TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC o0o BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CHUYÊN NGÀNH POLYME GIẤY Mã học phần CH4088 Giáo viên hướng dẫn KS Trần Thị Kim Dung TS Nguyễn Thị Minh Phương Sinh viên 1[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC - o0o BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CHUYÊN NGÀNH POLYME-GIẤY Mã học phần: CH4088 Giáo viên hướng dẫn: KS Trần Thị Kim Dung TS Nguyễn Thị Minh Phương Sinh viên: Trần Thị Uyên 20175351 Đinh Thị Hoài 20180732 Hoàng Thị Nga 20174970 Nguyễn Thị Hồng 20174725 Ngô Thị Quý 20175107 Nguyễn Minh Tâm 20175144 Nguyễn Hồng Thái 20180926 HÀ NỘI - 2021 MỤC LỤC BÀI 1: TRÙNG HỢP KHỐI POLYSTYREN I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM II CƠ SỞ LÝ THUYẾT III TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM V KẾT LUẬN BÀI 2: TRÙNG HỢP DUNG DỊCH POLYSTYRENE THEO CƠ CHẾ TRÙNG HỢP GỐC I Mục đích thí nghiệm II Cơ sở lý thuyết III Tiến hành thí nghiệm 11 IV Kết thảo luận 12 BÀI 3: ĐIỀU CHẾ NHỰA NOVOLAC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRÙNG NGƯNG PHENOL VỚI FOMANDEHIT 13 I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 13 II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 III TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 14 IV KẾT QUẢ VÀ TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT: 15 V NHẬN XÉT: 16 BÀI 1: TRÙNG HỢP KHỐI POLYSTYREN MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM I - Tổng hợp polystyren theo phương pháp trùng hợp khối theo chế trùng hợp gốc với tác nhân BPO (Peoxit benzoil) - Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến trùng hợp Polystyren 80℃ thông qua hiệu suất tổng hợp II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Polystyren - Polystyren polyme tổng hợp từ monome styren Có thể tiến hành trùng hợp theo phương pháp trùng hợp khối, trùng hợp nhũ tương trùng hợp huyền phù Trong thí nghiệm này, polystyren trùng hợp theo phương pháp trùng hợp khối - Phương pháp trùng hợp khối phương pháp tiến hành trùng hợp polyme dạng ngưng tụ, khơng có dung mơi Sản phẩm thu khối polyme rắn, đồng - Polystyren loại nhựa nhiệt dẻo, có tính đặc biệt nên ngày sử dụng rộng rãi đời sống kỹ thuật - Tính chất: + Nhựa PS cứng, suốt với độ bóng cao, không mùi, khộng vị + Khi cháy cho lửa khơng ổn định + Dễ tạo màu + Có tính điện mơi tốt, bền với nhiều háo chất sử dụng PS không phân cực nên bền với hóa chất phân cực phân cực mạnh + Dễ gia công phương pháp ép đúc áp suất - Ứng dụng: thường sử dụng sản xuất hộp xốp nhựa đựng thực phẩm, vỏ nhựa CD, DVD, đồ chơi trẻ em, máy vi tính, thiết bị nhà bếp Tuy nhiên, sản phẩm từ nhựa PS khơng nên dùng đựng thức ăn nóng (trên 70℃) Styren - CTPT: C8H8 - CTCT: - Nguyên liệu tổng hợp PS, monome thơm khơng bão hòa, gọi vinul benzen - Là chất lỏng suốt, nhẹ nước, không tan nước tan nhiều dung môi hữu cơ, dễ bay hơi, mùi