Промышленные способы получения полистирола

Министерство образования и науки Российской Федерации

Волгоградский государственный технический университет

Кафедра «Аналитическая, физическая химия и физико-химия полимеров»

 

 

 

 

 

СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Химия полимеров»

на тему «Полистирол»

(вариант 5)

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент группы ХТ-341

Горбунов И.А.

Проверил:

к. х. н., доцент

Озерин А. С.

 

 

 

 

 

 

Волгоград 2015

Содержание

 

Введение ………………………………………………………………………..…3

1. Мономер ……………………………………………………………………4
2. Физико-химические свойства полистирола……………………………....5
3. Методы получения полистирола…………………………………………..7
4. Промышленные способы получения полистирола …………………..…10

4.1 Суспензионный метод…………………………...……………………10

4.2 Эмульсионный метод…………………………………………………12

4.3 Блочный метод или получаемый в массе……………………………15

     5. Применение  полистирола……………………………………………….…17

Заключение……………………………………………………………………….19

Список литературы………………………………………………………………20

 

Введение

Полистирол – термопластичный аморфный полимер с формулой

[-СН2-С(С6Н5)Н-]n

Структурная формула:

 

Полистирол – прозрачное стеклообразное вещество, молекулярная масса 30-500 тыс., плотность 1,06 г/см3 (20 °С), температура стеклования 93°С.

Это твердое, упругое, бесцветное вещество. Фенильные группы препятствуют упорядоченному расположению макромолекул и формированию кристаллических образований. Это жесткий, аморфный полимер с невысокой механической прочностью при растяжении и изгибе.

Для полистирола характерно коптящее пламя с цветочным сладковатым запахом. Если к тому же предмет падает на пол с металлическим звоном то, скорее всего полистирол.

Промышленность пластмасс зародилась на рубеже XX века. Легко полимеризующийся стирол и его стеклообразный твердый полимер сразу же привлекли внимание. Основы химии и технологии производства полистирола заложили Остромысленский и Штау-дингер.

Первый патент на получение полистирола (способом термической спонтанной полимеризации в массе) был взят в Германии в 1911г. Там же в 1920 г. началось промышленное производство полимера. В 1936г. уже производилось 6000 т/год.

Разработка таких эффективных продуктов; как пенополистирол, ударопрочные полимеры стирола, АБС-пластики, позволила полистирольным пластикам в целом занять третье место в мировом производстве пластмасс после полиэтилена и поливинилхлорида.

В настоящее время производятся практически все основные типы сополимеров стирола, включая сополимеры с α-метилстиролом, метилметакрилатом, ударопрочные сополимеры с каучуком, двойные и тройные сополимеры с акрилонитрилом (включая АВС-пластики) и другие.

 

1. Мономер

 

Основным сырьем для получения полистирола является стирол. Стирол C8H8 — бесцветная жидкость со специфическим запахом, молекулрная масса 104,15 г/моль. Стирол практически нерастворим в воде, хорошо растворим в органических растворителях, хороший растворитель полимеров. Стирол легко окисляется, присоединяет галогены, полимеризуется (образуя твердую стекловидную массу — полистирол) и полимеризуется с различными мономерами.   

Полимеризация происходит уже при комнатной температуре при хранении стирол стабилизируют антиокидантами (например, третбутилпирокатехином, гидрохиноном). Галогенирование, например, в реакции с бромом, в отличие от анилина идёт не по бензольному кольцу, а по виниловой группе с образованием (1,2-дибромэтилбензола).

В промышленности стирол получают:

1. Дегидрированием этилбензола в присутствии окисных катализаторов следующего состава: (Fe2O3 -18,4 %; MgO-72,0 %; K2O3 -4,6 %)

2. Из бензола и этилена жидкофазным методом в присутствии AlCl3 в качестве катализатора.

 

 

 

2. Физико-химические свойства полистирола

 

Свойства полимерного стирола зависят от его молекулярного веса. Низшие полимеры представляют собой жидкости; высшие — полутвердые или твердые продукты, растворяющиеся в эфире, гексане или бензоле. С ростом молекулярного веса полимеры приобретают более четкую волокнистую структуру; одновременно с этим уменьшается их растворимость и увеличивается температура размягчения. Высокомолекулярный полистирол с молекулярным весом от 200 000 до 300 000 не растворяется в гексане, в эфире или бензоле растворяется лишь частично, а в основном только лишь набухает. Полистирол превосходно сопротивляется действию химических реагентов (щелочей, кислот, спиртов, минерального масла и др.) и обладает прекрасными диэлектрическими свойствами.

Полистирол общего назначения весьма хрупок, имеет низкую ударную прочность и малую теплостойкость: температура размягчения полистирола составляет 90-95°С. Лучшими эксплуатационными свойствами обладают различные сополимеры стирола. Ударопрочный полистирол отличается повышенными показателями ударной вязкости в широком диапазоне температур (до -30...-40 °С). Основной недостаток – низкая термо- и светостойкость, связанная с наличием каучуковой фазы [2]. 
 
