Đồ án tôt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất nhựa polystyren

Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU………………………………………………………………………
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về nhựa polystyren (PS)
………………………………………………
1.1.1. Lịch sử phát triển………………………………………………………………
1.1.2. Tình hình sản xuất polystyren. ………………………………………………
1.1.3. Nguyên liệu. …………………………………………………………………
1.1.3.1. Tính chất vật lý của styren.
………………………………………………….
1.1.3.2. Các phương pháp để thu được styren.
……………………………………….
1.2. Cơ chế phản ứng trùng hợp………………………………………………….…
1.2.1.Giai đoạn khơi mào…………………………………………………………….
1.2.2. Giai đoạn phát triển mạch. ……………………………………………….…
1.2.3. Giai đoạn đứt mạch……………………………………………………………
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trùng hợp gốc
polystyren………………….
1.3.1. ảnh hưởng của oxy và tạp chất………………………………………………
1.3.2. ảnh hưởng của nhiệt độ……………………………………………………….
1.3.3. ảnh hưởng của nồng độ và bản chất của chất khởi đầu……………………….
1.4. Các phương pháp sản xuất………………………………………………………
1.4.1. Trùng hợp khối………………………………………………………………
1.4.2. Trùng hợp dung dịch………………………………………………………….
1.4.3. Trùng hợp nhũ tương…………………………………………………………
1.4.4. Trùng hợp huyền phù………………………………………………………….
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
1.5. Tính chất của nhựa polystyren…………………………………………………
1.6. ứng dụng………………………………………………………………………

Chương 2: tính toán thiết bị
2.1 Tính phối liệu và cân bằng vật chất………………………………………………
2.1.1. Lựa chọn phương pháp sản xuất……….
………………………………………
2.1.2. Cân bằng vật chất……………………………………………………………
2.2. Tính toán kích thước thiết bị phản ứng………………………………………….
2.2.1. Tính toán vỏ thiết bị chính…………………………………………………….
2.2.2. Tính cánh khuấy và mô tơ cánh khuấy……………………… ………………
2.2.3. Tính lớp vỏ gia nhiệt…………………………………………… ……………
2.2.4. Tính chiều dày lớp bảo ôn……………………………………………………
2.2.5. Các ống dẫn nguyên liệu vào nồi phản ứng………………………….………
2.2.6. Chọn mặt bích, đệm, bu lông……………………………………….…………
2.2.7. Tai treo của thiết bị…………………………………………………….………
2.3. Tính toán thùng chứa styren……………………………………………………
2.4. Tính toán thùng lường styren……………………………………………………
2.5. Tính toán thiết bị ngưng tụ……………………………………………….……
2.6. Tính toán bơm…………………………………………………………………
2.7. Tính cân bằng nhiệt lượng……………………………………………………….
2.8. Thiết bị ly tâm…………………………………………………………………
2.9. Thiết bị sấy phun………………………………………………………………
2.9.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị sấy phun…………………….…
2.9.2. Vòi phun………………………………………………………………………
2.9.3.Buồng sấy phun………………………………………………………………
Chương 3: Xây dựng
3.1.Yêu cầu lựa chọn địa điểm xây dựng……………………………………….……
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
3.1.1.Yêu cầu chung………………………………………………………….………
3.1.2. Yêu cầu về khu đất……………………………………………………………
3.1.3.Yêu cầu về vệ sinh công nghiệp……………………………………………….

3.2.Thiết kế tổng mặt bằng…………………………………………………………
3.2.1. Yêu cầu chung…………………………………………………………………
3.2.2. Nguyên tắc phân vùng…………………………………………………………
3.2.3. Ưu nhược điểm của nguyên tắc phân vùng……………………………….
………………………………………………….
3.3. Những căn cứ để thiết kế phân xưởng…….……………………………………
3.4. Giải pháp thông gió…………………….………………………………………
Chương 4: kinh tế
4.1. Tóm lược dự án………………………………………………………………….
4.2. Thị trường và kế hoạch sản xuất…………………………………………….…
4.2.1. Nhu cầu………………………………………………………………………
4.2.2. Kế hoạch sản xuất……………………………………………………………
4.3. Tính toán kinh
tế…………………………………………………………………
4.3.1. Vốn cố định…………………………………………………………………
4.3.1.1. Vốn xây dựng……………………………………………………………….
4.3.1.2. Vốn đầu tư thiết bị máy móc………………………………………………
4.3.2. Vốn lưu động………………………………………………………………….
4.3.2.1. Chi phí nguyên liệu (1 năm)………………………………………… ……
4.3.2.2. Chi phí nhu cầu về điện……………………………………………………
4.3.2.3. Chi phí nhu cầu về nước…………………………………………………….
4.3.2.4. Chi phí dầu nóng……………………………………………………………
4.3.3. Tính nhu cầu lao động…………………………………………………………
4.3.3.1. Tính quỹ lương trả cho công nhân trực tiếp…………………………………
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
4.3.3.2. Tinh quỹ lương trả cho công nhân gián tiếp……………………………
4.3.4. Giá thành sản phẩm………………………………………………………
4.3.5. Lãi và thời gian thu hồi vốn…………………………………………………
kết luận…………………………………………………………………………

