Polüstüreenon laialdaselt kasutatav polümeer, millel on palju kasutusvaldkondi, nagu pakkematerjalid, elektroonilised materjalid, ehitusmaterjalid jne. Viimase poole sajandi jooksul on polüstüreeni sünteesimiseks välja töötatud erinevaid meetodeid ja see artikkel keskendub mitmete nende meetodite tutvustamisele. Polüstüreeni sünteesimisel kasutatakse tavaliselt selliseid meetodeid nagu vabade radikaalide polümerisatsioon, katioonne polümerisatsioon, ioonivahetus jne. Järgnev on polüstüreeni sünteesimeetod:
1. Vabade radikaalide polümerisatsiooni meetod:
Polüstüreeni vabade radikaalide polümerisatsiooni meetod on üks enim kasutatavaid sünteesimeetodeid. Selle meetodi põhimõte on kasutada vabade radikaalide initsiaatorite (nt vesinikperoksiidi) lisamist lahusesse, et tekitada stüreeni monomeeri vabade radikaalide reaktsioon ja seejärel vabad radikaalid pidevalt polümeriseerivad, moodustades lõpuks polümeeri nimega polüstüreen. Selle protsessi käigus on vajalik stüreeni monomeer lahustada sobivas lahustis ning reguleerida reaktsiooni temperatuuri ja aega, et saavutada soovitud polümerisatsiooniefekt. See on üks peamisi tootmismeetodeid. See meetod sisaldab järgmisi samme.
1.1. Tooraine valmistamine:
Esiteks on vaja ette valmistada polüstüreeni tootmiseks vajalikud toorained. Vabade radikaalide polümerisatsiooniks kasutatakse tavaliselt monomeerina stüreeni ja vabade radikaalide initsiaatorina bensoüülperoksiidi (BPO). BPO kvaliteet jääb vahemikku 2 protsenti kuni 3 protsenti.
1.2. Reaktsioonipaagi ettevalmistamine:
Polümerisatsioonireaktsioon eeldab reaktsioonipaagi kasutamist ning reaktsioonipaagi valmistamisel tuleb arvestada reagentide kogusega ja reaktsioonipaagi mahutamisega. Reaktsioonipaagid on tavaliselt valmistatud sellistest materjalidest nagu roostevaba teras, klaaskiuga tugevdatud plastik (GRP) või polüetüleen, et taluda keemilisi reaktsioone ja kõrge rõhu tingimusi.
1.3. Reaktsioonipaagi eeltöötlus:
Reaktsioonipaak peab läbima eeltöötluse tagamaks, et paagi sees ei oleks tolmu ega lisandeid ning see peab vastu protsessiparameetrite kõrgele rõhule. Kütteriba asub umbes 15 protsenti paagi põhjast, mida saab elektriliselt soojendada. Segaja põhi peaks olema paralleelne reaktsioonipaagi põhjaga, et säilitada ühtlane temperatuur ja segamistingimused.
1.4. reagendi sööt:
Stüreen ja BPO sisestatakse reaktsioonipaaki vastavalt eelarvele ja need tuleb kvantitatiivselt lisada. Samal ajal tuleb reaktsioonipaaki lisada reaktsioonilahusti – et parandada reaktsiooni voolavust, vähendada viskoossust ja vältida pritsmeid. Tavaliselt kasutatavate reaktsioonilahustite hulka kuuluvad etaan, tolueen või diklorometaan.
1.5. Reaktsiooniprotsess:
Reaktsiooni alustamiseks sulgege reaktsioonipaak ja soojendage seda teatud temperatuurini, tavaliselt vahemikus 120–150 kraadi Celsiuse järgi. Reaktsiooniprotsessi käigus käivitab BPO vabade radikaalide polümerisatsiooni, mis võib läbida ahela kasvu ja moodustada polümeeri molekule. Reaktsioon kulgeb tahkest ainest subkriitiliseks vedelikuks ja seejärel viskoosseteks polümeerideks.
