苯乙烯悬浮聚合

实验名称：苯乙烯悬浮聚合

一.实验目的

1.了解悬浮聚合的配方及各组份的作用。

2.了解控制粒径的条件。

3. 掌握苯乙烯悬浮聚合的实验方法。

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。

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PVA,H2O

三．实验试剂与实验仪器

实验仪器和试剂：

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。

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．实验步骤

准确称取0.25g AIBN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10ml 0.1%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。

五．实验现象记录与分析

实际产量=13.3511g

苯乙烯密度=0.9060g/cm3

苯乙烯用量16ml

理论产量=14.496g

产率=实际产量/理论产量*100%=92.10%

六、思考题

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。

七、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。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。