สไตรีนเป็นโพลิเมอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายกับการใช้งานหลายประเภท เช่น วัสดุบรรจุภัณฑ์ วัสดุอิเล็กทรอนิกส์ วัสดุก่อสร้าง และอื่นๆ ในช่วงครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา ได้มีการพัฒนาวิธีการต่างๆ ในการสังเคราะห์พอลิสไตรีน และบทความนี้จะมุ่งเน้นไปที่การแนะนำวิธีการต่างๆ เหล่านี้ การสังเคราะห์พอลิสไตรีนมักจะใช้วิธีต่างๆ เช่น พอลิเมอไรเซชันจากอนุมูลอิสระ พอลิเมอไรเซชันประจุบวก การแลกเปลี่ยนไอออน เป็นต้น ต่อไปนี้เป็นวิธีการสังเคราะห์สำหรับพอลิสไตรีน:
1. วิธีการพอลิเมอไรเซชันอนุมูลอิสระ:
วิธีการพอลิเมอไรเซชันอนุมูลอิสระของโพลีสไตรีนเป็นหนึ่งในวิธีการสังเคราะห์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย หลักการของวิธีนี้คือการใช้การเติมตัวริเริ่มอนุมูลอิสระ เช่น ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ในสารละลาย เพื่อสร้างปฏิกิริยาอนุมูลอิสระของสไตรีนโมโนเมอร์ จากนั้นอนุมูลอิสระจะรวมตัวกันอย่างต่อเนื่อง จนเกิดเป็นโพลิเมอร์ที่เรียกว่า พอลิสไตรีน ในระหว่างกระบวนการนี้ จำเป็นต้องละลายสไตรีนโมโนเมอร์ในตัวทำละลายที่เหมาะสม และควบคุมอุณหภูมิและเวลาของปฏิกิริยาเพื่อให้ได้ผลโพลิเมอไรเซชันที่ต้องการ เป็นหนึ่งในวิธีการผลิตหลัก วิธีนี้รวมถึงขั้นตอนต่อไปนี้
1.1. การเตรียมวัตถุดิบ:
ประการแรก จำเป็นต้องเตรียมวัตถุดิบที่จำเป็นสำหรับการผลิตโพลีสไตรีน สำหรับการเกิดพอลิเมอไรเซชันจากอนุมูลอิสระ สไตรีนมักถูกใช้เป็นโมโนเมอร์ และใช้เบนโซอิลเปอร์ออกไซด์ (BPO) เป็นตัวเริ่มต้นอนุมูลอิสระ คุณภาพของ BPO มีตั้งแต่ร้อยละ 2 ถึงร้อยละ 3
1.2. การเตรียมถังปฏิกิริยา:
ปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชันจำเป็นต้องใช้ถังปฏิกิริยา และเมื่อเตรียมถังปฏิกิริยา จำเป็นต้องคำนึงถึงปริมาณของสารตั้งต้นและความจุของถังปฏิกิริยา ถังปฏิกิริยามักทำจากวัสดุ เช่น เหล็กกล้าไร้สนิม พลาสติกเสริมใยแก้ว (GRP) หรือโพลีเอทิลีน เพื่อให้ทนทานต่อปฏิกิริยาเคมีและสภาวะความดันสูง
1.3. การปรับสภาพถังปฏิกิริยา:
ถังปฏิกิริยาจำเป็นต้องผ่านการบำบัดล่วงหน้าเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีฝุ่นหรือสิ่งเจือปนภายในถัง และสามารถทนต่อความดันสูงของพารามิเตอร์กระบวนการได้ แถบให้ความร้อนอยู่ห่างจากก้นถังประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งสามารถให้ความร้อนด้วยไฟฟ้าได้ ด้านล่างของเครื่องกวนควรขนานกับด้านล่างของถังปฏิกิริยาเพื่อรักษาอุณหภูมิและสภาวะการกวนให้สม่ำเสมอ
1.4. ฟีดสารตั้งต้น:
สไตรีนและบีพีโอถูกป้อนเข้าสู่ถังปฏิกิริยาตามงบประมาณและจำเป็นต้องเติมตามปริมาณ ในเวลาเดียวกัน จำเป็นต้องเติมตัวทำละลายปฏิกิริยาลงในถังปฏิกิริยา - เพื่อปรับปรุงความลื่นไหลของปฏิกิริยา ลดความหนืด และป้องกันการกระเซ็น ตัวทำละลายปฏิกิริยาที่ใช้ทั่วไป ได้แก่ อีเทน โทลูอีน หรือไดคลอโรมีเทน
