磺化聚苯乙烯型陽離子交換樹脂的制備與性能研究_第1頁
磺化聚苯乙烯型陽離子交換樹脂的制備與性能研究_第2頁
磺化聚苯乙烯型陽離子交換樹脂的制備與性能研究_第3頁
磺化聚苯乙烯型陽離子交換樹脂的制備與性能研究_第4頁
磺化聚苯乙烯型陽離子交換樹脂的制備與性能研究_第5頁
已閱讀5頁,還剩8頁未讀, 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進(jìn)行舉報或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡介

1、功能高分子材料課程論文 磺化聚苯乙烯型陽離子交換樹脂的制 備與性能研究 專 業(yè): 材料工程系 學(xué)生姓名: 班 級: 學(xué) 號: 完成時間: 2013年1月7 日 摘 要 介紹了磺化聚苯乙烯(SPS)型離子交換樹脂的合成方法;綜述了近年來在氯甲基化反應(yīng)、Mannich反應(yīng)以及磺化反應(yīng)上的新進(jìn)展、新理論;從結(jié)構(gòu)上對聚苯乙烯型離子交換樹脂的強度和熱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。聚苯乙烯型離子交換樹脂具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)、吸附選擇獨特、再生容易、操作簡便、使用周期長等優(yōu)良性能,大大促進(jìn)了化工企業(yè)、制藥工業(yè)、環(huán)保、醫(yī)療、分析等行業(yè)的發(fā)展,具有廣闊的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞 聚苯乙烯型離子交換樹脂;苯乙烯;二乙烯苯;濃硫酸;

2、磺化目 錄1 磺化聚苯乙烯型陽離子交換樹脂的合成 4 1.1目的要求 4 1.2 原理 41.3所需儀器、藥品 5 1.4實驗步驟 52 磺化聚苯乙烯型陽離子交換樹脂的性能研究62.1 SPS的結(jié)構(gòu)分析7 2.2硫酸的用量對SPS磺化度的影響72.3磺化度對離子交換容量(IEC)的影響82.4磺化度對SPS電導(dǎo)率的影響92.5SPS溶液的特性粘數(shù)93 結(jié)論10參考文獻(xiàn)11致謝12 離子交換樹脂由加聚型到聚苯乙烯型的轉(zhuǎn)變是一個質(zhì)的飛躍。在合成離子交換樹脂的初期,主要是以加聚型為主,但是合成的樹脂難以成球狀并且化學(xué)穩(wěn)定性較差,機械強度不好,在使用過程中常有可溶性物質(zhì)滲出?;腔郾揭蚁渲跃郾揭蚁?/p>

3、為骨架,與小分子的功能基以化學(xué)鍵的形式結(jié)合,因此既保留了原有低分子的各種優(yōu)良性能,又由于高分子效應(yīng)可增添新的功能,這使得離子交換樹脂的性能大幅度提高,品種成倍地增加,應(yīng)用范圍迅速擴大,大大促進(jìn)了化工企業(yè)、制藥工業(yè)、環(huán)保等行業(yè)的發(fā)展,對世界經(jīng)濟、政治、軍事的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響。因此,在高分子材料達(dá)到分子設(shè)計水平的今天,了解離子交換樹脂的合成原理,研究離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)和性能很有意義。 1.0磺化聚苯乙烯型陽離子交換樹脂的合成1.1目的要求 1.1.1熟悉懸浮聚合方法 1.1.2通過共聚物的磺化反應(yīng),了解高分子化學(xué)反應(yīng)的一般概念。 1.1.3掌握離子交換樹脂的凈化和交換當(dāng)量的測定1.2原理離子交

4、換樹脂是一種具有離解能力的高聚物,它一般包括兩部分組成,一是具有體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的母體骨架,一是在母體骨架上的可離解基團(官能團),這種可離解基團能和溶液中的離子起交換反應(yīng)。如l- M-SO3-Na+ + H+Cl-M-N+(CH3)3OH- M-SO3-H+ + Na+C+ Na+Cl- M-N+(CH3)3Cl- + Na+OH- 式中:M代表樹脂母體骨架。本實驗是由苯乙烯和二乙烯苯以懸浮聚合獲得共聚物小球(即母體骨架),然后用濃硫酸磺化為強酸型陽離子交換樹脂。其反應(yīng)為: 離子交換樹脂的性能指標(biāo)中最重要的一項是交換當(dāng)量,它表示離子能力的大小。有兩種表示方法:一是每克干樹脂能交換離子的毫克當(dāng)量數(shù)

