Polistirenasyra plačiai naudojamas polimeras, turintis daugybę pritaikymo sričių, pavyzdžiui, pakavimo medžiagos, elektroninės medžiagos, statybinės medžiagos ir pan. Per pastarąjį pusę amžiaus buvo sukurti įvairūs polistirolo sintezės metodai, o šiame straipsnyje pagrindinis dėmesys bus skiriamas kelių iš šių metodų pristatymui. Polistireno sintezei paprastai taikomi laisvųjų radikalų polimerizacija, katijoninė polimerizacija, jonų mainai ir kt. Toliau pateikiamas polistireno sintezės metodas:
1. Laisvųjų radikalų polimerizacijos metodas:
Polistireno laisvųjų radikalų polimerizacijos metodas yra vienas iš plačiausiai naudojamų sintezės metodų. Šio metodo principas – į tirpalą įdedant laisvųjų radikalų iniciatorių, tokių kaip vandenilio peroksidas, kad susidarytų stireno monomero laisvųjų radikalų reakcija, o tada laisvieji radikalai nuolat polimerizuojasi, galiausiai sudarydami polimerą, vadinamą polistirenu. Šio proceso metu reikia ištirpinti stireno monomerą tinkamame tirpiklyje ir kontroliuoti reakcijos temperatūrą bei laiką, kad būtų pasiektas norimas polimerizacijos efektas. Tai vienas iš pagrindinių gamybos būdų. Šis metodas apima šiuos veiksmus.
1.1. Žaliavų paruošimas:
Pirmiausia reikia paruošti polistirolo gamybai reikalingas žaliavas. Laisvųjų radikalų polimerizacijai stirenas paprastai naudojamas kaip monomeras, o benzoilo peroksidas (BPO) – kaip laisvųjų radikalų iniciatorius. BPO kokybė svyruoja nuo 2 iki 3 procentų.
1.2. Reakcijos bako paruošimas:
Polimerizacijos reakcijai reikia naudoti reakcijos baką, o ruošiant reakcijos baką reikia atsižvelgti į reagentų kiekį ir reakcijos bako talpą. Reakcijos bakai dažniausiai gaminami iš tokių medžiagų kaip nerūdijantis plienas, stiklo pluoštu sustiprintas plastikas (GRP) arba polietilenas, kad atlaikytų chemines reakcijas ir aukšto slėgio sąlygas.
1.3. Reakcijos bako paruošimas:
Reakcijos bakas turi būti iš anksto apdorotas, kad rezervuaro viduje nebūtų dulkių ar priemaišų ir jis galėtų atlaikyti aukštą proceso parametrų slėgį. Šildymo juosta yra maždaug 15 procentų nuo bako apačios, kuri gali būti šildoma elektra. Maišyklės dugnas turi būti lygiagretus reakcijos bako dugnui, kad būtų palaikoma vienoda temperatūra ir maišymo sąlygos.
1.4. reagento pašaras:
Stirenas ir BPO įvedami į reakcijos baką pagal biudžetą ir juos reikia pridėti kiekybiškai. Tuo pačiu metu į reakcijos baką reikia įpilti reakcijos tirpiklio – siekiant pagerinti reakcijos sklandumą, sumažinti klampumą ir išvengti purslų. Dažniausiai naudojami reakcijos tirpikliai yra etanas, toluenas arba dichlormetanas.
1.5. Reakcijos procesas:
Uždarykite reakcijos baką ir pašildykite iki tam tikros temperatūros, paprastai nuo 120 iki 150 laipsnių Celsijaus, kad prasidėtų reakcija. Reakcijos proceso metu BPO sukelia laisvųjų radikalų polimerizaciją, kuri gali augti grandinėje ir sudaryti polimero molekules. Reakcija pereina iš kieto į subkritinį skystį, o vėliau į klampius polimerus.
1.6. Reakcijos pabaiga:
Kai reakcija pasiekia tam tikrą lygį, ją reikia nutraukti. Paprastai tariant, pasibaigus reakcijai reikia atvėsinti reakcijos baką, kad polimeras iš pastos virstų kietu bloku, o tada iš reakcijos bako išimti baltą polistireno bloką.
1.7. Produktų tvarkymas:
Gauti polistireniniai blokeliai turi būti apdirbami ir gaminami, dažniausiai sumalant polimerinius blokus į daleles, parenkant atitinkamą dalelių morfologiją, ištraukiant priemaišas, tokias kaip nesureagavę monomerai ir tepalinė alyva, bei plečiant korpusą, norint gauti prekyboje parduodamą polistireninį plastiką.
Apibendrinant galima teigti, kad polistireno laisvųjų radikalų polimerizacija yra plačiai naudojama pramonėje, todėl norint užtikrinti aukštos kokybės polimerinių gaminių gamybą, būtina atkreipti dėmesį į tokias veikimo sąlygas kaip reakcijos temperatūra ir tikslus padavimas.