1.5 กระบวนการเกิดปฏิกิริยา:
ปิดผนึกถังปฏิกิริยาและให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิหนึ่ง โดยปกติจะอยู่ระหว่าง 120 ถึง 150 องศาเซลเซียส เพื่อเริ่มปฏิกิริยา ในระหว่างกระบวนการเกิดปฏิกิริยา BPO จะกระตุ้นปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชันจากอนุมูลอิสระ ซึ่งสามารถผ่านการเจริญเติบโตของสายโซ่และสร้างโมเลกุลโพลิเมอร์ได้ ปฏิกิริยาจะดำเนินจากของแข็งเป็นของเหลวกึ่งวิกฤตและจากนั้นเป็นโพลิเมอร์ที่มีความหนืด
1.6. สิ้นสุดปฏิกิริยา:
เมื่อปฏิกิริยาถึงระดับหนึ่งก็จำเป็นต้องยุติ โดยทั่วไป เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา จำเป็นต้องทำให้ถังปฏิกิริยาเย็นลงเพื่อเปลี่ยนพอลิเมอร์จากเพสต์เป็นบล็อกแข็ง จากนั้นจึงถอดบล็อกพอลิสไตรีนสีขาวออกจากถังปฏิกิริยา
1.7. การจัดการผลิตภัณฑ์:
บล็อกโพลีสไตรีนที่ได้รับจำเป็นต้องผ่านกระบวนการและผลิต โดยปกติแล้วโดยการบดบล็อกโพลีเมอร์ให้เป็นอนุภาค การเลือกสัณฐานวิทยาของอนุภาคที่เหมาะสม การแยกสิ่งเจือปน เช่น โมโนเมอร์ที่ไม่ทำปฏิกิริยาและน้ำมันหล่อลื่น และขยายส่วนประกอบเพื่อให้ได้พลาสติกโพลีสไตรีนที่มีจำหน่ายในท้องตลาด
โดยสรุป โพลิเมอไรเซชันอนุมูลอิสระของโพลิสไตรีนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม และจำเป็นต้องให้ความสนใจกับสภาวะการทำงาน เช่น อุณหภูมิของปฏิกิริยา และการป้อนที่แม่นยำ เพื่อให้แน่ใจว่าการผลิตผลิตภัณฑ์โพลิเมอร์คุณภาพสูง
2. วิธีพอลิเมอไรเซชันประจุบวก:
โพลิเมอไรเซชันประจุบวกเป็นอีกวิธีหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปในการสังเคราะห์พอลิสไตรีน สาเหตุที่วิธีนี้เรียกว่าพอลิเมอไรเซชันประจุบวกก็เพราะว่ามันใช้สารประกอบไอออนิกที่มีประจุบวกเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการพอลิเมอไรเซชันสไตรีน ข้อดีของวิธีนี้คือพอลิเมอร์ที่สังเคราะห์ขึ้นจะมีน้ำหนักโมเลกุลสม่ำเสมอและการกระจายน้ำหนักโมเลกุลแคบ ดังนั้นจึงมักใช้ในการเตรียมพอลิเมอร์ที่ตกตะกอนด้วยน้ำหนักโมเลกุลสูงและการกระจายน้ำหนักโมเลกุลแคบ มันถูกเตรียมขึ้นเป็นครั้งแรกโดยอนุมูลอิสระโพลีเมอไรเซชัน ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับประสิทธิภาพของพอลิเมอร์ ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบประจุบวกจึงค่อย ๆ กลายเป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปในการเตรียมพอลิสไตรีน โพลิเมอไรเซชันประจุบวกเป็นวิธีการที่ควบคุมได้และมีประสิทธิภาพสำหรับการเตรียมพอลิสไตรีนโพลิเมอร์คุณภาพสูง ในระหว่างกระบวนการเตรียม จำเป็นต้องควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น สภาวะการเกิดปฏิกิริยา และอัตราการเติมโมโนเมอร์ เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของผลิตภัณฑ์
