聚苯乙烯包覆硝酸铵改善吸湿性的研究

程秀莲 王树涛 霸书红 周琦

摘要：采用相分离法制备了聚苯乙烯（PS）包覆硝酸铵（AN），研究了甲苯和正己烷体积比、聚苯乙烯与硝酸铵质量比、混合溶剂与硝酸铵配比、沉淀剂加入速度等因素对聚苯乙烯包覆硝酸铵性能的影响。用吸湿降低率评价聚苯乙烯对硝酸铵包覆程度。结果表明，聚苯乙烯包覆硝酸铵的较佳工艺条件为甲苯与正己烷体积比为1∶3，混合溶剂/AN=3.5 mL/g，室温，沉淀剂滴速10滴/min。包覆60目硝酸铵，PS质量分数为1.54%，包覆AN吸湿降低率75%。硝酸铵目数增大，达到相同吸湿降低率，PS用量显著增大。

关键词：聚苯乙烯（PS）；硝酸铵（AN）；甲苯；正己烷；吸湿率

中图分类号：TQ441.12 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2014）04-0076-03

硝酸铵（AN）是一种易溶于水的无机盐，由于分子中含有较高比例的氮元素，广泛用于农用肥料。由于硝酸铵燃烧时无烟或少烟以及在一定的条件下具有爆炸性能，在火箭推进剂和工业炸药等领域广泛用作氧化剂。但是，由于硝酸铵具有强烈的吸湿性和结块性，给硝酸铵及其含硝酸铵产品的贮存和使用带来了严重困难。如何降低AN的吸湿性，是有效利用AN的关键所在。

如何防止硝酸铵吸湿、结块，科技工作者做了许多研究。张杰等用聚乙烯醇缩丁醛包覆硝酸铵，吸湿性下降24%，结块性可降低65%[1]。郑俊杰等用聚醋酸乙烯酯、聚丙烯酰胺、聚乙二醇作为包覆材料，硝酸铵吸湿率分别下降32.8%、24.1%，22.4%[2]。岳金文等用丙烯腈对硝酸铵包覆，使吸湿率下降43%左右[3]。殷永霞等用硅烷偶联剂KH-550与聚乙烯醇缩丁醛复合包覆，使硝酸铵吸湿性降低近50%[4]。柴涛等人用硝化棉包覆硝酸铵，吸湿率下降50%[5]。殷鹏刚等用十八胺和二甲苯复合表面活性剂改性硝酸铵，吸湿率下降58.6%[6]。由张建忠等用苯乙烯沉淀聚合包覆使硝酸铵粒子的吸湿率降低了88.8%[7]。可以看出，聚苯乙烯包覆硝酸铵，使硝酸铵吸湿率降低得最多，但张建忠等是采用化学包覆法，工艺较复杂。

本文利用物理化学包覆中的相分离包覆原理，用泡沫聚苯乙烯包覆硝酸铵，可使其吸湿率降低75%，同时简化了包覆工艺，合理利用资源。

1 实验部分

1.1 主要试剂

硝酸铵，分析纯，天津市红岩化学试剂厂；聚苯乙烯泡沫（PS），电子产品内包装材料；正己烷，分析纯，天津北方天医化学试剂厂；氯化钾，分析纯，天津市致远化学试剂有限公司；甲苯，分析纯，公主岭市化学试剂厂。

1.2 聚苯乙烯包覆硝酸铵原理

将聚苯乙烯溶解在甲苯中，缓慢加入沉淀剂正己烷，使聚苯乙烯缓慢析出并沉淀在硝酸铵颗粒表面，即对硝酸铵进行了包覆。

1.3 包覆工艺

将一定量甲苯和泡沫聚苯乙烯加入三口瓶中，待泡沫聚苯乙烯完全溶解后，加入10 g过60目标准筛的硝酸铵，于一定温度和搅拌速度下，以一定的滴加速度加入一定量的正己烷，保温30 min，减压过滤，干燥得包覆产品。

