聚苯乙烯包覆硝酸銨改善吸濕性的研究

程秀蓮 王樹濤 霸書紅 周琦

摘要：采用相分離法制備了聚苯乙烯（PS）包覆硝酸銨（AN），研究了甲苯和正己烷體積比、聚苯乙烯與硝酸銨質量比、混合溶劑與硝酸銨配比、沉淀劑加入速度等因素對聚苯乙烯包覆硝酸銨性能的影響。用吸濕降低率評價聚苯乙烯對硝酸銨包覆程度。結果表明，聚苯乙烯包覆硝酸銨的較佳工藝條件為甲苯與正己烷體積比為1∶3，混合溶劑/AN=3.5 mL/g，室溫，沉淀劑滴速10滴/min。包覆60目硝酸銨，PS質量分數為1.54%，包覆AN吸濕降低率75%。硝酸銨目數增大，達到相同吸濕降低率，PS用量顯著增大。

關鍵詞：聚苯乙烯（PS）；硝酸銨（AN）；甲苯；正己烷；吸濕率

中圖分類號：TQ441.12 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2014）04-0076-03

硝酸銨（AN）是一種易溶于水的無機鹽，由于分子中含有較高比例的氮元素，廣泛用于農用肥料。由于硝酸銨燃燒時無煙或少煙以及在一定的條件下具有爆炸性能，在火箭推進劑和工業炸藥等領域廣泛用作氧化劑。但是，由于硝酸銨具有強烈的吸濕性和結塊性，給硝酸銨及其含硝酸銨產品的貯存和使用帶來了嚴重困難。如何降低AN的吸濕性，是有效利用AN的關鍵所在。

如何防止硝酸銨吸濕、結塊，科技工作者做了許多研究。張杰等用聚乙烯醇縮丁醛包覆硝酸銨，吸濕性下降24%，結塊性可降低65%[1]。鄭俊杰等用聚醋酸乙烯酯、聚丙烯酰胺、聚乙二醇作為包覆材料，硝酸銨吸濕率分別下降32.8%、24.1%，22.4%[2]。岳金文等用丙烯腈對硝酸銨包覆，使吸濕率下降43%左右[3]。殷永霞等用硅烷偶聯劑KH-550與聚乙烯醇縮丁醛復合包覆，使硝酸銨吸濕性降低近50%[4]。柴濤等人用硝化棉包覆硝酸銨，吸濕率下降50%[5]。殷鵬剛等用十八胺和二甲苯復合表面活性劑改性硝酸銨，吸濕率下降58.6%[6]。由張建忠等用苯乙烯沉淀聚合包覆使硝酸銨粒子的吸濕率降低了88.8%[7]。可以看出，聚苯乙烯包覆硝酸銨，使硝酸銨吸濕率降低得最多，但張建忠等是采用化學包覆法，工藝較復雜。

本文利用物理化學包覆中的相分離包覆原理，用泡沫聚苯乙烯包覆硝酸銨，可使其吸濕率降低75%，同時簡化了包覆工藝，合理利用資源。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

硝酸銨，分析純，天津市紅巖化學試劑廠；聚苯乙烯泡沫（PS），電子產品內包裝材料；正己烷，分析純，天津北方天醫化學試劑廠；氯化鉀，分析純，天津市致遠化學試劑有限公司；甲苯，分析純，公主嶺市化學試劑廠。

1.2 聚苯乙烯包覆硝酸銨原理

將聚苯乙烯溶解在甲苯中，緩慢加入沉淀劑正己烷，使聚苯乙烯緩慢析出并沉淀在硝酸銨顆粒表面，即對硝酸銨進行了包覆。

1.3 包覆工藝

將一定量甲苯和泡沫聚苯乙烯加入三口瓶中，待泡沫聚苯乙烯完全溶解后，加入10 g過60目標準篩的硝酸銨，于一定溫度和攪拌速度下，以一定的滴加速度加入一定量的正己烷，保溫30 min，減壓過濾，干燥得包覆產品。

