Trùng hợp polystyren

Trùng hợp polystyren

GVHD: TS.Đặng Việt Hưng PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan nhựa Polystyren (PS) loại polyme tổng hợp từ monome styren Có thể tổng hợp trùng hợp khối, trùng hợp nhũ tương huyền phù Trong báo cáo PS tổng hợp theo phương pháp trùng hợp khối trùng hợp dung dịch PS loại nhựa nhiệt dẻo có tính vượt trội nên sử dụng rộng rãi Về đặc tính: cứng suốt, khơng có mùi vị, cháy cho lửa không ổn định; không màu dễ tạo màu, hình thức đẹp Tính chất học PS phụ thuộc vào mức độ trùng hợp PS có trọng lượng phân tử thấp, giòn độ bền kéo thấp PS sử dụng sản xuất hộp xốp nhựa đựng thực phẩm, vỏ nhựa CD, DVD, đồ chơi trẻ em, thiết bị nhà bếp, Tuy nhiên sản phẩm nhựa PS tốt khơng nên dùng PS để đựng thức ăn nóng ( 70oC).Hiện chất liệu HIPS sử dụng thay nhựa PS an tồn đóng gói thực phẩm 1.2 Ngun liệu 1.2.1 Monome styren  CTPT: C8H8  CTCT: C6H5-CH=CH2  Styren nguyên liệu để trùng hợp tạo PS, monome thơm khơng bão hòa gọi vinuyl benzen Styren chất lỏng suốt, không màu đến vàng, có mùi hắc, khúc xạ ánh sáng mạnh Khối lượng riêng 20oC d= 0.903 g/cm3, độ nhớt 0.762cP Nhiệt độ sôi: ts = 145,2 oC, nhiệt độ nóng chảy: tnc= -30,63oC  Độc tính: hít phải gây khó chịu, chóng mặt, đau đầu, mệt mỏi, gây kích ứng mắt tiếp xúc nhiều gây vấn đề sinh SVTH Page of 16 GVHD: TS.Đặng Việt Hưng sản ung thư Do tiến hành thí nghiệm ý thực thao tác với styren tủ hút 1.2.2 Hệ chất khơi mào - Chất khơi mào sử dụng peroxyt benzoyl ( C 14H10O4) có kahr phân hủy tạo gốc tự 1.3 1.2.3 Dung môi phân tán Dung môi sử dụng toluen, tetraclorua, butylaxetat, xylen Phản ứng tổng hợp Phản ứng tổng hợp PS xảy theo chế gốc tự do: - Giai đoạn khơi mào: - Giai đoạn phát triển mạch SVTH Page of 16 GVHD: TS.Đặng Việt Hưng - Giai đoạn ngắt mạch  Ngắt mạch kết hợp:  Ngắt mạch phân ly: SVTH Page of 16 GVHD: TS.Đặng Việt Hưng PHẦN II KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ NHẬN XÉT 2.1 Chuẩn bị dụng cụ hóa chất 2.1.1 chuẩn bị dụng cụ      ống thí nghiệm Bếp ga nhiệt Nhiệt kế Cố có mỏ 500ml, 250ml, 100ml Giấy lọc, kẹp đỡ, đũa thủy tinh, phễu thủy tinh, bình tam giác 2.1.2 Chuẩn bị hóa chất  Monome: styren  Dung môi : toluen ( hoặc: tetraclorua; butylaxetat; xylen)  Chất khơi mào: BPO 2.2 quy trình kết thực nghệm Styren ban đầu có khối lượng riêng 0.903 g/cm3 Lượng dung dịch chiếm ống nghiệm khoảng 1/5 ống Điều kiện thí ghiệm khảo sát nhiệt độ 70oC, 75oC, 80oC, 90oC Tiến hành khảo sát ảnh hưởng khác tương ứng với nhệt độ: ảnh hưởng thời gian,ảnh hưởng nồng độ chất khởi đầu ảnh hưởng nhiệt độ ảnh hưởng loại dung môi ( với trùng hợp dung dịch) 2.2.1 Trùng hợp khối Nhóm em thí nghệm khảo sát: Khối lượng monome Styren 2g: - ảnh hưởng nồng độ chất khởi đầu nhiệt độ 70oC vòng 3h với hàm lượng BPO 0,2%; 0,4%; 0,6%; 0,8%; 0,9% Được bảng kết quả: Bảng SVTH Page of 16 GVHD: TS.