У дома > Биология > Напишете уравнение за полимеризацията на полистирола. Емулсионна полимеризация на стирол


Напишете уравнение за полимеризацията на полистирола. Емулсионна полимеризация на стирол




Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

публикувано на http://www.allbest.ru/

Тема: Полимеризация на стирен в емулсия

Целта на работата: да се извърши полимеризация на стирол по емулсионния метод, да се начертае зависимостта на добива на полистирол от времето, да се определи молекулното тегло на полимера по вискозиметричен метод.

Теоретична част

Полимеризацията е процесът на образуване на високомолекулни съединения в резултат на комбинирането на голям брой мономерни молекули в една макромолекула. В този случай мономерните и полимерните молекули имат еднакъв елементен състав. Най-общо реакцията на полимеризация може да бъде представена по следния начин:

метод на полимеризация на стиролова емулсия

където X е заместител. Не отделя никакви странични продукти.

Съединения, съдържащи двойни или тройни връзки, както и карбо- и хетероцикли, могат да влязат в реакцията на полимеризация.

Повечето процеси на полимеризация имат верижен характер и протичат през етапите на започване на веригата, растеж и прекъсване на веригата.

Започването на веригата възниква чрез свързване на активния център към мономерната молекула, което води до хемолитично или хетеролитично разцепване на неговите реактивни връзки. Новообразуваният активен център е активен радикал или йон:

В зависимост от вида на активните центрове, които инициират верижния процес, има радикалени йонниполимеризация.

Растежът на веригата е многократно повторение на актовете на прикрепване на мономерни молекули към активния център в края на веригата, което води до образуването на активен полимер.

Прекратяването на веригата обикновено се случва или в резултат на взаимодействието на две нарастващи вериги (рекомбинация), или в резултат на взаимодействието на нарастваща макромолекула с молекули на примеси или разтворител (верижен трансфер).

Радикална полимеризация

При радикаловата полимеризация активният център е свободен радикал. В зависимост от метода на образуване на радикали (иницииране) може да се разграничи термична полимеризация, фотохимична, радиационна (под действието на гама-лъчи, рентгенови лъчи, ускорени електрони), както и химически инициирана полимеризация, протичаща в присъствието на химически инициатори - съединения, които лесно се разлагат при реакционни условия с образуване на свободни радикали.

Химически инициираната полимеризация е един от най-разпространените методи за радикална полимеризация. Като инициатори се използват пероксиди, хидропероксиди, азо и диазосъединения, редокс системи и др.. Например, разлагането на бензен пероксид протича с образуването на два радикала:

Динитрилът на азобисизомаслената киселина се разлага с освобождаване на азот и също така образува два радикала:

Енергията на активиране на разпада на повечето инициатори е над 120 kJ/mol.

Редокс инициирането често се използва при полимеризацията. Характеристика на това иницииране е ниската енергия на активиране, което ще позволи процесът да се проведе при ниски температури. Пример за такова иницииране е взаимодействието на водороден пероксид с железни соли, което води до образуването на свободни радикали:

Енергията на активиране в редокс системите е средно около 40 kJ/mol.

Реакцията на полимеризация започва с добавянето на свободни радикали към мономерните молекули, което води до образуването на реакционна верига:

Полученото съединение също е свободен радикал и след това реагира с голям брой мономерни молекули, т.е. веригата расте:

По този начин етапът на растеж на веригата се състои от последователна серия от актове на взаимодействие на свободен радикал с мономерни молекули. Скоростта на радикална полимеризация се определя от уравнението

където k p е константата на скоростта на растеж; k е константата на началната скорост; k o - скоростна константа на прекъсване на веригата; [I] - концентрация на инициатора; [M] - концентрация на мономера.

Прекратяването на веригата или прекъсването на веригата обикновено е резултат от взаимодействието на два радикала и възниква или чрез рекомбинация на макрорадикали, или чрез диспропорциониране. По време на рекомбинацията на макрорадикалите се образува една полимерна молекула, която не може да участва в по-нататъшния растеж:

По време на диспропорционирането броят на макромолекулите не се променя.

Прекъсването на веригата може да възникне и в резултат на реакция на прехвърляне на веригата. Прехвърлянето на веригата се осъществява чрез взаимодействие на нарастващи макрорадикали с мономерни, полимерни молекули, както и с примеси или разтворители:

Полученият активен радикал R, реагирайки с мономерни молекули, води до нова верига:

В случай на образуване на неактивен радикал, който не е в състояние да продължи реакционната верига, полимеризацията спира.

Йонна полимеризация

Активните центрове на йонната полимеризация са йони, които образуват йонни двойки в неполярни разтворители. В полярните разтворители се появяват йонни двойки, разделени от солвати, и свободни йони.

В зависимост от природата на катализаторите и заряда на получените йони се разграничават катионна и анионна полимеризация.

Катионна полимеризация

Катионната полимеризация протича под действието на киселини и катализатори на Fidel-Crafts (AlCl 3, BF 3, SnCl 4, FeCl 3 и др.), т.е. вещества, приемащи електрони. В присъствието на вода, киселини, естери и други вещества, които играят ролята на кокатализатор, се образува активен каталитичен комплекс, който инициира реакцията:

Когато този комплекс взаимодейства с мономерна молекула, активен карбониумцентър:

Реакцията на растеж се състои в прикрепването на мономерни молекули към активния карбениев център с регенерирането на този активен център в края на веригата:

Скоростта на растеж се описва с уравнението

където [C] е концентрацията на катализатора.

Катионната полимеризация протича като правило с много висока скорост, което позволява процесът да се извършва при ниски температури. Например, полимеризацията на изобутилен се извършва при t= -100°C в течен етилен.

