反应时间对苯乙烯乳液聚合的影响

反应时间对苯乙烯乳液聚合的影响

一.综述

通过本实验控制单一变量，对比不同反应时间对产率的影响，从而了解乳液聚合的特点，并了解乳液聚合中各组分的作用。最后用乌氏粘度计测定聚苯乙烯的粘均分子量，来表征反应时间对苯乙烯聚合的影响。 1.1 实验原理：

乳液聚合技术的开发起始于本世纪早期，于20年代末期就已有和目前生产配方类似的乳液聚合过程的专利出现。30年代初，乳液聚合方法已见于工业生产。第二次世界大战期间，由于各参战国对合成橡胶需求量剧增，激发了人们对乳液聚合理论与技术的研究和开发，取得了较大进展。现在，乳液聚合过程对商品聚合物的生产具有越来越大的重要性，在许多聚合物如合成橡胶、合成树脂涂料、粘合剂、絮凝剂、抗冲击共聚物等的生产中，乳液聚合己成为主要的方法之一，每年世界上通过乳液聚合方法生产的聚合物数以千万吨计。乳液聚合是由单体和水在乳化剂作用下配制成的乳状液中进行的聚合，体系主要由单体、水、乳化剂及溶于水的引发剂四种基本组分组成。

在乳液聚台体系中，乳化剂以四种形式存在：以单分子的形式存在于水中。形成真溶液；吸附在乳胶粒表面上顺聚合物乳液体系稳定。其次，乳胶粒主要是由胶束形成的，叫作乳胶粒形成的胶束机理。乳液聚合的聚合反应实际上发生在乳胶粒中。因为在乳胶粒表面上吸附了一层乳化剂分子，使其表面带上某种电荷，静电斥力使乳胶粒不能发生相互碰撞而聚并到一起．这样就形成了一个稳定的体系。无数个彼此孤立的乳胶粒稳定地分散在介质中，在每个乳胶粒中都进行着聚合反应，都相当于一个进行间断引发本体聚合的小反应器。而单体珠滴仅仅作为贮存单体的仓库，单体源源不断地由单体珠滴通过水相扩散到乳胶粒中，以补充聚合反应对单体的消耗。根据这一机理故又有人提出：乳液聚合是指在水乳液中

按照胶束机理形成彼此孤立的乳胶粒中，进行烯类单体自由基加成聚合来生产高聚物的一种技术而言。

乳液聚合有其优点：(1)聚合反应速度快，分子量高；（2）聚合热易扩散，聚合反应温度易控制；(3)聚合体系即使在反应后期粘度也很低，因而也适于制备高粘性的聚合物；(4)用水作介质，生产安全及减少环境污染；(4)可直接以乳液形式使用。可同时实现高聚合速率和高分子量。此外，乳液体系的粘度低，易于传热和混合，生产容易控制，所得胶乳可直接使用，残余单体容易除去。缺点是聚合物含有乳化剂等杂质影响制品性能；为得到固体聚合物，还要经过凝聚、分离、洗涤等工序；反应器的生产能力也比本体聚合时低；如果干燥需破乳，工艺较难控制。

尽管乳液聚合过程有上述这些缺点，但是它的可贵而难得的优点，仍决定了它具有很大的工业意义：丁苯橡胶、氯丁橡胶、聚丙烯酸酯、聚氯乙烯、聚醋酸乙烯配、聚四氟乙烯等均可用乳液聚合法进行大规模工业生产。

二．方案设计

2.1影响苯乙烯乳液聚合产率的因素： 反应温度 反应时间 破乳完全程度 搅拌频率 苯乙烯纯度 乳化剂浓度 引发剂浓度

本实验通过控制单一变量的方法，设计四组不同的反应时间，来研究反应时间对苯乙烯乳液聚合产率和分子量的影响。

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2.2高聚物分子量的几种测定方法

表2-1 高聚物分子量测定方法

测定方法 端基滴定 沸点升高 冰点下降 蒸汽压渗透 膜渗透压 光散射 超离心沉降速度 超离心沉降平衡

粘度 凝胶色谱 质谱

分子量范围 3×104以下 3×104以下 3×104以下 3×104以下 3×104－1.5×106 1×104－1×107 1×104－1×107 1×104－1×107 1×104－1×107 1×102－1×107 1×102－1×107

平均值 数均 数均 数均 数均 数均 重均 各种 重均、Z均 粘均 各种 重均

本实验选择粘度法测定聚苯乙烯分子量 2.2.1粘度法测定高聚物分子量的方法

毛细管粘度计测定法、落球式粘度计测定法、旋转式粘度计测定法。 聚苯乙烯的粘度较低，适用毛细管粘度计测定法，故本实验适用毛细管粘度计中的乌氏粘度计测定聚苯乙烯的粘度。

