Составьте уравнение реакции полимеризации полистирола. Полимеризация стирола в эмульсии
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Тема: Полимеризация стирола в эмульсии
Цель работы: провести полимеризацию стирола эмульсионным способом, построить зависимость выхода полистирола от времени, определить молекулярную массу полимера вискозиметрическим методом.
Теоретическая часть
Полимеризация - процесс образования высокомолекулярных соединений в результате соединения большого числа молекул мономера в одну макромолекулу. При этом молекулы мономера и полимера имеют один и тот же элементарный состав. В общем случае реакцию полимеризации можно представить следующим образом:
полимеризация стирол способ эмульсионный
где X - заместитель. При этом не выделяются какие-либо побочные продукты.
В реакцию полимеризации могут вступать соединения, содержащие двойные или тройные связи, а также карбо- и гетероциклы.
Большинство процессов полимеризации имеет цепной характер и протекает через стадии инициирования, роста и обрыва цепи.
Инициирование цепи происходит путем присоединения активного центра к молекуле мономера, в результате чего происходит гемолитический или гетеролитический разрыв его реакционноспособных связей. Вновь образующийся активный центр представляет собой активный радикал либо ион:
В зависимости от типа активных центров, инициирующих цепной процесс, различают радикальную и ионную полимеризацию.
Рост цепи представляет собой многократное повторение актов присоединения молекул мономера к активному центру на конце цепи, в результате чего образуется активный полимер.
Обрыв цепи происходит обычно либо в результате взаимодействия двух растущих цепей (рекомбинация), либо в результате взаимодействия растущей макромолекулы с молекулами примесей или растворителя (передача цепи).
Радикальная полимеризация
При радикальной полимеризации активным центром является свободный радикал. В зависимости от способа образования радикалов (инициирования) можно выделить термическую полимеризацию, фотохимическую, радиационную (под действием гамма-лучей, рентгеновских лучей, ускоренных электронов), а также химически инициированную полимеризацию, протекающую в присутствии химических инициаторов - соединений, легко распадающихся в условиях реакции с образованием свободных радикалов.
Химически инициированная полимеризация является одним из наиболее распространенных методов радикальной полимеризации. В качестве инициаторов применяются пероксиды, гидропероксиды, азо- и диазо- соединения, окислительно - восстановительные системы и др. Например, распад пероксида бензола протекает с образованием двух радикалов:
Динитрил азобисизомасляной кислоты распадается с выделением азота, а также образует два радикала:
Энергия активации распада большинства инициаторов составляет свыше 120 КДж/моль.
При полимеризации часто используют окислительно-восстановительное инициирование. Особенностью такого инициирования является низкая энергия активации, что позволят проводить процесс при низких температурах. Примером такого инициирования может служить взаимодействие пероксида водорода с солями двухвалентного железа, в результате чего образуются свободные радикалы:
Энергия активации в окислительно-восстановительных системах составляет в среднем около 40 КДж/моль.
Реакция полимеризации начинается со стадии присоединения свободных радикалов к молекулам мономера, что приводит к возникновению реакционной цепи:
Полученное соединение так же является свободным радикалом и далее вступает в реакцию с большим числом молекул мономера, т.е. происходит рост цепи:
Таким образом, стадия роста цепи состоит из последовательного ряда актов взаимодействия свободного радикала с молекулами мономера. Скорость радикальной полимеризации определяется уравнением
где k р - константа скорости роста; k - константа скорости инициирования; k o - константа скорости обрыва цепи; [I] -концентрация инициатора; [М] - концентрация мономера.
Прекращение роста цепи или обрыв цепи, как правило, является результатом взаимодействия двух радикалов и происходит путем либо рекомбинации макрорадикалов, либо диспропорционирования. При рекомбинации макрорадикалов образуется одна полимерная молекула, не способная участвовать в дальнейшем росте:
При диспропорционировании число макромолекул не изменяется.
Обрыв цепи также может происходить в результате реакции передачи цепи. Передача цепи осуществляется при взаимодействии растущих макрорадикалов с молекулами мономера, полимера, а также с примесями или растворителями:
Образовавшийся активный радикал R, реагируя с молекулами мономера, дает начало новой цепи:
В случае образования неактивного радикала, не способного продолжить реакционную цепь, происходит прекращение полимеризации.
Ионная полимеризация
Активными центрами ионной полимеризации являются ионы, образующие в неполярных растворителях ионные пары. В полярных растворителях возникают сольватно-разделенные ионные пары и свободные ионы.
В зависимости от природы катализаторов и заряда образующихся ионов различают катионную и анионную полимеризацию.
Катионная полимеризация
Катионная полимеризация протекает под действием кислот и катализаторов Фиделя-Крафтса (АlCl 3 , ВF 3 , SnCl 4 , FеСl 3 и т.п.), т.е. электронакцепторных веществ. В присутствии воды, кислот, эфиров и других веществ, играющих роль сокатализатора, образуется активный каталитический комплекс, инициирующий реакцию:
При взаимодействии этого комплекса с молекулой мономера образуется активный карбоениевый центр:
Реакция роста заключается в присоединении молекул мономера к активному карбениевому центру с регенерацией этого активного центра на конце цепи:
Скорость роста описывается уравнением
где [С] - концентрация катализатора.
Катионная полимеризация протекает, как правило, с очень высокой скоростью, что позволяет проводить процесс при низких температурах. Например, полимеризацию изобутилена проводят при t= -100°С в среде жидкого этилена.