1.4 吸濕性表征

取2個相同型號的干燥小培養皿，分別稱量，分別將相同質量的60目未包覆和已包覆硝酸銨加入各自培養皿中，鋪勻，放入裝有氯化鉀飽和溶液的干燥器中，密封，吸濕18 h，稱量，根據吸濕前后質量差計算硝酸銨吸濕率。

2 結果與討論

2.1 溶劑與沉淀劑體積比的確定

溶劑與沉淀劑體積比決定混合溶劑的溶解度參數，而2物質的溶解度參數差值（△δ）大于2.0就不能相互溶解[8]。混合溶劑與PS的溶解度參數差值決定其析出率。PS、甲苯、正己烷的溶解度參數分別為17.8～18.6、18.2、14.9[9]。混合溶劑的溶解度參數為各種溶劑的體積分數乘以各自的溶解度參數之和。甲苯和正己烷不同體積比和溶解度參數對聚苯乙烯析出率的影響見表1。

由表1可見，隨溶劑中正己烷比例增大，混合溶劑與PS的溶解度參數差值增大，PS析出率增大。但正己烷比甲苯價格高，綜合考慮PS析出率和成本，選取甲苯與正己烷體積比為1∶3。

2.2 PS與AN質量比對包覆硝酸銨吸濕性的影響

PS與AN質量比決定AN能否被包覆完全和包覆層厚度。AN被PS包覆程度與AN吸濕性成正比。甲苯與正己烷體積比為1∶3，PS占AN的質量分數對AN吸濕性影響見表2。

由表2可見，隨PS用量增大，包覆AN吸濕降低率先迅速升高，當PS質量分數為1.54%時，吸濕降低率升至75%，再繼續提高PS用量，AN吸濕降低率略有降低。這是由于隨PS用量增大，在滴加沉淀劑正己烷過程中，PS析出顆粒變大，沉淀在AN表面上的PS顆粒之間縫隙會增大，不利于將AN包覆完全，使吸濕降低率變小。

2.3 混合溶劑與AN配比對包覆AN吸濕性的影響

PS用量一定時，混合溶劑與AN配比決定PS濃度，影響PS析出顆粒大小，進而影響包覆AN吸濕性。同時，混合溶劑與AN配比大則設備生產能力小，混合溶劑與AN配比小則攪拌阻力大，不易操作。甲苯與正己烷配比為1∶3，PS質量分數為1.54%，混合溶劑與AN配比對包覆AN吸濕性的影響見表3。

由表3可見，混合溶劑與AN配比為3.5 mL/g，AN吸濕降低率最高。混合溶劑與AN配比<3.5 mL/g，溶劑量過小，則無法操作。混合溶劑與AN配比>3.5 mL/g，溶劑量增大，雖使PS析出顆粒變小，有利于包覆AN嚴密，但使PS析出量變小，不利于包覆完全，也使包覆AN吸濕增大。

2.4 包覆溫度對包覆AN吸濕性的影響

一般溫度越高，溶質的溶解度越大，過飽和度越小，溶質析出速度變小，有利于AN包覆嚴密。甲苯與正己烷配比為1∶3，PS用量為1.54%，混合溶劑與AN配比=3.5 mL/g，包覆溫度對包覆AN吸濕性的影響見表4。

由表4可見，18～40 ℃包覆AN吸濕降低率相近，50 ℃包覆AN吸濕降低率變小，是由于沉淀劑正己烷沸點較低，部分正己烷揮發，使混合溶劑溶解度參數變小，使PS析出量變小所致。4.9 ℃包覆AN吸濕降低率大幅度減小，是由于溫度太低，析出PS顆粒又大又堅硬，不利于AN包覆。綜合考慮成本和包覆效果，室溫20 ℃左右包覆為宜。