hắc, khúc xạ ánh sáng mạnh - Khối lượng riêng 20℃ d=0.903 g/cm3, độ nhớt 0.762 cP, nhiệt độ sơi 145.2 ℃, nhiệt độ nóng chảy -30.63℃ - Styren độc, hít phải gây khó chịu, đau đầu, mệt mỏi, gây kích ứng mắt…tiếp xúc nhiều gây ung thư Do thao tác với styren phải tủ hút PBO - Peoxit benzoil chất khơi mào sử dụng, có khả phân hủy gốc tự - CTPT: C14H10O4 - CTCT: Cơ chế phản ứng - Giai đoạn 1: Khơi mào - Giai đoạn 2: Phát triển mạch - Giai đoạn 3: Ngắt mạch III TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Chuẩn bị Hóa chất - Styren - PBO, lấy % khối lượng styren - Dung môi Xylen - Rượu etylic Dụng cụ - Ống nghiệm - Kẹp ống nghiệm - Giấy lọc - Pipet, cốc thủy tinh Thiết bị - Máy ổn nhiệt - Máy sấy - Cân điện tử - Bộ hút chân khơng Quy trình thí nghiệm Cho vào ống nghiệm, ống 5ml styren vào lượng PBO tính tốn, lắc nhẹ đến tan nút kín miệng ống lại Đặt ống nghiệm vào máy ổn nhiệt, trì nhiệt độ phản ứng 80℃ Phản ứng xong dùng dung mơi xylen để hịa tan, sau đổ cốc thủy tinh có sẵn rượu etylic để kết tủa polystyren (chú ý khuấy polystyren kết tủa tách tương đối đồng đều) Sau dùng hút chân khơng để tách lấy kết tủa, cho vào tủ sấy nhiệt độ 80℃ đến khối lượng khơng đổi Tiến hành thí nghiệm đồng thời ống nghiệm trên, khảo sát ảnh hưởng thời gian phản ứng: Trùng hợp styren với 1% khối lượng PBO so với styren 80 ℃ khoảng thời gian 30 phút, 60 phút, 90 phút IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Từ kết thu từ ống nghiệm, hiệu suất phản ứng trùng hợp tính theo cơng thức: 𝐻= 𝑚𝑃𝑆 𝑚𝑠𝑡𝑦𝑟𝑒𝑛𝑒 × 100% Tốc độ phản ứng trùng hợp tính bằng: 𝑅= 𝐻 (%/𝑝ℎú𝑡) 𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑝ℎả𝑛 ứ𝑛𝑔 Sau tính tốn ta thu kết bảng sau: Styren BPO STT T(ºC) V(ml) m(g) C% m(g) 5 5 5 4.515 4.515 4.515 4.515 4.515 4.515 1 1 1 0.045 0.045 0.045 0.045 0.045 0.045 80 80 80 80 80 80 Thời gian (phút) 30 30 60 60 90 90 Tốc độ trùng hợp R(%/phút) Hiệu suất H m % 0.492 0.481 0.932 0.968 1.475 1.616 10.90 10.65 20.64 21.44 32.27 35.80 0.363 0.355 0.344 0.357 0.359 0.398 Đồ thị khảo sát ảnh hưởng thời gian phản ứng: Ảnh hưởng thời gian tới hiệu suất phản ứng 40 y = 0.3877x - 1.31 R² = 0.9954 35 Hiệu suất (%) 30 25 20 15 10 0 20 40 60 80 100 Thời gian (phút) Nhận xét đồ thị: - Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng thời gian lên hiệu suất phản ứng trùng hợp PS đường thẳng tuyến tính dạng y=ax+b (a>0) - Giải thích : Phản ứng lâu lượng gốc tự tạo nhiều dẫn đến hiệu suất tăng, tốc độ trùng hợp lớn V KẾT LUẬN Nhìn chung kết thực nghiệm phù hợp với lý thuyết: - Hiệu suất trùng hợp tăng thời gian trùng hợp tăng, đồng thời mối quan hệ đại lượng tuyến tính - Trong q trình làm thí nghiệm, sai số dụng cụ, thất hóa chất thí nghiệm, phản ứng tạo gốc tự không triệt để trình ngắt mạch tiêu tốn nhiều gốc tự làm giảm tác nhân gây polyme hóa BÀI 2: TRÙNG HỢP DUNG DỊCH POLYSTYRENE THEO CƠ CHẾ TRÙNG HỢP GỐC I Mục đích thí nghiệm - Tổng hợp polystyrene theo phương pháp trùng hợp dung dịch theo chế trùng hợp gốc với tác nhân khơi mào BPO (Benzoyl Peroxide) dung môi Xylene - Tách tinh chế sản phẩm Cân khối lượng sản phẩm để tính toán hiệu suất trùng hợp II Cơ sở lý thuyết Polystryrene - Polystyrene (PS) loại polymer tổng hợp từ monomer styrene (Hình 1) Có thể tiến hành trùng hợp theo phương pháp trùng hợp khối, trùng hợp dung dịch, trùng hợp nhũ tương trùng hợp huyền phù Trong thí nghiệm polystyrene trùng hợp theo phương pháp trùng hợp dung dịch Phương pháp trùng hợp dung dịch phương pháp tiến hành trùng hợp polymer dung môi Kết phản ứng trùng hợp phương pháp dung dịch polymer đồng nhất, sau sử dụng phương pháp tách tinh chế để thu polymer tinh khiết Tương tự phương pháp trùng hợp khác, trùng hợp dung dịch cần sử dụng chất khơi mào để bắt đầu phản ứng - - - Hình Phản ứng trùng hợp PS PS loại nhựa nhiệt dẻo có tính đặc biệt nên sử dụng rộng rãi Về đặc tính: cứng suốt, khơng có mùi vị, cháy cho lửa khơng ổn định, khơng màu dễ tạo màu Tính chất học phụ thuộc vào mức độ trùng hợp PS có trọng lượng phân tử thấp, giịn độ bền kéo thấp PS sử dụng sản xuất hộp xốp nhựa đựng thực phẩm, vỏ nhựa CD, DVD, đồ chơi trẻ em, … Tuy nhiên sản phẩm nhựa PS không nên dùng để đựng thức ăn nóng (trên 70oC) Monomer Styrene CTPT: C8H8 CTCT: Hình Cấu tạo hoá học Styrene - Styrene (cịn gọi vinyl benzene) ngun liệu để trùng hợp tạo PS, monomer thơm không bão hịa Styrene chất lỏng suốt, khơng màu đến vàng, có mùi hắc, khúc xạ ánh sáng mạnh Khối lượng riêng 20oC d=0.903 g/cm3, độ nhớt 0.762 cP Nhiệt độ sôi: ts=145.2oC, nhiệt độ nóng chảy tnc=-30.63oC Styrene độc: hít phải gây khó chịu, đau đầu, mệt mỏi, gây kích ứng mắt… tiếp xúc nhiều gây ung thư,… Do thao tác với styrene phải thực tủ hút Chất khơi mào - Chất khơi mào thường sử dụng benzoyl peroxide (BPO) có khả phân hủy tạo thành gốc tự tác dụng ánh sáng nhiệt - CTPT: C14H10O4 - CTCT: Hình Cấu tạo hoá học BPO Cơ chế phản ứng - GĐ 1: Khơi mào: - Hình Cơ chế khơi mào phản ứng trùng hợp PS - GĐ : Phát triển mạch: … Hình Cơ chế phát triển mạch phản ứng trùng hợp PS - GĐ 3: Ngắt mạch + Ngắt mạch kết hợp: Hình Cơ chế ngắt mạch kết hợp phản ứng trùng hợp PS + Ngắt mạch phân ly: Hình Cơ chế ngắt mạch phân li phản ứng trùng hợp PS 10 III Tiến hành thí nghiệm Hố chất - Styrene: 50 ml - Benzoyl peroxide (BPO): 1,3545 g - Xylene: 50 ml - Ethanol: 250 ml Dụng cụ - Bình cầu cổ 250 ml: - Sinh hàn nghịch: - Máy khuấy cơ: - Nhiệt kế: - Cốc 600 ml: Quy trình thí nghiệm Hình Sơ đồ thí nghiệm phản ứng trùng hợp dung dịch PS 50 ml styrene, 50 ml xylene cuối 1,3545 g BPO đưa vào bình cầu cổ 250 ml Sau bình cầu lắp vào hệ phản ứng Hình Hệ phản ứng lắp theo thứ tự từ lên trên, từ trái qua phải Tiến hành khởi động máy khuấy bếp gia nhiệt Tốc độ khuấy 200 rpm, nhiệt độ giữ ổn định 80oC 11 Sau phản ứng kết thúc, tắt máy khuấy bếp gia nhiệt Khi bình cầu