苯乙烯的悬浮聚合.docx
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苯乙烯的悬浮聚合
实验三苯乙烯的悬浮聚合
化工系毕啸天2010011811
一、实验目的
1.了解悬浮聚合的特点和反应机理
2.掌握悬浮聚合的工艺特点及配方中每个组分的作用
二、实验原理
悬浮聚合是指油溶性单体在溶有分散剂（或称悬浮剂）的水中，借助于搅拌作用分散成细小液滴进行的聚合反应。
悬浮聚合在工业上的应用还有比较多的，根据聚合物在水中的溶解情况，可合成不同形态的悬浮聚合物，若聚合物不溶于单体，则产物呈不透明、不规整的颗粒状，如氯乙烯等单体的聚合；若聚合物溶于单体，则可得到透明的珠状产品，因此又可称为珠状聚合，如苯乙烯等单体的聚合。
苯乙烯是一种比较活泼的单体，容易进行聚合反应。
苯乙烯在水中的溶解度很小，将其倒入水中，体系分成两层，进行搅拌时，在剪切力作用下单体层分散成液滴，界面张力使液滴保持球形，而且界面张力越大形成的液滴越大，因此在作用方向相反的搅拌剪切力和界面张力作用下液滴达到一定的大小和分布。
而这种液滴在热力学上是不稳定的，当搅拌停止后，液滴将凝聚变大，最后与水分层，同时聚合到一定程度以后的液滴中溶有的发粘聚合物亦可使液滴相粘结。
因此，悬浮聚合体系还需加入分散剂。
悬浮聚合中，在每一个被分散的小液滴中，恰似一个本体聚合的微反应器，其聚合速度和平均相对分子质量以及产物的性质，都与在相同条件下本体聚合所得到的相仿。
不过其毕竟是在非均相的体系中进行，它的全部反应过程是处于亚稳态的。
因此据合众搅拌速度和分散剂的种类及用量是控制所得聚合物颗粒形态和大小的主要因素。
悬浮聚合的主要优点有：
以水为介质，体系粘度低，易传热和控温；产物分子质量比溶液聚合高，分子质量分布均匀；杂质含量比乳液聚合的低；后处理工序比溶液聚合和乳液聚合简单，生产成本低，固体颗粒可直接使用。
悬浮聚合主要组分有四种：
单体，水，分散剂，油溶性引发剂：
1、单体：
单体不溶于水，如：
氯乙烯、苯乙烯、醋酸乙烯酯、甲基丙烯酸酯等。
2、水：
作为热传导介质。
3、分散剂：
包括水溶性高分子物质和水不溶性无机盐粉末两类。
水溶性高分子分散剂主要有天然高分子（如明胶、甲基纤维素、羟丙基纤维素）和合成高分子（如聚乙烯醇、聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸的盐类、顺丁烯二酸酐-苯乙烯共聚物）两类，它们的作用是吸附在液滴表面，形成一层保护膜，起着保护作用，同时可阻碍液滴间的结合。
无机盐粉末主要由碳酸钙、碳酸钡、磷酸钙、滑石粉、高岭土等，它们吸附在液滴表面，起着机械隔离作用。
4、油溶性引发剂：
如过氧化二苯甲酰（BPO），偶氮二异丁腈（AIBN）等。
目前悬浮聚合法主要用来生产聚氯乙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚甲基丙烯酸甲酯及其共聚物、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯以及聚乙酸乙烯酯等。
聚苯乙烯用注模、压制、挤出等方法制成各种工业用品，如仪表外壳，仪器零件，高效绝缘制品，薄膜和日用品。
聚苯乙烯泡沫塑料是优良的防震、防湿、保冷、隔音材料。
三、实验药品
物质
英文名
分子式
分子量
外观性状
密度
苯乙烯
phenylethylene
C8H8
104.14
无色透明油状液体
0.91
熔点
沸点
溶解性
毒性
用量
-30.6
146
不溶于水，溶于醇、醚等多数有机溶剂
对眼和上呼吸道粘膜有刺激和麻醉作用。
15
物质
英文名