ต่อไปนี้เป็นขั้นตอนโดยละเอียดสำหรับการเตรียมพอลิสไตรีนด้วยวิธีพอลิเมอไรเซชันประจุบวก
(1) การเตรียมองค์ประกอบของระบบปฏิกิริยา:
ระบบปฏิกิริยาสำหรับการเตรียมโพลิสไตรีนมักประกอบด้วยส่วนประกอบสามส่วน ได้แก่ มอนอเมอร์ ตัวเริ่มต้น และตัวทำสารละลาย โมโนเมอร์มักจะเป็นสไตรีน ตัวเริ่มต้นสามารถเป็นแอมโมเนียมซัลเฟต (NH4HSO4) หรือแอมโมเนียมเพอร์ซัลเฟต ((NH4) 2S2O8) และตัวทำละลายสามารถเป็นน้ำหรือตัวทำละลายอินทรีย์ (เช่น โทลูอีนหรือไซลีน) เพื่อให้แน่ใจว่าการผสมของระบบปฏิกิริยามีความสม่ำเสมอ โดยปกติแล้วจำเป็นต้องผสมส่วนประกอบเหล่านี้ให้เท่ากันก่อนเกิดปฏิกิริยา
(2) การปรับสภาพระบบปฏิกิริยา:
ก่อนที่จะเกิดปฏิกิริยาต่อไป จำเป็นต้องบำบัดระบบปฏิกิริยาล่วงหน้า ประการแรก ควรทำความสะอาดเครื่องปฏิกรณ์และเครื่องระเหยแบบหมุนอย่างละเอียดเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้มีสิ่งเจือปน ประการที่สอง ระบบปฏิกิริยาจำเป็นต้องล้างด้วยไนโตรเจนเพื่อกำจัดออกซิเจน เพื่อป้องกันไม่ให้ออกซิเจนรบกวนการทำงานของตัวเริ่มต้น
(3) การเพิ่มผู้ริเริ่ม:
เมื่อระบบปฏิกิริยาพร้อมแล้ว สามารถเพิ่มตัวริเริ่มได้ สำหรับแอมโมเนียมซัลเฟต โดยปกติจำเป็นต้องละลายแอมโมเนียมซัลเฟตในน้ำก่อนแล้วจึงเติมเข้าไปในระบบปฏิกิริยา สำหรับแอมโมเนียมเพอร์ซัลเฟต โดยปกติจะถูกย่อยสลายเป็นเพอร์ซัลเฟตไอออนและแอมโมเนียมไอออน แล้วจึงเติมเข้าไปในระบบปฏิกิริยา
(4) การเติมโมโนเมอร์:
เมื่อตัวเริ่มต้นมีอยู่แล้วในระบบปฏิกิริยา การเติมโมโนเมอร์สามารถเริ่มต้นได้ ความเร็วในการเติมของโมโนเมอร์ควรช้ามาก โดยปกติจะเป็นช่วงเวลา 2-3 ชั่วโมง หากโมโนเมอร์ถูกเติมเร็วเกินไป จะนำไปสู่ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันที่ไม่มีการควบคุม และท้ายที่สุดจะนำไปสู่การเกิดพอลิเมอร์มากเกินไปของผลิตภัณฑ์ ซึ่งอาจส่งผลต่อคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์
(5) ความคืบหน้าของปฏิกิริยาและการควบคุม:
ในระหว่างปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชัน โดยปกติจำเป็นต้องควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น อุณหภูมิของปฏิกิริยา ระยะเวลา และอัตราการเติมโมโนเมอร์ เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของผลิตภัณฑ์ เมื่อใช้แอมโมเนียมซัลเฟตเป็นตัวเริ่ม อุณหภูมิในการทำปฏิกิริยามักจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 80 ถึง 100 องศาเซลเซียส และเวลาอาจนานหลายชั่วโมง เมื่อใช้แอมโมเนียมเพอร์ซัลเฟตเป็นตัวเริ่มต้น อุณหภูมิมักจะเพิ่มขึ้นระหว่าง 110-130 องศาเซลเซียส
(6) การแยก การทำให้บริสุทธิ์ และการทดสอบผลิตภัณฑ์:
หลังจากปฏิกิริยาเสร็จสิ้น ตัวทำละลายในสารละลายสามารถกำจัดออกโดยใช้เครื่องระเหยแบบหมุนเพื่อให้ได้พอลิสไตรีนที่สามารถรักษาได้ ในที่สุด ผลิตภัณฑ์สามารถทำให้บริสุทธิ์ผ่านขั้นตอนต่างๆ เช่น การบำบัดด้วยกรดและการกรองด้วยถ่านกัมมันต์ ผลิตภัณฑ์ที่แยกและทำให้บริสุทธิ์สามารถผ่านการทดสอบทางกายภาพและทางเคมีเพื่อกำหนดคุณภาพและคุณสมบัติทางโครงสร้าง