Đặng Việt Hưng nồng độ BPO(% khối lượng khối lượng giấy khối lượng khối lượng PS ) BPO (cân) cân tổng thu 0.2 0.0041 0.8123 0.9924 0.1801 0.4 0.0077 0.7928 1.0909 0.2981 0.6 0.0125 0.7939 1.1125 0.3186 0.8 0.0158 0.8067 1.2823 0.4756 0.9 0.0181 0.7877 1.4009 0.6132 - ảnh hưởng thời gan: tiến hành thí nghiệm với khoảng thời gian 1h; 2h; 3h; 4h, nồng độ BPO 0,5% Ta kết bảng đây: Time PƯ (h) Khố lượng khối lượng khối lượng khố lượng PS BPO(cân) giấy lọc tổng khô 0.0099 0.7921 0.9057 0.1136 0.0109 0.7939 1.0726 0.2787 0.0104 0.793 1.2774 0.4844 0.01 0.8007 1.426 0.6253 Nhận xét chung: polyme kết tủa có dạng bơng, kết tủa từ từ cồn khuấy ta thu kết tủa dạng cuộn lại thành cục bền vững 2.2.2 trùng hợp dung dịch Tiến hành phản ứng điều kiện 70 oC; với lượng monome styren 3ml dung môi toluen - Ảnh hưởng thời gian: khoảng thời gian khác nhau: 1h,2h,3h,4h vớ thể tích dung mơi 3ml, nồng độ chất khơi mào BPO 3% Ta kết bảng 3: khối lượng khối lượng khối lượng nhựa Thời gian (h) BPO(cân) gấy lọc khối lượng tổng PS khô 0.0817 0.7974 0.9899 0.1925 0.0816 0.8071 1.2514 0.4443 0.0817 0.808 1.4819 0.6739 SVTH Page of 16 GVHD: TS.Đặng Việt Hưng 0.0816 0.8066 1.8157 Nhận xét: Polyme PS kết tủa dạng vẩn đục, hạt không tạo khối 1.0091 - Ảnh hưởng nòng độ chất khơi mào: nồng độ chất khơi mào khác nhau: 1%, 3%, 5%, 7%; với thể tích dug mơi Toluen 3ml, phản ứng diễn 4h Ta kết bảng 4: nồng độ BPO Khối lượng khối lượng khối lượng khối lượng PS (%) BPO(cân) giấy lọc tổng khô 0.0274 0.7923 1.4162 0.6239 0.0816 0.8066 1.8157 1.0091 0.1355 0.8 2.0534 1.2534 0.19 0.8134 2.1085 1.2951 Nhận xét: Polyme tạo kết tủa dạng dẻo ( dạng keo hồ) kết tủa thêm cồn từ từ khuấy tay - Ảnh hưởng dung mơi: thể tích dung mơi Toluen thêm vào khác : 1ml; 2ml; 3ml; 4ml, nống độ chất khơi mào BPO 3%, thời gian 4h Ta bảng 5, bảng kết đây: thể tích toluen Khối lượng khối lượng khối lượng khối lượng PS (ml) BPO (cân) giấy lọc tổng khô 0.0818 0.8106 2.1566 1.346 0.0817 0.8004 1.965 1.1646 0.0817 0.8066 1.8157 1.0091 0.0818 0.7884 1.5592 0.7708 Nhận xét: polyme 1ml,2ml,3ml dung môi tạo kết tủa dạng dẻo( dạng keo hồ), không bị vẩn đục két tủa từ từ khuấy tay, 4ml dung mơi kết tủa vẩn đục 2.3 tính tốn kết nhận xét 2.3.1 trùng hợp gốc SVTH Page of 16 GVHD: TS.