tài liệu tham khảo
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp được sự giúp đỡ tận tình của thầy
giáo hướng dẫn TS Nuyễn Thanh Liêm, thầy giáo Nguyễn Mạnh Hậu, thầy giáo
Trần Trọng Phúc đến nay đồ án tốt nghiệp của em đã hoàn thành. Với lòng biết ơn
sâu sắc em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Trung tâm nghiên cứu
vật liệu polyme, bộ môn xây dựng công nghiệp, khoa kinh tế và quản lý trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Thanh Liêm, thầy giáo
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
Nguyễn Mạnh Hậu, thầy giáo Trần Trọng Phúc đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành
đồ án tốt nghiệp này.
Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2004.
Sinh viên
Lời mở đầu
Nhân loại đang bước vào kỷ nguyên bùng nổ của khoa học và công nghệ. Ngành công
nghệ sản xuất chất dẻo và các ngành công nghiệp khác đang phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới
cũng như tại Việt Nam, đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe của các mặt đời sống xã hội và
trong công nghiệp. Nguyên liệu đầu để sản xuất chất dẻo rất đa dạng và dồi dào như than đá, khí
thiên nhiên, dầu mỏ…So với kim loại, chất dẻo có nhiều tính chất ưu việt như: nhẹ, bền môi
trường ăn mòn, cách điện…Ngoài ra còn có một số loại có khả năng chịu nhiệt tốt, trong suốt, dễ
gia công nên chất dẻo ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và dần dần thay thế
kim loại.
Ở nước ta nguồn nguyên liệu để sản xuất chất dẻo là rất lớn nhưng hầu hết
các loại chất dẻo đều phải nhập khẩu do ngành công nghiệp hoá dầu của Việt Nam
chưa phát triển, mặt khác ngành công nghiệp sản xuất chất dẻo chưa được đầu tư
đúng mức.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế ngành công nghiệp sản xuất chất dẻo của nước ta đã hình
thành nên đồ án:
Đồ án tốt nghiệp

Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
“Thiết kế dây chuyền sản xuất nhựa polystyren theo phương pháp huyền phù với công
suất 1000 tấn /năm”.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về nhựa polystyren (PS)
[ ]
13,12,11
1.1.1. Lịch sử phát triển
[ ]
12
Từ thế kỷ thứ 18 styren lần đầu tiên được tìm thấy khi chưng cất nhựa cây bồ đề với
nước.Năm1831 lần đầu tiên Bonastre đã chiết tách ra styren.
Năm 1839, E.Simon là người đầu tiên xác định được tính chất của polystyren
và đặt tên đầu tiên là styren , ông đã quan sát được sự chuyển hoá của styren trong
dung dịch lỏng nhớt ở trạng thái tĩnh.
Vào năm 1845, hai nhà bác học người anh Hoffman và Btytt đã nhiệt phân
monome styren trong ống thuỷ tinh kín ở 200
0
C và thu được sản phẩm đồng thể.
Berthelot đã chế tạo được styren bằng cách nhiệt phân một số hydrocacbon và
phương pháp này là nền tảng cho sản xuất styren trong công nghiệp sau này.
Năm 1937, Công ty Dow Chemical, một công ty lớn của Mỹ đã sản xuất được
polystyren dân dụng hay còn gọi là styrol và năm 1938 đã sản xuất được 100.000
kg polystyren.
Công nghệ tổng hợp nhựa polystyren ngày càng được hoàn thiện và sản phẩm
thu được có tính chất cơ lý hoá học tốt, đồng đều, đáp ứng được nhu cầu của xã
hội.
1.1.2. Tình hình sản xuất polystyren
[ ]
12

Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
Năm 1930, PS mới bắt đầu được sử dụng như một sản phẩm thương mại
nhưng đến năm 1938 thế giới sản xuất được 100 tấn polystyren, cuối chiến tranh
thế giới thứ hai sản xuất được 25.000 tấn. Đến cuối năm 1961 đã sản xuất được gần
1 triệu tấn PS. Trên thế giới Mỹ là quốc gia sản xuất polystyren nhiều nhất sau đó
đến các nước ở Tây Âu. Có thể thống kê tình hình sản xuất polystyren ở Mỹ trong
bảng 1:
Bảng 1: Tình hình sản xuất polystyren ở Mỹ
[ ]
12
.
Năm Loại Sản lượng (kg)
1938 Tinh thể 100.000
1946 Tinh thể 25.000.000
1961 Tinh thể 50.000.000
1966 Tinh thể, ghép 1.000.000.000
1969 Ghép 1.500.000.000
Các công ty sản xuất styren lớn trên thế giới vào năm 1969 được thống kê
trong bảng 2.
Bảng 2: Các công ty sản xuất styren lớn trên thế giới vào năm 1969
[ ]
1912 −
.
Thứ tù Công ty Địa điểm
Công suất
( triệu tấn/năm)
1 Amoco Taxas 800
2 Monanto Taxas 750
3 Dow Chemical Taxas 550

4 Cos Mar Luisiana 500
5 Sinclair Kopper Pennsylvania 470
6 Dow Chemical Michigan 350
7 Sun Oil Taxas 300
8 Shell California 240
9 Foster Grant Luisiana 220
Tổng 4.700
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
1.1.3. Nguyên liệu
[ ]
12,4,3
1.1.3.1. Tính chất của styren
[ ]
12,3
Styren là một chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng, không hoà tan trong
nước mà hoà tan theo bất cứ tỷ lệ nào với rượu, keton, ete, este, cacbuahydro clo
hoá, nitroparafin.
Tính chất vật lý của styren được trình bày trong bảng 3.
Bảng 3: Tính chất vật lý của polystyren
[ ]
3
.
Tỉ trọng d
25
, g/cm
3
0.9045
Chiết suất 1.54389
Độ nhớt ở 25

0
C, Cp 0.75
Nhiệt độ sôi,
0
C 145.2
Nhiệt độ nóng chảy,
0
C -30.6
Nhiệt độ cháy bùng ,
0
C 31.0
Nhiệt độ bắt lửa,
0
C 34.0
Nhiệt bay hơi, cal/g 86.9
Nhiệt cháy ,cal/g 10.04
Nhiệt nóng chảy, cal/g 25.4
Nhiệt trùng hợp, cal/g 168
Tỉ nhiệt ở 25
0
C ,cal/g.độ 0.407
Giới hạn nổ trong không khí, %V
1.1÷ 6.1
Độ co sau khi trùng hợp, %V 17.0
1.1.3.2. Các phương pháp để thu được styren
[ ]
3
- Styren có trong bã nhựa.
- Nhận được khi chưng khô than.
- Cracking dầu mỏ.