三．实验

3.1苯乙烯乳液聚合 3.1.1实验步骤 （1）安装实验仪器

1-搅拌器 2-冷凝管 3-温度计 4-水浴 5-电炉 6-三口烧瓶

图3-1 实验装置图

（2）三口烧瓶中加入无离子水60ml，过硫酸钾、十二烷基硫酸钠、OP-10，搅

2

拌至混合物溶解，再调节PH=10。

（3）加入苯乙烯，按照以下四组反应时间进行实验：

表3-1 反应时间

组号 1 2 3 4

逐步升温到70-75℃保持0.5h 逐步升温到70-75℃保持0.5h 逐步升温到70-75℃保持1h 逐步升温到70-75℃保持1h

步骤

逐步升温到80-85℃保持0.5h 逐步升温到80-85℃保持1h 逐步升温到80-85℃保持0.5h 逐步升温到80-85℃保持1h

（4）降温后转移至800ml烧杯中冷却至室温，在搅拌下(控制搅拌速度)加入150-200ml食盐水，加热至90-95度产物析出后，停止加热。

（5）加入200ml无离子水稀释搅拌数分钟，冷却后过滤，并用无离子水洗至无氯离子存在为止，将产品至于培养皿中，于80度烘箱中烘至恒重，称重，计算产率，保存待测。 3.1.2主要仪器与药品

250ml三口烧瓶1个；搅拌器1台；球形冷凝管1只；温度计2支；电炉1个；变压器1台；循环水泵1台；吸滤瓶1个；布氏漏斗1个；量筒（100ml,250ml）各1个

无离子水 260ml 苯乙烯 20g 过硫酸钾 0.04g 十二烷基硫酸钠 0.7g 辛基酚聚氧乙烯醚 2.1g 氢氧化钠溶液 食盐水 3.2粘度法测定聚苯乙烯分子量 3.2.1实验步骤

（1）检查每组仪器是否齐全完好，调节水浴温度在30℃±0.1

（2）精确称取0.125g试样，放入容量瓶中，加入约20ml溶剂，放在水浴锅中溶解。

3

（3）夹好粘度计恒温水浴（30℃）中，使G球全部浸没在水面之下，用砂芯漏斗从A管中注入20ml左右溶剂，在30℃±0.1水浴中平衡15分钟。

（4）夹住C管，用注射器从B管讲溶剂抽至G球以上，开启C管，记录液面流经a,b刻线的时间t0，重复三次，误差小于0.2秒、 （5）用水将粘度计洗干净，烘干，放在水浴中平衡。

（6）将容量瓶取出放入水浴中平衡15分钟，用移液管慢慢稀释至25ml。 （7）重复（3）、（4）步骤，测出溶液流经a,b刻线间的时间t1（出现气悬液柱）。

3.2.2实验数据计算方法

根据[η]=KMa，先从手册上查出对应溶剂经验值K、a，再由实验数据，用一点法[η]=

1?1.4?sp?10.7C求特性粘度[η]，其中?sp??r?1，?r?t。带入t0公式即可求得粘均分子量M。 3.2.3主要仪器及药品

乌氏粘度计1支、玻璃恒温水浴、秒表、洗耳球、25ml容量瓶1个、烧杯1个、5ml移液管1支、砂芯漏斗、玻璃棒、天平、培养皿

聚苯乙烯0.5g 甲苯:125ml

四．总结

4.1原始数据

组号 1 2 3 4

培养皿+产物(g)

59.893 57.654 52.533 49.396

培养皿(g) 43.768 39.796 35.429 30.574

4

序号 1 2 3 4.2数据处理 m(苯乙烯)=20g

组号

空白(s) 25.20 25.33 25.36

Ⅰ(s) 53.41 53.42 53.51

Ⅱ(s) 56.79 56.92 56.88

Ⅲ(s) 56.79 56.63 56.65

Ⅳ(s) 59.62 59.67 59.50

1 16.125 80.63

2 17.858 89.29

3 17.104 85.52

4 18.822 94.11

产物质量（g） 产率(%)

C=0.125g/25ml=0.5g/100ml

查手册得在30℃，以甲苯做为溶剂，测定聚苯乙烯的K=7.2x10-3、α=0.72。 根据3.2.2实验数据计算方法得下表数据：

?t

空白 25.30

Ⅰ 53.45 2.11 1.11 1.71 1997.04

Ⅱ 56.86 2.25 1.25 1.88 2270.70

Ⅲ 56.69 2.24 1.24 1.87 2256.81

Ⅳ 59.60 2.36 1.36 2.01 2489.52

?r

?sp

[η] M

4.3实验结果讨论

从最终的数据处理结果可以看出，第一阶段逐步升温到70-75℃保持1h，第二阶段逐步升温到80-85℃保持1h的组别结果产率最大为94.1%，相应所得聚苯乙烯的分子量也是最大的为2489.52。这说明随着反应时间的延长，有助于再进一步聚合，可得到较高的产率和较高的分子量。理论上经乳液聚合所得的聚合物具有较高的分子量，但本实验得到产物的分子量都在两千左右，分子量相对较小，表明聚合时间还不是很充足。为了得到更好的结果，可以考虑再分别延长两段聚合反应的时间。

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参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1qo3.html