Обрыв цепи происходит как молекулярная реакция с отщеплением протона от соседнего с карбениевым ионом атома углерода и диссоциации каталитического комплекса:
Анионная полимеризация
Анионная полимеризация протекает в присутствии щелочных металлов, металлоорганических соединений, амида натрия, алкоголятов щелочных металлов и других электрондопорных соединений. Наибольшее практическое значение имеет полимеризация, протекающая под действием щелочных металлов или их алкинов.
Полимеризация акрилонитрила под действием амида калия в жидком аммиаке вызывается свободными ионами, вследствие диссоциации амида:
Образование карбоаниона происходит при взаимодействии амидного иона с молекулой мономера:
Рост цепи происходит в результате взаимодействия образовавшегося карбаниона с молекулой мономера с образованием нового аниона. Обрыв цепи происходит путем взаимодействия карбаниона с молекулой аммиака с регенерацией амидного иона, т.е. протекает реакция передачи цепи.
Ионно-координационная полимеризация
Ионно-координационная полимеризация вызывается комплексными катализаторами Циглера-Натта. Чаще всего в качестве катализаторов используют металлоорганические соединения алюминия и хлориды титана.
Активные центры при ионно-координационной полимеризации представляют собой металлоорганические соединения переходного металла. Они возникают в присутствии сокатализатора или при взаимодействии исходных мономеров с металлгидридными центрами на поверхности катализатора.
Образование активного металлографического соединения происходит следующим образом:
Рост полимерной цепи осуществляется путем внедрения молекулы мономера по связи в переходный металл-углерод:
Стадии внедрения молекулы мономера предшествует ее координация на металле с образованием неустойчивого р - компонента. Поэтому комплексные катализаторы получили название ионно -координационных . Обрыв цепи происходит в результате миграции атома водорода от атома углерода к металлу с образованием гидрида переходного металла и полимерной молекулы.
Использование для полимеризации комплексных металлоорганических катали-заторов приводит к образованию стереорегулярных полимеров . Эти катализаторы обладают высокой стереоспецифичностью .
2. СПОСОБЫ ПРОВЕДЕНИЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
В промышленности полимеризация осуществляется следующими основными способами: в газовой фазе, блоке (массе), растворе, эмульсии и суспензии.
2.1 Газовая полимеризация
Газофазной полимеризации подвергаются газообразные мономеры (этилен, пропилен). Процесс инициируется кислородом, который добавляется в мономер в небольших количествах (0,002ч0,008% об.) и проводится под большим давлением.
При взаимодействии этилена с кислородом образуются пероксидные или гидропероксильные соединения этилена:
Неустойчивая пероксидная связь - О - О под действием тепла разрывается с образованием би- и монорадикалов: ОСН 2 -СН 2 О · и СН 2 =СНО · . Свободные радикалы инициируют полимеризацию этилена.
2.2 Блочная полимеризация
Блочную полимеризацию или полимеризацию в массе проводят в конденсированной фазе в отсутствии растворителя. В результате полимеризации образуется концентрированный раствор (или расплав) полимера в мономере или монолитная твердая масса (блок).
Обычно блочную полимеризацию проводят в присутствии инициаторов или при термическом инициировании. По мере увеличения степени полимеризации мономера увеличивается молекулярная масса среды и ее вязкость, что затрудняет отвод тепла из зоны реакции. В результате этого могут возникать местные перегревы реакционной массы, вследствие чего полимер получается неоднородным по молекулярной массе. Поэтому блочную полимеризацию проводят с малой скоростью.
2.3 Полимеризация в растворе
Возможны два способа проведения полимеризации в растворе. По первому способу применяется растворитель, который растворяет и мономер, и полимер. Получаемый раствор полимера (лак) используют как таковой или полимер выделяют. По второму способу применяют растворитель, который растворяет мономер, но не растворяет полимер. Образующейся полимер выпадает в осадок.
При полимеризации в растворе значительно улучшается отвод выделяющегося в ходе реакции тепла, но в результате протекания реакций передачи цепи через растворитель получаемые полимеры имеют более низкую молекулярную массу.
2.4 Полимеризация в эмульсии
При эмульсионной полимеризации в качестве дисперсионной среды обычно используют воду. Для стабилизации эмульсии применяют различные эмульгаторы (олеаты, пальмитаты, и другие соли жирных кислот). Эмульсионную полимеризацию проводят в присутствии водорастворимых инициаторов (персульфат калия, пирофосфаты бикарбонаты). Для уменьшения разветвленности цепи добавляют меркаптаны.
Для создания тонкой эмульсии реакционную смесь энергично перемешивают, в результате чего мономер разбивается на мелкие капли, покрытые слоем эмульгатора.
Полимеризация протекает в адсорбционных слоях эмульгатора на поверхности полимерно-мономерных частиц. Растущая макромолекула является центром, вкруг которого образуется частица латекса. Полученный латекс коагулируют, вводя в систему раствор электролита, а выпавший в осадок полимер отделяют. В результате эмульсионной полимеризации получается полимер с большой молекулярной массой и низкой степенью полидисперсности.
Возможность применения эмульсионного способа в ряде случаев ограничивает образование большого количества сточных вод, требующих очистки от токсичных мономеров, а также трудоемкость стадии сушки тонкодисперсного полимера. Кроме того, недостатком способа является загрязнение полимера остатками эмульгатора и других добавок, что ухудшает его электрические свойства.
2.5 Полимеризация в суспензии
Полимеризация в суспензии проводится также в воде. Для повышения устойчивости образующейся более грубой эмульсии используют слабые эмульгаторы - поливиниловый спирт, водорастворимые эфиры целлюлозы, желатин, глину, оксид алюминия и т. п. Применяемые инициаторы растворимы в мономере.