2. Katijoninės polimerizacijos metodas:
Katijoninė polimerizacija yra dar vienas dažniausiai naudojamas polistirolo sintezės būdas. Priežastis, kodėl šis metodas vadinamas katijonine polimerizacija, yra tai, kad stirenui polimerizuoti kaip katalizatorius naudojamas teigiamai įkrautas joninis junginys. Šio metodo privalumas yra tas, kad susintetintas polimeras turi vienodą molekulinę masę ir siaurą molekulinės masės pasiskirstymą, todėl jis dažnai naudojamas didelės molekulinės masės ir siauro molekulinės masės pasiskirstymo nusodinamiems polimerams ruošti. Pirmiausia jis buvo paruoštas polimerizuojant laisvuosius radikalus. Didėjant polimerų eksploatacinių savybių paklausai, katijoninė polimerizacija pamažu tapo dažniausiai naudojamu polistireno gamybos metodu. Katijoninė polimerizacija yra kontroliuojamas ir efektyvus būdas paruošti aukštos kokybės polistireno polimerus. Paruošimo proceso metu būtina kontroliuoti tokius parametrus kaip reakcijos sąlygos ir monomero pridėjimo greitis, kad būtų užtikrinta produkto kokybė.
Toliau pateikiami išsamūs polistirolo paruošimo katijoninės polimerizacijos metodu žingsniai.
(1) Reakcijos sistemos sudėties paruošimas:
Polistireno paruošimo reakcijos sistemą paprastai sudaro trys komponentai: monomeras, iniciatorius ir tirpalo agentas. Monomeras paprastai yra stirenas, iniciatorius gali būti amonio sulfatas (NH4HSO4) arba amonio persulfatas ((NH4) 2S2O8), o tirpiklis gali būti vanduo arba organiniai tirpikliai (pvz., toluenas arba ksilenas). Norint užtikrinti vienodą reakcijos sistemos maišymą, dažniausiai prieš reakciją šiuos komponentus reikia tolygiai sumaišyti.
(2) Reakcijos sistemos išankstinis apdorojimas:
Prieš tolesnę reakciją būtina iš anksto apdoroti reakcijos sistemą. Pirma, reaktorius ir rotacinis garintuvas turi būti kruopščiai išvalyti, kad būtų išvengta bet kokių priemaišų. Antra, reakcijos sistemą reikia praplauti azotu, kad būtų pašalintas deguonis, kad deguonis netrukdytų iniciatoriaus veiklai.
(3) Iniciatoriaus pridėjimas:
Kai reakcijos sistema bus paruošta, galima pridėti iniciatorių. Amonio sulfatą paprastai reikia iš anksto ištirpinti vandenyje ir tada įpilti į reakcijos sistemą. Amonio persulfatas paprastai suskaidomas į persulfato jonus ir amonio jonus, o po to pridedamas prie reakcijos sistemos.
(4) Monomerų pridėjimas:
Kai iniciatorius jau yra reakcijos sistemoje, galima pradėti dėti monomerus. Monomerų pridėjimo greitis turėtų būti labai lėtas, paprastai kas 2-3 val. Jei monomeras pridedamas per greitai, tai sukels nekontroliuojamą polimerizacijos reakciją ir galiausiai per didelę produkto polimerizaciją, kuri gali turėti įtakos produkto savybėms.
(5) Reakcijos eiga ir kontrolė:
Polimerizacijos reakcijos metu paprastai reikia kontroliuoti tokius parametrus kaip reakcijos temperatūra, trukmė ir monomero pridėjimo greitis, siekiant užtikrinti produkto kokybę. Kai kaip iniciatorius naudojamas amonio sulfatas, reakcijos temperatūra paprastai svyruoja nuo 80 iki 100 °C, o laikas gali trukti kelias valandas. Kai kaip iniciatorius naudojamas amonio persulfatas, temperatūra paprastai pakyla iki 110-130 laipsnių C.
(6) Produktų atskyrimas, valymas ir bandymas:
Pasibaigus reakcijai, tirpiklis gali būti pašalintas naudojant sukamąjį garintuvą, kad būtų gautas kietinamas polistirenas. Galiausiai produktas gali būti išgrynintas atliekant tokius veiksmus kaip apdorojimas rūgštimi ir aktyvuotos anglies filtravimas. Atskirti ir išgryninti produktai gali būti tiriami fizikiniu ir cheminiu būdu, siekiant nustatyti jų kokybę ir struktūrines savybes.
3. Jonų mainų metodas:
Jonų mainų metodas yra dar vienas dažniausiai naudojamas polistirolo sintezės metodas. Taikant jonų mainų metodą, polimeras su anijoninėmis funkcinėmis grupėmis naudojamas keisti katijonus į polistireną. Jonų mainų metodas yra greitas, efektyvus ir ekonomiškas polistirolo sintezės metodas, kuris sulaukė didelio dėmesio ir naudojimo.
Polistireno jonų mainų metodas yra dažniausiai naudojamas jonų mainų metodas, naudojamas tam tikram jonui pašalinti arba praturtinti iš tirpalo. Šiuo metodu atskyrimas ir gryninimas pasiekiamas adsorbuojant jonus iš filtrato per jonų mainų vietas polimere. Šiame straipsnyje išsamiai supažindinsime su polistireno jonų mainų metodo principu, įgyvendinimo žingsniais ir kai kuriais taikymo būdais.