分子式
分子量
外观性状
密度
偶氮二异丁腈
AIBN
C8H12N4
164.21
白色透明结晶
1.1
折光率
熔点
溶解性
毒性
用量
无
102-104
不溶于水，溶于乙醇、乙醚、甲苯和苯胺等
在体内可释放氰离子引起中毒
0.25g
物质
英文名
分子式
外观性状
密度
聚乙烯醇
polyvinylalcohol
（C2H4O）n
白色片状、絮状或粉末状固体
1.31-1.34
玻璃化转变温度
醇解度
稳定性
用量
75-85
85%-90%
在空气中加热至100℃以上慢慢变色、脆化
10mL0.1%
注：
1、表中数据均来自MSDS数据库；
2、表中密度均指相对密度，以水为基准1；
3、表中熔点、沸点单位均为摄氏度。
四、实验仪器
三口瓶、球冷、玻璃棒、量筒、烧杯、培养皿、布氏漏斗、抽滤垫、温度计、机械搅拌器、水浴、不同目数的铜网筛。
五、实验步骤及现象
实验操作
实验现象
现象解释
准确称取0.25gAIBN于一洗净干燥的小烧杯中，加入15ml提纯后的苯乙烯，溶解后待用。
在装有搅拌器和回流冷凝管的三颈瓶内，加入10ml0.1%聚乙烯醇溶液，60ml去离子水，搅拌。
水浴加热升温至65－70℃时，加入溶有AIBN的苯乙烯15ml，调节搅拌速度使单体均匀分散成大小适度的液珠，缓慢升高水浴温度至85～90℃，恒温两小时。
（此间一定要很好地控制稳定的搅拌速度，使珠粒稳定均匀，切不可忽快忽慢，防止珠粒相互粘结变形。
）
随后升温至90℃，恒温半小时，反应即可结束。
取下水浴，将反应物全部倒入一500ml的烧杯中，静置片刻，待珠粒沉下后，倒掉上层水液。
以同样的方法再用70－80℃的自来水洗涤数次，过滤，取出珠粒，烘干，称重，过筛，计算产率及粒径分布。
此处使用了提供的醇解度大致在85%-90%的PVA，如果用自己的PVA则要加大用量。
我设置的搅拌速度很快
温度设置在68℃。
可以观察到苯乙烯小滴颜色比水深，以极细微的形式分散在水中。
然后此期间我真是什么也没做。
此时液体呈乳白色。
有大量聚苯乙烯微粒沉在烧杯底部。
表面飘浮着一层颗粒。
静置后捞出表面层弃去，倒水，再洗涤。
一次又一次操作后，液体的乳白色渐渐减弱。
直到最后，整个液体为无色透明，只在底部有颗粒沉淀，抽滤。
PVA醇解度过高，分散效果变弱。
这一点将在思考题中作解释。
表面飘浮的是不合格的产品，这样的产品内部含有气泡。
六、实验注意事项
（1）本实验影响粒径最关键的因素是搅拌。
因此应当尤其注意搅拌的速度以及搅拌棒的位置，搅拌棒要放低一些。
开始搅拌后不可改变搅拌速度，否则可能造成颗粒粘结。
（2）反应结束后，要先冷却到室温，再将混合物倒入水中。
（3）在静置时要注意不要心急。
我做出的产品粒径极细小，更加容易飘浮在水面上。
应当耐心地等它充分地沉淀之后再捞取上层带气泡的珠粒。
七、产率计算，
最终称量皿重77.506g，连皿总质量87.387g。
故实际得到产品质量为87.387-77.506=9.881g。
20目
40目
60目
高于60目
总计
0.052g
0.622g
6.266g
2.659g
9.599g
图1.聚苯乙烯产品粒径分布直方图
八、参考文献
1.《高分子化学》，唐黎明、庹新林编著，清华大学出版社
2.《高分子化学实验与技术》，杜奕编著，清华大学出版社
九、思考题
9.1试讨论影响悬浮聚合的各种因素。
（1）单体纯度
在合成、提纯、贮存和运输过程中会带入一些杂质，杂质能够影响聚合反应速率和产品质量。
根据杂质的性质，将其分为机械杂质、低沸物、高沸物、还原性杂质、氧和过氧化物等。