- Nhiệt phân một số chất hữu cơ khác.
- Đề hydro hoá của etylbenzen.
Trong các phương pháp trên thì phương pháp đề hydro hoá của etylbenzen được sử dụng
rộng rãi nhất .
Etylbenzen có công thức : C
6
H
5
– CH
2
– CH
3.
Có hai phương pháp sản xuất etylbenzen:
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
a. Đi từ benzen và cloetan ( có tricloua nhôm làm xúc tác).
C
6
H
6
+ CH
3
– CH
2
– Cl C
6
H
5
– CH
2

– CH
3
+ HCl
b. Đi từ benzen và etylen.
C
6
H
6
+ CH
2
= CH
2
C
6
H
5
– CH
2
– CH
3
Sản phẩm được chưng tách hết benzen chưa tham gia phản ứng sau đó hoàn nguyên xúc
tác.
Monome trước khi tiến hành trùng hợp phải có độ tinh khiết 99,8 ÷ 100%. Do trong quá
trình bảo quản và vận chuyển monone có thể tự trùng hợp do nhiều nguyên nhân khác nhau: nhiệt
độ, tia phóng xạ, ánh sáng…nên để ngăn ngừa hiện tượng đó cần bổ xung vào styren các chất
hãm. Chất hãm là chất có khả năng ngăn ngừa hoàn toàn phản ứng trùng hợp sớm của monome.
Chất hãm thông dụng là hydroquinon. Thực ra, chất hãm là sản phẩm ôxi hoá của nó –
benzoquinon. Benzoquinon tương tác với gốc khởi đầu hoặc hoặc mạch phân tử đang phát triển
tạo ra gốc semi – quinon:
OH

OH
oxy hoa
O
O
O
O
.
CH
CH
2
CH
.
CH
+
CH
CH
2
CH
CH
2
+
O
O
H
Do hiệu ứng liên hợp của điện tử lẻ với điện tử
π
của nhân thơm nên gốc semi - quinon
Ýt hoạt động và không có khả năng khơi mào trùng hợp styren. Nó chỉ có thể tương tác với gốc
đang phát triển và ngừng quá trình phát triển mạch:
Đồ án tốt nghiệp

Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
.
O
O
H
CH
CH
2
.
CH
2
C
+
H
O
OH

Nguyên liệu chính sản xuất polystyren cần độ tinh khiết cao 99,8 ÷100 %. Thường sử
dụng phương pháp chưng cất để thu được polystyren tinh khiết.
1.2. Cơ chế phản ứng trùng hợp
Phản ứng trùng hợp nhựa PS xảy ra theo cơ chế gốc tự do bao gồm 3 giai đoạn chính:
+ Giai đoạn khơi mào.
+ Giai đoạn phát triển mạch.
+ Giai đoạn đứt mạch.
Styren có công thức như sau:
ch = ch
2
δ
−
δ

+

Do có nhóm vinyl trong phân tử nên nhóm này có tính chất đẩy đôi điện tử dùng chung trong
liên kết π của liên kết đôi C = C. Như vậy mật độ điện tích trên các nguyên tử cacbon của nhóm
vinyl cũng bị thay đổi. Mặt khác, nhóm phenyl có tính chất hút điện tử, mật độ điện tích âm tập
trung ở vị trí octo và para. Chính vì sự chênh lệch điện tích như vậy mà liên kết π của liên kết C =
C trở nên kém bền hơn và thích hợp cho quá trình trùng hợp gốc. Có nhiều phương pháp trùng
hợp polystyren như:
+ Trùng hợp gốc tự do.
+ Trùng hợp ion.
+ Trùng hợp xúc tác Zittler- Natta.
Thông thường phương pháp phổ biến và hữu hiệu nhất là quá trình trùng hợp
theo cơ chế gốc. Để tạo ra gốc tự do thường sử dụng các loại chất khơi mào sau:
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
Peroxit:
O
CO
O
O
C
Hydropeoxit: HO – OH
Peroxit tertbutyl:
O
O
C
CH
3
CH
3

H
Hợp chất azo:
Pesunphat kali:
S
O
O
O
O
K
O
S
O
O
O
K
1.2.1. Giai đoạn khơi mào
[ ]
4
Đây là giai đoạn sinh ra trung tâm hoạt động, dưới tác dụng của nhiệt độ, chất khởi đầu
peroxit benzoin phân huỷ thành gốc tự do:
C
6
H
5
O
C
O
C
C
6

H
5
O
O
K
1
T
O
C
6
H
5
O
C
O
.
2
Sau đó:
C
6
H
5
O
C
O
.
T
O
+
CO

2
.
R
R
•
: C
6
H
5
K
1
: Hằng số phân huỷ chất khởi đầu.
Gốc tù do tạo thành tiếp tục phản ứng với monome cho một gốc tự do mới
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
R
.
CH
CH
2
+
CH
CH
2
R
.
K
2
K
2