Полимеризация происходит в каплях, представляющих, в сущности, небольшие блоки, поэтому такую полимеризацию иногда называют капельной (гранульной) полимеризацией.
В отличие от эмульсионной полимеризации в данном случае отпадает необходимость в проведении коагуляции, так как образующиеся гранулы полимера свободно выделяются из водной фазы.
Порядок выполнения работы
Полимеризация стирола эмульсионным способом проводится на лабораторной установке, схема которой приведена на рисунке 1.
Полимеризация стирола проводится по рецепту, приведенному ниже (в весовых частях):
Стирол 50 г.
Вода дистиллированная 90 мл
Персульфат аммония 0,35 г
Стеарат калия 2,3 г
В реакционной колбе приготовляют раствор эмульгатора в воде при 70 °С. По каплям при хорошем перемешивании добавляют стирол и через 10-15 минут вводят инициатор, растворенный в 10 мл количестве воды. Через 30, 60 и 90 минут после введения инициатора пипеткой отбирают пробы реакционной массы точно по 10 мл. Эмульсию в пробах разрушают добавлением 10 - 15 мл раствора NaCl и 2 капли 1н азотной кислоты.
Осадок полимера, образующийся при разрушении эмульсии, отфильтровывают на предварительно взвешенном фильтре и промывают водой. Полимер сушат на воздухе до постоянной массы.
1 - колбонагреватель; 2 - трехгорлая колба; 3 - обратный холо-дильник; 4 - гидрозатвор; 5 - мешалка; 6 - термометр; 7 - ЛАТР
Рисунок 1 - Схема лабораторной установки
Обработка экспериментальных данных
Выход полимера в каждой пробе определяется по уравнению
где G n - масса полимера в пробе;
G M - масса мономера в пробе перед началом опыта.
Таблица 1 - Зависимость массы и выхода полимера от времени
По полученным данным строим зависимость выхода полимера от времени
Рисунок 2 - График зависимости выхода полимера от времен
Определение молекулярной массы полимера
Молекулярную массу полученного полистирола определяют вискозиметрическим методом. Для этого из высушенной третьей пробы берут три навески полимера весом 0,1; 0,2 и 0,3 г и каждую растворяют в 20 мл толуола.
Для определения молекулярной массы используют стеклянный вискозиметр, имеющий две риски. Последовательно определяют время истечения 20 мл чистого толуола и растворов полимера, в порядке увеличения концентрации полимера, между верхней и нижней риской.
Определение времени истечения повторяют трижды для каждого образца и определяют среднее значение времени.
Таблица 2 - время истечения полимера и чистого толуола.
Полученные значения времени истечения чистого толуола и трех растворов используют в расчетах. Определяют относительную вязкость каждого раствора по формуле:
где t - время истечения раствора полимера;
t o - время истечения чистого растворителя.
Удельную вязкость:
Приведенную вязкость:
где С - концентрация полимера в растворе (г/100 мл растворителя).
Найдем концентрации:
Подставляя в уравнение, получим:
Определив приведенную вязкость для каждого раствора, строят зависимость приведенной вязкости от концентрации полимера. Экстраполируя полученную зависимость к нулевой концентрации полимера, получают х а рактеристическую вязкость.
Пример построения графической зависимости приведенной вязкости от концентрации полимера и определения характеристической вязкости показан на рисунке 3.
Таблица 3 - Вязкости для трех проб
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 3 - Определение характеристической вязкости
Для определения молекулярной массы полимера используют уравнение Мар-ка-Хувинга:
Исходя, из уравнения прямой зависимости вязкости раствора полимера от концентрации видим,= 1,2767, а для системы полистирол-толуол при температуре 25°С константы имеют следующие значения: а = 0,69, К =1,7· 10 -4 . Подставляя, получим:
М = 413875,3 г/моль
В ходе данной работы провели полимеризацию стирола эмульсионным способом, построили зависимость выхода полистирола от времени и определили молекулярную массу полимера вискозиметрическим методом: М = 413875,3 г/моль.
В качестве рекомендации к проведению процесса можно принять к сведению, что требуется изменение конструкции элемента перемешимания, для образования более мелкодисперсной эмульсии, что приведет к более качественному получению продуктов реакции полимеризации стирола.
Необходимо применение более совершенного нагревателя, для точного регулирования температуры процесса и наилучшего выхода процесса на режим.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Понятие и значение полимеризации, особенности стадий этого процесса на примере радикального механизма. Сущность и обзор способов получения полистирола, его физических и химических свойств как вещества. Анализ сфер применения и технология переработки.
презентация , добавлен 17.11.2011
Характеристика методов получения политетрафторэтилена: эмульсионная, радиационная, суспензионная полимеризация, фотополимеризация. Кинетика и механизм суспензионной полимеризации тетрафторэтилена в воде, зависимость его плотности от молекулярной массы.
курсовая работа , добавлен 13.12.2010
Молекулярная масса и влияние степени полимеризации целлюлозы на отдельные стадии технологического процесса получения искусственных волокон и пленок. Химические и физико-химические методы определения степени полимеризации целлюлозы и ее молекулярной массы.
реферат , добавлен 28.09.2009
Практические методы осуществления процесса полимеризации, принципы выбора инициатора и стабилизатора. Новшества в производстве суспензионного полистирола. Характеристика исходного сырья, полупродуктов и готовой продукции. Нормы технологического режима.
курсовая работа , добавлен 25.01.2014
"Живая" контролируемая радикальная полимеризация. Характеристики получаемого полимера. Признаки протекания полимеризации в контролируемом режиме. Метод диаграмм Фишера. Радикальная "живая" полимеризация гидрофильных мономеров. Анализ продуктов термолиза.