Đặng Việt Hưng Từ kết thí nghệm em tổng kết tính tốn bảng số liệu sau: Bảng 6: Bảng kết thí nghệm tính tốn số nhiệ t thành phần ban đầu thí nghiệ m monome chất khơi mào độ ⁰C g mol mol/l g % mol/l 2.009 0.019 0.4 0.018 8.6710 0.0099 70 2.009 0.019 0.5 0.020 8.6710 0.0109 70 2.009 0.019 0.5 0.019 8.6710 0.0104 70 2.009 0.019 0.5 0.018 8.6710 0.01 70 2.009 0.019 0.2 0.007 8.6710 0.0041 70 2.009 0.019 0.3 0.014 8.6710 0.0077 70 2.009 0.019 0.6 0.023 8.6710 0.0125 2 70 2.009 0.019 0.7 0.029 8.6710 0.0158 70 2.009 0.019 0.9 0.033 8.6710 0.0181 70 thời gia n hiệu suất g 0.1136 0.2787 0.4844 0.6253 0.1801 0.2981 0.3186 0.4756 0.6132 tốc độ trùng hợp % 5.65 13.8 24.1 31.1 8.96 14.8 15.8 23.6 30.5 %/gi mol/l.giây 2.81 4.538E-05 6.90 0.000111 11.99 0.000194 15.48 0.000250 4.46 0.000072 7.38 0.000119 7.89 0.000127 11.77 0.000190 15.18 0.000245 Bên cạnh đấy, em tham khảo số liệu nhóm lại buổi thí nghiệm tương ứng: nhóm khảo sát 75 oC với dung mơi tetraclorua, nhóm khảo sát 80oC với dung mơi butylaxetat; nhóm khảo sát 90oC với dung môi xylen em thu đồ thị  Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ trùng hợp: SVTH Page of 16 Tốc độ trùng hợp, %/ GVHD: TS.Đặng Việt Hưng 25.00 20.00 15.00 anh huong cua nhiet Linear (anh huong cua nhiet do) 10.00 5.00 0.00 65 70 75 80 85 90 95 nhiệ t độ,⁰C Từ đồ thị kết tính tốn ta thấy : nhìn chung tốc độ trùng hợp tăng nhiệt độ tăng Tại 70oC có tốc độ trùng hợp 11.99 %/ với nhiệt độ 90oC 22.43%/giờ điều kiện nồng độ chất khơi mào 0,5% khối lượng so với khối lượng styren 2.0098g với thời gian phản ứng 3h Tuy nhiên đồ thị thu lại giảm 80 oC sai số trình cân thu hồi polyme( trình kết tủa, lọc kết tủa sấy)  Khảo sát ảnh hưởng nồng độ chất khơi mào đến tốc độ trùng hợp: Tốc độ t rùng hợp , %/ 16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 anh huong cua nong chat khoi mao Linear (anh huong cua nong chat khoi mao) 6.00 4.00 2.00 0.00 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 nồng độ khơi mào, % Dựa vào kết tính tốn đồ thị ta thấy nồng độ chất khơi mào có ảnh hưởng đến tốc độ trùng hợp Cụ thể nồng độ chất khơi mào tăng từ 0.2% lên 0.9% tốc độ phản ứng trùng hợp tăng ltương ứng từ 4,46%/ lên 15,18%/giờ  Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến tốc độ phản ứng trùng hợp: SVTH Page of 16 tốc độ t rùng hợp, %/giờ GVHD: TS.Đặng Việt Hưng 18.00 16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 anh huong cua thoi gian phan ung Linear (anh huong cua thoi gian phan ung) 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 t hời gian, h Dựa vào kết tính tốn đồ thị ta nhận thấy thời gian phản ứng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng trùng hợp Cụ thể thời gian phản ứng tăng từ 1h đến 4h tốc độ trùng hợp tăng từ 2,81% lên 12,48%  Xác định bậc phản ứng theo hàm lượng chất khơi mào: Ta tiến hành trùng hợp khối lượng monome định với lượng chất khơi mào khác nhau, nhiệt độ khác 70 oC 75oC Theo phương