重沉淀法制備聚苯乙烯粉末

朱志超，李思文

（武漢紡織大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430073）

廢舊聚苯乙烯泡沫塑料（WEPS）所造成的環(huán)境污染已引起人們的關(guān)注，目前關(guān)于廢舊聚苯乙烯泡沫資源化利用的研究報道日益增多[1-4]。本文采用重沉淀法對WEPS實現(xiàn)消泡減容，并制備聚苯乙烯粉末。許多EPS的溶劑均有顯著的消泡效果，如苯及苯的衍生物、低級鹵代烴、酯類等。對溶劑選擇的理想條件是：① 對泡沫塑料的消泡減容速度快，溶解量大；② 安全、無毒或低毒、成本低且易得；③ 溶劑的沸點大小適中；④ 便于回收和循環(huán)使用，且回收利用率高[5]?；诖嗽瓌t，實驗中我們選擇合適的有機(jī)溶劑，使WEPS消泡減容；從環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益的角度考慮，采用兩種溶劑的復(fù)配技術(shù)，優(yōu)化實驗條件，制備聚苯乙烯粉末，提高資源利用率。

圖1 廢舊聚苯乙烯消泡流程圖

圖2 甲苯/乙酸乙酯消泡所得PS粉末與廢聚苯乙烯泡沫對比圖

1 實驗

1.1 試劑與儀器

試劑：廢舊聚苯乙烯泡沫（電器外包裝），1,2-二氯乙烷，乙酸乙酯，環(huán)己烷，甲苯，無水乙醇，石油醚，甲醇。

儀器：電子天平，數(shù)顯恒溫水浴鍋，循環(huán)水式多用真空泵，恒溫磁力攪拌器，電熱恒溫干燥箱，超聲波震蕩儀，激光粒徑分布儀。

1.2 廢舊聚苯乙烯泡沫的消泡

1.2.1 廢舊聚苯乙烯消泡步驟

將廢舊聚苯乙烯泡沫塑料（WEPS）用自來水洗凈晾干備用。稱取2.0 g的WEPS溶解在良溶劑中，室溫密封攪拌1 h后，用滴管緩緩滴加到100 mL不良溶劑中。此時有固體析出，室溫攪拌24 h，靜置，抽濾并干燥即得已消泡的聚苯乙烯產(chǎn)品，其收率可達(dá)95.0 %以上。實驗流程圖如圖1所示。

1.2.2 廢舊聚苯乙烯消泡實驗數(shù)據(jù)

實驗中，我們選取四種不同的聚苯乙烯良溶劑：環(huán)己烷、1,2-二氯乙烷、甲苯及乙酸乙酯，以乙醇為不良溶劑，對WEPS進(jìn)行消泡，制備聚苯乙烯粉末。另外，我們還以甲苯/乙酸乙酯的混合溶劑作為良溶劑體系，以資比較。所得實驗數(shù)據(jù)見表1、表2、表3、表4、表5及圖2。

表1 環(huán)己烷為良溶劑實驗數(shù)據(jù)

表2 1,2-二氯乙烷為良溶劑實驗數(shù)據(jù)

表3 甲苯為良溶劑實驗數(shù)據(jù)

表4 乙酸乙酯為良溶劑實驗數(shù)據(jù)

表5 甲苯/乙酸乙酯混合溶劑為良溶劑的實驗數(shù)據(jù)

2 結(jié)果與討論

2.1 單一溶劑消泡實驗現(xiàn)象及討論

從單一溶劑的實驗現(xiàn)象和激光粒徑分布測試結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）以環(huán)己烷為良溶劑且其用量在40～60 mL范圍，消泡所得聚苯乙烯粉末的性狀較好；以1,2-二氯乙烷為良溶劑且其用量在14～20 mL范圍內(nèi)，消泡所得聚苯乙烯粉末的性狀較好；以甲苯為良溶劑且其用量在16～24 mL范圍內(nèi)，消泡所得聚苯乙烯粉末的性狀較好；以乙酸乙酯為良溶劑且其用量在24～30 mL范圍內(nèi)，消泡所得聚苯乙烯粉末的性狀較好。不同溶劑的用量范圍如表6所示。