1.4 吸湿性表征

取2个相同型号的干燥小培养皿，分别称量，分别将相同质量的60目未包覆和已包覆硝酸铵加入各自培养皿中，铺匀，放入装有氯化钾饱和溶液的干燥器中，密封，吸湿18 h，称量，根据吸湿前后质量差计算硝酸铵吸湿率。

2 结果与讨论

2.1 溶剂与沉淀剂体积比的确定

溶剂与沉淀剂体积比决定混合溶剂的溶解度参数，而2物质的溶解度参数差值（△δ）大于2.0就不能相互溶解[8]。混合溶剂与PS的溶解度参数差值决定其析出率。PS、甲苯、正己烷的溶解度参数分别为17.8～18.6、18.2、14.9[9]。混合溶剂的溶解度参数为各种溶剂的体积分数乘以各自的溶解度参数之和。甲苯和正己烷不同体积比和溶解度参数对聚苯乙烯析出率的影响见表1。

由表1可见，随溶剂中正己烷比例增大，混合溶剂与PS的溶解度参数差值增大，PS析出率增大。但正己烷比甲苯价格高，综合考虑PS析出率和成本，选取甲苯与正己烷体积比为1∶3。

2.2 PS与AN质量比对包覆硝酸铵吸湿性的影响

PS与AN质量比决定AN能否被包覆完全和包覆层厚度。AN被PS包覆程度与AN吸湿性成正比。甲苯与正己烷体积比为1∶3，PS占AN的质量分数对AN吸湿性影响见表2。

由表2可见，随PS用量增大，包覆AN吸湿降低率先迅速升高，当PS质量分数为1.54%时，吸湿降低率升至75%，再继续提高PS用量，AN吸湿降低率略有降低。这是由于随PS用量增大，在滴加沉淀剂正己烷过程中，PS析出颗粒变大，沉淀在AN表面上的PS颗粒之间缝隙会增大，不利于将AN包覆完全，使吸湿降低率变小。

2.3 混合溶剂与AN配比对包覆AN吸湿性的影响

PS用量一定时，混合溶剂与AN配比决定PS浓度，影响PS析出颗粒大小，进而影响包覆AN吸湿性。同时，混合溶剂与AN配比大则设备生产能力小，混合溶剂与AN配比小则搅拌阻力大，不易操作。甲苯与正己烷配比为1∶3，PS质量分数为1.54%，混合溶剂与AN配比对包覆AN吸湿性的影响见表3。

由表3可见，混合溶剂与AN配比为3.5 mL/g，AN吸湿降低率最高。混合溶剂与AN配比<3.5 mL/g，溶剂量过小，则无法操作。混合溶剂与AN配比>3.5 mL/g，溶剂量增大，虽使PS析出颗粒变小，有利于包覆AN严密，但使PS析出量变小，不利于包覆完全，也使包覆AN吸湿增大。

2.4 包覆温度对包覆AN吸湿性的影响

一般温度越高，溶质的溶解度越大，过饱和度越小，溶质析出速度变小，有利于AN包覆严密。甲苯与正己烷配比为1∶3，PS用量为1.54%，混合溶剂与AN配比=3.5 mL/g，包覆温度对包覆AN吸湿性的影响见表4。

由表4可见，18～40 ℃包覆AN吸湿降低率相近，50 ℃包覆AN吸湿降低率变小，是由于沉淀剂正己烷沸点较低，部分正己烷挥发，使混合溶剂溶解度参数变小，使PS析出量变小所致。4.9 ℃包覆AN吸湿降低率大幅度减小，是由于温度太低，析出PS颗粒又大又坚硬，不利于AN包覆。综合考虑成本和包覆效果，室温20 ℃左右包覆为宜。