Прекратяването на веригата възниква като молекулярна реакция с елиминирането на протон от въглеродния атом, съседен на карбениевия йон, и дисоциацията на каталитичния комплекс:

Анионна полимеризация

Анионната полимеризация протича в присъствието на алкални метали, органометални съединения, натриев амид, алкохолати на алкални метали и други електрон-поддържащи съединения. Най-голямо практическо значение има полимеризацията, протичаща под действието на алкални метали или техните алкини.

Полимеризацията на акрилонитрил под действието на калиев амид в течен амоняк се причинява от свободни йони, дължащи се на дисоциацията на амида:

Образуването на въглероден анион възниква, когато амиден йон взаимодейства с мономерна молекула:

Растежът на веригата възниква в резултат на взаимодействието на получения карбанион с мономерната молекула за образуване на нов анион. Прекратяването на веригата става чрез взаимодействие на карбаниона с молекулата на амоняка с регенерирането на амидния йон, т.е. протича верижна трансферна реакция.

Йон-координационна полимеризация

Йон-координационната полимеризация се причинява от комплексни катализатори Ziegler-Natta. Най-често като катализатори се използват органометални алуминиеви съединения и титанови хлориди.

Активни центрове в йонно-координационната полимеризация са органометалните съединения на преходния метал. Те възникват в присъствието на кокатализатор или при взаимодействието на изходните мономери с метални хидридни места на повърхността на катализатора.

Образуването на активно металографско съединение става, както следва:

Растежът на полимерната верига се осъществява чрез въвеждане на мономерна молекула чрез връзка в преходния метал-въглерод:

Етапът на въвеждане на мономерната молекула се предшества от нейната координация върху метала с образуването на нестабилен р-компонент. Поради това се наричат ​​сложни катализатори йонно -координиране. Прекратяването на веригата възниква в резултат на миграцията на водороден атом от въглероден атом към метал с образуването на хидрид на преходен метал и полимерна молекула.

Използването на сложни органометални катализатори за полимеризация води до образуването стереорегулярен полимери. Тези катализатори са високо стереоспецифичност.

2. МЕТОДИ ЗА ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ

В промишлеността полимеризацията се извършва по следните основни начини: в газова фаза, блок (маса), разтвор, емулсия и суспензия.

2.1 Газова полимеризация

Газообразните мономери (етилен, пропилей) претърпяват полимеризация в газова фаза. Процесът се инициира от кислород, който се добавя към мономера в малки количества (0,002 х 0,008 об.%) и се провежда под високо налягане.

Когато етиленът реагира с кислород, се образуват пероксидни или хидропероксилни съединения на етилена:

Нестабилната пероксидна връзка - O - O под въздействието на топлина се разрушава с образуването на би- и монорадикали: OCH 2 -CH 2 O · и CH 2 = CHO ·. Свободните радикали инициират полимеризацията на етилена.

2.2 Масова полимеризация

Масовата полимеризация или масовата полимеризация се извършва в кондензираната фаза в отсъствието на разтворител. В резултат на полимеризацията се образува концентриран разтвор (или стопилка) на полимера в мономера или монолитна твърда маса (блок).

Обикновено блоковата полимеризация се извършва в присъствието на инициатори или термично иницииране. С увеличаване на степента на полимеризация на мономера се увеличава молекулното тегло на средата и нейният вискозитет, което затруднява отстраняването на топлината от реакционната зона. В резултат на това може да възникне локално прегряване на реакционната маса, в резултат на което полимерът се получава с нехомогенна молекулна маса. Следователно блоковата полимеризация се извършва с ниска скорост.

2.3 Полимеризация в разтвор

Има два начина за провеждане на полимеризация в разтвор. Първият метод използва разтворител, който разтваря както мономера, така и полимера. Полученият полимерен разтвор (лак) се използва като такъв или полимерът се изолира. Вторият метод използва разтворител, който разтваря мономера, но не разтваря полимера. Полученият полимер се утаява.

По време на полимеризацията в разтвор отстраняването на топлината, генерирана по време на реакцията, е значително подобрено, но в резултат на реакциите на верижен трансфер през разтворителя, получените полимери имат по-ниско молекулно тегло.

2.4 Емулсионна полимеризация

При емулсионна полимеризация водата обикновено се използва като дисперсионна среда. За стабилизиране на емулсията се използват различни емулгатори (олеати, палмитати и други соли на мастни киселини). Емулсионната полимеризация се извършва в присъствието на водоразтворими инициатори (калиев персулфат, бикарбонатни пирофосфати). Добавят се меркаптани, за да се намали разклоняването на веригата.

За да се създаде рядка емулсия, реакционната смес се разбърква енергично, в резултат на което мономерът се разбива на малки капчици, покрити със слой емулгатор.

Полимеризацията протича в адсорбционните слоеве на емулгатора върху повърхността на полимерно-мономерните частици. Нарастващата макромолекула е центърът, около който се образува латексната частица. Полученият латекс се коагулира чрез въвеждане на електролитен разтвор в системата и утаеният полимер се отделя. В резултат на емулсионна полимеризация се получава полимер с високо молекулно тегло и ниска степен на полидисперсност.

Възможността за използване на емулсионния метод в някои случаи ограничава образуването на голямо количество отпадъчни води, които изискват пречистване от токсични мономери, както и сложността на етапа на сушене на финия полимер. В допълнение, недостатъкът на този метод е замърсяването на полимера с остатъци от емулгатора и други добавки, което влошава неговите електрически свойства.

2.5 Суспензионна полимеризация

Суспензионната полимеризация също се извършва във вода. За повишаване на устойчивостта на получената по-груба емулсия се използват слаби емулгатори - поливинилалкохол, водоразтворими целулозни етери, желатин, глина, алуминиев оксид и др. Използваните инициатори са разтворими в мономера.

Полимеризацията протича в капчици, които по същество са малки блокове, така че тази полимеризация понякога се нарича капкова (гранулирана) полимеризация.