表6 不同溶劑的用量范圍值

（2）隨著單一良溶劑的用量逐漸增多，消泡所得聚苯乙烯粉末的性狀越來越好，粉末的粒徑分布越來越均勻；但并不是良溶劑的用量越多，最終所得聚苯乙烯粉末的性狀越好（細(xì)且均勻）。即良溶劑的用量決定了最終 PS粉末的性狀，EPS的消泡效果與良溶劑用量的關(guān)系呈類似拋物線曲線。究其原因，高分子的溶解經(jīng)歷溶脹和溶解兩個階段，我們認(rèn)為，當(dāng)良溶劑用量較少時，良溶劑剛剛?cè)苊汸S，只有少部分的良溶劑小分子滲透到PS高分子鏈間隙中，聚苯乙烯高分子鏈仍纏結(jié)在一起，沒有完全舒展開；當(dāng)PS溶液滴加到不良溶劑中時，不良溶劑將PS大分子表面的良溶劑洗脫出來，而PS高分子鏈間隙中的良溶劑被相互纏結(jié)的高分子鏈包裹著，無法洗脫出來，最終得到是塊狀或團(tuán)狀的PS。另一方面，當(dāng)良溶劑用量過多時，PS高分子完全分散到良溶劑中，高分子鏈足夠舒展；當(dāng)PS溶液滴加到不良溶劑中時，在一定的空間內(nèi)，良溶劑量太多，使得高分子鏈彼此粘在一起，不良溶劑亦無法將 PS高分子鏈間隙中的良溶劑完全洗脫出來，所得PS粉末的性狀也不好。

2.2 甲苯/乙酸乙酯為良溶劑消泡實驗現(xiàn)象及討論

如表6所示，由單一溶劑的消泡效果可知，對于我們選用的四種溶劑：環(huán)己烷、1,2-二氯乙烷、甲苯及乙酸乙酯，甲苯能在較少用量的情況下對PS消泡得到形狀較好的PS粉末，但甲苯具有毒性；而乙酸乙酯在成本上要優(yōu)于其它幾種有機(jī)溶劑，但其制備PS粉末的最佳用量稍大。鑒于這四種良溶劑的消泡效果、價格、貨源、毒性等因素，我們利用混合溶劑的復(fù)配技術(shù)，采用以甲苯與乙酸乙酯的復(fù)配，作為廢舊聚苯乙烯的良溶劑，期望以最少用量與最低成本來制備聚苯乙烯粉末。

2.2.1 不同配比的混合溶劑

實驗中我們選取混合溶劑的總體積V=16 mL，并改變復(fù)配溶劑的比例，混合溶劑甲苯與乙酸乙酯的體積比分別為① V甲苯：V乙酸乙酯=3：1；② V甲苯：V乙酸乙酯=1：1；③ V甲苯：V乙酸乙酯=1：3；④ V甲苯：V乙酸乙酯=1：4。

以上四組不同配比的實驗，消泡PS產(chǎn)品的性狀（衡量標(biāo)準(zhǔn)：細(xì)且均勻）由好到差依次為：②＞①＞③＞④。當(dāng)混合溶劑的總體積一定，甲苯使用比例少于乙酸乙酯時，消泡 PS的性狀會變差；若甲苯使用比例大于乙酸乙酯時，實驗效果雖好，但甲苯用量多會引起環(huán)境污染。從實驗結(jié)果可知，混合溶劑甲苯與乙酸乙酯比例為1：1時為宜。