2.5 沉淀剂滴加速度对包覆AN吸湿性的影响

沉淀剂滴加速度慢，生产效率低，沉淀剂滴加速度快，容易导致局部正己烷浓度高，PS饱和度过高，有大颗粒PS析出，影响AN包覆效果。甲苯与正己烷配比为1∶3，PS用量为1.54%，混合溶剂与AN配比=3.5 mL/g，室温，沉淀剂滴加速度对包覆AN吸湿效果影响见表5。

由表5可见，沉淀剂滴速为10 滴/min综合效果较好。

2.6 AN粒径对包覆剂PS用量的影响

AN粒径小，相同质量AN的表面积变大，达到相同包覆效果，PS用量增加。甲苯与正己烷配比为1∶3，混合溶剂与AN配比=3.5 mL/g，室温，沉淀剂滴速10 滴/min，包覆125目AN，PS用量对AN吸湿性的影响见表6。

由表6可见，包覆125目AN时PS用量增至4.5%，包覆60目AN时PS用量为1.54%，2者吸湿降低率相同，说明AN目数增大，PS用量显著增大。

3 结论

1）甲苯为溶剂，正己烷为沉淀剂，聚苯乙烯包覆硝酸铵的较佳工艺条件为：甲苯与正己烷体积比为1：3，混合溶剂与AN配比=3.5 mL/g，室温，沉淀剂滴速10 滴/min。

2）硝酸铵目数增大，达到相同吸湿降低率，PS用量显著增大。

参考文献

[1]张杰，杨荣杰，刘云飞，等.聚乙烯醇缩丁醛包覆硝酸铵的性能研究[J].火炸药学报，2001（1）：41-43.

[2]郑俊杰，蔡宝虎，卫延安.硝酸铵的表面改性研究[J].爆破器材，2011，9（12）：19-22.

[3]岳金文.硝酸铵表面改性工艺研究[D].长沙：湖南大学硕士学位论文，2003：6-13.

[4]殷永霞，杨荣杰，李建民.硝酸铵氧化剂的表面改性及其吸湿性研究[J].火炸药学报，2001（4）：24-27.

[5]柴涛，杨晓汾，范晓俊.用超临界流体反溶剂过程改性包覆硝酸铵[J].火炸药学报，2009，32（4）：27-30.

[6]殷鹏刚，师维仓，李前树，等.单分子层自组装技术应用于硝酸铵防吸湿的探讨[J].应用化学，2000，17（2）：186-188.

[7]张建忠，李香梅，林德海.苯乙烯沉淀聚合包覆硝酸铵粒子改善吸湿性能的研究[J].精细石油化工进展，2008，40（6）：35-37.

[8]王德海.高分子物理[M].北京：化学工业出版社，2010：81-83.

[9]李华昌，符斌.简明溶剂手册[M].北京：化学工业出版社，2008：68-69.

Study on hygroscopicity of ammonium nitrate particle coated by polystyrene

CHENG Xiu-lian，WANG Shu-tao，BA Shu-hong，ZHOU Qi

（Shenyang Ligong University，Shenyang，Liaoning 110159，China）

Abstract：The phase separation method was used in preparation of the ammonium nitrate particles with polystyrene.The effects of the volume ratio of toluene and n-hexane，the mass ratio of polystyrene and ammonium nitrate，the ratio of ammonium nitrate and mixed solvent and the precipitating agent addition rate on the covering situations of ammonium nitrate particles were investigated.The results showed that the ammonium nitrate process conditions of polystyrene-coated ammonium nitrate are 1：3 of volume ratio of toluene and n-hexane，3.5 ml/g of ratio of mixed solvent and ammonium nitrate，room temperature，and 6 sec/drop of addition rate of precipitating agent.When the 60 mesh ammonium nitrate was coated with polystyrene and the mass ratio of polystyrene and ammonium nitrate was 1.54%，the reduction of moisture rate was 75%.When the mesh number of ammonium nitrate was increased and the reduction of moisture rate was equal，the required polystyrene amount was significantly increased.

Key words：polystyrene；ammonium nitrate；toluene；hexane；absorption rate