За разлика от емулсионната полимеризация, в този случай няма нужда от коагулация, тъй като получените полимерни гранули се освобождават свободно от водната фаза.

Работен ред

Полимеризацията на стирол чрез емулсионен метод се извършва в лабораторна инсталация, чиято схема е показана на фигура 1.

Полимеризацията на стирен се извършва съгласно рецептата по-долу (в тегловни части):

Стирен 50 гр.

Дестилирана вода 90 мл

Амониев персулфат 0,35 g

Калиев стеарат 2,3 g

Разтвор на емулгатора във вода се приготвя в реакционна колба при 70°С. При добро разбъркване на капки се добавя стирол и след 10-15 минути се добавя инициаторът, разтворен в 10 ml вода. След 30, 60 и 90 минути след въвеждането на инициатора се вземат проби от реакционната маса с пипета точно по 10 ml всяка. Емулсията в пробите се разрушава чрез добавяне на 10 - 15 ml разтвор на NaCl и 2 капки 1N азотна киселина.

Полимерната утайка, образувана при разпадането на емулсията, се филтрира върху предварително претеглен филтър и се промива с вода. Полимерът се суши на въздух до постоянно тегло.

1 - нагревателна мантия; 2 - колба с три гърла; 3 - обратен хладилник; 4 - водно уплътнение; 5 - смесител; 6 - термометър; 7 - LATR

Фигура 1 - Схема на лабораторната постановка

Обработка на експериментални данни

Добивът на полимер във всяка проба се определя от уравнението

където G n е масата на полимера в пробата;

G M е масата на мономера в пробата преди началото на експеримента.

Таблица 1 - Времева зависимост на масата и добива на полимера

Въз основа на получените данни изграждаме зависимостта на добива на полимера от времето

Фигура 2 - Графика на добива на полимер спрямо времето

Определяне на молекулното тегло на полимера

Молекулното тегло на получения полистирол се определя по вискозиметричен метод. За да направите това, от изсушената трета проба се вземат три претеглени части от полимера с тегло 0,1; 0,2 и 0,3 g и всеки разтворен в 20 ml толуен.

За определяне на молекулното тегло се използва стъклен вискозиметър с два риска. Последователно се определя времето на изтичане на 20 ml чист толуен и полимерни разтвори, в реда на нарастване на концентрацията на полимера, между горната и долната маркировка.

Определянето на времето на изтичане се повтаря три пъти за всяка проба и се определя средната стойност на времето.

Таблица 2 - време на изтичане на полимера и чист толуен.

Получените стойности на времето на изтичане на чист толуен и три разтвора се използват при изчисленията. Определете относителния вискозитет на всеки разтвор по формулата:

където t е времето на изтичане на полимерния разтвор;

t o - времето на изтичане на чистия разтворител.

Специфичен вискозитет:

Намален вискозитет:

където С е концентрацията на полимера в разтвор (g/100 ml разтворител).

Да намерим концентрациите:

Замествайки в уравнението, получаваме:

След като се определи намаленият вискозитет за всеки разтвор, се начертава зависимостта на намаления вискозитет от концентрацията на полимера. Екстраполирайки получената зависимост до нулева концентрация на полимера, се получава характеристиченвискозитет.

Пример за начертаване на графичната зависимост на намаления вискозитет от концентрацията на полимера и определяне на вътрешния вискозитет е показан на фигура 3.

Таблица 3 - Вискозитети за три проби

публикувано на http://www.allbest.ru/

Фигура 3 - Определяне на присъщия вискозитет

За определяне на молекулното тегло на полимер се използва уравнението на Mar-ka-Hooving:

Въз основа на уравнението за пряка зависимост на вискозитета на полимерния разтвор от концентрацията, виждаме = 1.2767, а за системата полистирол-толуен при температура 25 ° C константите имат следните стойности: a = 0.69, К = 1,7 · 10 -4. Замествайки, получаваме:

М = 413875.3 g/mol

В хода на тази работа се извършва полимеризация на стирен по емулсионния метод, начертава се зависимостта на добива на полистирол от времето и се определя молекулното тегло на полимера по вискозиметричен метод: М = 413875,3 g / mol.

Като препоръка за процеса може да се вземе предвид, че е необходима промяна в конструкцията на смесителния елемент за образуване на по-фина емулсия, което ще доведе до по-добро производство на продукти от реакцията на полимеризация на стирен.

Необходимо е да се използва по-модерен нагревател за прецизен контрол на температурата на процеса и най-добър изход на процеса към режима.

Хоствано на Allbest.ru

Подобни документи

    Концепцията и значението на полимеризацията, характеристиките на етапите на този процес на примера на радикален механизъм. Същността и преглед на методите за производство на полистирол, неговите физични и химични свойства като вещество. Анализ на областите на приложение и технологията на обработка.

    презентация, добавена на 17.11.2011 г

    Характеристика на методите за получаване на политетрафлуоретилен: емулсия, радиация, суспензионна полимеризация, фотополимеризация. Кинетика и механизъм на суспензионна полимеризация на тетрафлуоретилен във вода, зависимост на неговата плътност от молекулното тегло.

    курсова работа, добавена на 13.12.2010 г

    Молекулно тегло и влияние на степента на полимеризация на целулозата върху отделните етапи на технологичния процес за получаване на изкуствени влакна и филми. Химични и физико-химични методи за определяне степента на полимеризация на целулозата и нейното молекулно тегло.

    резюме, добавено на 28.09.2009 г

    Практически методи за осъществяване на процеса на полимеризация, принципите за избор на инициатор и стабилизатор. Иновации в производството на суспензионен полистирол. Характеристики на суровините, полуфабрикатите и готовите продукти. Норми на технологичния режим.

    курсова работа, добавена на 25.01.2014 г

    "Жива" контролирана радикална полимеризация. Характеристики на получения полимер. Признаци на полимеризация, протичаща по контролиран начин. Метод на диаграмата на Фишер. Радикална "жива" полимеризация на хидрофилни мономери. Анализ на продукти от термолиза.

