯：V乙酸乙酯为1：1。

2.3 聚苯乙烯粉末激光粒径分布测试

取少量PS粉末于试管中，将一定量的石油醚与乙醇（体积比为1：3）的混合溶液加入试管中，然后将试管放入超声波震荡仪中，震荡3分钟，此时PS粉末均匀分散在溶液中；取出制备好的试样用激光粒度分布仪测试。测试结果见表7，激光粒度分布测试表明：所得聚苯乙烯粉末的粒径处于微米级。

表7 PS粉末的粒径分布数据

2.4 消泡实验影响因素

废旧聚苯乙烯消泡实验的主要影响因素如下：

（1）良溶剂的种类及用量。因为不同溶剂对聚苯乙烯的溶解性不一样，所以对定量 WEPS进行消泡来制备性状较好的聚苯乙烯粉末，所需溶剂的用量也会不同。

（2）高分子溶液的搅拌时间。高分子的溶解经历溶胀和溶解两个阶段，因此于不良溶剂中重沉淀之前，高分子溶液需充分搅拌。考虑到聚苯乙烯高分子的溶解性质和实验结果的可比性，各个实验均采用 1小时的搅拌时间来溶解废旧聚苯乙烯泡沫。

（3）其他影响因素。消泡聚苯乙烯产品的性状还与洗脱时间、搅拌速度、不良溶剂的种类及用量等其他因素有关，鉴于实验的可比性，每个实验我们均采用一致的操作条件。

3 结论

本文以废旧聚苯乙烯泡沫塑料为原料，采用重沉淀法，分别以环己烷、1,2-二氯乙烷、甲苯及乙酸乙酯作为良溶剂，对废旧聚苯乙烯泡沫进行消泡减容。以环己烷为良溶剂时，其用量在40～60 mL范围，所得聚苯乙烯粉末的性状较好；以1,2-二氯乙烷为良溶剂时，其用量在14～20 mL范围内，所得聚苯乙烯粉末的性状较好；以甲苯为良溶剂时，其用量在16～24 mL范围内，所得聚苯乙烯粉末的性状较好；以乙酸乙酯为良溶剂时，其用量在24～30 mL范围内，所得聚苯乙烯粉末的性状较好。此外，通过甲苯与乙酸乙酯的复配来优化实验条件，减少二次污染和降低成本。激光粒度分布测试表明：所得聚苯乙烯粉末的粒径处于微米级。

[1]刘英俊. 聚苯乙烯泡沫塑料回收利用技术研究进展[J]. 塑胶工业，2006，9（6）：8-10.

[2]王立钢. 聚苯乙烯/聚丙烯共混塑料在近临界水条件下降解反应的研究[D]. 北京：中国地质大学，2007.

[3]李超. 废聚苯乙烯泡沫塑料的降解、接枝及应用[D]. 武汉：武汉理工大学，2006.

[4]赵志海. 废塑料生产汽柴油技术分析与应用中的误区[J]. 化工环保，2002，22（5）:268-270.

[5]王海涛. 天然溶剂回收废聚苯乙烯泡沫塑料的研究[D]. 天津：天津轻工业学院，2001.