trình tốc độ trùng hợp V= K [I] n [M]m ( với I chất khơi mào, M monome )vẽ đồ thị quan hệ log v log C ta tang góc nghiêng đường biểu diễn n tức bậc phản ứng trùng hợp theo chất khơi mào Ta số liệu thí nghiệm tính tốn, tham khảo kết nhóm o 75 C ta số liệu bảng : monom e chất khởi đầu g g 2.0098 hiệu suất % mol/l g tốc độ v mol/l.giâ y % log v 0.204 0.0076 0.1801 8.96 0.000072 -4.1430 2.0098 0.0077 0.38312 0.0143 0.2981 14.83 0.000119 -3.9241 2.0098 2.0098 0.0125 0.0158 0.0232 0.0293 0.3186 0.4756 15.85 23.66 0.000127 0.000190 -3.8953 -3.7213 SVTH Page of 16 nhiệt độ ⁰C 0.0041 0.62195 0.78614 log C 2.11 1.84 1.63 1.53 70 70 70 70 GVHD: TS.Đặng Việt Hưng 2.0098 0.0181 0.90058 2.0098 0.00201 0.1 0.0037 0.4331 21.55 0.000173 -3.7619 2.0098 0.00402 0.2 0.0075 0.4291 21.35 0.000171 -3.7659 2.0098 0.00602 0.3 0.0112 0.4263 21.21 0.000170 -3.7688 2.0098 0.01004 0.5 0.0187 0.722 35.92 0.000288 -3.5400 2.0098 0.01406 0.7 0.0261 0.8002 39.81 0.000320 -3.4953 0.0336 0.6132 30.51 0.000245 -3.6109 1.47 2.42 2.12 1.95 1.72 1.58 Ta đồ thị biểu diễn quan hệ log v log C là: -3.0000 -1.4 -1.6 -3.2000 -1.8 -2 -2.2 -2.4 -2.6 log v -3.4000 -3.6000 f(x) = 0.35x - 2.98 f(x) = 0.74x - 2.59 -3.8000 -4.0000 t1=70 Linear (t1=70) t2=75 Linear (t2=75) -4.2000 -4.4000 log C Từ kết tính tốn đồ thị ta nhận thấy, với khảo sát thực tế ta thấy bậc phản ứng dao động khoảng từ 0.3 đến 0.7 mà theo lý thuyết bậc phản ứng 0.5 Như kết mắc sai số trình cân q trình kết tủa polyme sấy, gặp mát trình kết tủa, lọc lượng cân dư so với số liệu tính tốn dẫn đến bậc phản SVTH Page 10 of 16 70 75 75 75 75 75 GVHD: TS.Đặng Việt Hưng ứng thu hai nhiệt độ khác lại có chếnh lệch sai lệch so với lý thuyết đưa Nhưng 0.5 thuộc phạm vi sai khác hai bậc phản ứng khảo sát hai nhiệt độ khác nên bậc phản ứng 0.5 chấp nhận đúng, năm khoảng sai số II.3.2 trùng hợp dung dịch Bảng số liệu kết tính tốn ta thu số liệu Bảng ( gồm bảng): số ốn g thành phần ban đầu monome ml g 3 3 10 mol 2.70 2.70 2.70 2.70 2.70 2.70 2.70 2.70 2.70 2.70 SVTH Chất khơi g mào(BPO ) % toluen (ml) 0.0260 0.0274 0.0260 0.0816 3 0.0260 0.1355 0.0260 0.19 0.0260 0.0818 0.0260 0.0817 0.0260 0.0817 3 0.0260 0.0818 0.0260 0.0817 3 0.0260 0.0816 3 nồng độ dung dịch nhiệt thời chất khơi monome mào độ gian ⁰C g/l mol/l g/l mol/l 4.464 451.5 4.5667 0.0189 70 4.464 451.5 13.6000 0.0562 70 4.464 451.5 22.5833 0.0933 70 4.464 451.5 31.6667 0.1309 70 6.696 677.25 20.4500 0.0845 70 5.356 541.8 16.3400 0.0675 70 4.464 451.5 13.6167 0.0563 70 3.826 387 11.6857 0.0483 70 4.464 451.5 13.6167 0.0563 70 4.464 451.5 13.6000 0.0562 70 Page 11 of 16 GVHD: TS.