磺化聚苯乙烯型阳离子交换树脂的合成

磺化聚苯乙烯型阳离子交换树脂的合成

一、 目的要求

（1） 熟悉悬浮聚合方法

（2） 通过共聚物的磺化反应，了解高分子化学反应的一般概念。

（3） 掌握离子交换树脂的净化和交换当量的测定

二、原理

离子交换树脂是一种具有离解能力的高聚物，它一般包括两部分组成，一是具有体型网状结构的母体骨架，一是在母体骨架上的可离解基团（官能团），这种可离解基团能和溶液中的离子起交换反应。如

M-SO 3-H + + Na +Cl - M-SO 3-Na + + H +Cl -

M-N +(CH 3)3OH - + Na +Cl - M-N +(CH 3)3Cl - + Na +OH -

式中：M 代表树脂母体骨架。

本实验是由苯乙烯和二乙烯苯以悬浮聚合获得共聚物小球（即母体骨架），然后用浓硫酸磺化为强酸型阳离子交换树脂。其反应为： CH CH 2CH CH 2

CH CH 2BPO

悬浮聚合CH 2CH CH 2CH CH 2CH CH CH 2CH

CH 2CH CH 2CH 2CH CH 2CH CH 2CH

CH CH 2

CH

CH 2CH CH

2SO 3H SO 3H SO 3H SO 3H

H 2SO 4

H 2O

离子交换树脂的性能指标中最重要的一项是交换当量，它表示离子能力的大小。有两种表示方法：

一是每克干树脂能交换离子的毫克当量数叫重量交换当量，单位是毫克当量/克

另一种是每毫升树脂交换的毫克当量叫体积交换当量，单位是毫克当量/毫升。

三、所需仪器、药品

仪器：搅拌装置、控温装置、三口瓶、温度计、冷凝管、吸滤瓶、砂芯漏斗、树脂洗涤柱、交换柱。

药品：苯乙烯、二乙烯基苯、聚乙烯醇（5%水溶液）、H 2SO 4、NaOH(5%)、HCl （5%）、NaCl 、过氧化苯甲酰、二氯乙烷、乙醇、酚酞PH 试纸、次甲基蓝溶液。

四、实验步骤

1.苯乙烯 、二乙烯苯悬浮共聚：

配方： 苯乙烯 40g

二乙烯基苯 10g （含量40%）

水 200g （水:单体=4:1）

过氧化苯甲酰0.25g

聚乙烯醇5% 10ml

次甲基蓝数滴（聚合液维持浅蓝色即可）

操作：在500ml三口瓶中加入200ml蒸馏水和数滴次甲基蓝，调整好搅拌器的位置，加入聚乙烯醇水溶液，开动搅拌调整搅拌速度，并缓慢加热升温到40℃后停下搅拌，将事先在小烧杯中混合并溶有过氧化苯甲酰的苯乙烯，二乙烯苯倒入三口瓶中，控制搅拌速度，使分散的油珠大小合适（约小于小米粒），继续升温（约每分钟1—2度），在70℃下保持1小时，再升温到85—87℃，反应1小时（注意！此阶段应避免搅拌速度的调整，以防聚合物颗粒结成块），当小球定型固化后（不可停搅拌取出小球检查），可升温到95℃左右，继续反应2小时。停止搅拌，在水浴上煮球2—3小时，将小球倒入烧杯中用尼龙纱过滤，用热自来水洗之，以除去聚乙烯醇，再用蒸馏水洗2次，将甩干的小球置于瓷盘内，在80℃烘箱中干燥2小时（或晾干），称重。（过筛30—70目）。

2.共聚小球磺化

配方：白球20g

H2SO4（92.5%）130g

二氯乙烷20g

操作：将白球放入250ml三口瓶中，加入20g二氯乙烷放置十分钟，加入硫酸，开动搅拌（不要快），用油浴加热，一小时内升温到70℃反应1小时，再升温至80℃，反应6小时，升温至110℃常压蒸馏出二氯乙烷（回收）。

冷却后，（撤去油浴）换成冰水浴，由滴液漏斗慢慢加入50% H2SO4100ml，同时搅拌，且控制温度不高于35℃。

将小球倒入烧杯中，倾出大部分酸液，再将磺化后小球慢慢倒入冷至0℃左右的饱和食盐水中，逐渐加水倾出，并把小球转移至洗涤柱中，使水流出（但注意不能流干，控制水面与树脂面重合即可）。在洗涤柱中加入100ml5%NaOH溶液，并使逐滴流出，将树脂转为Na型，水洗至中性，再用5%HCl 洗，蒸馏水洗至中性。又加入100nl5%NaOH溶液，如此反复3次。

3.树脂性能测定：树脂性能是指：

a.重量交换当量：单位重量之干树脂可以交换阳离子毫克当量数。

b.体积交换当量：湿态单位体积的树脂能交换阳离子之毫克当量数。

c.膨胀系数：阳离子交换树脂在水中由H型（无多余酸）转换为Na型（无多余碱）时体积之改变。

d.视密度：单位体积（包括树脂间空隙）干燥树脂的重量。

e.假密度：在水中单位容积干燥树脂重量。

如果树脂是多孔的，则有孔径大小、孔径分布等指标。

本实验只测体积交化量与膨胀系数两项。测定原理如下：

nNaCl(过量

)nHCl

CH2CH

SO3H

n

CH2CH

SO3Na

n

用标准NaOH溶液滴定所产生的HCl量。

体积交换量=NV/V1树脂

V为样品消耗NaOH溶液的体积与空白试验消耗NaOH体积之差+ V1树脂体积。

操作步骤：

取5ml树脂（H型）放入交换柱中，倒入1N NaCl溶液300ml，用500锥形瓶接流出液，流速1

—2滴/秒，当300ml 的NaCl 流出后，（不要流干）可用少量水冲洗交换柱，测量流出注液总体积，取其总体积的1/2，用0.1N 标准NaOH 溶液滴定之。用300ml1NNaOH 溶液做空白试验。

将转型后的树脂倒入量筒中，测Na 型树脂的体积，用下式计算其膨胀系数：

hH hNa 100%hH -=

⨯膨胀系数 思考题：

1.比较本体聚合和悬浮聚合的优缺点。

2.高聚物的磺化反应与小分子磺化反应的异同。

3.磺化时，加入二氯乙烷的目的？

参 考 资 料

1.高分子通讯，第一卷51—53页，1957。

2.复旦大学《高分子实验技术》P242，1983。

3.赵德仁：《高聚物合成工艺学》P101，1983。