: Vận tốc khởi đầu phản ứng.
Vận tốc của phản ứng khơi mào phụ thuộc vào bản chất của chất khởi đầu, ngoài ra nó
còn phụ thuộc nhiết độ, áp suất. Mỗi chất khởi đầu đều có một nhiệt độ và vận tốc phân huỷ khác
nhau. Đặc trưng chủ yếu của các chất khởi đầu là nhiệt độ phân huỷ và thời gian bán phân huỷ.
1.2.2. Giai đoạn phát triển mạch
[ ]
4
Đây là giai đoạn cơ bản quyết định tốc độ phản ứng trùng hợp, cấu tạo và kích thước phân
tử tạo thành.
Gốc tù do R
•
đính vào một monome khác, quá trình diễn ra cho đến khi giai đoạn đứt
mạch xảy ra.

CH
CH
2
CH
.
R
CH
CH
2
.
R
CH
CH
2
CH
+

n
2
n
1.2.3. Giai đoạn đứt mạch
[ ]
4
Phản ứng đứt mạch trong quá trình trùng hợp gốc có thể xảy ra theo hai cách:
- Kết hợp.

CH
CH
2
CH
.
.
CH
CH
2
CH
CH
2
CH
2
+
- Phân ly không đối xứng.
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44

CH
CH

CH
.
CH
CH
2
CH
2
+
2
2
Nếu đứt mạch theo kiểu kết hợp thì chiều dài mạch tăng gấp đôi, còn theo kiểu phân ly thì
không đổi. Đối với styren thì phản ứng xảy ra theo kiểu kết hợp.
1.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trùng hợp gốc PS
[ ]
4
1.3.1. Ảnh hưởng của oxy và tạp chất
[ ]
4

Oxy không khí hấp thụ trong monome chiếm một vị trí đặc biệt quan trọng trong quá trình
trùng hợp gốc. Tuỳ thuộc vào bản chất monome và điều kiện trùng hợp, oxy có thể làm dễ dàng
hay khó khăn cho quá trình trùng hợp.
Tác dông hai mặt của oxy được giải thích bằng khả năng tạo với monome và gốc tự do
polyme các loại peroxit hay hydro peroxit. Nếu peroxit hay hydroperoxit tạo thành ổn định trong
điều kiện phản ứng thì sẽ làm chậm quá trình trùng hợp, ngược lại nếu chúng dễ bị phân huỷ
thành gốc tự do thì sẽ tăng nhanh quá trình trùng hợp. Đối với monome styren thì dưới tác dụng
của oxy, có phản ứng xảy ra như sau:

CH
CH

O
C
6
H
5
O
CH
2
CH
+
2
O
2
Peroxit tạo thành dễ bị phân huỷ thành gốc tự do. Vậy trong trường hợp này oxy xúc tiến
quá trình trùng hợp.
Các tạp chất trong monome có tác dụng tương tự như của oxy. Tác dụng độc của chúng
được xác định bởi bản chất hoá học, khả năng phản ứng với nhân hoạt tính trùng hợp. Hàm lượng
các tạp chất này dù chỉ có rất Ýt nhưng có thể ảnh hưởng lớn đến quá trình trùng hợp.
Do những ảnh hưởng phức tạp của oxy và tạp chất khác, nên trong qúa trình trùng hợp bắt
buộc phải điều chế monome thật tinh khiết và phản ứng cần tiến hành trong môi trường khí trơ
N
2
.
1.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
[ ]
4
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
Nhiệt độ tăng thì vận tốc các phản ứng khơi mào, phát triển mạch, chuyển mạch, đứt
mạch đều tăng nhưng mức độ tăng khác nhau. Do đó quá trình trùng hợp sẽ kết thúc sớm khi tăng

nhiệt độ. Nhưng nhiệt độ cao làm độ trùng hợp giảm, còn có thể nẩy sinh một số phản ứng phụ
giữa các nhóm định chức của polyme và làm cho cấu trúc thiếu trật tự, sản phẩm có trọng lượng
tương đối thấp, có nhiều mạch nhánh.
1.3.3. Ảnh hưởng của nồng độ và bản chất của chất khởi đầu
[ ]
4
Các chất khởi đầu khác nhau có tác dụng khác nhau với một monome và một chất khởi đầu
có tác dụng khác nhau với một loại monome khác nhau.
Khi nồng độ chất khởi đầu tăng thì lượng gốc tự do sinh ra tăng. Từ đó làm cho vận tốc phản
ứng khơi mào tăng, đồng nghĩa với nồng độ monome bị giảm nhanh hơn mà vận tốc trùng được
tính theo công thức:
th
ϑ
= -
[ ]
dt
Md
th
ϑ
d
[ ]
M
giảm vậy ν
TH
tăng
Vận tốc phản ứng đứt mạch được tính như sau:
d
ν
= K
d