机械杂质主要是与金属设备接触过程中带入的，它们能够延长聚合诱导期，减缓聚合反应速率，并使聚合物的电性能和光学性能下降，甚至可以促进高分子分解（如对PVC）。
低沸物和高沸物多是单体在精馏中除不尽的有机杂质，根据单体类型和合成方法不同，所含杂质也不一样。
常见的杂质有低级醇、低级醚、酮类、乙醛、乙炔、乙烯基乙炔、乙苯、二氯乙烷等，当含量大于0.01﹪就有明显影响。
例如醛类能够延长诱导期，降低反应速率，降低聚合物的分子量，还能促进单体对金属器壁的腐蚀，腐蚀性杂质将使聚合物的热稳定性和电性能降低。
炔类有链转移作用，生成低聚物及活性低的自由基，延长反应周期。
低级醇、醚、酮类和某些低级醚能是悬浮聚合体系内出现聚合物胶液乳胶滴，增大粘结倾向和使聚合物粒子内部产生气泡。
还原性杂质主要是是设备上的铜制件被腐蚀带入的铜和铜的化合物，主要是为防止单体聚合而加入的阻聚剂，它们会使聚合诱导期延长，聚合物分子量降低，是产品着色和光稳定性降低。
在单体聚合反应过程中，氧在较低温度下能与引发剂或初始形成的聚合活性链作用生成过氧化物，从而延长诱导期，降低聚合反应速率和聚合分子量。
在较高的温度下，过氧化物又能起加速聚合的作用。
（2）水油比
反应体系中水的用量与单体质量之比称为水油比。
当水油比小时，聚合物产率高，但是散热困难，珠滴发粘，聚合物粒径的分散性大。
但是随着水的用量的增加，有利于反应热的排除，反应过程平稳和易于操作控制，单体液滴分散状态好，聚合的粒度均匀，但是水量过大会降低聚合设备的利用率。
（3）反应温度
温度越高，反应速率越快，分子量下降。
悬浮聚合中反应温度应根据单体及引发剂的性质和产品的性能来确定。
在文献中查到这样一张表格
聚合温度，℃
聚合压力，MPa
聚合时间，h
转化率，%
分子量
80
常压
12
99.2
181000
85
常压
10
99.6
186000
90
常压
8.5
97.2
189000
150
0.66~0.81
4
（4）分散剂
分散剂在液滴表面形成保护膜，防止聚合过程中粘结成块。
本实验中PVA的用量应当依照期醇解度确定。
以醇解度85%-90%较好，如果使用自制的醇解度在90%以上的PVA应当加大用量。
PVA的主链以及酯基是亲油性的，而羟基是亲水性的。
PVA作为一种表面活性剂，其亲水亲油性由亲水亲油平衡值表征（HydrophilicLipophilicBalance缩写HLB）。
物质的亲水性或亲油性可从其亲水亲油平衡值上看出来，HLB低于9的相对是亲油的，高于9的相对亲水。
根据经验，一般将表面活性剂的亲水亲油平衡值范围限定在0~40，其中非离子表面活性剂的亲水亲油平衡值范围为0~20。
亲水亲油平衡值在3~6的表面活性剂适合用作W/O型（油包水型）乳剂，亲水亲油平衡值在8~18的表面活性剂适合用作O/W（水包油相）型乳剂。
亲水亲油平衡值在13~18的表面活性剂适合用作增溶剂,润湿剂，分散剂，亲水亲油平衡值在7~9的表面活性剂适合做润湿剂，乳化剂等。
对于本实验，如果PVA醇解度过高，水溶性好，亲油性的基团不足，PVA链段在溶液中舒展，不能很好地包裹苯乙烯。
而如果醇解度过低，则会增强亲油性，导致HLB值降低，可能造成悬浮液从O/W型转化为W/O型，那就无所谓油滴了，实验无法进行。
（5）搅拌速度
如果只加入分散剂而不加搅拌的话，则静置状态下油水仍然是分液面的。
所以本实验中必须注意搅拌，搅拌越快，一般来说粒径相对越小。
实际上在悬浮聚合中，液滴内部的单体相当于一个本体聚合，也会发生自动加速现象。
当转化率达到一定值时，单体液滴中溶有一定的聚合物后变得发粘，如果在发粘阶段不进行搅拌，液滴有粘结成块的危险导致聚合失败。
9.2悬浮聚合中哪些物质可用作分散剂？
为什么这些物质可起分散作用？