    дисертация, добавена на 17.10.2013 г

    Изследване на основните реакции, които определят образуването на молекулната верига на полиизопрена, и тяхната количествена оценка. Участие на мономерни молекули и ненаситени фрагменти от полиизопрен в определяне на концентрацията на активните центрове по време на полимеризация.

    резюме, добавено на 18.03.2010 г

    Аналитичен преглед на методите за производство на поливинилхлорид. Физически и химични основи на производството на винилхлорид. Производство на поливинилхлорид чрез блокова полимеризация. Емулсионна полимеризация на винилхлорид. Суспензионна полимеризация на винилхлорид.

    резюме, добавено на 24.05.2012 г

    Изследване на полимеризацията на диацетиленови мономери, полимеризиращи само в кристално състояние с образуване на полимери, състоящи се от удължени вериги с конюгирани връзки. Термична полимеризация и полимеризация под въздействието на Y лъчение.

    резюме, добавено на 22.02.2010 г

    Практическа реализация на емулсионна полимеризация и съполимеризация на акрилни мономери, скорост и кинетика на реакцията, влияещи фактори. Методът за предварително създаване на концентрирана емулсия, образуването на микроемулсия и анализ на нейната дисперсност.

    статия, добавена на 22.02.2010 г

    Концепцията и общата характеристика на полистирола, характеристиките на неговата химична структура, физични свойства и приложения. Методът за получаване на това съединение, използваните суровини и технологичният процес на производство. Етапи на полимеризация.

Полистиролът заема специално място в голямо разнообразие от полимерни материали. От този материал се произвеждат огромен брой различни пластмасови изделия както за битови, така и за промишлени цели. Днес ще се запознаем с формулата на полистирола, неговите свойства, методи за получаване и насоки за употреба.

основни характеристики

Полистиролът е синтетичен полимер, принадлежащ към класа на термопластите. Както подсказва името, това е продукт на полимеризация на винилбензен (стирен). Това е твърд стъклен материал. Общата формула за полистирол е следната: [CH 2 CH (C 6 H 5)] n. В съкратена версия изглежда така: (C 8 H 8) n . По-често срещана е съкратената формула на полистирола.

Химични и физични свойства

Наличието на фенолни групи във формулата на структурната единица на полистирола предотвратява подреденото разположение на макромолекулите и образуването на кристални структури. В това отношение материалът е твърд, но крехък. Това е аморфен полимер с ниска механична якост и висока пропускливост на светлина. Произвежда се под формата на прозрачни цилиндрични гранули, от които чрез екструзия се получават необходимите продукти.

Полистиролът е добър диелектрик. Разтворим е в ароматни въглеводороди, ацетон, естери и собствен мономер. Полистиролът е неразтворим в нисши алкохоли, феноли, алифатни въглеводороди и етери. Когато веществото се смеси с други полимери, възниква "омрежване", в резултат на което се образуват съполимери на стирол, които имат по-високи структурни качества.

Веществото има ниска абсорбция на влага и устойчивост на радиоактивно облъчване. Той обаче се разрушава от действието на ледената оцетна и концентрирана азотна киселина. Когато е изложен на ултравиолетови лъчи, полистиролът се влошава - на повърхността се образуват микропукнатини и жълтеникавост и се увеличава неговата крехкост. Когато дадено вещество се нагрее до 200 °C, то започва да се разлага с отделяне на мономер. В този случай, започвайки от температура от 60 ° C, полистиролът губи своята форма. При нормални температури веществото не е токсично.

Основните свойства на полистирола:

  1. Плътност - 1050-1080 kg / m 3.
  2. Минималната работна температура е 40 градуса под нулата.
  3. Максималната работна температура е 75 градуса по Целзий.
  4. Топлинна мощност - 34*10 3 J/kg*K.
  5. Топлопроводимост - 0,093-0,140 W / m * K.
  6. Коефициент на термично разширение - 6 * 10 -5 Ohm cm.

В промишлеността полистиролът се получава чрез радикална полимеризация на стирол. Съвременните технологии позволяват този процес да се извърши с минимално количество нереагирало вещество. Реакцията на получаване на полистирол от стирол се извършва по три начина. Нека разгледаме всеки от тях поотделно.

Емулсия (PSE)

Това е най-старият метод за синтез, който никога не е бил широко използван промишлено. Емулсионният полистирол се получава в процеса на полимеризация на стирол във водни разтвори на основи при температура 85-95 ° C. За тази реакция са необходими следните вещества: вода, стирен, емулгатор и инициатор на процеса на полимеризация. Стиренът се отстранява предварително от инхибиторите (хидрохинон и трибутил пирокатехол). Инициаторите на реакцията са водоразтворими съединения. По правило това е калиев персулфат или водороден диоксид. Като емулгатори се използват алкали, соли на сулфонови киселини и соли на мастни киселини.

Процесът е както следва. В реактора се излива воден разтвор на рициново масло и се добавя стирол при старателно разбъркване заедно с инициаторите на полимеризация. Получената смес се загрява до 85-95 градуса. Мономерът, разтворен в сапунените мицели, идващ от капките на емулсията, започва да полимеризира. Така се получават полимерно-мономерни частици. По време на 20% от времето за реакция мицеларният сапун преминава към образуването на адсорбционни слоеве. Освен това процесът преминава вътре в полимерните частици. Реакцията е завършена, когато съдържанието на стирен в сместа е приблизително 0,5%.