[ ]
2
o
M
Trong đó : - K
d
: Hằng số tốc độ phản ứng đứt mạch.
-
[ ]
o
M
: Nồng độ gốc tự do các phân tử.
Tóm lại khi tăng nồng độ của chất khởi đầu có tác dụng làm tăng vận tốc phản ứng nhưng làm
giảm khối lượng phân tử trung bình của polyme.
1.4. Các phương pháp sản xuất
[ ]
3
1.4.1. Trùng hợp khối
[ ]
3
Trùng hợp khối có thể tiến hành khi đun nóng monome không có hay có chất
khởi đầu, tính chất của polyme chủ yếu phụ thuộc vào mức độ trùng hợp trung
bình.
Nhiều công trình nghiên cứu cơ chế trùng hợp khối styren đã chứng tỏ rằng
polyme thường có Ýt nhánh và đứt mạch xảy ra là do kết hợp hai gốc polyme tù do
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
đang phát triển. Chỉ khi nào nhiệt độ trùng hợp cao hơn 100
0
C thì mới tạo thành

polyme mạch nhánh, ở nhiệt độ thấp hơn 50
0
C tốc độ trùng hợp rất bé.
Điều kiện trùng hợp:
- Chất khởi đầu phải tan trong monome.
- Polyme phải tan trong monome.
- Khi không có chất khởi đầu thì sau một thời gian cảm ứng styren bắt đầu
trùng hợp.
- Tốc độ của phản ứng trùng hợp trở nên không đáng kể khi mức độ chuyển
hoá khoảng 90% như vậy ta không thể nhận được polyme trọng lượng phân tử cao
khi thời gian kéo dài.
Bảng 4: Ănh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ trùng hợp và trọng lượng
phân tử trung bình của PS
[ ]
3
.
Nhiệt độ
trùng hợp,
0
C
Tốc độ trùng
hợp ban đầu
Độ nhít của dung
dịch polyme 10%
trong toluen
Trọng lượng
phân tử trung
bình
Áp suất hơi
của styren

mmHg
60 0.089 3000 2.230.000 40
80 0.452 650 800.000 92
90 1.02 360 620.000 143
100 2.13 200 420.000 192
110 4.23 120 510.000 270
120 8.30 75 230.000 380
130 16.20 48 175.000 490
140 28.40 30 130.000 630
160 - 14 83.000 1100
Ưu nhược điểm của phương pháp trùng hợp khối.
- Ưu điểm :
Phương pháp cho phép nhận được sản phẩm chứa Ýt monome, sản phẩm có
độ tinh khiết cao và trọng lượng phân tử cao, có thể tự động động hoá quá trình sản
xuất, cải thiện điều kiện lao động từ đó hạ giá thành sản phẩm.
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
- Nhược điểm:
Trong quá trình tạo polyme độ nhớt tăng làm cản trở quá trình truyền nhiệt
và khuấy dẫn đến quá nhiệt cục bộ, polyme tạo thành có trọng lượng phân tử thấp.
Ứng dụng của sản phẩm.
Polyme trùng hợp khối được dùng để chế tạo các sản phẩm đúc thẳng vào
trong khuôn và Ýt cần gia công lại, sản phẩm thường dùng làm vật cách điện và các
chi tiết thông thường sử dụng trong kỹ thuật do sản phẩm polystyren nhận được
theo phương pháp trùng hợp khối có thể thay đổi trong diện rộng.
1.4.2. Trùng hợp dung dịch
[ ]
3
.
So với trùng hợp khối, phản ứng trùng hợp trong dung dịch tiến hành với tốc

độ chậm hơn và polyme tạo thành có trọng lượng phân tử thÊp hơn. Trọng lượng
phân tử trung bình của PS phụ thuộc vào điều kiện trùng hợp và loại dung môi.
Dung môi ở đây phải trơ với các chất trong hỗn hợp và monome, chất khởi
đầu và polyme phải tan trong dung môi. Dung môi thường sử dụng là benzen,
xyclohexan, tertbutylbenzen, toluen vì khi đó polyme thu được có trọng lượng phân
tử lớn hơn khi dùng các dung môi khác.
Polyme nhận được ở dạng dung dịch cho nên sử dụng làm sơn rất tốt, nếu sử
dụng vào mục đích khác cần cho kết tụ polyme từ dung dịch bằng cách cho thêm
chất kết tụ. Những chất kết tụ hay được sử dụng là cacbuahydro, rượu metylic,
etylic.
Ưu nhược điểm của phương pháp
- Ưu điểm:
+ Trọng lượng phân tử có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi loại dung môi và
nhiệt độ phản ứng.
+ Quá trình truyền nhiệt tốt, tạo được polyme có độ đồng đều cao.
+ Phương pháp trùng hợp dễ tiến hành.
- Nhược điểm:
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
+ Phương pháp trùng hợp dung dịch Ýt được sử dụng vì dung môi nhiều, dây
chuyền phức tạp, phải có thiết bị tách dung môi ra khái polyme.
+ Tạo nên polyme có khối lượng phân tử trung bình thấp do có khả năng
phản ứng chuyển mạch lên monome và dung môi.
Ứng dụng của sản phẩm:
- Sản phẩm ở dạng dung dịch nên được sử dụng làm sơn rất tốt.
- Dùng để gia công tạo ra sản phẩm thông dụng không đòi hỏi độ tinh khiết
cao.
1.4.3. Trùng hợp nhũ tương.
Styren hoà tan vào nước vì thế không phụ thuộc vào chất khởi đầu , quá
trình trùng hợp trong các mixel xà phòng và sau đó thực hiện trong các phân tử

polyme – monome tạo thành. Mixel có dạng hình cầu hoặc hình tấmvới kích thước
khoảng 0,01÷ 0,3 micromet. Chất nhũ hoá được hấp thụ trên bề mặt nhũ tương,
một phần nhỏ hoà tan trong nước còn lại kết hợp với nhau tạo thành các mixel. Các
mixel dạng tấm hoặc cầu:

D¹ng tÊm
D¹ng cÇu
Phần lớn các mixel tồn tại ở dạng giọt có kích thước từ 1 ÷ 10 µm, nồng độ
10
10
÷ 10
11
mg/ml.
Quá trình phản ứng như sau :
- Monome Ýt tan trong nước, nó tan trong phần hữu cơ của mixen.
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
- Chất khởi đầu phân ly thành các gốc tự do khuyếch tán vào bên trong
monome gọi là các mixen hoạt động.
- Vì kích thước các mixen nhỏ, nồng độ lớn do đó bề mặt riêng của mixenrất
lớn nó khuyếch tán monome vào bên trong bắt đầu quá trình trùng hợp.
- Quá trình trùng hợp là quá trình giảm thể tích do đó dư thừa một phần chất
nhũ hoá chúng sẽ thoát ra ngoài và tạo thành các mixen mới.
Hỗn hợp phản ứng bao gồm: monome (30 ÷ 60 % so với nước), chất khởi
đầu tan trong nước, môi trường phân tán là nước, chất nhũ hoá chiếm từ 1÷5% khối
lượng monome.
Khi trùng hợp hết monome do có sự chệnh lệch áp suất giữa bên trong với
bên ngoài mixen do đó monome lại khuyếch tán vào bên trong mixen tiếp tục quá
trình trùng hợp. Khi đó, để hệ thống cân bằng một phần của giọt monome sẽ tan ra.
Đến mét lúc nào đó các phân tử chất nhũ hoá không đủ bao phủ các polyme hoà

tan, khi đó các hạt sẽ có xu hướng kết hợp lại với nhau làm giảm số hạt và vận tốc
trùng hợp giảm. Các hạt có xu hướng kết hợp lại với nhau tạo thành giọt polyme
tan trong monome gọi là latex.
Đến giai đoạn cuối các monome đã phản ứng hết sinh ra phản ứng đứt mạch,
chuyển mạch. Để hạn chế phản ứng chuyển mạch lên polyme người ta phải đưa
thêm tác nhân trùng hợp khác gọi là chất điều chỉnh khối lượng phân tử, sau khi
trùng hợp polystyren có mầu hơi vàng và nhiệt độ chảy mềm cao hơn so víi trùng
hợp khối.
Tốc độ trùng hợp.
Khi trùng hợp styren trong nhũ tương được ổn định nhờ các chất xà phòng
hoá, quá trình tiến hành với tốc độ không đổi cho đến khi trong hệ thống hết styren.
Do đó các monome chuyển vào các phân tử polyme, nồng độ monome giảm nên
tốc độ chung giảm đi. Độ ổn định của nhũ tương phụ thuộc vào loại và lượng chất
nhũ hoá, pH của môi trường , mức độ phân tán của polyme.
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
Chất nhũ hoá.
Thường là xà phòng natri hay amon : xà phòng dầu ve, oleic, stearat, abietat,
muối sulfo – axit…
Chất nhũ hoá làm giảm sức căng bề mặt giữa hai pha monome và nước, làm
cho monome dễ phân tán trong môi trường nước. Bản chất và lượng chất nhũ hoá
có ảnh hưởng quyết định đến quá trình trùng hợp và tính chất polyme.
Chất nhũ hóa gồm hai phần là: phần ưa nước và kị nước.

Khi nồng độ chất nhũ hoá giảm thì tốc độ phản ứng giảm nhưng thời gian
trùng hợp và trọng lượng phân tử polyme tăng. Khi điều chỉnh trọng lượng polyme
trước hết nên thay đổi nồng độ của chất khởi đầu, không nên thay đổi lượng chất
nhũ hoá vì chất nhũ hoá thay đổi trọng lượng được Ýt nhưng lại tăng thời gian
trùng hợp lên nhiều lần.
Chất khởi đầu.

Các chất khởi đầu cho quá trình trùng hợp nhũ tương là các peroxit và
hydroperoxit tan trong nước, ngoài ra còn có thể thêm vào hỗn hợp phản ứng
những chất xúc tiến phân giải chất khởi đầu.
Kích thước, hình dạng thiết bị và kết cấu cánh khuấy có ảnh hưởng đến sản
phẩm của nhũ tương, đặc bịêt là kích thước của giọt nhũ tương. Để khuấy trộn
được nhanh hơn và nhận được nhũ tương có phẩm chất tốt nên rót từ từ chất phân
tán
Đồ án tốt nghiệp
KÞ n íc
¦a n íc
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
(monome) vào môi trường phân tán (nước). Nước đã cho sẵn trước vào thiết bị
phản ứng và khuấy đều. Nhiệt độ và thời gian khuấy trộn có ảnh hưởng đến việc
chuẩn bị nhũ tương. Nhiệt độ tăng có ảnh hưởng tốt đến sự nhũ hoá vì khi đó độ
nhớt của môi trường giảm đi. Khuấy trộn có tác dụng phân bố đều monome vào
nước và duy trì nhiệt độ đồng đều trong toàn bộ hệ thống phản ứng. Trùng hợp
huyền phù thường sử dụng chất khởi đầu là persulfat kali.
Chất điều chỉnh
Chất điều chỉnh thường dùng là rượu và các chất khác làm giảm bề mặt của
hệ thống, nghĩa là có khả năng làm tăng độ phân tán của nhũ tương .
Ngoài ra còn dùng mercaptan ngăn không cho các đại phân tử đang phát
triển bị phân nhánh, và giảm trọng lượng của polyme, những chất duy trì cho pH
môi trường không đổi trong thời gian trùng hợp. Độ axit của hỗn hợp càng cao thì
chất khởi đầu phân giải càng mạnh do đó độ trùng hợp càng cao và trọng lượng
phân tử polyme càng thấp. Nếu như hiện tựơng quan sát thấy trong thời gian trùng
hợp thì polyme rất không đồng đều về trọng lượng phân tử và có tính chất cơ - lý
kém.
So sánh tốc độ trùng hợp theo các phương pháp nhận thấy rằng khi trùng hợp
nhũ tương polyme nhận được sau 2 ÷ 6 ngày đêm có trọng lượng phân tử cao hơn
so với polyme nhận được sau 30 ngày đêm theo phương pháp trùng hợp khối.