Đặng Việt Hưng 11 12 2.70 0.0260 2.70 0.0260 0.0817 3 451.5 0.0817 3 451.5 số ống nghiệm hiệu suất 13.6167 0.0563 70 13.6167 0.0563 70 tốc độ trùng hợp g 10 11 12 4.464 4.464 % 0.6239 1.0091 1.2534 1.2951 1.346 1.1646 1.0091 0.7708 0.1925 0.4443 0.6739 1.0091 %/giờ 23.03 37.25 46.27 47.81 49.69 42.99 37.25 28.45 7.11 16.40 24.88 37.25 5.76 9.31 11.57 11.95 12.42 10.75 9.31 7.11 1.78 4.10 6.22 9.31 mol/l.giây 0.000071 0.000115 0.000143 0.000148 0.000231 0.000160 0.000115 0.000076 0.000022 0.000051 0.000077 0.000115  Khảo sát ảnh hưởng nồng độ chất khơi mào BPO đến tốc độ trùng hợp: Trùng hợp 3ml styren dùng BPO với tỷ lệ 1%,3%,5%,7% so với khối lượng styren 70oC với 3ml dung mơi toluen ta có đồ thị biểu diến mối quan hệ 14.00 tốc độ t rùng hợp, %/giờ 12.00 10.00 8.00 anh huong cua nong chat khoi mao Linear (anh huong cua nong chat khoi mao) 6.00 4.00 2.00 0.00 0.0000 0.0500 0.1000 0.1500 nồng độ, mol/l SVTH Page 12 of 16 GVHD: TS.Đặng Việt Hưng Dựa vào đồ thị ta thấy nồng độ chất khơi mào tăng tốc độ trùng hợn tăng theo Cụ thể nồngđộ chất khơi mào tăng từ 1% đến 7% tốc độ trùng hợp tăng tương ứng từ 5.76 %/giờ lên 11.95 %/giờ  Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng dung môi đến tốc độ trùng hợp: Trùng hợp 3ml styren dùng BPO nồng độ 3% so với khối lượng styren 70oC với dung môi toluen theo liều lượng khác nhau: 1ml,2ml,3ml,4ml Ta có đồ thị biểu diễn mối quan hệ tốc độ t rùng hợp, %/giờ 60.00 50.00 40.00 30.00 anh huonmg cua ham luong dung moi Linear (anh huonmg cua ham luong dung moi) 20.00 10.00 0.00 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 t hể tích dung mơi, ml Từ kết tính tồn đồ thị ta thấy thể tích dung mơi tăng dần tốc độ trùng hợp giảm dần Cụ thể tốc độ trùng hợp giảm từ 12,42 %/giờ xuống 7,11 %/giờ thể tích dung mơi tăng từ 1ml lên 4ml Như muốn tăng tốc độ trung hợp nên giảm lượng dung mơi thêm vào  Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến tốc độ trùng hợp Trùng hợp 3ml styren với 3% BPO so với khối lượng styren 3ml dung môi Toluen thời gian khác nhau: giờ, giờ, 3giờ, Ta có đồ thị biểu diễn mối quan hệ sau: SVTH Page 13 of 16 GVHD: TS.Đặng Việt Hưng 10.00 tốc độ t rùng hợp, %/giờ 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 anh huong cua thoi gian Linear (anh huong cua thoi gian) 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 t hời gian, Từ số liệu tính tốn đồ thị ta thấy thời gian tăng tốc độ trùng hợp tăng Cụ thể thời gian tăng từ lên 4h tốc độ trùng hợp tăng từ 1.78%/giờ lên 9.31%/giờ  Xác định bậc phản ứng theo nồng độ chất khơi mào Ta tiến hành trùng hợp khối lượng monome định với lượng chất khơi mào khác nhau, hai nhiệt độ khác 70 oC 75oC Theo phương trình tốc độ trùng hợp V= K [I] n [M]m ( với I chất