BÁO cáo THÍ NGHIỆM CHUYÊN NGÀNH POLYME GIẤY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC o0o BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CHUYÊN NGÀNH POLYME GIẤY Mã học phần CH4088 Giáo viên hướng dẫn KS Trần Thị Kim Dung TS Nguyễn Thị Minh Phương Sinh viên 1[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC - o0o -

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CHUYÊN NGÀNH

POLYME-GIẤY

Mã học phần: CH4088

Giáo viên hướng dẫn: KS Trần Thị Kim Dung

TS Nguyễn Thị Minh Phương

Sinh viên:

1 Trần Thị Uyên

2 Đinh Thị Hoài

3 Hoàng Thị Nga

4 Nguyễn Thị Hồng

5 Ngô Thị Quý

6 Nguyễn Minh Tâm

7 Nguyễn Hồng Thái

20175351

20180732

20174970

20174725

20175107

20175144 20180926

HÀ NỘI - 2021

MỤC LỤC

BÀI 1: TRÙNG HỢP KHỐI POLYSTYREN 3

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 3

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

III TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 5

IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 6

V KẾT LUẬN 7

BÀI 2: TRÙNG HỢP DUNG DỊCH POLYSTYRENE THEO CƠ CHẾ TRÙNG HỢP GỐC 8

I Mục đích thí nghiệm 8

II Cơ sở lý thuyết 8

III Tiến hành thí nghiệm 11

IV Kết quả và thảo luận 12

BÀI 3: ĐIỀU CHẾ NHỰA NOVOLAC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRÙNG NGƯNG PHENOL VỚI FOMANDEHIT 13

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 13

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

III TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 14

IV KẾT QUẢ VÀ TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT: 15

V NHẬN XÉT: 16

BÀI 1: TRÙNG HỢP KHỐI POLYSTYREN

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

- Tổng hợp polystyren theo phương pháp trùng hợp khối theo cơ chế trùng hợp gốc với tác nhân là BPO (Peoxit benzoil)

- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến sự trùng hợp Polystyren ở 80℃ thông qua hiệu suất tổng hợp

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Polystyren

- Polystyren là polyme được tổng hợp từ monome styren Có thể tiến hành trùng hợp theo phương pháp trùng hợp khối, trùng hợp nhũ tương hoặc trùng hợp huyền phù Trong bài thí nghiệm này, polystyren được trùng hợp theo phương pháp trùng hợp khối

- Phương pháp trùng hợp khối là phương pháp tiến hành trùng hợp polyme ở dạng ngưng tụ, không có dung môi Sản phẩm thu được là một khối polyme rắn, đồng nhất

- Polystyren là một loại nhựa nhiệt dẻo, do có những tính năng đặc biệt nên ngày càng được sử dụng rộng rãi trong đời sống cũng như trong kỹ thuật

- Tính chất:

+ Nhựa PS cứng, trong suốt với độ bóng cao, không mùi, khộng vị

+ Khi cháy cho ngọn lửa không ổn định

+ Dễ tạo màu

+ Có tính điện môi tốt, bền với nhiều háo chất khi sử dụng PS không phân cực nên bền với các hóa chất phân cực và phân cực mạnh

+ Dễ gia công bằng phương pháp ép và đúc dưới áp suất

- Ứng dụng: thường sử dụng trong sản xuất hộp xốp nhựa đựng thực phẩm, vỏ nhựa CD, DVD, đồ chơi trẻ em, máy vi tính, thiết bị nhà bếp Tuy nhiên, đối với sản phẩm từ nhựa PS không nên dùng đựng thức ăn nóng (trên 70℃)

2 Styren

- CTPT: C8H8

- CTCT:

- Nguyên liệu chính tổng hợp PS, là một monome thơm không bão hòa, còn được gọi là vinul benzen

- Là chất lỏng trong suốt, nhẹ hơn nước, không tan trong nước nhưng tan nhiều trong dung môi hữu cơ, dễ bay hơi, mùi hắc, khúc xạ ánh sáng mạnh

- Khối lượng riêng ở 20℃ là d=0.903 g/cm3, độ nhớt 0.762 cP, nhiệt độ sôi là 145.2 ℃, nhiệt độ nóng chảy là -30.63℃

