悬浮聚合法制备聚苯乙烯珠粒.doc

化学综合实验二
悬浮聚合法制备聚苯乙烯珠粒

实验目的：
1、巩固萃取、水洗分离的基本操作
2、巩固化学品称量的基本操作
3、学会PVA悬浮分散剂的实验室制备方法
4、学会悬浮聚合法制备聚苯乙烯珠粒的实验室制备方法
5、了解悬浮聚合的一般原理

实验原理：
1、苯乙烯的纯化
加入5％氢氧化钠水溶液萃取主要是利用酚与强碱相互作用的反应原理，除去原料单体苯乙烯中的阻聚剂（对苯二酚），再进行水洗目的在于除去残留在苯乙烯中的碱液。
2、悬浮分散剂的制备原理
聚乙烯醇（PVA），聚醋酸乙烯酯部分或完全水解制得，它是一类水溶性高分子。但高分子在溶剂中的溶解不同于小分子，高分子的溶解过程首先是小分子扩散到大分子链间，使高分子形体溶涨，高分子链间作用力减弱；随着溶涨程度进一步加深，高分子链活动性变大，最终导致高分子化合物溶解，成为均一透明的高分子溶液。
磷酸钙作为分散剂必须是是一种具有一定活性的无机细微粉末。为了提高分散效果，一般采用氯化钙溶液和磷酸钠溶液直接反应制备。
3、悬浮聚合法制备聚苯乙烯珠粒的原理
（1）悬浮聚合是将不溶于水的单体以小液滴状悬浮在水中进行的聚合，这是自由基聚合一种特有的聚合方法。
（2）基本组分有单体、引发剂、水、悬浮剂等。
（3）悬浮剂是一类能将油溶性单体分散在水中形成稳定悬浮液的物质，例如
聚乙烯醇，悬浮机理就是吸附在液滴表面，形成一层保护膜。

碳酸钙、碳酸镁、硫酸钡、磷酸钙、滑石粉、高岭土、硅藻土、白垩等。所制备聚合物粒子粒度均匀、表面光滑、透明度好；粉末越细，分散和保护能力越强，得到的聚合物粒子越细；因此，通常采用在水中进行化学反应的方法临时制备。用量为体系总水量的 0.1% - 1% 。无机分散剂的悬浮机理就是吸附在液滴表面，形成一层隔离层，如图所示：

单体液滴在搅拌和分散剂作用下形成较稳定的悬浮液滴而聚合的过程，原理如图所示：
分散粒子由于
分散剂的作用
而稳定化
由于分散剂生成的分子层保护胶体而稳定化
油状单体
搅拌剪切力
表面张力
黏合
分散
黏合
黏合
扩大

（4）悬浮聚合得到的粒状树脂，粒径在0.01 ~ 5 mm 范围。一般情况下单体是聚合物的良溶剂。

化学药品：
苯乙烯、PVA（数均聚合度为1750±50、醇解度 99％）、BPO或ABIN、去离子水、5％氢氧化钠水溶液、氯化钙、磷酸钠

实验仪器：
分液漏斗、铁圈、铁夹台、铁夹、十字夹、烧杯、玻璃棒、分析天平、托盘天平、三口瓶、温度计、电动搅拌、球形冷凝管、加热套、调压器、烘箱等。

操作步骤：
1．原料单体的纯化处理
（1）配置5％的氢氧化钠水溶液30毫升，备用；
（2）检查分液漏斗是否洁净和漏水，然后按要求搭接萃取装置（铁夹台、铁圈、分液漏斗）；
（3）用量筒取15毫升左右苯乙烯，用5％氢氧化钠水溶液萃取三次，每次取氢氧化钠水溶液8毫升。然后水洗三次，每次用水8毫升。要求每次静置时间不得低于5分钟，防止原料单体损失过多。经纯化处理的苯乙烯应为无色透明液体，备用。
2、悬浮分散剂的制备
采用PVA为分散剂，建议的制备方案如下：在三口瓶中加入4克PVA及55毫升水，加热，用大约15分钟升温至65℃，启动搅拌，再用45至60分钟从65℃升温至90℃，最后维持90℃至体系均一透明，冷却至45℃得到透明一相的粘性液体，作为悬浮分散剂，备用。若冷却后体系为混浊，重新加热至90℃保温。
采用磷酸钙为分散剂，建议的制备方案如下：在装有冷凝管和搅拌器的250ml三口反应瓶中，加入1.0%的CaCl2溶液30ml（约0.001mol），加热至95℃。同时在100ml小烧杯中加入含有1.0% Na3PO4（约0.002mol）和0.25% NaOH（约0.002mol）的水溶液30ml。
3、悬浮聚合法制备聚苯乙烯珠粒
（1）在上述制备的悬浮分散剂中加入已经纯化的苯乙烯10毫升，20毫升水、少量BPO或AIBN，并维持较低的搅拌速度，恒定搅拌速度不变。开始加热，用30分钟左右加热至80℃，注意观察反应瓶中发生的现象，做好记录。
引发剂及其用量：BPO或AIBN，苯乙烯质量的1％，1.5%，2.0%。注意引发剂应分批加入，或保温1－2小时后补加一些引发剂，引发剂要分3－5批加入，总用量为2.0％或以上。
（2）维持80℃、稳定搅拌速度 3 小时，然后均匀升温、80℃－85℃、 1.5小时 注意观察反应瓶中发生的现象，做好记录。
（3）用玻璃管取样观察所生成的珠粒情况，是否形成，硬度如何？若珠粒已形成，并呈弹性状，则执行下一步操作，否则继续反应。
（4）观察的珠粒情况达到要求后，用0.5 小时均匀升温至90℃，并保温30分钟。
（5）冷却至50℃以下，将反应混合物倒入烧杯中，倾去上层混浊液体，然后将烧杯中的珠粒用水反复洗涤干净。
（6）将水洗得到的珠粒至于滤纸上，在烘箱中100℃，烘干，大约10分钟左右。
（7）将干燥的珠粒，进行计量，并计算产率。

问题与讨论：
1、苯乙烯在使用前为什么要用5％氢氧化钠水溶液萃取，然后要水洗多次才能用于实验？
2、PVA及磷酸钙作为悬浮分散剂的原理分别是什么？
3、你所制得的聚合产物的外观如何？并分析原因。
4、画出聚合过程中温度－时间的合成工艺条件曲线，并进行适当分析。

撰写试验报告注意事项：
1、 画出实验装置，并指出搭接装置时特别应注意的方面。
2、 列表附加实验全过程的情况，表格分时间（操作某时刻），物料温度，反应瓶情况，备注共四栏。
3、 画出聚合过程中温度－时间的合成工艺条件曲线，并进行适当分析。