南京工業大学材料科学与工程学院高分子材料与工程专业实验-2指导书材料科学与工程学院二〇二三年五月
材料科学与工程学院 高分子材料与工程专业 实验-2 指导书 材料科学与工程学院 二〇二三年五月
编写说明本课程是高分子材料与工程专业本科生的专业实验课，包括了《高分子化学》《高分子物理》、《高分子材料》、《高分子材料成型加工》、《聚合物表征技术》、《聚合物合成工程》、《高聚物改性原理》、《高分子材料性能测试方法》、《高聚物流变学》《高分子助剂与配方设计》等课程的相关知识，是学生学习专业课和从事本专业的科研、生产及相关工作必备的专业基础。通过本课程的学习，使学生掌握高分子设计合成工艺、改性加工工艺和性能评价方法等实验技能，为分析和解决高分子材料的科研和生产中的实际问题提供基础。本课程是一门实验教学课程，要求学生在了解和掌握高分子化学等课程理论知识的基础上，独立进行相关实验，明确实验目的，掌握实验原理，了解实验过程能用已学的知识解释实验现象，处理实验数据，分析实验结果，完成实验报告。要求高分子材料与工程专业学生完成64学时（4学分）的专业基础实验和专业实验。本实验指导书适合高分子材料与工程专业的本科生使用，也可供其它相关专业的本科生和研究生参考。本课程成绩分为三部分：1.实验过程中对每位学生课前预习，实验时认真程度，实验时动手操作规范程度，分析问题解决问题能力，团体合作能力，沟通交流能力，实验结果准确度等进行考察，占总成绩的35%；2.对实验报告要素齐全程度，语言文字表达能力，数据处理过程完整性、正确性，结果分析和讨论正确性，思考题回答正确性等进行综合评分，占总成绩的40%3.所有实验完成以后，对实验课程相关内容进行笔试考核，笔试成绩占25%
编写说明 本课程是高分子材料与工程专业本科生的专业实验课，包括了《高分子化学》、 《高分子物理》、《高分子材料》、《高分子材料成型加工》、《聚合物表征技术》、《聚 合物合成工程》、《高聚物改性原理》、《高分子材料性能测试方法》、《高聚物流变学》、 《高分子助剂与配方设计》等课程的相关知识，是学生学习专业课和从事本专业的 科研、生产及相关工作必备的专业基础。通过本课程的学习，使学生掌握高分子设 计合成工艺、改性加工工艺和性能评价方法等实验技能，为分析和解决高分子材料 的科研和生产中的实际问题提供基础。 本课程是一门实验教学课程，要求学生在了解和掌握高分子化学等课程理论知 识的基础上，独立进行相关实验，明确实验目的，掌握实验原理，了解实验过程， 能用已学的知识解释实验现象，处理实验数据，分析实验结果，完成实验报告。要 求高分子材料与工程专业学生完成 64 学时（4 学分）的专业基础实验和专业实验。 本实验指导书适合高分子材料与工程专业的本科生使用，也可供其它相关专业 的本科生和研究生参考。 本课程成绩分为三部分： 1. 实验过程中对每位学生课前预习，实验时认真程度，实验时动手操作规范程 度，分析问题解决问题能力，团体合作能力，沟通交流能力，实验结果准确度等进 行考察，占总成绩的 35%； 2. 对实验报告要素齐全程度，语言文字表达能力，数据处理过程完整性、正确 性，结果分析和讨论正确性，思考题回答正确性等进行综合评分，占总成绩的 40%； 3. 所有实验完成以后，对实验课程相关内容进行笔试考核，笔试成绩占 25%