1.6. Reaktsiooni lõpp:
Kui reaktsioon saavutab teatud taseme, tuleb see lõpetada. Üldiselt on reaktsiooni lõppedes vaja reaktsioonipaaki jahutada, et muuta polümeer pastast tahkeks plokiks, ja seejärel eemaldada reaktsioonipaagist valge polüstüreenplokk.
1.7. Toodete käitlemine:
Saadud polüstüreenplokke tuleb töödelda ja toota, tavaliselt lihvides polümeerplokid osakesteks, valides sobiva osakeste morfoloogia, ekstraheerides lisandid, nagu reageerimata monomeerid ja määrdeõli, ning laiendades korpust, et saada kaubanduslikult saadavat polüstüreenplasti.
Kokkuvõtteks võib öelda, et polüstüreeni vabade radikaalide polümerisatsiooni kasutatakse laialdaselt tööstuses ning kvaliteetsete polümeertoodete tootmise tagamiseks tuleb pöörata tähelepanu sellistele töötingimustele nagu reaktsioonitemperatuur ja täpne etteandmine.
2. Katioonse polümerisatsiooni meetod:
Katioonne polümerisatsioon on teine polüstüreeni sünteesimiseks sageli kasutatav meetod. Põhjus, miks seda meetodit nimetatakse katioonseks polümerisatsiooniks, on see, et see kasutab stüreeni polümeriseerimiseks katalüsaatorina positiivselt laetud ioonühendit. Selle meetodi eeliseks on see, et sünteesitud polümeeril on ühtlane molekulmass ja kitsas molekulmassi jaotus, mistõttu kasutatakse seda sageli suure molekulmassiga ja kitsa molekulmassi jaotusega sadestatud polümeeride valmistamiseks. Esmalt valmistati see vabade radikaalide polümerisatsiooni teel. Seoses kasvava nõudlusega polümeeri jõudluse järele on katioonne polümerisatsioon järk-järgult muutunud polüstüreeni valmistamisel tavaliselt kasutatavaks meetodiks. Katioonne polümerisatsioon on kontrollitav ja tõhus meetod kvaliteetsete polüstüreenpolümeeride valmistamiseks. Valmistamisprotsessi käigus on vaja kontrollida selliseid parameetreid nagu reaktsioonitingimused ja monomeeri lisamise kiirus, et tagada toote kvaliteet.
Järgnevalt on toodud üksikasjalikud etapid polüstüreeni valmistamiseks katioonse polümerisatsiooni meetodil.
(1) Reaktsioonisüsteemi koostise valmistamine:
Polüstüreeni valmistamise reaktsioonisüsteem koosneb tavaliselt kolmest komponendist: monomeerist, initsiaatorist ja lahustavast ainest. Monomeeriks on tavaliselt stüreen, initsiaatoriks võib olla ammooniumsulfaat (NH4HSO4) või ammooniumpersulfaat ((NH4) 2S2O8) ning lahustiks võib olla vesi või orgaanilised lahustid (nt tolueen või ksüleen). Reaktsioonisüsteemi ühtlase segunemise tagamiseks on tavaliselt vaja need komponendid enne reaktsiooni segada ühtlaselt.
(2) Reaktsioonisüsteemi eeltöötlus:
Enne edasist reaktsiooni on vaja reaktsioonisüsteemi eeltöödelda. Esiteks tuleb reaktor ja pöördaurusti põhjalikult puhastada, et vältida lisandite esinemist. Teiseks tuleb reaktsioonisüsteemi hapniku eemaldamiseks läbi loputada lämmastikuga, et hapnik ei segaks initsiaatori tegevust.
(3) Algataja lisamine:
Kui reaktsioonisüsteem on valmis, võib lisada initsiaatori. Ammooniumsulfaadi puhul on tavaliselt vaja see eelnevalt vees lahustada ja seejärel reaktsioonisüsteemi lisada. Ammooniumpersulfaadi puhul lagundatakse see tavaliselt persulfaadiioonideks ja ammooniumioonideks ning lisatakse seejärel reaktsioonisüsteemi.