- Styren rất độc, hít phải gây khó chịu, đau đầu, mệt mỏi, gây kích ứng mắt…tiếp xúc nhiều có thể gây ung thư Do đó thao tác với styren phải trong tủ hút

3 PBO

- Peoxit benzoil là chất khơi mào được sử dụng, có khả năng phân hủy ra gốc tự

do

- CTPT: C14H10O4

- CTCT:

4 Cơ chế phản ứng

- Giai đoạn 1: Khơi mào

- Giai đoạn 2: Phát triển mạch

- Giai đoạn 3: Ngắt mạch

III TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1 Chuẩn bị

Hóa chất

- Styren

- PBO, lấy bằng 1 % khối lượng styren

- Dung môi Xylen

- Rượu etylic

Dụng cụ

- Ống nghiệm

- Kẹp ống nghiệm

- Giấy lọc

- Pipet, cốc thủy tinh

Thiết bị

- Máy ổn nhiệt

- Máy sấy

- Cân điện tử

- Bộ hút chân không

2 Quy trình thí nghiệm

Cho vào 6 ống nghiệm, mỗi ống 5ml styren vào một lượng PBO đã tính toán, lắc nhẹ đến khi tan rồi nút kín miệng ống lại Đặt các ống nghiệm vào máy ổn nhiệt, duy trì ở nhiệt độ phản ứng 80℃

Phản ứng xong dùng dung môi xylen để hòa tan, sau đó đổ ra cốc thủy tinh đã

có sẵn rượu etylic để kết tủa polystyren (chú ý khuấy đều để cho polystyren kết tủa tách ra tương đối đồng đều)

Sau đó dùng bộ hút chân không để tách lấy kết tủa, rồi cho vào tủ sấy ở nhiệt

độ 80℃ đến khối lượng không đổi

Tiến hành thí nghiệm đồng thời trong 6 ống nghiệm trên, khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng: Trùng hợp styren với 1% khối lượng PBO so với styren ở

80 ℃ trong khoảng thời gian 30 phút, 60 phút, 90 phút

IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Từ kết quả thu được từ các ống nghiệm, hiệu suất phản ứng trùng hợp được tính theo công thức:

𝐻 = 𝑚𝑃𝑆

Tốc độ phản ứng trùng hợp được tính bằng:

𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑝ℎả𝑛 ứ𝑛𝑔 (%/𝑝ℎú𝑡)

Sau khi tính toán ta thu được kết quả dưới bảng sau:

STT

T(ºC)

Thời gian (phút)

Hiệu suất

H

Tốc độ trùng hợp R(%/phút)

Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng:

Nhận xét đồ thị:

- Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất phản ứng trùng hợp

PS là đường thẳng tuyến tính dạng y=ax+b (a>0)

- Giải thích : Phản ứng càng lâu thì lượng gốc tự do tạo ra càng nhiều dẫn đến

hiệu suất càng tăng, tốc độ trùng hợp càng lớn

V KẾT LUẬN

Nhìn chung kết quả thực nghiệm phù hợp với lý thuyết:

- Hiệu suất trùng hợp tăng khi thời gian trùng hợp tăng, đồng thời mối quan hệ

giữa 2 đại lượng này là tuyến tính

- Trong quá trình làm thí nghiệm, do sai số dụng cụ, thất thoát hóa chất khi thí

nghiệm, phản ứng tạo gốc tự do không triệt để hoặc quá trình ngắt mạch tiêu tốn

nhiều gốc tự do làm giảm tác nhân gây polyme hóa

y = 0.3877x - 1.31 R² = 0.9954

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Thời gian (phút)

Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất phản ứng

BÀI 2: TRÙNG HỢP DUNG DỊCH POLYSTYRENE

THEO CƠ CHẾ TRÙNG HỢP GỐC

I Mục đích thí nghiệm

- Tổng hợp polystyrene theo phương pháp trùng hợp dung dịch theo cơ chế trùng hợp gốc với tác nhân khơi mào là BPO (Benzoyl Peroxide) và dung môi là

Xylene

- Tách và tinh chế sản phẩm Cân khối lượng sản phẩm để tính toán hiệu suất trùng hợp