дипломная работа , добавлен 17.10.2013
Изучение основных реакций, обусловливающих формирование молекулярной цепи полиизопрена, и их количественная оценка. Участие молекул мономера и непредельных фрагментов полиизопрена в определении концентрации активных центров в процессе полимеризации.
реферат , добавлен 18.03.2010
Аналитический обзор методов производства поливинилхлорида. Физико-химические основы производства винилхлорида. Производство поливинилхлорида методом блочной полимеризации. Эмульсионная полимеризации винилхлорида. Полимеризация винилхлорида в суспензии.
реферат , добавлен 24.05.2012
Исследование полимеризации диацетиленовых мономеров, полимеризующихся только в кристаллическом состоянии с образованием полимеров, состоящих из вытянутых цепей с сопряженными связями. Термическая полимеризация и полимеризация под действием Y излучения.
реферат , добавлен 22.02.2010
Практическое проведение эмульсионной полимеризации и сополимеризации акриловых мономеров, скорость и кинетика реакции, влияющие факторы. Способ предварительного создания концентрированной эмульсии, образование микроэмульсии и анализ ее дисперсности.
статья , добавлен 22.02.2010
Понятие и общая характеристика полистирола, особенности его химического строения, физические свойства и сферы применения. Методика получения данного соединения, используемое сырье и технологический процесс производства. Этапы проведения полимеризации.
В широком разнообразии полимерных материалов особое место занимает полистирол. Из этого материала производят огромное количество различных пластиковых изделий как для бытового, так и для промышленного использования. Сегодня мы с вами познакомимся с формулой полистирола, его свойствами, способами получения и направлениями использования.
Общая характеристика
Полистирол является синтетическим полимером, относящимся к классу термопластов. Как можно понять из названия, он представляет собой продукт полимеризации винилбензола (стирола). Это твердый стеклообразный материал. Формула полистирола в общем виде выглядит следующим образом: [СН 2 СН(С 6 Н 5)] n . В сокращенном варианте она выглядит так: (C 8 H 8) n . Сокращенная формула полистирола встречается чаще.
Химические и физические свойства
Наличие фенольных групп в формуле структурного звена полистирола препятствует упорядоченному размещению макромолекул и образованию кристаллических структур. В этой связи материал является жестким, но хрупким. Он представляет собой аморфный полимер с малой механической прочностью и высоким уровнем светопропускания. Он производится в виде прозрачных цилиндрических гранул, из которых путем экструзии получают необходимую продукцию.
Полистирол является хорошим диэлектриком. Он растворяется в ароматических углеводородах, ацетоне, сложных эфирах, и собственном мономере. В низших спиртах, фенолах, алифатических углеводородах, а также простых эфирах полистирол не растворим. При смешивании вещества с другими полимерами, происходит «сшивание», в результате которого образуются сополимеры стирола, обладающие более высокими конструктивными качествами.
Вещество обладает низким влагопоглощением и устойчивостью к радиоактивному облучению. Вместе с тем оно разрушается под действием ледяной уксусной, и концентрированной азотной кислот. При воздействии ультрафиолета полистирол портится - на поверхности образуется микротрещины и желтизна, увеличивается его хрупкость. При нагревании вещества до 200 °С оно начинает разлагаться с выделением мономера. При этом, начиная с температуры в 60 °С, полистирол теряет форму. При нормальной температуре вещество не токсично.
Основные свойства полистирола:
- Плотность - 1050-1080 кг/м 3 .
- Минимальная рабочая температура - 40 градусов мороза.
- Максимальная рабочая температура - 75 градусов тепла.
- Теплоемкость - 34*10 3 Дж/кг*К.
- Теплопроводность - 0,093-0,140 Вт/м*К.
- Коэффициент термического расширения - 6*10 -5 Ом·см.
В промышленности полистирол получают с помощью радикальной полимеризации стирола. Современные технологии позволяют проводить этот процесс с минимальным количеством непрореагировавшего вещества. Реакция получения полистирола из стирола осуществляется тремя способами. Рассмотрим отдельно каждый из них.
Эмульсионный (ПСЭ)
Это самый старый метод синтеза, который так и не получил широкого промышленного применения. Эмульсионный полистирол получают в процессе полимеризации стирола в водных растворах щелочей при температуре 85-95 °С. Для этой реакции необходимы такие вещества: вода, стирол, эмульгатор и инициатор процесса полимеризации. Стирол предварительно избавляют от ингибиторов (гидрохинона и трибутил-пирокатехина). Инициаторами реакции выступают водорастворимые соединения. Как правило, это персульфат калия или двуокись водорода. В качестве эмульгаторов применяют щелочи, соли сульфокислот и соли жирных кислот.
Процесс происходит следующим образом. В реактор наливают водный раствор касторового масла и при тщательном перемешивании вводят стирол вместе с инициаторами полимеризации. Полученную смесь греют до 85-95 градусов. Растворенный в мицеллах мыла мономер, поступая из капель эмульсии, начинает полимеризоваться. Так получаются полимер-мономерные частицы. На протяжении 20 % времени реакции мицеллярное мыло идет на образование слоев адсорбции. Далее процесс идет внутри частиц полимера. Реакция завершается, когда содержание стирола в смеси будет составлять примерно 0,5 %.
Далее эмульсия поступает на стадию осаждения, позволяющую снизить содержание остаточного мономера. С этой целью ее коагулируют раствором соли (поваренной) и высушивают. В результате получается порошкообразная масса с размером частиц до 0,1 мм. Остаток щелочи сказывается на качестве получаемого материала. Устранить примеси полностью невозможно, а их наличие обуславливает желтоватый оттенок полимера. Этот метод позволяет получить продукт полимеризации стирола с наибольшей молекулярной массой. Получаемое таким способом вещество имеет обозначение ПСЭ, которое периодически можно встретить в технических документах и старых учебниках по полимерам.