Ưa nhược điểm của phương pháp:
- Ưa điểm:
+ Quá trình trùng hợp xảy ra nhanh.
+ Nhiệt độ phản ứng thấp.
+ Polyme nhận được có độ đồng đều về khối lượng phân tử (100.000 –
200.000) dễ dàng gia công theo phương pháp đúc Ðp dưới áp suất.
+ Dễ dàng điều chỉnh tốc độ của phản ứng trùng hợp
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
+ Hàm lượng monome còn lại trong sản phẩm thấp , sản phẩm ở dạng bột
nên thuận lợi cho quá trình cán tráng hay đóng bánh.
- Nhược điểm:
+ Tính cách điện của sản phẩm kém.
+ Thiết bị phản ứng phức tạp.
Ứng dụng của sản phẩm.
+ Làm các sản phẩm thông dụng.
+ Làm các sản phẩm kỹ thuật.
1.5.4. Trùng hợp huyền phù
[ ]
3
Đối với quá trình trùng hợp huyền phù hỗn hợp phản ứng bao gồm: styren,
chất khơi mào, môi trường phân tán thông thường là nước. Tỉ lệ monome và nước
từ 25/75 ÷ 50/50, kích thước giọt từ 5 ÷10 mocromet, nhiệt độ phản ứng từ 80 ÷
110
0
C.
Khác với trùng hợp nhũ tương, ở đây quá trình trùng hợp tiến hành trong
những hạt huyền phù tan trong nước. Styren được phân tán trong nước nhờ các chất
ổn định huyền phù như tinh bét, jelatin, rượu, polyvinylic…với lượng 0,1 ÷ 10%
so với trọng lượng của pha nước. Chất khởi đầu ở đây là các peroxit hoà tan trong

monome theo mức độ khuấy trộn và các điều kiện khác của quá trình. Nhiệm vụ
chủ yếu của chất ổn định là ngăn không cho các hạt polyme dính với nhau.
Lượng nước trong huyền phù Ýt ảnh hưởng đến diễn biến quá trình trùng
hợp. Nước cã vai trò vừa là môi trường phân tán vừa là chất tải nhiệt tránh hiện
tượng quá nhiệt nhưng nếu nhiều nước qúa thì sẽ lấy hết nhiệt của phản ứng. Nhiệt
độ trùng hợp phải thấp hơn nhiệt độ chảy mềm Ýt nhất là 10
0
C.
Trong quá trình trùng hợp pH của môi trường giảm đi trung bình 1 ÷ 2 đơn
vị, nếu giữ pH ở 7 ÷ 8 thì nhận được các hạt polyme khá lớn. Điều đó chứng tỏ
rằng rượu polyvinyl ancol chứa 8 ÷ 20 % nhóm axetat ổn định huyền phù trong môi
trường axit yếu ( pH = 4 ÷ 6 ) tốt hơn trong môi trường kiềm yếu, pH giảm đi trong
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
quá trình trùng hợp có liên quan đến việc xà phòng hoá một phần các nhóm este
của chất ổn định và tạo thành sản phẩm có tính axit do phân giải peoxit benzoin.
Đối với đa số các chất ổn định sử dụng khi trùng hợp huyền phù các hạt polyme
đều nhanh chóng tạo thành ở giá trị pH 4 ÷ 8,5.
Ưu nhược điểm của phương pháp
- Ưu điểm:
+ Tránh quá nhiệt cục bộ, nhiệt polyme hoá được giải toả trong môi trường
trùng hợp.
Polyme nhận được có mức độ đồng cao, khối lượng phân tử trung bình lớn.
- Nhược điểm:
+ Phải thêm công đoạn rửa polyme để tách polyme khỏi nước và chất ổn
định huyền phù.
+ Polyme dễ bị nhiễm bẩn bởi chất ổn định.
Ứng dụng của sản phẩm:
Sản phẩm trùng hợp theo phương pháp này có thể gia công Ðp hay đúc tạo ra
chi tiết, vật dụng thông thường.

Sau đây là sơ đồ dây chuyền sản xuất nhựa PS:
Đồ án tốt nghiệp
Trn L Sõm Polyme K44
20
19
9
20
1
18
17
20
15
19
16
14
13
12
11
Khí nóng
Khí nóng
sơ đồ dây chuyền sản xuất polystyren theo ph ơng pháp huyền phù
7
6
5
4
3
2
10
8
.