主要有如下几类：
（1）脂肪酸类、脂肪族酰胺类和酯类
如硬脂酰胺与高级醇并用，己烯基双硬脂酰胺（EBS），硬脂酸单甘油酯（GMS），三硬脂酸甘油酯（HTG）；
（2）石蜡类
尽管石蜡属于外润滑剂，但为非极性直链烃，不能润湿金属表面，也就是说不能阻止聚氯乙烯等树脂粘连金属壁，只有和硬脂酸、硬脂酸钙等并用时，才能发挥协同效应。
（3）无机盐粉末
如碳酸钙、碳酸钡、磷酸钙、滑石粉、高岭土等。
（4）低分子蜡类
低分子蜡是以各种聚乙烯（均聚物或共聚物）、聚丙烯、聚苯乙烯或其他高分子改性物为原料，经裂解，氧化而成的一系列性能各异的低聚物。
其中以聚乙烯蜡即聚乙二醇（PEG）最为常用。
聚乙二醇200或400（分子量约190-420）是水溶性分散体系的良好分散剂。
聚乙二醇200或400是亲油的，可以很好的跟有较低HLB的分散物形成稳定的分散体系。
（5）水溶性高分子
主要有天然高分子和合成高分子。
天然高分子如明胶、甲基纤维素、羟丙基纤维素，合成高分子如聚乙烯醇、聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸的盐类、顺丁烯二酸酐-苯乙烯共聚物。
分散剂吸附于固体颗粒的表面，使凝聚的固体颗粒表面易于湿润。
高分子型的分散剂，在固体颗粒的表面形成吸附层,使固体颗粒表面的电荷增加，提高形成立体阻碍的颗粒间的作用力。
分散剂吸附后，固体粒子表面形成双分子层结构，外层分散剂极性端与水有较强亲合力，增加了固体粒子被水润湿的程度.固体颗粒之间因静电斥力而远离。
同时它们也起着机械隔离作用。
9.3如果用聚乙烯醇作分散剂，其醇解度的不同对分散性能有何影响？
发现这题我在第1题中答过了……
本实验PVA以醇解度85%-90%较好，如果使用自制的醇解度在90%以上的PVA应当加大用量。
PVA的主链以及酯基是亲油性的，而羟基是亲水性的。
PVA作为一种表面活性剂，其亲水亲油性由亲水亲油平衡值表征（HydrophilicLipophilicBalance缩写HLB）。
物质的亲水性或亲油性可从其亲水亲油平衡值上看出来，HLB低于9的相对是亲油的，高于9的相对亲水。
根据经验，一般将表面活性剂的亲水亲油平衡值范围限定在0~40，其中非离子表面活性剂的亲水亲油平衡值范围为0~20。
亲水亲油平衡值在3~6的表面活性剂适合用作W/O型（油包水型）乳剂，亲水亲油平衡值在8~18的表面活性剂适合用作O/W（水包油相）型乳剂。
亲水亲油平衡值在13~18的表面活性剂适合用作增溶剂,润湿剂，分散剂，亲水亲油平衡值在7~9的表面活性剂适合做润湿剂，乳化剂等。
对于本实验，如果PVA醇解度过高，水溶性好，亲油性的基团不足，PVA链段在溶液中舒展，不能很好地包裹苯乙烯。
而如果醇解度过低，则会增强亲油性，导致HLB值降低，可能造成悬浮液从O/W型转化为W/O型，那就无所谓油滴了，实验无法进行。
9.4试讨论有机和无机分散剂的差异。
分散机理不同：
有机分散剂是吸附在液滴表面，形成一层保护膜，起着保护作用，同时可阻碍液滴间的结合；无机分散剂吸附在液滴表面，起着机械隔离作用。
9.5根据实践体会，你认为珠状聚合的操作中，应该特别注意哪些问题？
最重要的还是搅拌速度。
我搅拌得很疯狂，出来的粒径普遍很小，不过这样也好，压根不可能出现什么结块。
不过这样也带来一个问题，就是最后捞微粒的时候等沉淀要等很久。
可能是搅拌快了会带入气泡，我有0.282g的产品浮在液面上，是废品。
别的倒真感觉没啥了，其余主要操作就是加料，反应完后捞加抽滤，这些操作都挺无脑的。
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