След това емулсията навлиза в етапа на утаяване, което позволява да се намали съдържанието на остатъчен мономер. За целта се коагулира със солен разтвор (маса) и се изсушава. Резултатът е прахообразна маса с размер на частиците до 0,1 mm. Остатъкът от алкалите влияе върху качеството на получения материал. Невъзможно е напълно да се премахнат примесите и тяхното присъствие причинява жълтеникав оттенък на полимера. Този метод позволява да се получи продукт на полимеризация на стирен с най-високо молекулно тегло. Така полученото вещество има обозначението PSE, което периодично може да се намери в технически документи и стари учебници по полимери.

Окачване (PSS)

Този метод се осъществява по периодична схема, в реактор, оборудван с бъркалка и топлоотвеждаща риза. За да се получи стирен, той се суспендира в химически чиста вода, като се използват стабилизатори на емулсия (поливинилов алкохол, натриев полиметакрилат, магнезиев хидроксид), както и инициатори на полимеризация. Процесът на полимеризация протича под налягане, с постоянно повишаване на температурата, до 130°C. Резултатът е суспензия, от която чистият полистирен се отделя чрез центрофугиране. След това веществото се измива и изсушава. Този метод също е отхвърлен. Подходящ е главно за синтеза на стиренови съполимери. Използва се главно в производството на експандиран полистирол.

Блок (PSM)

Получаването на полистирол с общо предназначение в рамките на този метод може да се извърши по две схеми: пълно и непълно преобразуване. Термичната полимеризация по непрекъсната схема се извършва на система, състояща се от 2-3 последователно свързани колонни апарата-реактори, всеки от които е снабден с бъркалка. Реакцията се провежда на етапи, като температурата се повишава от 80 до 220 °C. Когато степента на превръщане на стирола достигне 80-90%, процесът спира. При метода на непълна конверсия степента на полимеризация достига 50-60%. Остатъците от нереагиралия стиренов мономер се отстраняват от стопилката чрез вакуум, като съдържанието му се довежда до 0,01-0,05%. Полистиролът, получен по блоковия метод, се характеризира с висока стабилност и чистота. Тази технология е най-ефективна и защото практически няма отпадъци.

Приложение на полистирол

Полимерът се произвежда под формата на прозрачни цилиндрични гранули. Те се превръщат в крайни продукти чрез екструзия или леене, при температура 190-230 °C. Голям брой пластмаси се произвеждат от полистирен. Той получи разпространение поради своята простота, ниска цена и широка гама от марки. От веществото се получават много предмети, които са станали неразделна част от нашето ежедневие (детски играчки, опаковки, съдове за еднократна употреба и др.).

Полистиролът се използва широко в строителството. От него се произвеждат топлоизолационни материали - сандвич панели, плочи, неподвижен кофраж и др. В допълнение, от това вещество се произвеждат довършителни декоративни материали - таванни багети и декоративни плочки. В медицината полимерът се използва за производството на инструменти за еднократна употреба и някои части в системи за кръвопреливане. Експандираният полистирол се използва и в системи за пречистване на вода. Хранително-вкусовата промишленост използва тонове опаковъчен материал, изработен от този полимер.

Има и удароустойчив полистирол, чиято формула се променя чрез добавяне на бутадиен и стирен-бутадиен каучук. Този тип полимер представлява повече от 60% от общото производство на полистиролова пластмаса.

Поради изключително ниския вискозитет на веществото в бензена могат да се получат подвижни разтвори при пределни концентрации. Това води до използването на полистирол като част от един от видовете напалм. Той играе ролята на сгъстител, в който с увеличаване на молекулното тегло на полистирола зависимостта вискозитет-температура намалява.

Предимства

Белият термопластичен полимер може да бъде отличен заместител на PVC пластмаса, а прозрачният - за плексиглас. Веществото придоби популярност главно поради своята гъвкавост и лекота на обработка. Той е перфектно оформен и обработен, предотвратява загубата на топлина и, което е важно, има ниска цена. Поради факта, че полистиролът може да пропуска светлина добре, той се използва дори при остъкляване на сгради. Невъзможно е обаче да се постави такова остъкляване от слънчевата страна, тъй като веществото се влошава под въздействието на ултравиолетова радиация.

Полистиролът отдавна се използва за производство на пяна и подобни материали. Топлоизолационните свойства на полистирола в разпенено състояние позволяват използването му за изолация на стени, подове, покриви и тавани, в сгради с различно предназначение. Благодарение на изобилието от изолационни материали, начело с полистиролова пяна, обикновените хора знаят за веществото, което обмисляме. Тези материали са лесни за използване, устойчиви на гниене и агресивни среди, както и отлични топлоизолационни свойства.

недостатъци

Както всеки друг материал, полистиролът има недостатъци. На първо място, това е несигурността на околната среда (говорим за липсата на безопасни методи за изхвърляне), крехкостта и опасността от пожар.

Рециклиране

Самият полистирол не представлява опасност за околната среда, но някои продукти, получени от него, изискват специална обработка.

Отпадъчният материал и неговите съполимери се натрупват под формата на остарели продукти и промишлени отпадъци. Рециклирането на полистиролови пластмаси се извършва по няколко начина:

  1. Изхвърляне на промишлени отпадъци, които са силно замърсени.
  2. Преработка на технологични отпадъци чрез леене, екструдиране и пресоване.
  3. Изхвърляне на износени продукти.
  4. Изхвърляне на смесени отпадъци.

Вторичното използване на полистирол ви позволява да получавате нови висококачествени продукти от стари суровини, без да замърсявате околната среда. Една от обещаващите области на преработката на полимери е производството на полистиролбетон, който се използва в строителството на нискоетажни сгради.

Продуктите от разграждане на полимера, образувани по време на термично разграждане или термично-окислително разграждане, са токсични. По време на обработката на полимера могат да се отделят пари от бензен, стирен, етилбензен, въглероден оксид и толуен чрез частично разграждане.