5、叫重量交換當(dāng)量,單位是毫克當(dāng)量/克另一種是每毫升樹脂交換的毫克當(dāng)量叫體積交換當(dāng)量,單位是毫克當(dāng)量/毫升。1.3所需儀器、藥品儀器:攪拌裝置、控溫裝置、三口瓶、溫度計、冷凝管、吸濾瓶、砂芯漏斗、樹脂洗滌柱、交換柱。藥品:苯乙烯、二乙烯基苯、聚乙烯醇(5%水溶液)、H2SO4、NaOH(5%)、HCl(5%)、NaCl、過氧化苯甲酰、二氯乙烷、乙醇、酚酞PH試紙、次甲基藍(lán)溶液。1.4實驗步驟 1.4.1苯乙烯、二乙烯苯懸浮共聚: 配方:苯乙烯40g 二乙烯基苯10g(含量40%) 水200g(水:單體=4:1) 過氧化苯甲酰0.25g 聚乙烯醇5%10ml 次甲基藍(lán)數(shù)滴(聚合液維持淺藍(lán)色即可)操作

6、:在500ml三口瓶中加入200ml蒸餾水和數(shù)滴次甲基藍(lán),調(diào)整好攪拌器的位置,加入聚乙烯醇水溶液,開動攪拌調(diào)整攪拌速度,并緩慢加熱升溫到40后停下攪拌,將事先在小燒杯中混合并溶有過氧化苯甲酰的苯乙烯,二乙烯苯倒入三口瓶中,控制攪拌速度,使分散的油珠大小合適(約小于小米粒),繼續(xù)升溫(約每分鐘12度),在70下保持1小時,再升溫到8587,反應(yīng)1小時(注意!此階段應(yīng)避免攪拌速度的調(diào)整,以防聚合物顆粒結(jié)成塊),當(dāng)小球定型固化后(不可停攪拌取出小球檢查),可升溫到95左右,繼續(xù)反應(yīng)2小時。停止攪拌,在水浴上煮球23小時,將小球倒入燒杯中用尼龍紗過濾,用熱自來水洗之,以除去聚乙烯醇,再用蒸餾水洗2次,

7、將甩干的小球置于瓷盤內(nèi),在80烘箱中干燥2小時(或晾干),稱重。(過篩3070目)。1.4.2共聚小球磺化 配方:白球20g H2SO4(92.5%)130g 二氯乙烷 20g操作:將白球放入250ml三口瓶中,加入20g二氯乙烷放置十分鐘,加入硫酸,開動攪拌(不要快),用油浴加熱,一小時內(nèi)升溫到70反應(yīng)1小時,再升溫至80,反應(yīng)6小時,升溫至110常壓蒸餾出二氯乙烷(回收)。冷卻后,(撤去油?。Q成冰水浴,由滴液漏斗慢慢加入50% H2SO4100ml,同時攪拌,且控制溫度不高于35。將小球倒入燒杯中,傾出大部分酸液,再將磺化后小球慢慢倒入冷至0左右的飽和食鹽水中,逐漸加水傾出,并把小球轉(zhuǎn)移

8、至洗滌柱中,使水流出(但注意不能流干,控制水面與樹脂面重合即可)。在洗滌柱中加入100ml5%NaOH溶液,并使逐滴流出,將樹脂轉(zhuǎn)為Na型,水洗至中性,再用5%HCl洗,蒸餾水洗至中性。又加入100nl5%NaOH溶液,如此反復(fù)3次。1.4.3樹脂性能測定:樹脂性能是指:a.重量交換當(dāng)量:單位重量之干樹脂可以交換陽離子毫克當(dāng)量數(shù)。b.體積交換當(dāng)量:濕態(tài)單位體積的樹脂能交換陽離子之毫克當(dāng)量數(shù)。c.膨脹系數(shù):陽離子交換樹脂在水中由H型(無多余酸)轉(zhuǎn)換為Na型(無多余堿)時體積之改變。d.視密度:單位體積(包括樹脂間空隙)干燥樹脂的重量。e.假密度:在水中單位容積干燥樹脂重量。如果樹脂是多孔的,則有

