Производство полистирола и сополимеров стирола в суспензии
Суспензионный метод получения ПС и сополимеров стирола, включающий проведение реакции в водной фазе при умеренных температурах, в отличие от блочного характеризуется большей легкостью отвода тепла полимеризации и широко применяется в промышленности. Образование полимера происходит в каплях мономера (в дисперсной фазе), суспендированного в воде (дисперсионной среде), диаметром 0,2—5 мм, не сливающихся друг с другом вследствие их поверхностной стабилизации с помощью определенных органических или неорганических веществ, добавляемых в количестве 0,1—5% от массы воды.
Органическими стабилизаторами суспензий стирола в воде являются поливиниловый спирт, сополимеры винилового спирта с винилацетатом, содержащие 8—20% ацетатных групп, желатина, крахмал, а неорганическими — фосфат и карбонат кальция, тальк, бентонит, гидроокиси магния и алюминия.
Размер капель задают, подбирая количество стабилизатора с учетом его эффективности. Количество воды в суспензии мало влияет на ход полимеризации, но по экономическим соображениям принимают соотношение вода:мономер = 1:2. Образование капель стирола в воде достигается механическим перемешиванием системы со скоростью, обеспечивающей сохранение капель (1—3 об/с). Инициаторами полимеризации являются перекиси (бензоила, ацетилбензоила и др.) и азосоединения (динитрил азобисизомасляной кислоты и т. п.), растворимые в стироле и нерастворимые в воде. Их вводят в количестве 0,1—1% к массе мономера.
Температура реакции определяется природой инициатора и обычно поддерживается в пределах 50—130°С. Ее повышают ступенчато по мере увеличения конверсии стирола в ПС с тем, чтобы предотвратить слипание капель. Конечная температура процесса должна быть не менее чем на 10—15°С ниже температуры начала размягчения полимера. Механизм полимеризации мономера или смеси мономеров в суспензии аналогичен процессу в массе (в блоке), поскольку он протекает в каплях — маленьких блоках.
Технологический процесс производства ПС и сополимеров стирола в суспензии периодическим методом в реакторах с мешалкой состоит из следующих основных стадий: подготовка мономерной и водной фаз, смешение компонентов и полимеризация стирола или смеси стирола с другими мономерами, отделение и промывка гранул, сушка гранул и окончательная обработка ПС или сополимеров стирола. В аппарат для
приготовления мономерной фазы загружают стирол при получении ПС или стирол вместе с другими мономерами (акрилонитрилом, метилметакрилатом и т. п.) при получении сополимеров и другие добавки, растворимые в мономерах (инициатор, пластификатор, смазочные вещества, регулятор цепи и др.) и тщательно перемешивают. В аппарате 3 готовят раствор органического стабилизатора или суспензию неорганического стабилизатора в воде. В реактор 2 загружают водную фазу, а затем при перемешивании вводят мономерную фазу. Степень заполнения реактора 85—90%. Полимеризацию проводят в зависимости от получаемого продукта при 150—130°С в течение 9—12 ч. Ниже представлена типичная рецептура суспензионной (I) и эмульсионной (II) полимеризации мономеров, ч. (масс.)
| I | II | |
| Мономер ч. (масс.) | ||
| Суспендирующее вещество | 100—200 | 100—300 |
| Эмульгатор | 0,1—5,0 | 0,1—3,0 |
| Ускоритель | — | 0,01—1,0 |
| Регулятор молекулярной массы | 0,1—3 | 0,1—0,3 |
| Регулятор рН-среды | — | 0,1—0,5 |
Рисунок 13 Схема производства суспензионного полистирола и сополимеров стирола периодическим методом в реакторе с мешалкой:
1—аппарат для приготовления мономерной фазы; 2—реактор; 3—аппарат для приготовления водной фазы; 4—сито; 5—промежуточный сборник; 6—центрифуга; 7—сушилка.
Реактор 2 объемом 10—30 м3, изготовленный из нержавеющей стали или биметалла, снабжен трехярусной двухлопастной мешалкой с регулируемой
частотой вращения от 0 до 3 об/с и рубашкой для обогрева и охлаждения. После окончания процесса содержимое реактора охлаждают до 40—50°С, сливают через сито 4 (задерживают комки диаметром более 5 мм) и собирают в промежуточный сборник 5. После разбавления деминерализованной водой до соотношения гранулы:вода = 1:2—1:3 (улучшение ее подвижности) суспензию обезвоживают и промывают водой в ленточном вакуум-фильтре или в непрерывно действующей центрифуге 6 отстойного типа со шнековой выгрузкой осадка. Из центрифуги фильтрат (сточные воды) направляют на очистку, а гранулы с влажностью 2—3% поступают в сушилку 7 для сушки горячим воздухом до остаточной влажности 0,1—0,2%.
Сушилки представляют собой вращающиеся барабаны или камеры с вибрационными конвейерами и встречным потоком теплого воздуха.
Гранулы подвергаются затем окраске на специальных установках. Суспензионный метод получения полимеров и сополимеров стирола в присутствии инициаторов обеспечивает более низкое содержание свободного стирола в готовом продукте (0,1—0,5%) и позволяет получать широкий ассортимент материалов. Недостатки этого метода: периодичность и многостадийность процесса, меньшая производительность по сравнению с блочным методом, наличие сточных вод и необходимость их очистки.