苯乙烯懸浮聚合的實驗探索

唐曉紅，王 瑾，鄭會勤，李成未，李 永

(河南教育學院化學系，河南 鄭州 450046)

在苯乙烯懸浮聚合過程中，引發劑用量[1]、懸浮劑[2]用量、攪拌速度[3]與反應溫度[4]對珠體的粒度分布影響很大，若控制不當，容易引起粒料的粘結，甚至粘結成塊，影響單體聚合[5～11]。

為了保證苯乙烯懸浮聚合教學實驗開設成功，作者考察了引發劑用量、懸浮劑用量、攪拌速度與反應溫度對苯乙烯懸浮聚合反應的影響，以期獲得最佳的懸浮聚合實驗條件。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

苯乙烯單體、過氧化二苯甲酰(BPO)、0.3%聚乙烯醇(PVA)、去離子水。

三口燒瓶(350 mL)、球形冷凝管、水浴鍋、攪拌馬達與攪棒、溫度計(100 ℃)、量筒(100 mL)、錐形瓶(100 mL)、布氏漏斗和抽濾瓶。

1.2 苯乙烯的懸浮聚合

苯乙烯的懸浮聚合反應裝置如圖1所示。

1.攪拌裝置 2.四氟塞 3.溫度計 4.回流冷凝管 5.三口燒瓶

將0.2～0.5 g BPO和16 mL苯乙烯加入100 mL錐形瓶中，輕輕搖動至溶解后加入350 mL三口燒瓶中，再用6～9 mL 0.3% PVA溶液和130 mL去離子水沖洗錐形瓶與量筒后加入250 mL三口燒瓶中，開始攪拌加熱；在0.5 h內，將溫度慢慢升至80～95 ℃，并保持此溫度聚合反應1.5 h，用吸管吸取少量反應液于盛有冷水的表面皿中觀察，若聚合物變硬即可結束反應；反應液冷卻至室溫，過濾分離，用去離子水反復洗滌，在50 ℃烘箱中干燥，稱重，計算產率。

2 結果與討論

2.1 引發劑用量的影響

固定苯乙烯用量為16 mL、去離子水用量為130 mL、0.3%聚乙烯醇溶液用量為7 mL、攪拌速度為300 r·min-1、反應溫度為87 ℃，考察引發劑BPO的用量對聚合反應的影響,結果見表1。

由表1可以看出，隨著引發劑BPO用量的增加，聚合物顆粒變大、反應時間縮短。其原因是：增加引發劑用量，可參與反應的自由基濃度增大，反應速率加快，使得單體的聚合中心增長加快，從而有利于顆粒直徑和沉淀聚合物濃度的增大，產生較大的珠體粒子。綜合考慮聚合物顆粒大小及產率，選擇引發劑用量以0.3 g為宜。

表1 引發劑用量對聚合反應的影響

2.2 懸浮劑用量的影響

固定苯乙烯用量為16 mL、去離子水用量為130 mL、BPO用量為0.3 g、攪拌速度為300 r·min-1、反應溫度為87 ℃，考察懸浮劑0.3%聚乙烯醇溶液用量對聚合反應的影響，結果見表2。

表2 懸浮劑用量對聚合反應的影響

由表2可以看出，懸浮劑0.3%聚乙烯醇(PVA)用量為8 mL時，聚苯乙烯顆粒較小且分布均勻、透明度較好；繼續增加PVA用量時，聚苯乙烯顆粒明顯減小。這是因為，在懸浮聚合中，懸浮劑用量過低，將使分散體系不穩定，聚合物微球容易發生粘結；隨著懸浮劑用量的增加，聚合物微球粒子周圍的懸浮劑濃度增大，從而對粒子的凝聚產生阻礙作用；但懸浮劑用量過高，體系粘度過大，使成核數目增多，阻礙核聚合，影響聚合物微球粒子的生長。因此，選擇懸浮劑0.3%聚乙烯醇溶液用量以7～8 mL為宜。

2.3 攪拌速度的影響

固定苯乙烯用量為16 mL、去離子水用量為130 mL、BPO用量為0.3 g、0.3%聚乙烯醇溶液用量為7 mL、反應溫度為87 ℃，考察攪拌速度對聚合反應的影響,結果見表3。

表3 攪拌速度對聚合反應的影響

由表3可以看出，攪拌速度越快，聚苯乙烯顆粒越小。其原因可能是：在聚合過程中，液滴的存在是一個動態過程，液滴不斷集聚又不斷重新生成；隨著攪拌速度的加快，剪切力增強，反應體系處于劇烈的湍流狀態，液滴周圍存在著較大的壓力波動和相對速度波動；當液滴和周圍流體相對速度大到足以使液滴邊緣不穩定時，小液滴就會從大液滴上剝離出來，形成若干個小液滴，每個小液滴在引發劑作用下聚合成一個小粒子，因而得到的產物粒徑就比較小。綜合考慮聚合物顆粒大小、產率與反應時間，選擇攪拌速度以300 r·min-1為宜。

2.4 反應溫度的影響

固定苯乙烯用量為16 mL、去離子水用量為130 mL、BPO用量為0.3 g、0.3%聚乙烯醇溶液用量為7 mL、攪拌速度為300 r·min-1，考察反應溫度對聚合反應的影響，結果見表4。

表4 反應溫度對聚合反應的影響

由表4可以看出，反應溫度越高，聚合反應所需的時間就越短；但反應溫度過高會導致體系發生爆聚，使反應體系粘結成塊。綜合考慮聚合物顆粒大小及反應時間，選擇反應溫度以85～90 ℃為宜。

3 結論

確定苯乙烯懸浮聚合的最佳反應條件如下：苯乙烯用量為16 mL、去離子水用量為130 mL、引發劑BPO用量為0.3 g、懸浮劑0.3%聚乙烯醇溶液用量為7～8 mL、攪拌速度為300 r·min-1、反應溫度為85～90 ℃,在此反應條件下，可得到顆粒尺寸均勻適中、透明度良好的聚苯乙烯產品，產率高達98.60%左右。

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