Thuyt minh dõy chuyn:
Styren sch thựng cha 1 nh bm ly tõm 20 a lờn thựng lng 4, nc
theo ng dn vo thựng lng 5. Peroxit benzoin nh thit b hỳt chõn khụng 19
a thng vo thit b phn ng. Polyvinyl ankol thựng cha s 17 nh bm ly
tõm a vo thựng lng 6.
ỏn tt nghip
1- Thùng chứa styren.
2- Đờng dầu.
3- Đờng nớc cấp.
4- Thùng lờng styre
5- Thùng lờng nớc.
6- Thùng lờng polyvinyl ancol.
7- Thiết bị ngng tụ.
8- Thiết bị phân ly.
9- Thiết bị phản ứng.
10-Thiết bị rửa.
11- Thiết bị sấy phun.
12-Thiết bị tạo hạt.
13-Thiết bi sấy băng tải.
14-Cân đồng hồ.
15-Thiết bị đóng bao.
16-Thiết bị ly tâm.
17-Thùng chứa polyvinylancol.
18 - Thùng chứa peroxit benzoin.
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
Để tiến hành phản ứng, đầu tiên các nguyên liệu từ thùng lường được nạp
vào thiết bị phản ứng 9 trong khoảng thời gian 15 phót. Trong quá trình phản ứng
thường sử dụng cánh khuấy loại khung bản để khuấy trộn hỗn hợp. Quá trình trùng
hợp tiến hành trong 6 giờ nhiệt độ phản ứng khoảng 70 – 85
0

C. Thiết bị ngưng tụ 7
dùng để ngưng tụ các chất bay hơi trong quá trình phản ứng như nước, chất ổn định
huyền phù Khi hàm lượng styren còn khoảng 0.3% thì kết thúc trùng hợp.
Hỗn hợp sản phẩm sau khi trùng hợp được đưa vào thiết bị rửa số 10, tại đây
diễn ra quá trình rửa sản phẩm bằng nước, khuấy mạnh để làm tan chất nhũ hoá và
các chất xúc tác còn lại trong sản phẩm để sản phẩm được tinh khiết. Sau khi rửa,
sản phẩm được chuyển vào thiết bị ly tâm 16, thiết bị này có tác dụng sấy sơ bộ
sản phẩm, nhờ thiết bị hút chân không sản phẩm lại được tiếp tục đưa sang thiết bị
sấy phun 11. Sản phẩm được đưa vào thiÕt bị từ trên xuống dưới dạng tia nhờ dhiết
bị phun khí động, khí nóng được thổi từ dưới lên và sấy cho đến khi độ Èm trong
sản phẩm không quá 5%. Sau khi sấy tiếp tục đưa sản phẩm vào máy Ðp đùn 12 để
tạo hạt. Sản phẩm được vận chuyển bằng thiết bị sấy băng tải 13 sau khi đạt độ khô
cần thiết đưa qua cân đồng hồ 14 sang bộ phận đóng bao15 sau đó nhập kho kết
thúc dây chuyền sản xuất và quá trình lại lặp lại như cũ.
1.5. Tính chất của nhựa PS.
PS là vật liệu thông dụng đứng thứ tư sau polyetylen, polyvinylclorua,
polypropylen. Đây là vật liệu cứng, trong suốt, không có mùi, khi cháy cho ngọn
lửa không ổn định.
Tính chất kỹ thuật của PS chủ yếu do điều kiện và phương pháp trùng hợp
quyết định. Điều kiện trùng hợp có ảnh hưởng tới mức độ trùng hợp, lượng
monome còn lại trong polyme, mức độ đồng đều về trọng lượng phân tử và độ
phân nhánh, độ tinh khiết của sản phẩm.
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
Khi trọng lượng phân tử khoảng 50.000 thì được sử dụng làm sơn, nếu trọng
lượng phân tử vào khoảng 200.000 ÷ 300.000 thì được sử dụng để Ðp tÊm và đúc
Ðp dưới áp suất.
Tính chất chịu nhiệt.
Độ chịu nhiệt của PS theo Mac tanh là 80
0

C, theoVie từ 105 ÷110
0
C nhiệt độ
hoá thuỷ tinh là 80 ÷ 82
0
C. Cao hơn nhiệt độ hoá thuỷ tinh thì PS chuyển sang
trạng thái mềm cao và trạng thái đó bảo tồn trong mét giới hạn nhiệt độ rộng 80 ÷
150
0
C. Sử dụng PS đôi khi gặp khó khăn do độ chịu nhiệt không cao. Khi giữ PS ở
80
0
C thì trọng lượng phân tử giảm đi nhiều, nếu duy trì ở 150
0
C trong 5 giê,
polyme phân giải rất nhiều do đứt mạch trở lại monome và oxy hoá bởi oxy không
khí. Độ ổn định nhiệt của PS có thể tăng lên bằng cách đồng trùng hợp styren với
monome chứa nhân thơm.
Tính chất cách điện.
PS có tính chất cách điện cao (do cấu tạo chỉ có cacbuahydro và độ phân cực
yếu momen lưỡng cực vào khoảng 0.3x10
-18
) kể về mọi tính chất cách điện thì PS
là vật liệu cách điện hoàn hảo nhất, PS thường dùng làm vỏ bọc dây cáp cao tần,
các sản phẩm dùng trong lĩnh vực vô tuyến điện. Màng PS được sử dụng trong các
tụ điện cao tần ổn định và chính xác với tính chất cách điện cao.
PS hoà tan tốt trong cacbua hydro thơm, este, xeton, không hoà tan trong
nước, phenol, cacbuahydro mạch thẳng no.
PS bền hoá học tốt đặc biệt với kiềm, axit sulfuric, axit photphoric, axit
boric với bất kỳ nhiệt độ nào nhưng bị phân huỷ dưới tác dụng của axit nitric đậm

đặc.
PS là loại nhựa dẻo có nhiệt độ gia công 150 ÷ 300
0
C, ở nhiệt độ cao hơn
xẩy ra sự khử hydro và tách ra styren. Độ bền chịu va đập của PS tương đối thấp
nên các sản phẩm đi từ nhựa PS dòn, dễ vỡ.
Đồ án tốt nghiệp