Суспензионный (ПСС)
Этот метод осуществляется по периодической схеме, в реакторе, оборудованном мешалкой и теплоотводящей рубашкой. Для подготовки стирола его суспензируют в химически чистой воде с помощью стабилизаторов эмульсии (поливиниловый спирт, полиметакрилат натрия, гидроксид магния), а также инициаторов полимеризации. Процесс полимеризации проходит под давлением, при постоянном повышении температуры, вплоть до 130 °С. В итоге получается суспензия, из которой первичный полистирол отделяют с помощью центрифугирования. После этого вещество промывают и высушивают. Этот метод также считается устаревшим. Он пригоден в основном для синтезирования сополимеров стирола. Его применяют в основном в производстве пенополистирола.
Блочный (ПСМ)
Получение полистирола общего назначения в рамках этого метода можно проводить по двум схемам: полной и неполной конверсии. Термическая полимеризация по непрерывной схеме осуществляется на системе, состоящей из 2-3 последовательно соединенных колонных аппаратов-реакторов, каждый из которых оборудован мешалкой. Реакцию проводят постадийно, увеличивая температуру с 80 до 220 °С. Когда степень превращения стирола доходит до 80-90 %, процесс прекращается. При методе неполной конверсии степень полимеризации достигает 50-60 %. Остатки непрореагировавшего стирола-мономера удаляют из расплава путем вакуумирования, доводя его содержание до 0,01-0,05 %. Полученный блочным методом полистирол отличается высокой стабильностью и чистотой. Эта технология является наиболее эффективной, в том числе и потому, что практически не имеет отходов.
Применение полистирола
Полимер выпускается в виде прозрачных цилиндрических гранул. В конечные изделия их перебарывают путем экструзии или литья, при температуре 190-230 °С. Из полистирола производят большое количество пластиков. Распространение он получил благодаря своей простоте, невысокой цене и широкому ассортименту марок. Из вещества получают массу предметов, которые стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни (детские игрушки, упаковка, одноразовая посуда и так далее).
Полистирол широко используют в строительстве. Из него делают теплоизоляционные материалы - сэндвич-панели, плиты, несъемные опалубки и прочее. Кроме того, из данного вещества производят отделочные декоративные материалы - потолочные багеты и декоративную плитку. В медицине полимер используют для производства одноразовых инструментов и некоторых деталей в системах переливания крови. Вспененный полистирол также применяют в системах для очистки воды. В пищевой промышленности используют тонны упаковочного материала, сделанного из данного полимера.
Существует и ударопрочный полистирол, формула которого изменяется путем добавления бутадиенового и бутадиенстирольного каучука. На этот вид полимера приходится более 60 % всего производства полистирольного пластика.
Благодаря предельно низкой вязкости вещества в бензоле можно получить подвижные растворы в придельных концентрациях. Этим обуславливается использование полистирола в составе одного из видов напалма. Он играет роль загустителя, у которого по мере увеличения молекулярной массы полистирола уменьшается зависимость «вязкость-температура».
Преимущества
Белый термопластичный полимер может стать отличной заменой пластику ПВХ, а прозрачный - оргстеклу. Популярность вещество получило главным образом благодаря гибкости и легкости в обработке. Оно отлично формуется и обрабатывается, предотвращает потери тепла и, что немаловажно, имеет низкую стоимость. Благодаря тому, что полистирол может хорошо пропускать свет, его даже используют в остеклении зданий. Однако размещать такое остекление на солнечной стороне нельзя, так как под действием ультрафиолета вещество портится.
Полистирол давно используется для изготовления пенопластов и сопутствующих материалов. Теплоизоляционные свойства полистирола во вспененном состоянии, позволяют использовать его для утепления стен, пола, кровли и потолков, в зданиях различного назначения. Именно благодаря обилию утеплительных материалов, во главе которых стоит пенополистирол, простые обыватели знают о рассматриваемом нами веществе. Эти материалы отличаются простой в использовании, устойчивостью к гниению и агрессивным средам, а также отличными теплоизоляционными свойствами.
Недостатки
Как и у любого другого материала, у полистирола есть недостатки. Прежде всего, это экологическая небезопасность (речь идет об отсутствии методов безопасной утилизации), недолговечность и пожароопасность.
Переработка
Сам по себе полистирол не представляет опасности для окружающей среды, однако некоторые продукты, полученные на его основе, требуют особого обращения.
Отходы материала и его сополимеров накапливаются в виде изделий, вышедших из употребления, и промышленных отходов. Вторичное использование полистирольных пластиков, производится несколькими путями:
- Утилизация промышленных отходов, которые были сильно загрязнены.
- Переработка технологических отходов методами литья, экструзии и прессования.
- Утилизация изношенных изделий.
- Утилизация смешанных отходов.
Вторичное применение полистирола позволяет получить новые качественные изделия со старого сырья, не загрязняя при это окружающую среду. Одним из перспективных направлений переработки полимера является производство полистиролбетона, который применяется в строительстве зданий малой этажности.
Продукты разложения полимера, образующиеся при термодеструкции или термоокислительной деструкции, токсичны. В процессе переработки полимера путем частичной деструкции могут выделяться пары бензола, стирола, этилбензола, оксида углерода и толуола.