Изгаряне

При изгаряне на полимера се отделят въглероден диоксид, въглероден оксид и сажди. Като цяло уравнението на реакцията за изгаряне на полистирол изглежда така: (C 8 H 8) n + O 2 \u003d CO 2 + H 2 O. Изгарянето на полимер, съдържащ добавки (компоненти, които повишават якостта, багрила и др. .) води до отделянето на редица други вредни вещества.

Блок полистиренът се произвежда чрез полимеризация в насипно състояние. Сега широко се използва полимеризацията на стирол в маса (блок). Може да се извърши в присъствие и отсъствие на инициатора.

инициатори на полимеризацияно обикновено са бензоил пероксид, динитрил на азобисизомаслената киселина и др. Продуктите на разлагането на инициаторите са част от макромолекулите на полистирола, в резултат на което не е възможно да се получи полистирол с високи диелектрични стойности по този метод.

В промишлеността, за получаване на полистирол с висока чистота, полимеризацията се извършва без инициатор (термична полимеризация).

Кинетиката на радикалната полимеризация на стирен до дълбоки конверсии е проучена много по-пълно от кинетиката на полимеризацията на други мономери. Това дава възможност много точно да се изчисли температурният режим на полимеризация, за да се получи полистирол с желаните свойства.

Термична полимеризация на стирен до пълно преобразуванемономер непрекъснат начинв апарати от колонен тип без разбъркване (принципът на "идеалното" изместване) понастоящем не се използва, тъй като този процес има редица сериозни недостатъци. Основните недостатъци на технологичния процес на полимеризация на стирен в насипно състояние с пълно превръщане на мономера са неговата голяма продължителност, необходимостта от провеждане на процеса при високи температури. (200-230 °С)в крайните етапи за постигане на висока конверсия (99%), както и получаване на полимер с ниско молекулно тегло (Фигура 1) и широко разпределение на молекулното тегло. В допълнение, с дълбочината на преобразуване, вискозитетът на реакционната маса се увеличава значително, достигайки до края на процеса 1 10 3 – 1 10 4 Pa ​​s. Провеждане на термична полимеризация на стирен до непълно преобразуване на мономера (80-95%)в каскада от апарати с разбъркване (принципът на "идеалното" смесване) и отстраняването на остатъчния мономер позволява реакцията да се проведе при по-ниски температури (140-160 °С)и получават полистирол от по-тясно разпределение на молекулното тегло. Това осигурява значително интензифициране на процеса и производството на по-висококачествен полистирен.

Промишлени процеси за полимеризация на стирен до непълно превръщане на мономераса разработени с помощта на методи за математическо моделиране.

Първата стъпка в моделирането на процеса е математическо описание (модел) на реакцията на термична полимеризация на стирен. За изчисляване на промишлените процеси не може да се използва пълен кинетичен модел, а зависимостта на общата скорост на реакцията от преобразуването.

За полистирол в обхвата на работа температури 110-150 °Смолекулното тегло на полимера зависи само от температурата и не зависи от степента на превръщане на мономера:

Вторият етап от моделирането на процеса е математическото описание на реакторите за провеждане на полимеризационни процеси. Той съдържа описание на свойствата на реакционната среда и условията на топлообмен в реактора.

Свойствата на реакционната среда включват:

  • вискозитет,
  • топлопроводимост,
  • топлинен капацитет,
  • налягане на парите над полимерния разтвор.

Характеристика на полимеризацията на стирола е висок вискозитет на реакционната среда, който се колебае в реакторите от 1 преди 1 10 3 Pa s.

За да се осигури даден топлообмен в реакторите, се използват миксери от определен тип и се изчисляват разходите за мощност за смесване. При преобразуване в 40% и вискозитет на реакционната среда до 10 Pa sПриложи листови бъркалки(в първия реактор), при по-високи вискозитети стават изгодни спирални (лентови) смесители.

Един от основните проблеми при полимеризацията в изотермичен реактор е разсейване на топлината. Висока интензивност на процеса на полимеризация на стирола може да се постигне чрез отстраняване на топлината чрез изпаряване и връщане на мономера към полимеризация. В допълнение, частичното отвеждане на топлината се извършва през кожуха на апарата. Необходимата температурна разлика между реакционната маса и охлаждащата течност в кожуха на реактора се определя от уравнението на топлинния баланс

Q E + Q N - Q BX -Q X \u003d 0

където Q e- топлина на екзотермична реакция; Qn- отделена топлина при работа на смесителя; QBX- топлина, изразходвана за нагряване на входния поток на реакционната среда; Qx- отвеждане на топлина през стената на реактора.

За да се осигури стабилен режим в реактора, трябва да се спазва следното условие: промяната в отвеждането на топлина в зависимост от температурата трябва да става по-бързо от промяната в отделянето на топлина.

След определяне на условията за стабилна работа на реакторите се решава въпросът за възможността за тяхното управление и избора на подходящи средства за автоматично управление.

Понастоящем блокова полимеризация на стирендо непълно превръщане на мономера в полимер се извършва в каскада от реактори с разбъркване съгласно два варианта:

  • при липса на разтворители;
  • с помощта на разтворители.

производство блок полистирол с общо предназначениеизвършва се в присъствието на етилбензен (15-20%), чието присъствие в процеса улеснява отделянето на топлина, работата на оборудването, особено на помпите, поради намаляване на вискозитета на реакционната маса, както и контрола на процеса като дупка.

По-долу са дадени описания на технологичните процеси за получаване на блок полистирол с общо предназначение.

Производство на блок полистирен с общо предназначение до частично превръщане на мономера в каскада от реактори с разбъркване

Най-широко използвана е технологичната схема за производство на блоков полистирол с общо предназначение в каскада от два реактора с разбъркване. Процесът включва етапи:

  • подготовка на първоначален стирен,
  • полимеризация на стирол в реактори от 1-ви и 2-ри етап,
  • отстраняване и коригираненереагирал мономер,
  • боядисване на полистирен в стопилка,
  • гранулиране на полистирол,
  • пакетиране и опаковане на полистиренови гранули.