(4) Monomeeride lisamine:
Kui initsiaator on reaktsioonisüsteemis juba olemas, võib alata monomeeride lisamine. Monomeeride lisamise kiirus peaks olema väga aeglane, tavaliselt 2-3-tunniste intervallidega. Kui monomeeri lisatakse liiga kiiresti, põhjustab see kontrollimatut polümerisatsioonireaktsiooni ja lõppkokkuvõttes toote liigset polümerisatsiooni, mis võib mõjutada toote omadusi.
(5) Reaktsiooni edenemine ja kontroll:
Polümerisatsioonireaktsiooni ajal on toote kvaliteedi tagamiseks tavaliselt vaja kontrollida selliseid parameetreid nagu reaktsiooni temperatuur, kestus ja monomeeri lisamise kiirus. Kui initsiaatorina kasutatakse ammooniumsulfaati, on reaktsiooni temperatuur tavaliselt vahemikus 80 kuni 100 °C ja aeg võib kesta mitu tundi. Kui initsiaatorina kasutatakse ammooniumpersulfaati, tõuseb temperatuur tavaliselt vahemikus 110-130 kraadi C.
(6) Toodete eraldamine, puhastamine ja testimine:
Pärast reaktsiooni lõppemist saab lahuses oleva lahusti eemaldada rootoraurustiga, et saada kõvenevat polüstüreeni. Lõpuks saab toodet puhastada selliste etappidega nagu happega töötlemine ja aktiivsöega filtreerimine. Eraldatud ja puhastatud tooteid võib nende kvaliteedi ja struktuuriomaduste kindlaksmääramiseks läbida füüsikalised ja keemilised testid.
3. Ioonivahetusmeetod:
Ioonivahetusmeetod on teine polüstüreeni sünteesimiseks sageli kasutatav meetod. Ioonivahetusmeetodis kasutatakse anioonsete funktsionaalrühmadega polümeeri katioonide vahetamiseks polüstüreeni moodustamiseks. Ioonivahetusmeetod on kiire, tõhus ja kulutõhus meetod polüstüreeni sünteesimiseks, mis on pälvinud laialdast tähelepanu ja kasutamist.
Polüstüreeni ioonivahetusmeetod on tavaliselt kasutatav ioonivahetusmeetod, mida kasutatakse konkreetse iooni eemaldamiseks või rikastamiseks lahusest. Selle meetodiga saavutatakse eraldamine ja puhastamine, adsorbeerides ioone filtraadist polümeeri ioonivahetuskohtade kaudu. Selles artiklis tutvustame üksikasjalikult polüstüreeni ioonivahetusmeetodi põhimõtet, rakendamisetappe ja mõningaid rakendusmeetodeid.
Põhimõte:
Polüstüreeni ioonivahetusmeetod põhineb kahel põhimõttel: elektrokeemiline teooria ja adsorptsioon.
Elektrokeemiline teooria: polüstüreeni ioonivahetuskomponentide vahetuskohad eksisteerivad ioonide kujul, mis kannavad ioonseid laenguid ja võivad põhjustada elektrolüüdis olevate ioonide elektrostaatilist külgetõmmet või tõrjumist. See elektrostaatiline interaktsioon võib adsorbeerida sama tüüpi ioone või vahetada vastavaid ioone üksteisega.
Adsorptsioon: Adsorptsioon on polüstüreeni ioonivahetusmeetodi alus. Polüstüreeni ioonivahetuskomponentides on suur hulk vahetuskohti, mis võivad pakkuda vastavaid füüsikalisi ja keemilisi adsorptsiooniefekte. Vastavalt vastavale adsorptsiooniefektile võivad polüstüreeni ioonivahetuskomponendid valikuliselt adsorbeerida sobitatud ioone, saavutades seeläbi eraldus- ja rikastamisefektid.