2.2.2 不同總體積的混合溶劑

在甲苯/乙酸乙酯的體積比不變的情況下，改變甲苯/乙酸乙酯混合溶劑的總體積。

當(dāng)甲苯與乙酸乙酯體積比V甲苯：V乙酸乙酯=1：3時，分別選取總體積為V1=20 mL、V2=16 mL、V3=12 mL的良溶劑實驗，通過對這三組實驗產(chǎn)品的性狀分析可知，消泡PS產(chǎn)品的性狀由好到差依次為：V1＞V2＞V3。

當(dāng)甲苯與乙酸乙酯體積比V甲苯：V乙酸乙酯=1：1時，總體積分別為V4=16 mL、V5=14 mL、V6=12 mL的良溶劑實驗，通過對這三組良溶劑實驗產(chǎn)品的性狀分析可知，消泡 PS產(chǎn)品的性狀由好到差依次為：V4＞V5＞V6。即當(dāng)我們逐漸減少甲苯/乙酸乙酯混合溶劑的總體積，消泡PS產(chǎn)品的性狀變差。

綜上所述，由WEPS消泡減容來制得均勻PS粉末的較佳實驗條件為：對2.0 g 廢舊聚苯乙烯消泡，以甲苯/乙酸乙酯混合溶劑為良溶劑，其總體積為16 mL，甲苯/乙酸乙酯體積比V甲苯：V乙酸乙酯為1：1。

2.3 聚苯乙烯粉末激光粒徑分布測試

取少量PS粉末于試管中，將一定量的石油醚與乙醇（體積比為1：3）的混合溶液加入試管中，然后將試管放入超聲波震蕩儀中，震蕩3分鐘，此時PS粉末均勻分散在溶液中；取出制備好的試樣用激光粒度分布儀測試。測試結(jié)果見表7，激光粒度分布測試表明：所得聚苯乙烯粉末的粒徑處于微米級。

表7 PS粉末的粒徑分布數(shù)據(jù)

2.4 消泡實驗影響因素

廢舊聚苯乙烯消泡實驗的主要影響因素如下：

（1）良溶劑的種類及用量。因為不同溶劑對聚苯乙烯的溶解性不一樣，所以對定量 WEPS進(jìn)行消泡來制備性狀較好的聚苯乙烯粉末，所需溶劑的用量也會不同。

（2）高分子溶液的攪拌時間。高分子的溶解經(jīng)歷溶脹和溶解兩個階段，因此于不良溶劑中重沉淀之前，高分子溶液需充分?jǐn)嚢??？紤]到聚苯乙烯高分子的溶解性質(zhì)和實驗結(jié)果的可比性，各個實驗均采用 1小時的攪拌時間來溶解廢舊聚苯乙烯泡沫。

（3）其他影響因素。消泡聚苯乙烯產(chǎn)品的性狀還與洗脫時間、攪拌速度、不良溶劑的種類及用量等其他因素有關(guān)，鑒于實驗的可比性，每個實驗我們均采用一致的操作條件。

3 結(jié)論

本文以廢舊聚苯乙烯泡沫塑料為原料，采用重沉淀法，分別以環(huán)己烷、1,2-二氯乙烷、甲苯及乙酸乙酯作為良溶劑，對廢舊聚苯乙烯泡沫進(jìn)行消泡減容。以環(huán)己烷為良溶劑時，其用量在40～60 mL范圍，所得聚苯乙烯粉末的性狀較好；以1,2-二氯乙烷為良溶劑時，其用量在14～20 mL范圍內(nèi)，所得聚苯乙烯粉末的性狀較好；以甲苯為良溶劑時，其用量在16～24 mL范圍內(nèi)，所得聚苯乙烯粉末的性狀較好；以乙酸乙酯為良溶劑時，其用量在24～30 mL范圍內(nèi)，所得聚苯乙烯粉末的性狀較好。此外，通過甲苯與乙酸乙酯的復(fù)配來優(yōu)化實驗條件，減少二次污染和降低成本。激光粒度分布測試表明：所得聚苯乙烯粉末的粒徑處于微米級。

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