Otrzymywanie polistyrenu metodą perełkową	ćw. 15
Elżbieta Grobelna, Agnieszka Haratym	29.04.09

1. Cel ćwiczenia

Celem powyższego ćwiczenia jest zapoznanie się z techniką polimeryzacji metodą perełkową.

2. Część teoretyczna

Polimeryzacja jest to reakcja tworzenia związków wielkocząsteczkowych polegająca na łączeniu się ze sobą monomerów związku w makrocząsteczkę, w czasie powstawania makrocząsteczki nie są wydzielane produkty uboczne. Polimeryzacji ulegają związki zawierające wiązania nienasycone.

POLIMERYZACJĘ DZIELI SIĘ NA:

Polimeryzacja rodnikowa - zachodzi dzięki powstaniu w środowisku aktywnych wolnych rodników, zdolnych do przyłączenia cząsteczki monomeru.

Polimeryzacja jonowa - (anionowa i kationowa) reakcja przebiega przez etap tworzenia się jonu. Katalizatorami polimeryzacji kationowej są kwasy protonowe lub kwasy Lewisa aktywowane dodatkiem co-katalizatora, którym najczęściej jest woda w ilościach śladowych. Katalizatorami polimeryzacji anionowej są metale alkaliczne, wodorki, wodorotlenki, amidki, alkoholany i sole słabych kwasów oraz związki metaloorganiczne. Polimeryzacja tego typu wymaga warunków całkowicie bezwodnych i bez dostępu tlenu.

Polimeryzacja koordynacyjna - w czasie zachodzenia reakcji otrzymujemy polimery o regularnej budowie przestrzennej, najczęściej izotaktycznej. Reakcja przebiega w obecności katalizatorów mających budowę kompleksów, tzw. katalizatorów Zieglera-Natty. Każda kolejno przyłączana cząsteczka monomeru jest wstępnie skoordynowana przez atom metalu katalizatora. Dzięki temu uzyskuję ona stałą orientację przestrzenną względem rosnącego łańcucha, co umożliwia powstawanie polimerów o regularnej budowie.

METODY POLIMERYZACJI:

Polimeryzacja w fazie jednorodnej - zachodzi w środowisku monomeru. W tym przypadku można stosować katalizatory rodnikowe lub jonowe. Trudno jest tą metodą otrzymać polimer o jednakowych właściwościach w całej masie. Silnie egzotermiczna charakter reakcji oraz mały współczynnik przewodnictwa cieplnego powstającego polimeru powodują że odprowadzenie ciepła ze środowiska reakcji jest utrudnione. Istnieje więc możliwość lokalnych przegrzań wewnątrz bloku co przyśpiesza reakcje w danym miejscu i jest równoznaczne z powstaniem polimeru o mniejszej masie cząsteczkowej bądź ewentualna degradacją polimeru.

Emulsyjny sposób prowadzenia polimeryzacji - wymaga zdyspergowania monomeru w fazie ciągłej, najczęściej w wodzie zawierającej emulgator. Stabilizatorami są żelatyna, kazeina, skrobia. Inicjatorami są najczęściej nadtlenki rozpuszczalne w wodzie lub w monomerze np. nadsiarczan potasu. W metodzie tej nie ma problemu z odprowadzeniem ciepła, szybkość reakcji jest także większa niż w metodzie blokowej. Po zakończeniu reakcji polimer ma najczęściej postać koloidalną. Oddziela się go przez wysalanie.

Polimeryzacja suspensyjna - prowadzona najczęściej na skalę przemysłową, zwana również perełkową. Reakcja przebiega w małej kropelce zawieszonej w wodzie. Kropelki otrzymujemy przez dodatek do środowiska wodnego reakcji koloidu ochronnego, który przeciwdziała sklejaniu się kropelek. Wielkość kropelek a w konsekwencji ziaren polimeru zależy w dużym stopniu od szybkości mieszania, kształtu mieszadła i naczynia a także od stosunku ilości wody do monomeru.

Polimeryzacja w roztworze (rozpuszczalniku) - zachodząca w różnego rodzaju rozpuszczalnikach np. czterochlorku węgla, nasyconych węglowodorach alifatycznych. Rozpuszczalniki muszą być dużej czystości aby zapobiec zatruciu katalizatorów. Można prowadzić przy pomocy dwóch metod. Pierwsza z nich polega na zastosowaniu rozpuszczalników rozpuszczających monomer i powstały polimer, druga polega na użyciu do reakcji polimeryzacji substancji rozpuszczającej tylko monomer.

3. Wykonanie ćwiczenia

a) OTRZYMYWANIE POLISTYRENU.

- włączyć ultratermostat nastawiony na odpowiednią temp, zmontować zestaw do polimeryzacji.

- do kolby reakcyjnej wlać roztwór żelatyny w 170cm³ wody destylowanej, uruchomić mieszadło i chłodnicę zwrotną w międzyczasie przygotować 40cm³ styrenu rozpuszczając w nim 1 g nadtlenku benzoilu.

- po osiągnięciu przez zawartość kolby reakcyjnej żądanej temp. wlać do niej styren z inicjatorem.

- dobrać odpowiednio obroty mieszadła, prowadzić polimeryzacje przez 3-3,5 h.

- po zakończeniu procesu rozmontować zestaw, zawartość kolby przelać do zlewki zawierającej duża ilość zimnej wody i odczekać aż perełki opadną na dno następnie zdekantować mlecznobiałą ciecz z nad osadu. Operację powtarzać do momentu kiedy ciecz w zlewce będzie klarowna.

- resztki wody z perełkami przelać na sączek i odsączyć pod próżnią na lejku Buchnera.

b) WYZNACZANIE MASY CZĄSTECZKOWEJ POLISTYRENU.

- sporządzić r-r polimeru w toluenie, następnie przepłukać 3 razy wiskozymetr badanym roztworze.

- do wiskozymetru wlać 10cm³ przygotowanego roztworu i włożyć go do ultratermostatu.

- w momencie wyrównania temperatur w wiskozymetrze i cieczy w naczyniu termostatującym należy przetłoczyć roztwór do ramienia z kapilarą, zmierzyć czas przepływu cieczy od poziomu A do B w wiskozymetrze. Pomiar przeprowadzić 3 krotnie.

- przeprowadzić pomiar w sposób identyczny dla czystego rozpuszczalnika.

4. Obliczenia

Odważka polimeru: 0,25g

c - stężenie roztworu polimeru w rozpuszczalniku 0,25g/30cm³=8,33*10^-3

t - średni czas przepływu polimeru przez wiskozymetr 77,16s

t₀ - średni czas przepływu czystego rozpuszczalnika 71,4s

K_m - stała charakterystyczna dla danego roztworu polimeru

n_wzgl = t/t₀ = 77,16/71,4 = 1,0807

n_wl = (t-t₀)/t₀ = 0,0807

M = (1/K_m)*n_wl/c = (1/0,000120)*(0,2278/0,00833) = 1343,33

Wydajność polimeryzacji styrenu

V_styrenu = 40 cm³

d_styrenu = 0,8g/cm³

m = 0,8*40 = 32g = 100%

m_polistyrenu =

---