目录实验一聚烯烃阻燃改性设计及性能测试第一部分实验配方设计指导3第二部分聚烯烃流变性能实验14第三部分聚烯烃的注塑成型21第四部分聚烯烃燃烧性能实验一氧指数法32第五部分聚烯烃力学性能实验（拉伸实验、弯曲实验）38第六部分聚烯烃耐热性能实验（负荷热变形温度的测定）..50实验二聚合物熔体流动速率的测定，56实验三差示扫描量热分析（DSC）6064实验四粘度法测定高聚物分子量实验五，高分子材料的光学显微技术表征69第一部分偏光显微镜法观察聚合物的结晶形态691、光学知识简介71IⅡI、偏光显微镜的工作原理74第二部分相衬显微镜法观察聚合物共混物的结构形态77实验六塑料体积电阻系数与表面电阻系数测定8486实验七选做实验（二选一）86实验七（加工方向）双螺杆挤出机挤出共混法制备聚合物复合材料93实验七（合成方向）连续均相反应器停留时间分布的测定实验八选做实验（二选一）99..99实验八（加工方向）密炼机密闭塑炼法制备高分子合金：实验八（合成方向）苯乙烯悬浮聚合及产物的粒径分布104106实验九选做实验（二选一）实验九（加工方向）混炼胶硫化性能及硫化胶的力学性能测试106实验九（合成方向）甲基丙烯酸甲酯（MMA）、丙烯酸（AA)与SBS接枝共聚物的合成及其粘接性能测试112
2 目录 实验一 聚烯烃阻燃改性设计及性能测试 . 3 第一部分 实验配方设计指导 . 3 第二部分 聚烯烃流变性能实验 . 14 第三部分 聚烯烃的注塑成型 . 21 第四部分 聚烯烃燃烧性能实验—氧指数法 . 32 第五部分 聚烯烃力学性能实验（拉伸实验、弯曲实验） . 38 第六部分 聚烯烃耐热性能实验（负荷热变形温度的测定） . 50 实验二 聚合物熔体流动速率的测定 . 56 实验三 差示扫描量热分析（DSC） . 60 实验四 粘度法测定高聚物分子量 . 64 实验五 高分子材料的光学显微技术表征 . 69 第一部分 偏光显微镜法观察聚合物的结晶形态 . 69 Ⅰ、光学知识简介 . 71 Ⅱ、偏光显微镜的工作原理 . 74 第二部分 相衬显微镜法观察聚合物共混物的结构形态 . 77 实验六 塑料体积电阻系数与表面电阻系数测定 . 84 实验七 选做实验（二选一） . 86 实验七（加工方向）双螺杆挤出机挤出共混法制备聚合物复合材料 . 86 实验七（合成方向） 连续均相反应器停留时间分布的测定 . 93 实验八 选做实验（二选一） . 99 实验八（加工方向） 密炼机密闭塑炼法制备高分子合金 . 99 实验八（合成方向） 苯乙烯悬浮聚合及产物的粒径分布 . 104 实验九 选做实验（二选一） . 106 实验九（加工方向） 混炼胶硫化性能及硫化胶的力学性能测试 . 106 实验九（合成方向） 甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸(AA)与 SBS 接枝共聚物的合成及其粘 接性能测试 . 112