Схемата за производство на блок полистирен в каскада от реактори с разбъркване е показана на фигура 1.

от контейнери 1стиролът се подава непрекъснато от дозираща помпа Реактор 1-ви етап, представляващ вертикален цилиндричен апарат с конично дъно с вместимост 16 m 3 . Реакторът е оборудван с листова бъркалка със скорост от 30-90 оборота в минута. Полимеризация в реактор 1-ва степен 2работи при температура 110-130 °Спреди реализации 32-45%в зависимост от марката на продукта. Отстраняването на излишната топлина от реакцията става поради изпаряването на част от стирола от реакционната маса.

Реактор 2-ра степен 3 подобен по дизайн и размери на реактора от 1-ва степен, но оборудван с лентова бъркалка със скорост от 2-8 оборота в минута. Това осигурява ефективно смесване на високо вискозни реакционни среди. Полимеризацията в реактора от 2-ри етап протича до 75-88%коефициенти на преобразуване при температура 135-160 °Св зависимост от степента на получения полимер.

Разтвор на полистирен в стирол от реактор 2-ра степен помпа за разтоварване 5служил в вакуумна камера 6през тръба, нагрята с пара при налягане най-малко 2,25 MPa. В същото време се случва преполимеризациястирен до 90% процент на реализация.

Влиза стопилката от полистирол вакуумна камера 6с температура 180-200 °С. В тръбата на прегревателя на вакуумната камера стопилката от полистирол се нагрява до 240°Cи постъпва в куха камера с обем 10 m 3 с остатъчно налягане 2,0-2,6 kN/m 2 . Когато това се случи, изпаряването на стирола от стопилката и съдържанието на остатъчен мономер се намалява до 0,1-0,3%. Парите на стирола се изпращат за регенерация и след това се връщат обратно капацитет 1.

Полистирол се стопи от вакуумни камери 6отива екструдер 7и за гранулиране.

При получаване на полистирол с общо предназначение в присъствието на етилбензен, последният е в затворен цикъл, смесен със стирен. Обемът на излишната топлина на реакцията в устройствата се осъществява чрез изпаряване под вакуум на част от стирен и етилбензен. Изпарената смес кондензира и се връща в реакционната зона. За поддържане на нормалната работа на бъркалките в полимеризаторите непрекъснато се следи вискозитета на реакционната маса. Определеният вискозитет се поддържа автоматично чрез промяна на подаването на смес от стирен и етилбензен.

И двата полимеризатора работят под вакуум, температурата на процеса варира при 115-135 °Си 140-160 °Ссъответно. Съдържание на полимер в Реактор 1-ви етапдостига 30-40% , в реактор на 2-ри етап - 65-70%.Разтворът съдържа 15-20% етилбензен. От реактора на 2-ри етап полимерният разтвор навлиза в изпарителя, в който се поддържа вакуум (остатъчно налягане около 2,6 kPa). Парите на стирен и етилбензен се отстраняват, а полимерната стопилка се събира в долната част на изпарителя, откъдето 200-230 °Сизпратени за оцветяване и гранулиране.

Парите от стирен и етилбензен от изпарителя влизат в скрубера за почистване, след което кондензират и се връщат в оригиналния контейнер със стирен и етилбензен.

По този начин технологичната схема за производство на блок полистирол с общо предназначение, използвайки етилбензен в процеса, се различава от технологичната схема, показана на фигура 1, само скрубери кондензатор на парите на стирол и етилбензен.

Сравнителна оценка на блоковата полимеризация на стирен с пълно и непълно преобразуване на мономера

Методът на блокова полимеризация на стирен с непълна мономерна конверсия има редица предимства пред метода на блокова полимеризация с пълна конверсия на стирен:

1) производителността на полимеризационния блок се увеличава повече от 2 пъти поради намаляването на продължителността на полимеризацията, което води до намаляване на капиталовите инвестиции и разходите за енергия;

2) хардуерният дизайн ви позволява да регулирате технологичните параметри на процеса и да получавате продукти с различно качество в зависимост от изискванията на потребителя;

3) полистиренът, напускащ вакуумната камера, съдържа по-малко остатъчен мономер (до 0,2%), отколкото продуктът, напускащ колоната с пълно превръщане на мономера (0,5%).

Въпреки това, когато процесът се извършва с непълно превръщане на мономера, отпадъчните продукти са неизбежни - кондензати за отстраняване на стирен. При реализиране на мащабно производство се налага използването на отстраняващи кондензати. При общ производствен капацитет от 100-120 хил. тона/година полистирен се получават около 10-12 хил. тона/година стрипинг кондензат.

Оползотворяването на стрипинг кондензатите се извършва в две направления:

1) пречистване на стрипинг кондензати за получаване на стирен със стандартна чистота (ректификация);

2) полимеризация на дестилирани кондензати за получаване на полистирол с малко по-лошо качество, но който може да се използва за производството на по-малко критични продукти. В бранша се развиват и двете направления.