 Свойства полистирола общего назначения: 
1. Плотность – 1050-1080 кг/м3.  
2. Насыпная плотность гранул – 550-560 кг/м3. 
4. Линейная усадка в форме – 0,4-0,8 %.  
5. Нижний предел рабочих температур – (-40 °С). 
6. Верхний предел рабочих температур 65-75 °С. 
7. Электрическая прочность при частоте 50 Гц – 20-23 кВ/мм. 
8. Удельное поверхностное электрическое сопротивление – 1016 Ом. 
9. Удельное объемное электрическое сопротивление  
при выдержке под напряжением 1 мин. – 1017 Ом·см 
при выдержке под напряжением 15 мин. – 1018 Ом·см. 
10. Коэффициент термического линейного расширения – 6·10-5-7·10-5 град-1. 
11. Коэффициент теплопроводности – 0,093-0,140 Вт/м·К. 
12. Удельная теплоемкость – 34·103 Дж/кг·К. 
13. Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1 МГц – 3-4·10-4. 
14. Диэлектрическая проницаемость – 2,49-2,60.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Методы получения полистирола

 

Стирол может превращаться в полимер как полярной, так и радикальной полимеризацией. В обоих случаях степень полимеризации является функцией температуры: высокомолекулярный полистирол получается путем полимеризации при низкой температуре, и наоборот, по мере повышения температуры молекулярный вес полимера падает [6]. Полимер получаемый по радикальному механизму имеет атактическую структуру и является аморфным, полимер получаемый ионно-координационной полимеризацией, в зависимости от типа катализатора может быть аморфным и кристаллическим (изотактическим).

Анионоидная полимеризация стирола происходит при действии амидов натрия или калия в жидком аммиаке. При этом получается белый твердый полимер с относительным молекулярным весом 3000. Схематически отдельные стадии полимеризации представлены на рисунке 1:

 

Рисунок 1 – Схема анионоидная полимеризация стирола

 

Изотактический (фенильные группы расположены по одну сторону  от основной  цепи полистирол имеет более высокую кристаллизацию, прочность и твердость. Температура плавления также довольно высока (до  230оС). В промышленности не применяется.

Рисунок 2 – Изотактический полистирол

 

По неполярному механизму протекает полимеризация стирола при повышенной температуре, под влиянием света и, наконец, при действии свободных радикалов. Полимеризацию значительно замедляют галогены. Инициированная полимеризация в практике встречается чаще, особенно когда процесс ведут в растворе или в эмульсии. Кроме обычных перекисных инициаторов либо их смесей, оправдали себя также и другие соединения, способные неполярно разлагаться на радикалы. При изучении кинетики полимеризации стирола реакция полимеризации была инициирована

N-нитрозо-п-бромацетанилидом или целым рядом замещенных дибензоилперекисей или, наконец, изобутиронитрилом с изотопом углерода [4].

Радикальную полимеризацию стирола при повышенной температуре проводят без растворителя в блоке. Этот процесс весьма длителен. Мономерный стирол, например, нагревают 6 дней при температуре 60°, далее 4 дня при 80° и, наконец, 2 дня при 150°. Если необходимо получить высокомолекулярные, оптически прозрачные полимеры, необходимо, чтобы температура не превышала 180°. Выше этой температуры полимеризация протекает быстрее, однако получающиеся полимеры обладают более низким молекулярным весом. Вследствие выделения большого количества тепла весьма трудно достигнуть равномерного течения процесса полимеризации во всей массе блока.

Рисунок 3 – Структурная формула полистирола

 

Атактический (фенильные группы  расположены то слева, то справа без особого  порядка) полистирол обладает наиболее высокой растворимостью среди всех видов полистирола. Наиболее широко применяется в промышленности.

Рисунок 4 – Атактический полистирол

 

 

 

 

 

 

4. Промышленные способы получения полистирола

 

4.1 Суспензионный метод

Суспензионный метод полимеризации производится по периодической схеме в реакторах с мешалкой и теплоотводящей рубашкой. Стирол подготавливают, суспензируя его в химически чистой воде посредством применения стабилизаторов эмульсии (поливинилового спирта, полиметакрилата натрия, гидроксида магния) и инициаторов полимеризации. 

Процесс полимеризации производится при постепенном повышении температуры (до 130 °С) под давлением. Результатом является — получение суспензии из которой полистирол выделяют путём центрифугирования, затем его промывают и сушат. Данный метод получения полистирола также является устаревшим и наиболее пригоден для получения и сополимеров стирола. 

Данный метод применяется в основном для получения пенополистирола. [1]

 Технологическая схема получения полистирола суспензионным методом приведена на рисунке

 

 

 

 

 

1,2- смесители; 3- реактор; 4- сито; 5-промежуточная емкость; 6- центрифуга; 7- сушилка.

 

Рисунок 5- Технологическая схема производства полистирола суспензионным методом

Достоинствами процесса суспензионной полимеризации стирола являются:

1. Регулируемая молекулярная  масса и достаточно узкое молекулярно-массовое  распределение суспензионного ПС  по сравнению с блочным полимером  обуславливают его большую ударную  вязкость и теплостойкость.

2. Суспензионный ПС имеет  низкое остаточное содержание  мономера в готовом продукте  – 0,1%, что позволяет его применять  в производстве изделий соприкасающихся  с пищевыми продуктами.