khơi mào, M monome )vẽ đồ thị quan hệ log v log C ta tang góc nghiêng đường biểu diễn( hệ số góc) n tức bậc phản ứng trùng hợp theo chất khơi mào Ta số liệu thí nghiệm tính tốn, tham khảo kết nhóm 75 oC ta số liệu bảng : monom e g chất khởi đầu (C)mol/ % l g g 2.709 2.709 SVTH hiệu suất 0.0274 0.0816 0.0189 0.0562 % 0.623 1.009 tốc độ v mol/l.giâ y 23.03 0.000071 37.25 0.000115 Page 14 of 16 nhiệt độ log C log v 1.7242160 1.2502764 4.14632 3.93750 ⁰C 70 70 GVHD: TS.Đặng Việt Hưng 2.709 0.1355 0.0933 1.253 2.709 0.1900 0.1309 1.295 47.81 0.000148 70 30.95 0.000096 75 46.27 0.000143 70 2.709 0.0271 0.0187 0.838 2.709 0.0542 0.0373 1.087 40.14 0.000124 75 50.85 0.000158 75 54.43 0.000169 75 2.709 0.0813 0.0560 1.377 2.709 0.1355 0.0933 1.474 0.1306 1.726 2.709 0.1896 63.75 0.000198 75 1.0300273 0.8832130 1.7291576 1.4281276 1.2520363 1.0301876 0.8840595 3.84334 3.82913 4.01798 3.90500 3.80237 3.77282 3.70417 Biểu diễn đồ thị ta được: f(x) = -0.8 -0.9 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.5 -1.6 -1.7 -1.8 -3.5 -3.6 logv -3.7 f(x) = 0.36x - 3.38 t1=70 Linear (t1=70) t2=75 Linear (t2=75) -3.8 -3.9 -4 -4.1 Log C Dựa vào số liệu tham khảo, tính tốn đồ thị ta thu bậc phản ứng khoảng 0.4 mà theo lý thuyết bậc phản ứng 0.5 Như kết thí nghiệm gần sát với lý thuyết Ở có sai lệch sai số SVTH Page 15 of 16 GVHD: TS.Đặng Việt Hưng trình cân thu hổi polyme Trong trình thu hổi kết tủa khó tránh khỏi mát q trình lọc sấy PHẦN III KẾT LUẬN Như vậy, yếu tố nhiệt độ, lượng chất khởi đầu, thời gian phản ứng hàm lượng dung môi ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng Nếu muốn tăng tốc độ trùng hợp ta tăng yếu tố nhiệt độ, lượng chất khởi đầu, thời gian phản ứng giảm hàm lượng dung môi, Ngược lại, muốn giảm tốc độ trùng hợp ta tăng hàm lượng dung mơi giảm nhiệt độ, lượng chất khơi mào, thời gian phản ứng Qua thí nghiệm ta xác định bậc phản ứng 0.5 hay chứng minh phương trình tốc độ trùng hợp V= [M] [I] 0,5 ( với [M] nồng độ monome , [I] nồng độ chất khơi mào) SVTH Page 16 of 16 ... độ trùng hợp Cụ thể nồng độ chất khơi mào tăng từ 0.2% lên 0.9% tốc độ phản ứng trùng hợp tăng ltương ứng từ 4,46%/ lên 15,18%/giờ  Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến tốc độ phản ứng trùng hợp: ... độ phản ứng trùng hợp Cụ thể thời gian phản ứng tăng từ 1h đến 4h tốc độ trùng hợp tăng từ 2,81% lên 12,48%  Xác định bậc phản ứng theo hàm lượng chất khơi mào: Ta tiến hành trùng hợp khối lượng... trùng hợn tăng theo Cụ thể nồngđộ chất khơi mào tăng từ 1% đến 7% tốc độ trùng hợp tăng tương ứng từ 5.76 %/giờ lên 11.95 %/giờ  Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng dung môi đến tốc độ trùng hợp: Trùng