Сжигание
При сжигании полимера выделяется диоксид углерода, монооксид углерода и сажа. В общем виде уравнение реакции горения полистирола выглядит так: (С 8 Н 8) n + О 2 = СО 2 + Н 2 О. Сжигание полимера, содержащего добавки (компоненты увеличивающие прочность, красители и т. д.), приводит к выбросу ряда других вредных веществ.
Блочный полистирол получают полимеризацией в массе. Полимеризация стирола в массе (блоке) в настоящее время получила большое распространение. Она может проводиться в присутствии и в отсутствие инициатора.
Инициаторами полимеризации по обычно являются пероксид бензоила, динитрил азобисизомасляной кислоты и др. Продукты распада инициаторов входят в состав макромолекул полистирола, вследствие чего этим способом не удается получить полистирол с высокими диэлектрическими показателями.
В промышленности для получения полистирола высокой степени чистоты полимеризацию осуществляют без инициатора (термическая полимеризация).
Кинетика радикальной полимеризации стирола до глубоких конверсии изучена значительно более полно, чем кинетика полимеризации других мономеров. Это позволяет весьма точно рассчитать температурный режим полимеризации для получения полистирола с заданными свойствами.
Термическая полимеризация стирола до полной конверсии мономера непрерывным способом в аппаратах колонного типа без перемешивания (принцип «идеального» вытеснения) в настоящее время не используется, поскольку этот процесс имеет ряд серьезных недостатков. Основными недостатками технологического процесса полимеризации стирола в массе с полной конверсией мономера являются его большая длительность, необходимость проведения процесса при высоких температурах (200-230 °С) на конечных стадиях для достижения высокой конверсии (99%), а также получение полимера с невысокой молекулярной массой (рисунок 1) и широким молекулярно-массовым распределением. Кроме того, с глубиной конверсии сильно возрастает вязкость реакционной массы, достигая к концу процесса 1·10 3 – 1·10 4 Па·с . Проведение термической полимеризации стирола до неполной конверсии мономера (80-95%) в каскаде аппаратов с перемешиванием (принцип «идеального» смешения) и удалением остаточного мономера позволяет осуществлять реакцию при более низких температурах (140- 160 °С) и получать полистирол с более узким молекулярно-массовым распределением . При этом обеспечивается значительная интенсификация процесса и получение полистирола более высокого качества.
Промышленные процессы полимеризации стирола до неполной конверсии мономера были разработаны с помощью методов математического моделирования.
Первым этапом моделирования процесса является математическое описание (модель) реакции термической полимеризации стирола. Для расчета промышленных процессов может быть использована не полная кинетическая модель, а зависимость брутто-скорости реакции от конверсии.
Для полистирола в интервале рабочих температур 110-150 °С
молекулярная масса полимера зависит только от температуры и не зависит от степени конверсии мономера:
Второй этап моделирования процесса заключается в математическом описании реакторов для проведения процессов полимеризации. Он содержит описание свойств реакционной среды и условий теплообмена в реакторе.
К свойствам реакционной среды относятся:
- вязкость,
- теплопроводность,
- теплоемкость,
- давление паров над раствором полимера.
Особенностью полимеризации стирола является высокая вязкость реакционной среды , которая колеблется в реакторах от 1 до 1·10 3 Па·с.
Для обеспечения заданного теплообмена в реакторах используют мешалки определенного типа и рассчитывают затраты мощности на перемешивание. При конверсии до 40% и вязкости реакционной среды до 10 Па·с применяют листовые мешалки (в первом реакторе), при более высоких вязкостях становятся выгодными спиральные (ленточные) мешалки .
Одним из основных вопросов при полимеризации в изотермическом реакторе является отвод тепла . Высокую интенсивность процесса полимеризации стирола можно обеспечить при теплосъеме путем испарения и возврата мономера на полимеризацию. Кроме того, частичный съем тепла осуществляется через рубашку аппарата. Необходимую разность температур между реакционной массой и хладагентом в рубашке реактора определяют из уравнения теплового баланса
Q Э + Q N - Q BX -Q X = 0
где Q э - тепло экзотермической реакции; Q n - тепло, выделяющееся при работе мешалки; Q BX - тепло, расходуемое на нагрев входного потока реакционной среды; Q x - теплоотвод через стенку реактора.
Для обеспечения устойчивого режима в реакторе должно соблюдаться условие: изменение теплосъема в зависимости от температуры должно происходить быстрее, чем изменение тепловыделения.
После определения условий устойчивой работы реакторов решают вопрос о возможности управления ими и о выборе соответствующих средств автоматического регулирования.
В настоящее время блочная полимеризация стирола до неполной конверсии мономера в полимер проводится в каскаде реакторов с перемешиванием по двум вариантам:
- в отсутствие растворителей;
- с использованием растворителей.
Производство блочного полистирола общего назначения осуществляется в присутствии этилбензола (15-20%), наличие которого в процессе облегчает отвод тепла, работу оборудования, особенно насосов, из-за снижения вязкости реакционной массы, а также управление процессом в целом.
Ниже приведены описания технологических процессов получения блочного полистирола общего назначения.
Производство блочного полистирола общего назначения до неполной конверсии мономера в каскаде реакторов с перемешиванием
Наибольшее распространение получила технологическая схема производства блочного полистирола общего назначения в каскаде из двух реакторов с перемешиванием. Процесс включает стадии :
- подготовки исходного стирола,
- полимеризации стирола в реакторах 1-й и 2-й ступеней,
- удаления и ректификации непрореагировавшего мономера,
- окрашивания расплава полистирола,
- грануляции полистирола,
- расфасовки и упаковки гранул полистирола.
Схема получения блочного полистирола в каскаде реакторов с перемешиванием показана на рисунке 1.