3. วิธีการแลกเปลี่ยนไอออน:
วิธีการแลกเปลี่ยนไอออนเป็นอีกวิธีหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปในการสังเคราะห์พอลิสไตรีน ในวิธีการแลกเปลี่ยนไอออน โพลิเมอร์ที่มีหมู่ฟังก์ชันประจุลบจะใช้ในการแลกเปลี่ยนไอออนบวกเพื่อสร้างโพลีสไตรีน วิธีการแลกเปลี่ยนไอออนเป็นวิธีการสังเคราะห์โพลิสไตรีนที่รวดเร็ว มีประสิทธิภาพ และคุ้มค่า ซึ่งได้รับความสนใจและใช้งานอย่างกว้างขวาง
วิธีการแลกเปลี่ยนไอออนของพอลิสไตรีนเป็นเทคนิคการแลกเปลี่ยนไอออนที่ใช้กันทั่วไปเพื่อกำจัดหรือทำให้ไอออนเฉพาะเจาะจงออกจากสารละลาย วิธีการนี้ทำให้เกิดการแยกและการทำให้บริสุทธิ์โดยการดูดซับไอออนจากตัวกรองผ่านจุดแลกเปลี่ยนไอออนในโพลิเมอร์ ในบทความนี้ เราจะให้รายละเอียดเบื้องต้นเกี่ยวกับหลักการ ขั้นตอนการดำเนินการ และวิธีการประยุกต์ใช้ของวิธีการแลกเปลี่ยนไอออนของพอลิสไตรีน
หลักการ:
วิธีการแลกเปลี่ยนไอออนของโพลิสไตรีนขึ้นอยู่กับหลักการ 2 ประการ ได้แก่ ทฤษฎีไฟฟ้าเคมีและการดูดซับ
ทฤษฎีเคมีไฟฟ้า: จุดแลกเปลี่ยนในองค์ประกอบการแลกเปลี่ยนไอออนของโพลีสไตรีนมีอยู่ในรูปของไอออน ซึ่งมีประจุไอออนิกและสามารถทำให้เกิดการดึงดูดด้วยไฟฟ้าสถิตหรือแรงผลักของไอออนในอิเล็กโทรไลต์ ปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตนี้สามารถดูดซับไอออนประเภทเดียวกันเข้าด้วยกันหรือแลกเปลี่ยนไอออนที่สอดคล้องกัน
การดูดซับ: การดูดซับเป็นพื้นฐานของวิธีการแลกเปลี่ยนไอออนของโพลีสไตรีน มีสถานที่แลกเปลี่ยนจำนวนมากในส่วนประกอบแลกเปลี่ยนไอออนของพอลิสไตรีน ซึ่งสามารถให้ผลการดูดซับทางกายภาพและทางเคมีที่สอดคล้องกัน ตามผลการดูดซับที่สอดคล้องกัน ส่วนประกอบการแลกเปลี่ยนไอออนของพอลิสไตรีนสามารถเลือกดูดซับไอออนที่เข้าคู่กัน ดังนั้น จึงบรรลุผลการแยกและการเพิ่มคุณค่า
ขั้นตอนการดำเนินการ:
ขั้นตอนการดำเนินการของวิธีการแลกเปลี่ยนไอออนของพอลิสไตรีนสามารถแบ่งออกเป็นขั้นตอนที่สำคัญดังต่อไปนี้:
(1) ก่อนการบำบัด: คอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออนโพลีสไตรีนใหม่ควรได้รับการบำบัดก่อนใช้งานเพื่อกำจัดสารแขวนลอยและสิ่งสกปรกออกและให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด วิธีการบำบัดเบื้องต้น ได้แก่ การล้างด้วยน้ำ การล้างด้วยกรด และการล้างด้วยด่าง
(2) การบำบัดตัวอย่างล่วงหน้า: กรองหรือทำความสะอาดสารละลายตัวอย่างเพื่อขจัดสารแขวนลอยที่เป็นของแข็งและสิ่งสกปรกออก หากจำเป็น การสอบเทียบค่า pH และการเพิ่มบัฟเฟอร์ก็สามารถทำได้เช่นกัน