Principas:
Polistireno jonų mainų metodas pagrįstas dviem principais: elektrochemine teorija ir adsorbcija.
Elektrocheminė teorija: mainų vietos polistireno jonų mainų komponentuose egzistuoja jonų pavidalu, kurie turi jonų krūvius ir gali sukelti elektrostatinį jonų pritraukimą arba atstūmimą elektrolite. Ši elektrostatinė sąveika gali adsorbuoti to paties tipo jonus arba keistis atitinkamais jonais tarpusavyje.
Adsorbcija: Adsorbcija yra polistireno jonų mainų metodo pagrindas. Polistireno jonų mainų komponentuose yra daug mainų vietų, kurios gali suteikti atitinkamą fizinį ir cheminį adsorbcijos poveikį. Pagal atitinkamą adsorbcijos efektą polistireno jonų mainų komponentai gali selektyviai adsorbuoti suderintus jonus ir taip pasiekti atskyrimo ir sodrinimo efektus.
Diegimo žingsniai:
Polistireno jonų mainų metodo įgyvendinimo etapus galima suskirstyti į šiuos svarbius etapus:
(1) Išankstinis apdorojimas: nauja polistireno jonų mainų kolonėlė prieš naudojimą turi būti iš anksto apdorota, kad būtų pašalintos bet kokios suspenduotos kietosios medžiagos ir priemaišos ir būtų pasiektas optimalus veikimas. Pirminio apdorojimo metodai apima plovimą vandeniu, plovimą rūgštimi ir plovimą šarmais
(2) Pirminis mėginio apdorojimas: filtruokite arba išvalykite mėginio tirpalą, kad pašalintumėte kietas suspenduotas kietąsias medžiagas ir priemaišas. Jei reikia, taip pat gali būti atliktas pH kalibravimas ir buferio pridėjimas.
(3) Mėginio apdorojimas: mėginio tirpalas gali būti apdorojamas per polistireno jonų mainų kolonėlę, naudojant gravitacijos srautą arba aukštą slėgį. Polistireno jonų mainų kolonėlėje esantys jonai pasikeis su tirpale esančiais jonais, o tirpale esantys jonai pasišalins, o kietojoje fazėje esantys jonai bus sodrinti.
(4) Plovimas: apdorotą kietą fazę reikia nuplauti, kad atnaujintų mainų vietas ir pašalintų jonų perteklių. Plovimo tirpalo pH vertė paprastai yra tokia pati kaip pH vertė, skirta polimerinėms jonų mainų kolonėlėms.
(5) Desorbcija: jonus, kurie jau buvo adsorbuoti polimerinėse jonų mainų kolonėlėse, reikia desorbuoti, paprastai naudojant stipresnę elektrolitų koncentraciją ir (arba) poliškesnius tirpiklius. Pavyzdžiui, desorbcijos operacijoms gali būti naudojami stiprūs elektrolitų tirpalai, tokie kaip natrio chlorido tirpalas ir amonio chlorido tirpalas.
(6) Regeneravimas. Polistireno jonų mainų kolonėlių regeneracija priklauso nuo naudojamos mainų medžiagos tipo ir paprastai gali būti pasiekta taikant kelis skirtingus apdorojimo metodus. Pavyzdžiui, apdorojimui gali būti naudojami didelės koncentracijos rūgšties arba šarminiai tirpalai, kad būtų atkurtas tokių jonų mainų kolonėlių adsorbcijos pajėgumas. Žinoma, nereikėtų naudoti stiprių stimuliuojančių cheminių medžiagų, kad nepažeistumėte kietų medžiagų.
Taikymo būdas:
Polistireno jonų mainų metodas plačiai naudojamas aplinkosaugos, biologijos ir farmacijos srityse. Pavyzdžiui, jis gali būti naudojamas grynų arba mišrių jonų atskyrimui ir gryninimui, smulkiam biologiniam atskyrimui ir gryninimui bei preparatų gryninimui farmacijos pramonėje. Konkreti taikymo sritis apima:
(1) Jonų atskyrimas ir sodrinimas
(2) Genų arba baltymų pašalinimas arba praturtinimas
(3) Atskyrimo joniniai polimerai
(4) Tirpalo modifikavimas ir preparatų stabilumo gerinimas
(5) Naudojamas pramoninio proceso vandeniui apdoroti
Apibendrinant galima teigti, kad polistireno jonų mainų metodas yra svarbi technologija, plačiai naudojama laboratorijose ir pramonės objektuose. Mes jau išsamiai pristatėme šio metodo įgyvendinimo etapus. Tikimės, kad šis straipsnis suteiks skaitytojams gilesnį supratimą ir nurodymus bei toliau skatins polistireno jonų mainų technologijos kūrimą ir taikymą.
Aukščiau pateiktas pagrindinis polistireno sintezės metodas. Šie metodai turi atitinkamų privalumų ir trūkumų, o konkretus naudotinas metodas turėtų būti parenkamas atsižvelgiant į faktinius taikymo poreikius.