II Cơ sở lý thuyết

1 Polystryrene

- Polystyrene (PS) là loại polymer được tổng hợp từ monomer styrene

(Hình 1) Có thể tiến hành trùng hợp theo phương pháp trùng hợp khối,

trùng hợp dung dịch, trùng hợp nhũ tương hoặc trùng hợp huyền phù Trong bài thí nghiệm này polystyrene được trùng hợp theo phương pháp trùng hợp dung dịch Phương pháp trùng hợp dung dịch là phương pháp tiến hành trùng hợp polymer ở trong một dung môi Kết quả của phản ứng trùng hợp bằng phương pháp này là một dung dịch polymer đồng nhất, sau đó có thể sử dụng các phương pháp tách và tinh chế để thu được polymer tinh khiết Tương tự các phương pháp trùng hợp khác, trùng hợp dung dịch cần sử dụng chất khơi mào để bắt đầu phản ứng

Hình 1 Phản ứng trùng hợp PS

- PS là một loại nhựa nhiệt dẻo có những tính năng đặc biệt nên được sử dụng rộng rãi

- Về đặc tính: cứng trong suốt, không có mùi vị, cháy cho ngọn lửa không

ổn định, không màu và dễ tạo màu Tính chất cơ học phụ thuộc vào mức

độ trùng hợp PS có trọng lượng phân tử thấp, rất giòn và độ bền kéo thấp

- PS được sử dụng trong sản xuất hộp xốp nhựa đựng thực phẩm, vỏ nhựa

CD, DVD, đồ chơi trẻ em, … Tuy nhiên đối với sản phẩm nhựa PS không nên dùng để đựng thức ăn nóng (trên 70oC)

2 Monomer Styrene

- CTPT: C8H8

- CTCT:

Hình 2 Cấu tạo hoá học của Styrene

- Styrene (còn được gọi là vinyl benzene) là nguyên liệu chính để trùng hợp tạo PS, là một monomer thơm không bão hòa Styrene là chất lỏng trong suốt, không màu đến hơi vàng, có mùi hắc, khúc xạ ánh sáng mạnh Khối lượng riêng ở 20oC là d=0.903 g/cm3, độ nhớt là 0.762 cP Nhiệt độ sôi: ts=145.2oC, nhiệt độ nóng chảy tnc=-30.63oC Styrene rất độc: hít phải gây khó chịu, đau đầu, mệt mỏi, gây kích ứng mắt… tiếp xúc nhiều có thể gây ung thư,… Do đó thao tác với styrene phải thực hiện trong tủ hút

3 Chất khơi mào

- Chất khơi mào thường được sử dụng là benzoyl peroxide (BPO) có khả năng phân hủy tạo thành gốc tự do dưới tác dụng của ánh sáng hoặc nhiệt

- CTPT: C14H10O4

- CTCT:

Hình 3 Cấu tạo hoá học của BPO

4 Cơ chế phản ứng

- GĐ 1: Khơi mào:

-

Hình 4 Cơ chế khơi mào phản ứng trùng hợp PS

- GĐ 2 : Phát triển mạch:

…

Hình 5 Cơ chế phát triển mạch phản ứng trùng hợp PS

- GĐ 3: Ngắt mạch

+ Ngắt mạch kết hợp:

Hình 6 Cơ chế ngắt mạch kết hợp phản ứng trùng hợp PS

+ Ngắt mạch phân ly:

Hình 7 Cơ chế ngắt mạch phân li phản ứng trùng hợp PS

III Tiến hành thí nghiệm

1 Hoá chất

- Styrene: 50 ml

- Benzoyl peroxide (BPO): 1,3545 g

- Xylene: 50 ml

- Ethanol: 250 ml

2 Dụng cụ

- Bình cầu 3 cổ 250 ml: 1 cái

- Sinh hàn nghịch: 1 cái

- Máy khuấy cơ: 1 cái

- Nhiệt kế: 1 cái

- Cốc 600 ml: 1 cái

3 Quy trình thí nghiệm

Hình 8 Sơ đồ thí nghiệm phản ứng trùng hợp dung dịch PS

50 ml styrene, 50 ml xylene và cuối cùng 1,3545 g BPO được đưa vào một bình cầu 3 cổ 250 ml Sau đó bình cầu được lắp vào hệ phản ứng như

trên Hình 8 Hệ phản ứng được lắp theo thứ tự từ dưới lên trên, từ trái qua

phải

Tiến hành khởi động máy khuấy và bếp gia nhiệt Tốc độ khuấy là 200 rpm, nhiệt độ được giữ ổn định tại 80oC trong 2 giờ