Библиография:
Зубакова LB, Tvelika AS, Davankov AB Синтетични йонообменни материали. М., Химия, 1978. 183 с.
Saldadze K M., Valova-Kopylova VD Комплексообразуващи йонообменници (комплексити). М., Химия, 1980. 256 с.
Казанцев Е. Я., Пахолков В. С., Кокошко 3. / О., Чупахин О. Я. Йонообменни материали, техният синтез и свойства. Свердловск. Изд. Уралски политехнически институт, 1969. 149 с.
Самсонов Г. В., Тростянская Е. Б., Елкин Г. Е. Йонообмен. Сорбция на органични вещества. Л., Наука, 1969. 335 с.
Тулупов PE Стабилност на йонообменни материали. М., Химия, 1984. 240 с. Полянски Я. Г. Катализа от йонити. М., Химия, 1973. 213 с.
Cassidy G. Dzh.u Kun K A. Редокс полимери. М., Химия, 1967. 214 с. Hernig R. Хелатиращи йонообменници. М., Мир, 1971. 279 с.
Tremillon B. Разделяне върху йонообменни смоли. М., Мир, 1967. 431 с.
Ласкорин Б. Я., Смирнова Я. М., Гантман М. Я. Йонообменни мембрани и тяхното приложение. Москва, Госатомиздат, 1961. 162 с.
Егоров Е. В., Новиков П. Д. Ефект на йонизиращо лъчение върху йонообменни материали. М., Атомиздат, 1965. 398 с.
Егоров Е. В., Макарова С. Б. Йонообмен в радиохимията. М., Атомиздат,

Задача 449 (ш)
Как се произвежда стирен в промишлеността? Дайте схемата на неговата полимеризация. Начертайте линейни и триизмерни структури на полимери, като използвате диаграми.
Решение:

Получаване и полимеризация на стирен


Повечето стирен(около 85%) в индустрията получават дехидрогениране м етилбензенпри температура 600-650°C, атмосферно налягане и се разрежда с прегрята водна пара 3-10 пъти. Използват се оксидни желязо-хромови катализатори с добавка на калиев карбонат.

Другият индустриален метод, чрез който се получават останалите 15% е чрез дехидратация. метилфенилкарбинол, образуван по време на производството на пропилей оксид от етилбензен хидропероксид. Етилбензен хидропероксидът се получава от етилбензен чрез некаталитично окисление на въздуха.

Схема на анионоидна полимеризация на стирол:

Полистирен- термопластичен аморфен полимер с формула:

[CH 2 \u003d C (C 6 H 5) H] н------------> [-CH 2 - C (C 6 H 5) H -] n
стирен полистирен

Полимеризация на стиролвъзниква под действието на натриеви или калиеви амиди в течен амоняк.

Полимерни структури:

Особеност линейни и разклонени полимери- липса на първични (химични) връзки между макромолекулни вериги; между тях действат специални вторични междумолекулни сили.

Линейни полимерни молекули:

Разклонени линейни молекули:

Ако макромолекулни веригиса свързани помежду си чрез химични връзки, които образуват поредица от напречни мостове (триизмерна рамка), тогава структурата на такава сложна макромолекула се нарича пространствена. Валентните връзки в пространствените полимери се разминават произволно във всички посоки. Сред тях има полимери с рядко подреждане на напречни връзки. Тези полимери се наричат ​​мрежови.

Триизмерни структури на полимери:

Мрежова структура на полимера:

Полистирен

Ориз. 1. Линейна структура на полистирола

Полиорганосилоксан

Ориз. 2. Триизмерна структура на полиорганосилоксан

Синтетични полимери

През ХХ век появата на синтетични високомолекулни съединения - полимери - е техническа революция. Полимерите се използват широко в различни практически области. Въз основа на тях бяха създадени материали с нови, в много отношения необичайни свойства, значително превъзхождащи познатите досега материали.

Полимерите са съединения, чиито молекули се състоят от повтарящи се единици - мономери.

известен естествени полимери . Те включват полипептиди и протеини, полизахариди, нуклеинови киселини.

Синтетични полимери получен чрез полимеризация и поликондензация (виж по-долу) на мономери с ниско молекулно тегло.

Структурна класификация на полимерите

а) линейни полимери

Имат линейна верижна структура. Имената им произлизат от името на мономера с добавянето на префикса поли-:

б) мрежови полимери:

в) свързани в мрежа триизмерни полимери:

Съполимеризацията на различни мономери дава съполимери . Например:

Физикохимичните свойства на полимерите се определят от степента на полимеризация (стойност n) и пространствената структура на полимера. Те могат да бъдат течности, смоли или твърди вещества.

Твърдите полимери се държат различно при нагряване.

Термопластични полимери- при нагряване се топят и след охлаждане приемат произволна форма. Това може да се повтаря неограничен брой пъти.

Термореактивни полимери- Това са течни или пластични вещества, които при нагряване се втвърдяват в дадена форма и не се стопяват при допълнително нагряване.

Реакции на образуване на полимер полимеризация

Полимеризация е последователното прикрепване на мономерни молекули към края на нарастваща верига. В този случай всички мономерни атоми са част от веригата и нищо не се освобождава по време на реакцията.

За да започне реакцията на полимеризация, е необходимо да се активират мономерните молекули с помощта на инициатор. В зависимост от вида на инициатора има

    радикален

    катионни и

    анионна полимеризация.

Радикална полимеризация

Като инициатори на радикална полимеризация се използват вещества, способни да образуват свободни радикали по време на термолиза или фотолиза, най-често това са органични пероксиди или азо съединения, например:

При нагряване или осветяване с ултравиолетова светлина тези съединения образуват радикали:

Реакцията на полимеризация включва три етапа:

    посвещение,

    растеж на веригата,

    Скъсване на веригата.

Пример е полимеризацията на стирен:

механизъм на реакция

а) започване:

б) растеж на веригата:

в) отворена верига:

Радикалната полимеризация протича най-лесно с тези мономери, в които получените радикали са стабилизирани чрез влиянието на заместителите при двойната връзка. В дадения пример се образува радикал от бензилов тип.

При радикална полимеризация се получават полиетилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, полистирен и техните съполимери.

Катионна полимеризация

В този случай активирането на мономерни алкени се извършва с протонни киселини или киселини на Люис (BF3, AlCl3, FeCl3) в присъствието на вода. Реакцията протича като електрофилно добавяне към двойната връзка.

Например полимеризацията на изобутилен:

механизъм на реакция

а) започване:

б) растеж на веригата:

в) отворена верига:

Катионната полимеризация е типична за винилови съединения с електронодонорни заместители: изобутилен, бутилвинил етер, α-метилстирен.