Из емкости 1 стирол непрерывно подается дозировочным насосом в реактор 1-й ступени , который представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат с коническим днищем емкостью 16 м 3 . Реактор снабжен листовой мешалкой с частотой вращения 30-90 об/мин . Полимеризация в реакторе 1-й ступени 2 протекает при температуре 110-130 °С до конверсии 32-45% в зависимости от марки получаемого продукта. Съем избыточного тепла реакции происходит за счет испарения части стирола из реакционной массы.
Реактор 2-й ступени 3 по конструкции и габаритам аналогичен реактору 1-й ступени, но снабжен ленточной мешалкой с частотой вращения 2- 8 об/мин . При этом обеспечивается эффективное перемешивание высоковязких реакционных сред. Полимеризация в реакторе 2-й ступени протекает до 75- 88%-ной степени конверсии при температуре 135-160 °С в зависимости от марки получаемого полимера.
Раствор полистирола в стироле из реактора 2-й ступени выгрузным насосом 5 подается в вакуум-камеру 6 через трубу, которая обогревается паром давлением не менее 2,25 МПа . При этом происходит дополимеризация стирола до 90%-ной степени конверсии .
Расплав полистирола поступает в вакуум-камеру 6 с температурой 180- 200 °С . В трубчатке перегревателя вакуум-камеры расплав полистирола нагревается до 240 °С и поступает в полую камеру объемом 10 м 3 с остаточным давлением 2,0-2,6 кН/м 2 . При этом происходит испарение стирола из расплава и содержание остаточного мономера снижается до 0,1-0,3%. Пары стирола поступают на регенерацию и затем вновь возвращаются в емкость 1 .
Расплав полистирола из вакуум-камеры 6 поступает в экструдер 7 и на грануляцию.
При получении полистирола общего назначения в присутствии этилбензола , последний находится в замкнутом цикле в смеси со стиролом. Объем избыточного тепла реакции в аппаратах осуществляется испарением под вакуумом части стирола и этилбензола. Испаряемая смесь конденсируется и возвращается в зону реакции. Для поддержания нормальной работы мешалок в полимеризаторах непрерывно контролируется вязкость реакционной массы. Заданная вязкость поддерживается автоматически изменением подачи смеси стирола и этилбензола.
Оба полимеризатора работают под вакуумом, температура процесса колеблется на уровне 115-135 °С и 140-160 °С соответственно. Содержание полимера в реакторе 1-й ступени достигает 30-40% , в реакторе 2-й ступени- 65-70%. Раствор содержит 15-20% этилбензола. Из реактора 2-й ступени раствор полимера поступает в испаритель, в котором поддерживается вакуум (остаточное давление около 2,6 кПа). Пары стирола и этилбензола удаляются, а расплав полимера собирается в нижней части испарителя, откуда с температурой 200-230 °С направляется на окрашивание и грануляцию.
Пары стирола и этилбензола из испарителя поступают в скруббер для очистки, затем конденсируются и возвращаются в исходную емкость стирола и этилбензола.
Таким образом, технологическая схема получения блочного полистирола общего назначения с использованием этилбензола в процессе отличается от технологической схемы, показанной на рисунке 1, только наличием скруббера и конденсатора паров стирола и этилбензола .
Сравнительная оценка способов блочной полимеризации стирола с полной и неполной конверсией мономера
Способ блочной полимеризации стирола с неполной конверсией мономера имеет ряд преимуществ перед способом блочной полимеризации с полной конверсией стирола:
1) производительность агрегата для полимеризации повышается более чем в 2 раза за счет сокращения продолжительности полимеризации, что обуславливает уменьшение капиталовложений и энергозатрат;
2) аппаратурное оформление позволяет регулировать технологические параметры процесса и получать продукты различного качества в зависимости от требований потребителя;
3) полистирол, выходящий из вакуум-камеры, содержит меньше остаточного мономера (до 0,2%), чем продукт, выходящий из колонны с полной конверсией мономера (0,5%).
Однако при осуществлении процесса с неполной конверсией мономера неизбежны отходы - отгонные конденсаты стирола. При реализации крупных производств возникает необходимость использования отгонных конденсатов. При общей мощности производства 100-120 тыс. т/год полистирола получается около 10-12 тыс. т/год отгонных конденсатов.
Утилизация отгонных конденсатов осуществляется по двум направлениям:
1) очисткой отгонных конденсатов с получением стирола стандартной чистоты (ректификация);
2) полимеризацией отгонных конденсатов с получением полистирола несколько худшего качества, но который можно использовать для производства менее ответственных изделий. В промышленности развиваются оба направления.
Список литературы:
Зубакова Л. Б. Твелика А. С, Даванков А. Б. Синтетические ионообменные материалы. М., Химия, 1978. 183 с.
Салдадзе К М., Валова-Копылова В. Д. Комплексообразующие иониты (комплекситы). М., Химия, 1980. 256 с.
Казанцев Е. Я., Пахолков В. С, Кокошко 3. /О., Чупахин О. Я. Ионообменные материалы, их синтез и свойства. Свердловск. Изд. Уральского политехнического института, 1969. 149 с.
Самсонов Г. В., Тростянская Е. Б., Елькин Г. Э. Ионный обмен. Сорбция органических веществ. Л., Наука, 1969. 335 с.
Тулупов П. Е. Стойкость ионообменных материалов. М., Химия, 1984. 240 с. Полянский Я. Г. Катализ ионитами. М., Химия, 1973. 213 с.
Кассиди Г. Дж.у Кун К А. Окислительно-восстановительные полимеры. М., Химия, 1967. 214 с. Херниг Р. Хелатообразующие ионообменники. М., Мир, 1971. 279 с.