9、孔徑大小、孔徑分布等指標(biāo)。本實驗只測體積交化量與膨脹系數(shù)兩項。測定原理如下:SPS+nNaCl(過量)SPS+nHCl用標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液滴定所產(chǎn)生的HCl量。體積交換量=NV/V1樹脂V為樣品消耗NaOH溶液的體積與空白試驗消耗NaOH體積之差+ V1樹脂體積。操作步驟:取5ml樹脂(H型)放入交換柱中,倒入1N NaCl溶液300ml,用500錐形瓶接流出液,流速12滴/秒,當(dāng)300ml的NaCl流出后,(不要流干)可用少量水沖洗交換柱,測量流出注液總體積,取其總體積的1/2,用0.1N標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液滴定之。用300ml1NNaOH溶液做空白試驗。將轉(zhuǎn)型后的樹脂倒入量筒中,測Na型樹脂的體

10、積,用下式計算其膨脹系數(shù):20 磺化聚苯乙烯型陽離子交換樹脂的性能研究2.1SPS的結(jié)構(gòu)分析為了確定PS在磺化前后官能團的變化,選取了PS和其中三組不同磺化度的SPS做了紅外分析,其中SPS對位上磺酸根基團上對稱伸縮振動吸收峰為1034和1006cm-1,這是由于苯環(huán)C-H面內(nèi)彎折振動受S=O對稱伸縮振動的影響而產(chǎn)生的;磺化度越高,分裂的程度越大,且兩峰分別向高低頻方向移動8。波數(shù)1169cm-1為S=O的反對稱伸縮振動峰,在680cm-1處有較強吸收帶的C-S的伸縮振動,這是磺酸根與苯環(huán)相接較為顯著的特征峰,3422cm-1為SPS對位上磺酸根基團上的羥基峰。上述幾處特征峰表明磺酸根基團已成

11、功地接到PS分子鏈上,有力證明了PS磺化反應(yīng)的發(fā)生。圖 1不同磺化度的SPS紅外圖譜(其中SPS、SPS、SPS分別為加入2mL、5mL、10mL硫酸用量后的磺化產(chǎn)物)2.2硫酸的用量對SPS磺化度的影響圖2為SPS的磺化度隨硫酸用量不同而變化的曲線,隨著硫酸用量的增多,SPS的磺化度也逐漸增大,這是因為在磺化反應(yīng)時隨著濃硫酸的逐滴加入,PS能在1,2-二氯乙烷中持續(xù)溶脹的條件下與濃H2SO4反應(yīng),可以顯著提高濃硫酸向溶脹PS中的滲透能力,增大了磺化的反應(yīng)程度。此外,該磺化反應(yīng)為可逆反應(yīng),硫酸濃度增加有利于向正反應(yīng)方向移動,因此剛開始磺化度逐漸增大,最高可達(dá)27.9。但當(dāng)硫酸的用量超過一定程度

12、時,SPS的磺化度反而減小,這是因為當(dāng)磺化試劑的用量達(dá)到一定程度時,一部分磺化聚合物溶于濃H2SO4,在濃H2SO4中繼續(xù)反應(yīng),隨著濃H2SO4向溶脹PS中不斷的滲入,兩者的接觸面積圖2硫酸的用量對SPS磺化度的影響已經(jīng)達(dá)到極限6,9,10,同時磺化反應(yīng)生成H2O,隨著H2O分子的增多,濃H2SO4濃度逐漸變烯,溶液中的磺化度很難繼續(xù)增加,反應(yīng)逐漸向逆反應(yīng)方向進(jìn)行,阻礙了磺化反應(yīng)的進(jìn)行,磺化度逐漸降低。2.3磺化度對離子交換容量(IEC)的影響圖3為SPS的IEC值隨磺化度的變化曲線。從圖中曲線可以看出,隨著SPS膜磺化度的增大,其IEC值整體趨勢是逐漸增大的,最大可達(dá)2.23。這是因為隨著磺

