高分子化学与物理实验指导书
高分子化学与物理实验指导书
高分子化学实验部分实验项目（一）引发剂的引发与阻聚作用（4学时）一、实验目的：了解自由基聚合过程中阻聚剂/缓聚剂的特点与作用。观察诱导期的出现特点。掌握引发剂的引发作用，熟悉引发剂的量对聚合转化率和聚合物粘稠度（分子量）的影响。二、实验原理：自由基聚合的单体，在运输过程中，为了防止运动撞击或者过热引起聚合，往往在单体中加入阻聚剂。由于阻聚剂/缓聚剂的存在，对聚合的引发造成了一定的阻碍作用。引发剂产生的自由基首先需要和阻聚剂/缓聚剂进行反应，从而消耗了引发剂的用量。同时，引发剂量决定了产生自由的多少，也决定了聚合物的转化率、粘度和分子量。三、实验场地：能源与交通学院高分子化学与物理实验室四、实验仪器、设备及材料：天平、称量纸、药匙、带温度指示的恒温水浴锅、温度计、试管（20m1）、试管架、试管夹、记号笔、移液器、甲基丙烯酸甲酯（未精制)、偶氮二异丁腈。五、实验步骤：1.打开恒温水浴锅，加满水，设定温度为90摄氏度，预热待用。2.取四只试管，分别编号1、2、3、4.3.1-4号试管分别用移液器量取5m1甲基丙烯酸甲酯（未精制）；4.1号试管不加入引发剂；2号试管加入0.2mg偶氮二异丁睛：3号试管加入0.4mg偶氮二异丁睛：4号试管加入0.6mg偶氮二异丁睛：5.将四只试管同时放入水浴中，并不断摇晃，记录时间，每五分钟观察一次现象并记录。6.时间到达30分钟时终止反应。7.清理实验现场
高分子化学实验部分 实验项目(一) 引发剂的引发与阻聚作用(4 学时) 一、实验目的：了解自由基聚合过程中阻聚剂/缓聚剂的特点与作用。观察诱导 期的出现特点。掌握引发剂的引发作用，熟悉引发剂的量对聚合转化率和聚合物 粘稠度（分子量）的影响。 二、实验原理：自由基聚合的单体，在运输过程中，为了防止运动撞击或者过热 引起聚合，往往在单体中加入阻聚剂。由于阻聚剂/缓聚剂的存在，对聚合的引 发造成了一定的阻碍作用。引发剂产生的自由基首先需要和阻聚剂/缓聚剂进行 反应，从而消耗了引发剂的用量。同时，引发剂量决定了产生自由的多少，也决 定了聚合物的转化率、粘度和分子量。 三、实验场地：能源与交通学院 高分子化学与物理实验室 四、实验仪器、设备及材料：天平、称量纸、药匙、带温度指示的恒温水浴锅、 温度计、试管（20ml）、试管架、试管夹、记号笔、移液器、甲基丙烯酸甲酯(未 精制)、偶氮二异丁腈。 五、实验步骤： 1. 打开恒温水浴锅，加满水，设定温度为 90 摄氏度，预热待用。 2. 取四只试管，分别编号 1、2、3、4. 3. 1-4 号试管分别用移液器量取 5ml 甲基丙烯酸甲酯(未精制)； 4. 1 号试管不加入引发剂；2 号试管加入 0.2mg 偶氮二异丁腈; 3 号试管加入 0.4mg 偶氮二异丁腈; 4 号试管加入 0.6mg 偶氮二异丁腈; 5. 将四只试管同时放入水浴中，并不断摇晃，记录时间，每五分钟观察一次现 象并记录。 6. 时间到达 30 分钟时终止反应。 7. 清理实验现场
实验项目（二）甲基丙烯酸甲酯本体聚合（4学时）一、实验目的通过实验了解本体聚合的基本原理和特点，并着重了解聚合温度对产品质量的影响。掌握有机玻璃制造的操作技术。二、实验原理本体聚合文称为块状聚合，它是在没有任何介质的情况下，单体本身在微量引发剂的引发下聚合，或者直接在热、光、辐射线的照射下引发聚合。本体聚合的优点是：生产过程比较简单，聚合物不需要后处理，可直接聚合成各种规格的板、棒、管制品，所需的辅助材料少，产品比较纯净。但是，由于聚合反应是一个链锁反应，反应速度较快，在反应某一阶段出现自动加速现象，反应放热比较集中；又因为体系粘度较大，传热效率很低，所以大量热不易排出，因而易造成局部过热，使产品变黄，出现气泡，而影响产品质量和性能，甚至会引起单体沸腾爆聚，使聚合失败。因此，本体聚合中严格控制不同阶段的反应温度，及时排出聚合热，乃是聚合成功的关键问题。当本体聚合至一定阶段后，体系粘度大大增加，这时大分子活性链移动困难，但单体分子的扩散并不受多大的影响，因此，链引发、链增长仍然照样进行，而链终止反应则因为粘度大而受到很大的抑制。