(3) การประมวลผลตัวอย่าง: สามารถประมวลผลสารละลายตัวอย่างผ่านคอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออนของโพลีสไตรีนโดยใช้การไหลของแรงโน้มถ่วงหรือความดันสูง ไอออนในคอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออนของโพลีสไตรีนจะแลกเปลี่ยนกับไอออนในสารละลาย และไอออนในสารละลายจะถูกกำจัดออก ในขณะที่ไอออนในเฟสของแข็งจะอุดมสมบูรณ์
(4) การล้าง: ควรล้างเฟสของแข็งที่ผ่านการบำบัดเพื่อรีเฟรชไซต์แลกเปลี่ยนและกำจัดไอออนส่วนเกิน ค่า pH ของน้ำยาซักล้างมักจะเหมือนกับค่า pH ที่ออกแบบมาสำหรับคอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออนโพลิเมอร์
(5) การดูดซับ: ไอออนที่ถูกดูดซับแล้วในคอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออนโพลิเมอร์จำเป็นต้องถูกแยกออก โดยปกติจะใช้ความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ที่แรงกว่าและ/หรือตัวทำละลายที่มีขั้วมากกว่า ตัวอย่างเช่น สารละลายอิเล็กโทรไลต์เข้มข้น เช่น สารละลายโซเดียมคลอไรด์และสารละลายแอมโมเนียมคลอไรด์สามารถใช้สำหรับการดูดซับได้
(6) การสร้างใหม่: การสร้างคอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออนโพลีสไตรีนขึ้นใหม่ขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุแลกเปลี่ยนที่ใช้ และโดยปกติสามารถทำได้ด้วยวิธีการบำบัดหลายประเภท ตัวอย่างเช่น สารละลายกรดหรือด่างที่มีความเข้มข้นสูงสามารถใช้สำหรับการบำบัดเพื่อฟื้นฟูความสามารถในการดูดซับของคอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออนดังกล่าว แน่นอน ไม่ควรใช้สารเคมีกระตุ้นที่รุนแรงเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อวัสดุที่เป็นของแข็ง
วิธีการสมัคร:
วิธีการแลกเปลี่ยนไอออนของโพลิสไตรีนใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านสิ่งแวดล้อม ชีววิทยา และเภสัชกรรม ตัวอย่างเช่น สามารถใช้สำหรับการแยกและการทำให้บริสุทธิ์ของไอออนบริสุทธิ์หรือไอออนผสม การแยกและการทำให้บริสุทธิ์ทางชีวภาพอย่างละเอียด และการทำให้บริสุทธิ์ในการเตรียมในอุตสาหกรรมยา ขอบเขตการใช้งานเฉพาะประกอบด้วย:
(1) การแยกและการเพิ่มคุณค่าไอออน
(2) กำจัดหรือทำให้ยีนหรือโปรตีนสมบูรณ์
(3) การแยกโพลิเมอร์ไอออนิก
(4) การปรับเปลี่ยนสารละลายและการปรับปรุงความคงตัวของสูตร
(5) ใช้สำหรับบำบัดน้ำในกระบวนการอุตสาหกรรม
โดยสรุป วิธีการแลกเปลี่ยนไอออนของโพลิสไตรีนเป็นเทคโนโลยีสำคัญที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในห้องปฏิบัติการและโรงงานอุตสาหกรรม เราได้แนะนำขั้นตอนการใช้งานของวิธีการนี้โดยละเอียดแล้ว เราหวังว่าบทความนี้จะช่วยให้ผู้อ่านมีความเข้าใจและคำแนะนำที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น และส่งเสริมการพัฒนาและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการแลกเปลี่ยนไอออนของโพลีสไตรีน
ข้างต้นเป็นวิธีการสังเคราะห์หลักสำหรับโพลิสไตรีน วิธีการเหล่านี้มีข้อดีและข้อเสียที่สอดคล้องกัน และควรเลือกวิธีเฉพาะที่จะใช้ตามความต้องการใช้งานจริง