2.5 沉淀劑滴加速度對包覆AN吸濕性的影響

沉淀劑滴加速度慢，生產效率低，沉淀劑滴加速度快，容易導致局部正己烷濃度高，PS飽和度過高，有大顆粒PS析出，影響AN包覆效果。甲苯與正己烷配比為1∶3，PS用量為1.54%，混合溶劑與AN配比=3.5 mL/g，室溫，沉淀劑滴加速度對包覆AN吸濕效果影響見表5。

由表5可見，沉淀劑滴速為10 滴/min綜合效果較好。

2.6 AN粒徑對包覆劑PS用量的影響

AN粒徑小，相同質量AN的表面積變大，達到相同包覆效果，PS用量增加。甲苯與正己烷配比為1∶3，混合溶劑與AN配比=3.5 mL/g，室溫，沉淀劑滴速10 滴/min，包覆125目AN，PS用量對AN吸濕性的影響見表6。

由表6可見，包覆125目AN時PS用量增至4.5%，包覆60目AN時PS用量為1.54%，2者吸濕降低率相同，說明AN目數增大，PS用量顯著增大。

3 結論

1）甲苯為溶劑，正己烷為沉淀劑，聚苯乙烯包覆硝酸銨的較佳工藝條件為：甲苯與正己烷體積比為1：3，混合溶劑與AN配比=3.5 mL/g，室溫，沉淀劑滴速10 滴/min。

2）硝酸銨目數增大，達到相同吸濕降低率，PS用量顯著增大。

參考文獻

[1]張杰，楊榮杰，劉云飛，等.聚乙烯醇縮丁醛包覆硝酸銨的性能研究[J].火炸藥學報，2001（1）：41-43.

[2]鄭俊杰，蔡寶虎，衛延安.硝酸銨的表面改性研究[J].爆破器材，2011，9（12）：19-22.

[3]岳金文.硝酸銨表面改性工藝研究[D].長沙：湖南大學碩士學位論文，2003：6-13.

[4]殷永霞，楊榮杰，李建民.硝酸銨氧化劑的表面改性及其吸濕性研究[J].火炸藥學報，2001（4）：24-27.

[5]柴濤，楊曉汾，范曉俊.用超臨界流體反溶劑過程改性包覆硝酸銨[J].火炸藥學報，2009，32（4）：27-30.

[6]殷鵬剛，師維倉，李前樹，等.單分子層自組裝技術應用于硝酸銨防吸濕的探討[J].應用化學，2000，17（2）：186-188.

[7]張建忠，李香梅，林德海.苯乙烯沉淀聚合包覆硝酸銨粒子改善吸濕性能的研究[J].精細石油化工進展，2008，40（6）：35-37.

[8]王德海.高分子物理[M].北京：化學工業出版社，2010：81-83.

[9]李華昌，符斌.簡明溶劑手冊[M].北京：化學工業出版社，2008：68-69.

Study on hygroscopicity of ammonium nitrate particle coated by polystyrene

CHENG Xiu-lian，WANG Shu-tao，BA Shu-hong，ZHOU Qi

（Shenyang Ligong University，Shenyang，Liaoning 110159，China）

Abstract：The phase separation method was used in preparation of the ammonium nitrate particles with polystyrene.The effects of the volume ratio of toluene and n-hexane，the mass ratio of polystyrene and ammonium nitrate，the ratio of ammonium nitrate and mixed solvent and the precipitating agent addition rate on the covering situations of ammonium nitrate particles were investigated.The results showed that the ammonium nitrate process conditions of polystyrene-coated ammonium nitrate are 1：3 of volume ratio of toluene and n-hexane，3.5 ml/g of ratio of mixed solvent and ammonium nitrate，room temperature，and 6 sec/drop of addition rate of precipitating agent.When the 60 mesh ammonium nitrate was coated with polystyrene and the mass ratio of polystyrene and ammonium nitrate was 1.54%，the reduction of moisture rate was 75%.When the mesh number of ammonium nitrate was increased and the reduction of moisture rate was equal，the required polystyrene amount was significantly increased.

Key words：polystyrene；ammonium nitrate；toluene；hexane；absorption rate