这样，在聚合体系中活性链总浓度就不断增加，结果必然使聚合反应速度加快。又因为链终止速度减慢，活性链寿命延长，所以产物的相对分子质量也随之增加。这种反应速度加快，产物相对分子质量增加的现象称为自动加速现象（或称凝胶效应）。反应后期，单体浓度降低，体系粘度进一步增加，单体和大分子活性链的移动都很困难，因而反应速度减慢，产物的相对分子质量也降低。由于这种原因，聚合产物的相对分子质量不均一性（相对分子质量分布宽）就更为突出，这是本体聚合本身的特点所造成的。对于不同的单体来讲，由于其聚合热不同、大分子活性链在聚合体系中的状态（伸展或卷曲）的不同；凝胶效应出现的早晚不同、其程度也不同。并不是所有单体都能选用本体聚合的实施方法，对于聚合热值过大的单体，由于热量排出更为困难，就不易采用本体聚合，一般选用聚合热适中的单体，以便于生产操作的控制。甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯的聚合热分别为56.5kJ/mol1和69.9kJ/mol
实验项目(二) 甲基丙烯酸甲酯本体聚合(4 学时) 一 、实验目的 通过实验了解本体聚合的基本原理和特点，并着重了解聚合温度对产品质量 的影响。掌握有机玻璃制造的操作技术。 二、实验原理 本体聚合又称为块状聚合，它是在没有任何介质的情况下，单体本身在微量 引发剂的引发下聚合，或者直接在热、光、辐射线的照射下引发聚合。本体聚合 的优点是: 生产过程比较简单，聚合物不需要后处理，可直接聚合成各种规格的 板、棒、管制品，所需的辅助材料少，产品比较纯净。但是，由于聚合反应是一 个链锁反应，反应速度较快，在反应某一阶段出现自动加速现象，反应放热比较 集中；又因为体系粘度较大，传热效率很低，所以大量热不易排出，因而易造成 局部过热，使产品变黄，出现气泡，而影响产品质量和性能，甚至会引起单体沸 腾爆聚，使聚合失败。因此，本体聚合中严格控制不同阶段的反应温度，及时排 出聚合热，乃是聚合成功的关键问题。 当本体聚合至一定阶段后，体系粘度大大增加，这时大分子活性链移动困难， 但单体分子的扩散并不受多大的影响，因此，链引发、链增长仍然照样进行，而 链终止反应则因为粘度大而受到很大的抑制。这样，在聚合体系中活性链总浓度 就不断增加，结果必然使聚合反应速度加快。又因为链终止速度减慢，活性链寿 命延长，所以产物的相对分子质量也随之增加。这种反应速度加快，产物相对分 子质量增加的现象称为自动加速现象(或称凝胶效应)。反应后期，单体浓度降低， 体系粘度进一步增加，单体和大分子活性链的移动都很困难，因而反应速度减慢， 产物的相对分子质量也降低。由于这种原因，聚合产物的相对分子质量不均一性 (相对分子质量分布宽)就更为突出，这是本体聚合本身的特点所造成的。 对于不同的单体来讲，由于其聚合热不同、大分子活性链在聚合体系中的状 态(伸展或卷曲)的不同；凝胶效应出现的早晚不同、其程度也不同。并不是所有 单体都能选用本体聚合的实施方法，对于聚合热值过大的单体，由于热量排出更 为困难，就不易采用本体聚合，一般选用聚合热适中的单体，以便于生产操作的 控制。甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯的聚合热分别为 56.5 kJ/mol 和 69.9 kJ/mol
它们的聚合热是比较适中的，工业上已有大规模的生产。大分子活性链在聚合体系中的状态，是影响自动加速现象出现早晚的重要因素，比如，在聚合温度50℃时，甲基丙烯酸甲酯聚合出现自动加速现象时的转化率为10%15%，而苯乙烯在转化率为30%以上时，才出现自动加速现象。这是因为甲基丙烯酸甲酯对它的聚合物或大分子活性链的溶解性能不太好，大分子在其中呈卷曲状态，而苯乙烯对它的聚合物或大分子活性链溶解性能要好些，大分子在其中呈比较伸展的状态。以卷曲状态存在的大分子活性链，其链端易包在活性链的线团内，这样活性链链端被屏蔽起来，使链终止反应受到阻碍，因而其自动加速现象出现的就早些。由于本体聚合有上述特点，在反应配方及工艺选择上必然是引发剂浓度和反应温度较低，反应速度比其他聚合方法为低，反应条件有时随不同阶段而异，操作控制严格，这样才能得到合格的制品。