实验二---苯乙烯悬浮聚合

实验二苯乙烯悬浮聚合一、实验目的1、了解悬浮聚合反应原理、特点及配方中各组分作用。2、掌握苯乙烯悬浮聚合的实验室实施方法，搅拌、温度等各种条件对产品的颗粒度合性能的影响。二、实验原理虽然实验一所介绍的本体聚合是烯类单体聚合制备高分子聚合物的最简单的方法。但这种方法不是在全体情况下都适用的。特别是大型工业生产中。因为本体聚合开始除加的很少引发剂外，体系中只有单体一个组分。在聚合过程中，随着单体不断转变为聚合物大分子，体系的粘度急剧增高，聚合热的传递越来越困难，引起自动加速效应和不规则的过热点，导致产物有较宽的分子量分布和过热点的缺陷。为了克服本体加聚过程中粘度增高和传热受阻产生的不良后果，一种办法是加入一种惰性的、可溶的、低分子量的稀释剂来减轻，这种方法就是溶液聚合。虽然溶液聚合提供了较好的热控制，减缓了自动加速效应，但溶剂很少对自由基是真正惰性的。由于溶剂常常发生链转移反应使得产物的分子量大大降低，而且聚合溶剂的除去和回收也是相当复杂和浪费的，所以在自由基加聚反应中用的较少。另一种方法是加入一种不相混溶的液体，通过强烈的搅拌使单体变成不连续的小颗粒或微珠分散在作为连续相的液体中。采用能溶解于单体相的引发剂（油溶性引发剂），使得引发、增长、终止过程均在单体微珠中进行。这样实际上每个单体微珠均成为一个独立的、微型的本体聚合反应体系，但是却把传热距离缩短到了0.2~0.5mm，从而解决了传热问题，这就是悬浮聚合。因此悬浮聚合就本质而言仍然是本体聚合。符合本体聚合的动力学规律。悬浮聚合通常采用的连续相是水，水是最廉价易得的。而且热容高、粘度小、表面张力大，有利于形成悬浮体系。由于悬浮聚合反应热易于排除，保证了反应温度的均一性，减少了爆聚反应的可能。因此可以使用催化剂等来提高反应速率。而且制成的产品呈均匀的颗粒状，不经造粒就可以直接用于成型加工。同时解决了本体聚合难以大型化的问题，现代工业生产中采用的大型悬浮聚合釜可达200M2以上。但是，藉强烈搅拌分散开的悬浮体系是亚稳状态的，特别是在聚合物量增加，颗粒发粘时容易凝结成团，加入少量亲水的聚合物如明胶、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺或聚乙烯醇，可以在单体微珠外形成一层保护胶体。加入表面活性剂和无机化合物的细粉如粘土或钙、镁的磷酸盐也能帮助稳定悬浮体系。无机化合物粉末在小珠变得发粘并倾向于粘在一起时是特别有效的，但是，当分散的颗粒过小，接近于胶体粒子大小时，聚合历程实际上就可能改变，所以必须精心选择表面活性剂避免形成乳液（参见实验三）。采用悬浮聚合法制备的聚苯乙烯是一种透明的无定型热塑性高分子材料，其分子量分布窄。加工流动性好而适用于模压注射制品的加工，其制品有较高的透明度良好的耐热性和电绝缘性。苯乙烯单体在引发剂过氧化二苯甲酰（可溶于苯乙烯单体而不溶于水）的作用下，以水为分散介质，聚乙烯醇为悬浮剂，按自由基型反应历程进行悬浮聚合。聚合反应历程如下：1、链的引发反应..+CH2CHCH2CH2、链增长反应.+CH2CHCH2CHCH2CHnCH2CH.由于共轭效应和空间位阻效应，增长链几乎全为头—尾结构。又因增长链末端自由基的平面结构，平面上下进攻几率相等，所以链上的苯侧基为无规则排列，得到的是无定型聚苯乙烯（有别于用齐格勒—纳塔催化剂定向聚合得到得等规聚苯乙烯）。3、链终止反应据研究，苯乙烯聚合在通常温度下为偶合终止。苯乙烯在聚合过程中，借助于机械搅拌使单体以细小的油珠悬浮在水中。为了防止单体颗粒在聚合中凝结成块，在体系中加入适量的悬浮剂（分散剂）聚乙烯醇，介质水的用量工业上一般采用水/单体为2~4∶1，实验室操作为便于控制温度，一般取水量比较高，为8~10∶1。搅拌速度的快慢和强烈程度是决定聚合物颗粒大小和均匀的关键。搅拌速度太快，颗粒分散太细或使之变形；太慢则颗粒太大且易凝结成团，均匀度也差。同时分散剂的种类与性质也影响着粒度的大小。下表列出了影响聚合物颗粒的大小的几种因素：单体分散剂引发剂用量搅拌温度时间颗粒平均直径苯乙烯滑石粉1%适度90℃5hr1.1mm苯乙烯明胶1%适度90℃5hr2.0mm苯乙烯聚乙烯醇1%适度90℃6hr3.1mm苯乙烯聚乙烯醇1%剧烈90℃5.6hr0.7mm三、实验部分1、实验装置图（见图2—1）2、配方：苯乙烯（除去阻聚剂）16.5mL聚乙烯醇（PVC）0.2g过氧化二苯甲酰（新精制）0.4g净水（去离子水或蒸馏水）120mL3、实验步骤：（1）如图2—1装配好仪器，注意在固定三口瓶、冷凝管、搅拌器等时勿用强力，以免损坏这些玻璃器皿。（2）用量筒量取16.5mL苯乙烯单体，放入一个50mL磨口锥形瓶中，然后加入0.3g过氧化二苯甲酰，在室温下摇荡使其完全溶解。（3）在三口烧瓶中加入90mL去离子水，再加0.2g聚乙烯醇。开启水浴升温，加热使其溶解。（4）将锥形瓶中的苯乙烯—BPO溶液加入三口烧瓶中，并将剩余的30mL水冲洗数次倒入。慢慢开动搅拌并调节转速，使苯乙烯单体在水中分散。形成要求粒径（直径0.8mm）的球形微珠悬浮在水中。（5）冷凝管内通冷水保持回流状态，待水浴温度升至80℃时，保持恒温聚合。当反应约半小时至一小时以后，小颗粒开始发粘表明已发生聚合。这时要特别控制搅拌速度。适当加快，以免粘性的单体—聚合物颗粒聚成团。反应2～3小时后，珠粘且变硬，预示大部分单体已转变成聚合物，再升温至95℃使反应进一步完成。为减少水蒸气蒸发，可以在水浴水面上撒一层液体石蜡。1、平板密封电炉；2、水浴锅；3、温度计（0~100℃）；4、三口烧瓶（250mL）；5、轴封；6、搅拌电机；7、球形冷凝管（300mL）；8、控温仪探头；9、控温仪；10、调速变压器（6）反应结束后，改用冷水浴将体系降至室温，将得到的珠状产物用细纱网过滤，并用水洗涤数次。产品在50℃烘箱中干燥（注意温度不能太高，以防老化和熔结）。称重，并计算产率：产率=聚合物产量（g）/原料单体重（g）×100%产品物理性能：外观：无色透明珠状颗粒粒度：40～60目平均分子量：45000～65000四、思考题1、悬浮聚合与本体聚合有哪些异同？2、悬浮剂的作用原理是什么？其用量一般如何确定？3、确定反应温度的依据是什么？温度高低对聚合速度及产物的分子量有什么影响？悬浮聚合温度为什么可以比本体聚合（如实验一）温度高得多？