Тремийон Б. Разделение на ионообменных смолах. М., Мир, 1967. 431 с.
Ласкорин Б. Я., Смирнова Я. М., Гантман М. Я. Ионообменные мембраны и их применение. М., Госатомиздат, 1961. 162 с.
Егоров Е. В., Новиков П. Д. Действие ионизирующих излучений на ионообменные материалы. М., Атомиздат, 1965. 398 с.
Егоров Е. В., Макарова С. Б. Ионный обмен в радиохимии. М., Атомиздат,
Задание 449 (ш)
Как получают в промышленности стирол? Приведите схему его полимеризации. Изобразите с помощью схем линейную и трехмерную структуры полимеров.
Решение:
Получение и полимеризация стирола
Большую часть стирола
(около 85 %) в промышленности получают дегидрирование м
этилбензола
при температуре 600-650°С, атмосферном давлении и разбавлении перегретым водяным паром в 3 - 10 раз. Используются оксидные железо-хромовые катализаторы с добавкой карбоната калия.
Другой промышленный способ, которым получают оставшиеся 15 %, заключается в дегидратации метилфенилкарбинола , образующегося в процессе получения оксида пропилена из гидропероксида этилбензола. Гидропероксид этилбензола получают из этилбензола некаталитическим окислением воздуха.
Схехма анионоидной полимеризации стирола :
Полистирол – термопластичный аморфный полимер с формулой:
[СН 2 =С(С 6 Н 5)Н]n
------------> [-СН 2 - С(С 6 Н 5)Н -]n
стирол
полистирол
Полимеризация стирола происходит при действии амидов натрия или калия в жидком аммиаке.
Структуры полимеров:
Особенность линейных и разветвленных полимеров - отсутствие первичных (химических) связей между макромолекулярными цепями; между ними действуют особые вторичные межмолекулярные силы.
Линейные молекулы полимеров:
Разветвленные линейные молекулы:
Если макромолекулярные цепи соединены между собой химическими связями, образующими ряд поперечных мостиков (трехмерный каркас), то структура такой сложной макромолекулы носит название пространственной. Валентные связи в пространственных полимерах расходятся во все стороны беспорядочно. Среди них выделяют полимеры с редким расположением поперечных связей. Эти полимеры называют сетчатыми.
Трехмерные структуры полимеров:
Сетчатая структура полимера:
Полистирол
Рис. 1. Линейная структура полистирола
Полиорганосилоксан
Рис. 2. Трехмерная структура полиорганосилоксана
Синтетические полимеры
В ХХ веке появление синтетических высокомолекулярных соединений – полимеров - было технической революцией. Полимеры получили очень широкое применение в самых различных практических областях. На их основе были созданы материалы с новыми во многом необычными свойствами, значительно превосходящими ранее известные материалы.
Полимеры – это соединения, молекулы которых состоят из повторяющихся единиц - мономеров.
Известны природные полимеры . К ним относятся полипептиды и белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты.
Синтетические полимеры получаются путем полимеризации и поликонденсации (см. дальше) низкомолекулярных мономеров.
Структурная классификация полимеров
а) линейные полимеры
Имеют линейное строение цепи. Их названия производятся от названия мономера с добавлением приставки поли -:
б) сетчатые полимеры:
в) сетчатые трехмерные полимеры:
Совместной полимеризацией различных мономеров получают сополимеры . Например:
Физико-химические свойства полимеров определяются степенью полимеризации (величина n) и пространственной структурой полимера. Это могут быть жидкости, смолообразные или твердые вещества.
Твердые полимеры по-разному ведут себя при нагревании.
Термопластичные полимеры – при нагревании расплавляются и после охлаждения принимают любую заданную форму. Это можно повторять неограниченное число раз.
Термореактивные полимеры – это жидкие или пластичные вещества, которые при нагревании затвердевают в заданной форме и при дальнейшем нагревании не расплавляются.
Реакции образования полимеров полимеризация
Полимеризация – это последовательное присоединение молекул мономера к концу растущей цепи. При этом все атомы мономера входят в состав цепи, и в процессе реакции ничего не выделяется.
Для начала реакции полимеризации необходимо активировать молекулы мономера с помощью инициатора. В зависимости от типа инициатора различают
радикальную,
катионную и
анионную полимеризацию.
Радикальная полимеризация
В качестве инициаторов радикальной полимеризации применяют вещества, способные при термолизе или фотолизе образовывать свободные радикалы, чаще всего это органические перекиси или азосоединения, например:
При нагревании или освещении УФ-светом эти соединения образуют радикалы:
Реакция полимеризации включается в себя три стадии:
Инициирование,
Рост цепи,
Обрыв цепи.
Пример – полимеризация стирола:
Механизм реакции
а) инициирование:
б) рост цепи:
в) обрыв цепи:
Радикальная полимеризация легче всего идет с теми мономерами, у которых образующиеся радикалы стабилизированы влиянием заместителей у двойной связи. В приведенном примере образуется радикал бензильного типа.
Радикальной полимеризацией получают полиэтилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, полистирол и их сополимеры.
Катионная полимеризация
В этом случае активация мономерных алкенов производится протонными кислотами или кислотами Льюиса (BF 3 , AlCl 3 , FeCl 3) в присутствии воды. Реакция идет как электрофильное присоединение по двойной связи.
Например, полимеризация изобутилена:
Механизм реакции
а) инициирование:
б) рост цепи:
в) обрыв цепи:
Катионная полимеризация характерна для винильных соединений с электронодонорными заместителями: изобутилена, бутилвинилового эфира, α-метилстирола.