13、化聚合物中磺酸根基團逐漸增多,在溶液中的電離度也逐漸增加,同時極性基團連在一起增強了極性基團之間的排斥作用,因此H+的解離度也逐漸增加。說明IEC值與磺化度Ds值的變化趨勢是相對應(yīng)的,兩者同時反應(yīng)了磺化聚合物中磺酸根基團含量的高低。 圖3磺化度對SPS的IEC的影響2.4磺化度對SPS電導(dǎo)率的影響圖4為制備的不同磺化度的SPS(在DMAc溶劑中,濃度為6%)在溶液中電導(dǎo)率隨磺化度的變化曲線,其變化趨勢與IEC曲線變化趨勢相同,電導(dǎo)率最高可達(dá)0.625S/cm。說明其離子傳導(dǎo)特性與離子交換容量是緊密相關(guān)的,電學(xué)性能參數(shù)是同步變化的,SPS結(jié)構(gòu)上磺酸根基團含量的提高有利于提高SPS在溶液中的電導(dǎo)率

14、。 圖4磺化度對SPS的的影響2.5SPS溶液的特性粘數(shù)圖5為不同磺化度的SPS溶液特性粘數(shù),其中橫坐標(biāo)為0這點代表為純的PS特性粘數(shù),可以得出SPS的特性粘數(shù)較未磺化的PS有明顯增大,未磺化的PS為28.2mL/g,磺化后的SPS最大可達(dá)126.2mL/g,并且其趨勢是隨著磺化度的增大而逐漸增大。這是因為隨著磺化度增大,SPS上分子鏈上磺酸根基團與氫離子電荷密度增加,相應(yīng)的正負(fù)離子間排斥作用增大,分子鏈更加伸展,表現(xiàn)為流體的力學(xué)體積和比濃粘度也相應(yīng)增大6,9。說明SPS在溶液中有典型的聚電解質(zhì)行為,為溶液成膜法制備高電導(dǎo)率質(zhì)子交換膜提供了依據(jù)。 圖5不同磺化度的SPS特性粘數(shù)變化圖3結(jié)論以聚

15、苯乙烯(PS)為原料,采用非均相磺化的反應(yīng)方法,以濃硫酸為磺化試劑成功制備了磺化度較高的磺化聚苯乙烯(SPS)。由電導(dǎo)率法和酸堿滴定法確定了磺化度和IEC值,通過電導(dǎo)率儀測定了其在溶液中的電導(dǎo)率,上述測試表明其電學(xué)性能較好,有望用作高電導(dǎo)率的質(zhì)子交換膜。通過測試其在溶液中的特性粘數(shù),表征了其在磺化前后明顯變化特征和趨勢,為進(jìn)一步在溶液中成膜和相關(guān)研究提供了依據(jù)。參考文獻(xiàn)1.高分子通訊,第一卷5153頁,1957。2.復(fù)旦大學(xué)高分子實驗技術(shù)P242,1983。3.趙德仁:高聚物合成工藝學(xué)P101,1983。4.陸威,王姍姍,魯?shù)缕?等.苯乙烯的懸浮聚合及聚苯乙烯磺化J.現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用,2005,(4):8115.陳哲,楊旭明,王琪.非均相磺化反應(yīng)制備線型磺化聚苯乙烯J.四川大學(xué)學(xué)報,2000,(5):51546.李谷,席世平,劉振興,等.磺化聚苯乙烯(SPS)及其離聚物的光譜特性J.光譜學(xué)與光譜分析,1999,19(3): 2892927.何燕,周震濤.磺化程度對聚苯乙烯磺酸膜性能的影響C.中國儲能電池與動力電池及其關(guān)鍵材料學(xué)術(shù)研討會.2005:2552588.羅立新,陳定,曹勝安.磺化聚苯乙烯的合成及應(yīng)用J. 適用技術(shù)市場,1996,(6):9-10.9.魏榮卿,楊洋,張婷婷,等.國產(chǎn)氫型陽離子交換(磺酸型)HPL

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論