实验一：聚烯烃阻燃改性设计及性能测试（设计性实验）第一部分实验配方设计指导一、实验目的1.了解常见阻燃剂的种类和阻燃原理；2.了解聚烯烃阻燃改性的方法和原理3.了解聚合物材料的常见阻燃性能测试方法，4.能通过文献查阅了解新型阻燃剂和聚烯烃阻燃改性的最新研究进展，5.具有一定的聚烯烃阻燃改性配方设计能力。二、常见阻燃剂的种类和阻燃原理高分子材料的阻燃剂分类方法较多，但比较常见的可分为卤系和无卤两类。卤系阻燃剂主要是指含氯和溴的一类阻燃剂。通常，聚合物的燃烧过程之所以可以连续发生，是因为这个过程中发生了链锁反应进而生成了大量自由基OH，产生大量可燃物小分子使燃烧持续进行。由于卤素原子与碳原子的结合能低，含卤阻燃剂在高温下容易释放HX（HBr或HCI）。HX与自由基OH·发生反应生成H2O，X·再与烃链反应生成HX，如此循环起到终止聚合物裂解的链锁反应，阻止链分解和可燃物的生成，进而阻止聚合物的燃烧。卤系阻燃剂适用于很多聚合物体系，且热稳定性好，具有加工窗口较宽且较少的添加量就有较好的阻燃效果等优点，在实际应用领域使用较广泛。但是，含卤阻燃材料在燃烧过程中会产生大量的有毒烟气，甚至会产生人体无法代谢的致癌物质二嗯英，因此卤系阻燃剂的应用一直存在争议。目前，部分含卤阻燃剂在很多国家已经被禁止使用。综上在提高材料阻燃性的同时，应该对有毒烟气的排放量进行控制，这就需要开发阻燃效率更高、更安全的无卤阻燃剂。无卤阻燃剂一般有以下几种：(1）镁-铝系阻燃剂镁系和铝系阻燃剂是非常重要的一类无卤阻燃剂，作为最重要的无机阻燃剂镁-铝系阻燃剂主要包括氢氧化铝（ATH)和氢氧化镁（MDH)，ATH更是全球用量3
3 实验一 聚烯烃阻燃改性设计及性能测试 （设计性实验） 第一部分 实验配方设计指导 一、实验目的 1. 了解常见阻燃剂的种类和阻燃原理； 2. 了解聚烯烃阻燃改性的方法和原理； 3. 了解聚合物材料的常见阻燃性能测试方法； 4. 能通过文献查阅了解新型阻燃剂和聚烯烃阻燃改性的最新研究进展； 5. 具有一定的聚烯烃阻燃改性配方设计能力。 二、常见阻燃剂的种类和阻燃原理 高分子材料的阻燃剂分类方法较多，但比较常见的可分为卤系和无卤两类。 卤系阻燃剂主要是指含氯和溴的一类阻燃剂。通常，聚合物的燃烧过程之所 以可以连续发生，是因为这个过程中发生了链锁反应进而生成了大量自由基 OH·， 产生大量可燃物小分子使燃烧持续进行。由于卤素原子与碳原子的结合能低，含 卤阻燃剂在高温下容易释放 HX（HBr 或 HCl）。HX 与自由基 OH·发生反应生成 H2O，X·再与烃链反应生成 HX，如此循环起到终止聚合物裂解的链锁反应，阻 止链分解和可燃物的生成，进而阻止聚合物的燃烧。卤系阻燃剂适用于很多聚合 物体系，且热稳定性好，具有加工窗口较宽且较少的添加量就有较好的阻燃效果 等优点，在实际应用领域使用较广泛。但是，含卤阻燃材料在燃烧过程中会产生 大量的有毒烟气，甚至会产生人体无法代谢的致癌物质二噁英，因此卤系阻燃剂 的应用一直存在争议。目前，部分含卤阻燃剂在很多国家已经被禁止使用。综上， 在提高材料阻燃性的同时，应该对有毒烟气的排放量进行控制，这就需要开发阻 燃效率更高、更安全的无卤阻燃剂。 无卤阻燃剂一般有以下几种： （1）镁-铝系阻燃剂 镁系和铝系阻燃剂是非常重要的一类无卤阻燃剂，作为最重要的无机阻燃剂， 镁-铝系阻燃剂主要包括氢氧化铝(ATH)和氢氧化镁(MDH)，ATH 更是全球用量