Sau khi phản ứng kết thúc, tắt máy khuấy và bếp gia nhiệt Khi bình cầu

đã nguội, đổ dung dịch PS nhận được vào một cốc 600 ml Kết tủa PS từ dung dịch bằng 250 ml ethanol Kết tủa được lọc bằng hệ lọc hút chân không Trong trường hợp PS bám lại nhiều trên thành cốc, sử dụng xylene để hoà tan polymer, sau đó tiếp tục kết tủa PS từ dung dịch bằng ethanol Lặp lại quy trình này cho tới khi lọc được hết PS trong cốc

Polymer được giữ trên giấy lọc sau đó đem vào tủ sấy khô ở 80 oC đến khối lượng không đổi

IV Kết quả và thảo luận

1 Sản phẩm sau thí nghiệm:

2 Kết quả và tính toán hiệu suất:

- Khối lượng giấy cân khô: m0 = 1,743 g

- Khối lượng PS + giấy cân: m1 = 30,22 g

- Khối lượng PS:

mPS = m1 – m0 = 30,22 – 1,743 = 28,477 (g)

- Khối lượng PS theo lý thuyết:

- Hiệu suất phản ứng:

H =𝑚𝑃𝑆

𝑚𝑃𝑆𝑙𝑡 × 100% = 28,477

BÀI 3: ĐIỀU CHẾ NHỰA NOVOLAC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRÙNG

NGƯNG PHENOL VỚI FOMANDEHIT

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

- Điều chế nhựa Novolac từ phản ứng trùng ngưng phenol – phomandehit xúc tác acid sau đó tính hiệu suất và đo các tính chất (vận tốc đóng rắn, trọng lượng riêng của dung dịch, độ nhớt của dung dịch)

- Ứng dụng nhựa Novolac trong công nghiệp

- Biết cách lắp ráp, sử dụng dụng cụ thí nghiệm

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Phenol

- Ở điều kiện thường phenol có dạng tinh thể không màu nhiệt độ nóng chảy

42oC-43oC, nhiệt độ sôi 183oC ở 760 mmHg

- Nó dễ chưng cất với hơi nước Do tác dụng của oxi trong không khi phenol bị biến đổi hóa học và có màu từ hồng nhạt sang nâu sẫm Trước khi tiến hành thí nghiệm cần làm sạch phenol bằng chưng cất bảo quản trong lọ thủy tinh sẫm màu

2 Fomandehit

- Ở điều kiện thường fomandehit là khí không màu có nhiệt độ nóng chảy -92oC, nhiệt độ sôi là -21oC Thường ở dạng dung dịch trong nước gọi là fomanlin Nồng độ fomndehit trong fomanlin là 37-40% Khi bảo quản lâu fomandehit

tự trùng hợp thành polymer goi là parafomandehit nó có dạng vô định hình màu trắng không tan trong nước bị phân hủy CH2O ở nhiệt độ cao và có thể dùng nguyên liệu để tổng hợp phenol-formandehit

3 Nhựa Novolac

- Đun nóng hỗn hợp phenol và formanlin theo tỷ lệ 7:6 xúc tác acid

- Nhựa novalac là nhựa nhiệt dẻo thu được ở dạng rắn, dòn có màu vàng sáng,

dễ nóng chảy và hòa tan trong một số dung môi hữu cơ (rượu hoặc hỗn hợp rượu với benzene)

4 Phản ứng tổng hợp

- Cơ chế phản ứng: Dựa trên cơ chế thế electrophil vòng thơm Nhóm hydroxyl trong phenol hoạt hóa vòng bên tại các vị trí 2, 4, 6

- Đây là phản ứng tỏa nhiệt mạnh có thể làm hỗn hợp đạt đến nhiệt độ lớn hơn

1000C, gây sôi trào mạnh

III TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1 Nguyên liệu:

- Phenol: 67,15g

- Fomanlin 40%: 48g

- Thể tích dung dịch HCl: 0,6ml

2 Dụng cụ

- Bình cầu 3 cổ

- Sinh hàn bầu

- Nhiệt kế

- Bếp điện

- Cánh khuấy

- Bát sứ

- Nồi

3 Sơ đồ thí nghiệm

Tiến hành lắp thiết bị theo thứ tự từ dưới lên trên và từ trái qua phải:

