苯乙烯悬浮聚合的实验探索

唐晓红，王 瑾，郑会勤，李成未，李 永

(河南教育学院化学系，河南 郑州 450046)

在苯乙烯悬浮聚合过程中，引发剂用量[1]、悬浮剂[2]用量、搅拌速度[3]与反应温度[4]对珠体的粒度分布影响很大，若控制不当，容易引起粒料的粘结，甚至粘结成块，影响单体聚合[5～11]。

为了保证苯乙烯悬浮聚合教学实验开设成功，作者考察了引发剂用量、悬浮剂用量、搅拌速度与反应温度对苯乙烯悬浮聚合反应的影响，以期获得最佳的悬浮聚合实验条件。

1 实验

1.1 试剂与仪器

苯乙烯单体、过氧化二苯甲酰(BPO)、0.3%聚乙烯醇(PVA)、去离子水。

三口烧瓶(350 mL)、球形冷凝管、水浴锅、搅拌马达与搅棒、温度计(100 ℃)、量筒(100 mL)、锥形瓶(100 mL)、布氏漏斗和抽滤瓶。

1.2 苯乙烯的悬浮聚合

苯乙烯的悬浮聚合反应装置如图1所示。

1.搅拌装置 2.四氟塞 3.温度计 4.回流冷凝管 5.三口烧瓶

将0.2～0.5 g BPO和16 mL苯乙烯加入100 mL锥形瓶中，轻轻摇动至溶解后加入350 mL三口烧瓶中，再用6～9 mL 0.3% PVA溶液和130 mL去离子水冲洗锥形瓶与量筒后加入250 mL三口烧瓶中，开始搅拌加热；在0.5 h内，将温度慢慢升至80～95 ℃，并保持此温度聚合反应1.5 h，用吸管吸取少量反应液于盛有冷水的表面皿中观察，若聚合物变硬即可结束反应；反应液冷却至室温，过滤分离，用去离子水反复洗涤，在50 ℃烘箱中干燥，称重，计算产率。

2 结果与讨论

2.1 引发剂用量的影响

固定苯乙烯用量为16 mL、去离子水用量为130 mL、0.3%聚乙烯醇溶液用量为7 mL、搅拌速度为300 r·min-1、反应温度为87 ℃，考察引发剂BPO的用量对聚合反应的影响,结果见表1。

由表1可以看出，随着引发剂BPO用量的增加，聚合物颗粒变大、反应时间缩短。其原因是：增加引发剂用量，可参与反应的自由基浓度增大，反应速率加快，使得单体的聚合中心增长加快，从而有利于颗粒直径和沉淀聚合物浓度的增大，产生较大的珠体粒子。综合考虑聚合物颗粒大小及产率，选择引发剂用量以0.3 g为宜。

表1 引发剂用量对聚合反应的影响

2.2 悬浮剂用量的影响

固定苯乙烯用量为16 mL、去离子水用量为130 mL、BPO用量为0.3 g、搅拌速度为300 r·min-1、反应温度为87 ℃，考察悬浮剂0.3%聚乙烯醇溶液用量对聚合反应的影响，结果见表2。

表2 悬浮剂用量对聚合反应的影响

由表2可以看出，悬浮剂0.3%聚乙烯醇(PVA)用量为8 mL时，聚苯乙烯颗粒较小且分布均匀、透明度较好；继续增加PVA用量时，聚苯乙烯颗粒明显减小。这是因为，在悬浮聚合中，悬浮剂用量过低，将使分散体系不稳定，聚合物微球容易发生粘结；随着悬浮剂用量的增加，聚合物微球粒子周围的悬浮剂浓度增大，从而对粒子的凝聚产生阻碍作用；但悬浮剂用量过高，体系粘度过大，使成核数目增多，阻碍核聚合，影响聚合物微球粒子的生长。因此，选择悬浮剂0.3%聚乙烯醇溶液用量以7～8 mL为宜。

2.3 搅拌速度的影响

固定苯乙烯用量为16 mL、去离子水用量为130 mL、BPO用量为0.3 g、0.3%聚乙烯醇溶液用量为7 mL、反应温度为87 ℃，考察搅拌速度对聚合反应的影响,结果见表3。

表3 搅拌速度对聚合反应的影响

由表3可以看出，搅拌速度越快，聚苯乙烯颗粒越小。其原因可能是：在聚合过程中，液滴的存在是一个动态过程，液滴不断集聚又不断重新生成；随着搅拌速度的加快，剪切力增强，反应体系处于剧烈的湍流状态，液滴周围存在着较大的压力波动和相对速度波动；当液滴和周围流体相对速度大到足以使液滴边缘不稳定时，小液滴就会从大液滴上剥离出来，形成若干个小液滴，每个小液滴在引发剂作用下聚合成一个小粒子，因而得到的产物粒径就比较小。综合考虑聚合物颗粒大小、产率与反应时间，选择搅拌速度以300 r·min-1为宜。

2.4 反应温度的影响

固定苯乙烯用量为16 mL、去离子水用量为130 mL、BPO用量为0.3 g、0.3%聚乙烯醇溶液用量为7 mL、搅拌速度为300 r·min-1，考察反应温度对聚合反应的影响，结果见表4。

表4 反应温度对聚合反应的影响

由表4可以看出，反应温度越高，聚合反应所需的时间就越短；但反应温度过高会导致体系发生爆聚，使反应体系粘结成块。综合考虑聚合物颗粒大小及反应时间，选择反应温度以85～90 ℃为宜。

3 结论

确定苯乙烯悬浮聚合的最佳反应条件如下：苯乙烯用量为16 mL、去离子水用量为130 mL、引发剂BPO用量为0.3 g、悬浮剂0.3%聚乙烯醇溶液用量为7～8 mL、搅拌速度为300 r·min-1、反应温度为85～90 ℃,在此反应条件下，可得到颗粒尺寸均匀适中、透明度良好的聚苯乙烯产品，产率高达98.60%左右。

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