Rakendamise etapid:
Polüstüreeni ioonivahetusmeetodi rakendamise etapid võib jagada järgmisteks olulisteks sammudeks:
(1) Eeltöötlus: uut polüstüreeni ioonivahetuskolonni tuleks enne kasutamist eelnevalt töödelda, et eemaldada hõljuvad tahked ained ja lisandid ning saavutada optimaalne jõudlus. Eeltöötlusmeetodid hõlmavad veepesu, happepesu ja leelispesu
(2) Proovi eeltöötlus: filtreerige või puhastage proovilahus, et eemaldada tahked hõljuvad tahked ained ja lisandid. Vajadusel saab läbi viia ka pH kalibreerimise ja puhvri lisamise.
(3) Proovi töötlemine: proovilahust saab töödelda läbi polüstüreeni ioonivahetuskolonni, kasutades gravitatsioonivoolu või kõrgsurvet. Polüstüreeni ioonivahetuskolonnis olevad ioonid vahetuvad lahuses olevate ioonidega ja lahuses olevad ioonid eemaldatakse, tahkes faasis olevad ioonid aga rikastuvad.
(4) Pesemine: töödeldud tahket faasi tuleks pesta, et värskendada vahetuskohti ja eemaldada liigsed ioonid. Pesulahuse pH väärtus on tavaliselt sama, mis polümeeri ioonivahetuskolonnidele mõeldud pH väärtus.
(5) Desorptsioon: ioonid, mis on juba adsorbeeritud polümeeri ioonivahetuskolonnidesse, tuleb desorbeerida, kasutades tavaliselt tugevamat elektrolüütide kontsentratsiooni ja/või polaarsemaid lahusteid. Näiteks võib desorptsioonioperatsioonidel kasutada tugevaid elektrolüütide lahuseid, nagu naatriumkloriidi lahust ja ammooniumkloriidi lahust.
(6) Regenereerimine: polüstüreeni ioonivahetuskolonnide regenereerimine sõltub kasutatava vahetusmaterjali tüübist ja seda on tavaliselt võimalik saavutada mitme erinevat tüüpi töötlemismeetodi abil. Näiteks võib selliste ioonivahetuskolonnide adsorptsioonivõime taastamiseks kasutada töötlemiseks kõrge kontsentratsiooniga happe- või leeliselisi lahuseid. Loomulikult ei tohiks kasutada tugevaid stimuleerivaid kemikaale, et vältida tahkete materjalide kahjustamist.
Rakendusmeetod:
Polüstüreeni ioonivahetusmeetodit kasutatakse laialdaselt keskkonna-, bioloogia- ja farmaatsiavaldkonnas. Näiteks saab seda kasutada puhaste või segaioonide eraldamiseks ja puhastamiseks, peeneks bioeraldamiseks ja puhastamiseks ning preparaatide puhastamiseks farmaatsiatööstuses. Konkreetne rakendusala hõlmab järgmist:
(1) Ioonide eraldamine ja rikastamine
(2) Geenide või valkude eemaldamine või rikastamine
(3) Ioonsete polümeeride eraldamine
(4) Lahuse muutmine ja preparaatide stabiilsuse parandamine
(5) Kasutatakse tööstusliku protsessi vee töötlemiseks
Kokkuvõttes on polüstüreeni ioonivahetusmeetod oluline tehnoloogia, mida kasutatakse laialdaselt laborites ja tööstusettevõtetes. Oleme juba üksikasjalikult tutvustanud selle meetodi rakendamise etappe. Loodame, et see artikkel võib anda lugejatele sügavamat arusaamist ja juhiseid ning edendada veelgi polüstüreeni ioonivahetustehnoloogia arendamist ja rakendamist.
Ülaltoodud on polüstüreeni peamine sünteesimeetod. Nendel meetoditel on vastavad eelised ja puudused ning konkreetne kasutatav meetod tuleks valida tegelike rakendusvajaduste põhjal.