- Lắp bình cầu ba cổ dung tích 250ml vào thanh đỡ và đặt vào trong nồi, cách nồi một khoảng 1-2cm Nồi được đặt trên bếp gia nhiệt

- Bôi mỡ chân không vào cánh khuấy, lắp cánh khuẩy vào trục quay và từ từ điều chỉnh cho cánh vào bên trong bình cầu và cách đáy bình 1-1,5cm Lắp

cố định tránh rung lắc gây vỡ bình

- Nhánh cổ nhỏ bên phải lắp nhiệt kệ, còn nhánh cổ nhỏ bên trái thì nối với sinh hàn bầu

4 Các bước tiến hành:

- Do phenol ở dạng rắn nên trước khi tiến hành cân ta cần phải chuyển hóa phenol về dạng lỏng bằng cách đun trong nồi nước nóng ở nhiệt độ khoảng

40 - 50oC Để tránh nổ bình đựng do áp suất tăng thì mở nhẹ nắp bình

- Trong quá trình đợi phenol hóa lỏng thì tiến hành cân fomalin trong tủ hút Lấy chính xác 60g fomalin trên cân phân rồi cho vào trong bình cầu 3 cổ Sau khi phenol đã hóa lỏng cũng tiến hành lấy chính xác 96.26g phenol trên cân phân tích rồi cho vào bình cầu Cuối cùng lấy chính xác 1ml HCl bằng pipet

và cho vào bình cầu Tất cả các thao tác cân và lấy dung dịch đều phải được tiến hành trong tủ hút

- Lắp bình cầu 3 cổ vào bộ thiết bị đã lắp sẵn trước đó, tận dụng nước đã đun phenol đổ vào nồi để tiếp tục đun nóng hỗn hợp dung dịch vừa lấy, lượng nước đổ vào ngập dung dịch bên trong bình cầu Cho nước chảy vào sinh hàn, bật máy khuấy và tiến hành đun nóng nước Khi nhiệt độ của hỗn hợp đạt đến khoảng 50oC-60oC thì giảm nhiệt do quá trình phản ứng xảy ra là tỏa nhiệt mạnh, nhiệt độ sẽ tăng rất nhanh nên phải giảm nhiệt xuống để khống chế nhiệt độ tăng chậm và duy trì ở 90-95oC.Trong trường hợp nhiệt độ vẫn tiếp tục tang quá giới hạn trên thì cần nâng bình cầu ra khỏi bếp gia nhiệt hoặc làm lạnh hỗn hợp bằng cách cho them nước lạnh vào hệ (chú ý không

đổ trực tiếp nước lạnh vào bình cầu để tránh nứt bình cầu) Tiến hành đun nóng trong 2 giờ, hỗn hợp từ trong chuyển sang đục Tạm ngừng cánh khuấy, sau một lúc ta thấy dung dịch phân làm 2 lớp: lớp trên là nước và lớp dưới là sản phẩm ngưng tụ

- Khi hỗn hợp đã phân lớp rõ rệt thì ngừng đun nóng Đổ nhựa ra bát sứ, để lắng và tách bỏ lớp nước trên Tiến hành sấy trong tủ hút chân không, nhiệt

độ nâng từ từ đến 120oC và ngừng sấy Sản phẩm sau tổng hợp được tiến hành đem đi cân để tính hiệu suất và đo các tính chất đặc trưng

IV KẾT QUẢ VÀ TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT:

- Khối lượng phenol ban đầu: m1 = 67,15g

- Khối lượng fomandehit: m2 = 48g

- Khối lượng khay đựng nhựa: mo = 189,2g

- Khối lượng nhựa + khay: m3 = 264,43g

 Hiệu suất:

V NHẬN XÉT:

- Do trong quá trình thực nghiệm mắc nhiều sai số trong thao tác như: cân, rót dung dịch, điều khiển nhiệt độ, … vì thế kết quả có thể bị sai lệch so với thực

tế

- Thời gian phản ứng ngắn nên các mạch polymer hình thành ngắn nên khó đóng rắn khi để nguội

- Trong quá trình tổng hợp còn dư nhiều phenol, trong thời gian phân lớp phenol

bị oxi hóa nên sản phẩm thu được có màu hơi ngả hồng

- Quá trình sấy có hiện tượng sủi bọt khí do nước thoát ra