三、实验场地：能源与交通学院高分子化学与物理实验室四、实验仪器和试剂实验仪器、设备及材料：天平、称量纸、药匙、带温度指示的恒温水浴锅、温度计、试管（20m1）、试管架、试管夹、记号笔、移液器、甲基丙烯酸甲酯（未精制）、偶氮二异丁睛、聚合成型模板。五、实验步骤1.将同样大小模具洗净放于70~80℃的烘箱中烘干。2.在20mL试管中称取单体质量的0.1%的偶氮二异丁，然后加入10mL的甲基丙烯酸甲酯单体，用包锡纸的软木塞盖上瓶口（软木塞上打两个孔，其一插上温度计，另一插上一支毛细管）摇匀后，在9095℃的水浴进行预聚，在预聚过程中仔细观察体系粘度的变化，当体系粘度稍大于甘油粘度时，立即取出放入冷水中冷却，停止聚合反应。预聚合时间约需20min左右。3.将以上制好的预聚物，通过小玻璃漏斗，小心地由开口处灌入模中（不要灌得太满，以免外溢）。4.将灌好预聚物的模具，放于烘箱中，按表1中规定的工艺条件聚合。5.将模具由烘箱中取出在空气中冷却，然后将模具放在冷水中浸泡，用小刀刮去封纸，取下玻璃片，即得到光滑无色透明的有机玻璃
它们的聚合热是比较适中的，工业上已有大规模的生产。大分子活性链在聚合体 系中的状态，是影响自动加速现象出现早晚的重要因素，比如，在聚合温度 50 ℃ 时，甲基丙烯酸甲酯聚合出现自动加速现象时的转化率为 10%~15%，而苯乙烯在 转化率为 30%以上时，才出现自动加速现象。这是因为甲基丙烯酸甲酯对它的聚 合物或大分子活性链的溶解性能不太好，大分子在其中呈卷曲状态，而苯乙烯对 它的聚合物或大分子活性链溶解性能要好些，大分子在其中呈比较伸展的状态。 以卷曲状态存在的大分子活性链，其链端易包在活性链的线团内，这样活性链链 端被屏蔽起来，使链终止反应受到阻碍，因而其自动加速现象出现的就早些。由 于本体聚合有上述特点，在反应配方及工艺选择上必然是引发剂浓度和反应温度 较低，反应速度比其他聚合方法为低，反应条件有时随不同阶段而异，操作控制 严格，这样才能得到合格的制品。 三、实验场地：能源与交通学院 高分子化学与物理实验室 四、实验仪器和试剂 实验仪器、设备及材料：天平、称量纸、药匙、带温度指示的恒温水浴锅、 温度计、试管（20ml）、试管架、试管夹、记号笔、移液器、甲基丙烯酸甲酯(未 精制)、偶氮二异丁腈、聚合成型模板。 五、实验步骤 1. 将同样大小模具洗净放于 70~80 ℃的烘箱中烘干。 2. 在 20mL 试管中称取单体质量的 0.1%的偶氮二异丁腈，然后加入 10mL 的 甲基丙烯酸甲酯单体，用包锡纸的软木塞盖上瓶口(软木塞上打两个孔，其一插 上温度计，另一插上一支毛细管)摇匀后，在 90~95 ℃的水浴进行预聚，在预聚 过程中仔细观察体系粘度的变化，当体系粘度稍大于甘油粘度时，立即取出放入 冷水中冷却，停止聚合反应。预聚合时间约需 20 min 左右。 3. 将以上制好的预聚物，通过小玻璃漏斗，小心地由开口处灌入模中(不要 灌得太满，以免外溢)。 4. 将灌好预聚物的模具，放于烘箱中，按表 1 中规定的工艺条件聚合。 5. 将模具由烘箱中取出在空气中冷却，然后将模具放在冷水中浸泡，用小 刀刮去封纸，取下玻璃片，即得到光滑无色透明的有机玻璃
聚合工艺条件附表 1保温板材厚度保温温度高温聚合条件8 /mm0/℃时间冷却速度无色透明有色片片e /℃t/ht/h以2~2.5h内1'1.55254101. 5100冷却至40℃2~3481. 55012100的速度冷却4~6481. 546201008~104040361. 510012~16382~33640100
附表 1 聚合工艺条件 板材厚度 δ/mm 保温温度 θ/℃ 保温 时间 高温聚合条 件 冷却速度 无色 透明 片 有色 片 t/h t/h θ/℃ 以 2~2.5h 内 冷却至 40℃ 的速度冷却 1~1.5 52 54 10 1.5 100 2~3 48 50 12 1.5 100 4~6 46 48 20 1.5 100 8~10 40 40 36 1.5 100 12~16 36 38 40 2~3 100