nguội, đổ dung dịch PS nhận vào cốc 600 ml Kết tủa PS từ dung dịch 250 ml ethanol Kết tủa lọc hệ lọc hút chân không Trong trường hợp PS bám lại nhiều thành cốc, sử dụng xylene để hồ tan polymer, sau tiếp tục kết tủa PS từ dung dịch ethanol Lặp lại quy trình lọc hết PS cốc Polymer giữ giấy lọc sau đem vào tủ sấy khô 80 oC đến khối lượng không đổi IV Kết thảo luận Sản phẩm sau thí nghiệm: Kết tính tốn hiệu suất: - Khối lượng giấy cân khơ: m0 = 1,743 g - Khối lượng PS + giấy cân: m1 = 30,22 g - Khối lượng PS: mPS = m1 – m0 = 30,22 – 1,743 = 28,477 (g) - Khối lượng PS theo lý thuyết: 𝑙𝑡 𝑚𝑃𝑆 = 𝑚𝑠𝑡𝑦𝑟𝑒𝑛𝑒 = 45,15 (g) - Hiệu suất phản ứng: H= 𝑚𝑃𝑆 𝑙𝑡 𝑚𝑃𝑆 × 100% = 28,477 45,15 12 × 100% = 63,071% BÀI 3: ĐIỀU CHẾ NHỰA NOVOLAC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRÙNG NGƯNG PHENOL VỚI FOMANDEHIT I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM - Điều chế nhựa Novolac từ phản ứng trùng ngưng phenol – phomandehit xúc tác acid sau tính hiệu suất đo tính chất (vận tốc đóng rắn, trọng lượng riêng dung dịch, độ nhớt dung dịch) - Ứng dụng nhựa Novolac công nghiệp - Biết cách lắp ráp, sử dụng dụng cụ thí nghiệm II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phenol - Ở điều kiện thường phenol có dạng tinh thể khơng màu nhiệt độ nóng chảy 42oC-43oC, nhiệt độ sơi 183oC 760 mmHg - Nó dễ chưng cất với nước Do tác dụng oxi không phenol bị biến đổi hóa học có màu từ hồng nhạt sang nâu sẫm Trước tiến hành thí nghiệm cần làm phenol chưng cất bảo quản lọ thủy tinh sẫm màu Fomandehit - Ở điều kiện thường fomandehit khí khơng màu có nhiệt độ nóng chảy -92oC, nhiệt độ sơi -21oC Thường dạng dung dịch nước gọi fomanlin Nồng độ fomndehit fomanlin 37-40% Khi bảo quản lâu fomandehit tự trùng hợp thành polymer goi parafomandehit có dạng vơ định hình màu trắng khơng tan nước bị phân hủy CH2O nhiệt độ cao dùng nguyên liệu để tổng hợp phenol-formandehit Nhựa Novolac - Đun nóng hỗn hợp phenol formanlin theo tỷ lệ 7:6 xúc tác acid - Nhựa novalac nhựa nhiệt dẻo thu dạng rắn, dịn có màu vàng sáng, dễ nóng chảy hịa tan số dung môi hữu (rượu hỗn hợp rượu với benzene) 13 Phản ứng tổng hợp - Cơ chế phản ứng: Dựa chế electrophil vịng thơm Nhóm hydroxyl phenol hoạt hóa vịng bên vị trí 2, 4, - Đây phản ứng tỏa nhiệt mạnh làm hỗn hợp đạt đến nhiệt độ lớn 1000C, gây sôi trào mạnh III TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Nguyên liệu: - Phenol: 67,15g - Fomanlin 40%: 48g - Thể tích dung dịch HCl: 0,6ml Dụng cụ - Bình cầu cổ - Sinh hàn bầu - Nhiệt kế - Bếp điện - Cánh khuấy - Bát sứ - Nồi Sơ đồ thí nghiệm Tiến hành lắp thiết bị theo thứ tự từ lên từ trái qua phải: 14 Lắp bình cầu ba cổ dung tích 250ml vào đỡ đặt vào nồi, cách nồi khoảng 1-2cm Nồi đặt bếp gia nhiệt - Bôi mỡ chân không vào cánh khuấy, lắp cánh khuẩy vào trục quay từ từ điều chỉnh cho cánh vào bên bình cầu cách đáy bình 1-1,5cm Lắp cố định tránh rung lắc gây vỡ bình - Nhánh cổ nhỏ bên phải lắp nhiệt kệ, nhánh cổ nhỏ bên trái nối với sinh hàn bầu Các bước tiến hành: - Do phenol dạng rắn nên trước tiến hành cân ta cần phải chuyển hóa phenol dạng lỏng cách đun nồi nước nóng nhiệt độ khoảng 40 - 50oC Để tránh nổ bình đựng áp suất tăng mở nhẹ nắp bình - Trong trình đợi phenol hóa lỏng tiến hành cân fomalin tủ hút Lấy xác 60g fomalin cân phân cho vào bình cầu cổ Sau phenol hóa lỏng tiến hành lấy xác 96.26g phenol cân phân tích cho vào bình cầu Cuối lấy xác 1ml HCl pipet cho vào bình cầu Tất thao tác cân lấy dung dịch phải tiến hành tủ hút - Lắp bình cầu cổ vào thiết bị lắp sẵn trước đó, tận dụng nước đun phenol đổ vào nồi để tiếp tục đun nóng hỗn hợp dung dịch vừa lấy, lượng nước đổ vào ngập dung dịch bên bình cầu Cho nước chảy vào sinh hàn, bật máy khuấy tiến hành đun nóng nước Khi nhiệt độ hỗn hợp đạt đến khoảng 50oC-60oC giảm nhiệt trình phản ứng xảy tỏa nhiệt mạnh, nhiệt độ tăng nhanh nên phải giảm nhiệt xuống để khống chế nhiệt độ tăng chậm trì 90-95oC.Trong trường hợp nhiệt độ tiếp tục tang giới hạn cần nâng bình cầu khỏi bếp gia nhiệt làm lạnh hỗn hợp cách cho them nước lạnh vào hệ (chú ý không đổ trực tiếp nước lạnh vào bình cầu để tránh nứt bình cầu) Tiến hành đun nóng giờ, hỗn hợp từ chuyển sang đục Tạm ngừng cánh khuấy, sau lúc ta thấy dung dịch phân làm lớp: lớp nước lớp sản phẩm ngưng tụ - Khi hỗn hợp phân lớp rõ rệt ngừng đun nóng Đổ nhựa bát sứ, để lắng tách bỏ lớp nước Tiến hành sấy tủ hút chân không, nhiệt độ nâng từ từ đến 120oC ngừng sấy Sản phẩm sau tổng hợp tiến hành đem cân để tính hiệu suất đo tính chất đặc trưng - IV KẾT QUẢ VÀ TÍNH TỐN HIỆU SUẤT: - Khối lượng phenol ban đầu: m1 = 67,15g - Khối lượng fomandehit: m2 = 48g - Khối lượng khay đựng nhựa: mo = 189,2g - Khối lượng nhựa + khay: m3 = 264,43g Hiệu suất: H= ( 𝑚3−𝑚𝑜 ) (𝑚1+𝑚2) 100 = (264,43−189,2) (67,15+48) 15 100 = 65,33% V NHẬN XÉT: - Do trình thực nghiệm mắc nhiều sai số thao tác như: cân, rót dung dịch, điều khiển nhiệt độ, … kết bị sai lệch so với thực tế - Thời gian phản ứng ngắn nên mạch polymer hình thành ngắn nên khó đóng rắn để nguội - Trong q trình tổng hợp cịn dư nhiều phenol, thời gian phân lớp phenol bị oxi hóa nên sản phẩm thu có màu ngả hồng - Q trình sấy có tượng sủi bọt khí nước 16 ... BÀI 1: TRÙNG HỢP KHỐI POLYSTYREN I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM II CƠ SỞ LÝ THUYẾT III TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM V KẾT LUẬN BÀI 2: TRÙNG... 3: Ngắt mạch III TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Chuẩn bị Hóa chất - Styren - PBO, lấy % khối lượng styren - Dung môi Xylen - Rượu etylic Dụng cụ - Ống nghiệm - Kẹp ống nghiệm - Giấy lọc - Pipet, cốc thủy... tính - Trong q trình làm thí nghiệm, sai số dụng cụ, thất hóa chất thí nghiệm, phản ứng tạo gốc tự khơng triệt để trình ngắt mạch tiêu tốn nhiều gốc tự làm giảm tác nhân gây polyme hóa BÀI 2: TRÙNG