最大的阻燃剂。该类阻燃剂具有抑烟效果好，价格低廉等特点，广泛应用于聚合物阻燃领域。铝-镁系阻燃剂的作用机理如下：①降低可燃聚合物材料的浓度；②受热分解时吸收大量的热，降低了燃烧体系的温度，缓解了聚合物的降解以及可燃物质的释放；③分解产生保护性的玻璃或陶瓷层(MgO或Al2O3)覆盖在聚合物表面起到阻隔氧气、热量以及可燃物的传播。氢氧化铝的吸热分解温度为180~200℃之间，生成的产物为水和氧化铝，对应吸收热量1050kJ/kg。锥形量热仪测试表明，ATH的使用可以大大降低材料的热释放速率(HRR)峰值和烟密度。由于其相对较低的降解温度，限制了ATH在加工温度高的聚合物中的使用。2Al(0H)3→Al203+3H20 (1050KJ/Kg)2Mg(0H)2→2Mg0+2H20(1300KJ/Kg）氢氧化镁与氢氧化铝的阻燃作用机理类似，但是具有较高的热分解温度(>330℃），分解反应吸收热量1300kJ/kg，MDH生成MgO和H20。值得说明的是，400℃以上MDH的阻燃作用更加明显，在此温度以上MDH的分解吸热占主导。氢氧化镁的热稳定性和抑烟能力都比氢氧化铝好，但由于氢氧化镁的表面极性大，与有机物相容性差，所以需要经过表面处理后才能作为有效的阻燃剂。(2）磷系阻燃剂磷系阻燃剂的产品范围非常广泛，包括磷酸盐、有机磷酸盐、次磷酸盐和红磷。这些含磷阻燃剂有些是外添加型阻燃剂，也有些是作为阻燃单体与聚合物单体共聚生成阻燃聚合物。通常认为，磷系阻燃剂主要通过凝聚相发挥阻燃作用，主要是因为磷系阻燃剂能够在高温条件下分解，生成小分子的磷酸，这些磷酸在充足的热量下进一步缩聚生成焦磷酸和水。释放出的水稀释了被氧化产生的气相产物。此外，磷酸和焦磷酸也能起到催化端基脱水进而生成交联的碳化结构。在高温下，磷酸或焦磷酸转变成偏磷酸及多聚磷酸，与前述形成的炭化产物形成较为稳定的阻隔炭层，从而发挥阻燃作用。在凝聚相，磷系阻燃剂应用于聚酯、聚酰胺、纤维素等主链结构中含氧或含氮的聚合物时效果更佳。4
4 最大的阻燃剂。该类阻燃剂具有抑烟效果好，价格低廉等特点，广泛应用于聚合 物阻燃领域。铝-镁系阻燃剂的作用机理如下：①降低可燃聚合物材料的浓度； ②受热分解时吸收大量的热，降低了燃烧体系的温度，缓解了聚合物的降解以及 可燃物质的释放；③分解产生保护性的玻璃或陶瓷层(MgO 或 Al2O3)覆盖在聚合 物表面起到阻隔氧气、热量以及可燃物的传播。 氢氧化铝的吸热分解温度为 180~200℃之间，生成的产物为水和氧化铝，对 应吸收热量 1050 kJ/kg。锥形量热仪测试表明，ATH 的使用可以大大降低材料 的热释放速率(HRR)峰值和烟密度。由于其相对较低的降解温度，限制了 ATH 在加工温度高的聚合物中的使用。 2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O (1050KJ/Kg) 2Mg(OH)2 → 2MgO + 2H2O (1300KJ/Kg) 氢氧化镁与氢氧化铝的阻燃作用机理类似，但是具有较高的热分解温度 （>330℃），分解反应吸收热量 1300 kJ/kg，MDH 生成 MgO 和 H2O。值得说明 的是，400℃以上 MDH 的阻燃作用更加明显，在此温度以上 MDH 的分解吸热 占主导。氢氧化镁的热稳定性和抑烟能力都比氢氧化铝好，但由于氢氧化镁的表 面极性大，与有机物相容性差，所以需要经过表面处理后才能作为有效的阻燃剂。 （2）磷系阻燃剂 磷系阻燃剂的产品范围非常广泛，包括磷酸盐、有机磷酸盐、次磷酸盐和红 磷。这些含磷阻燃剂有些是外添加型阻燃剂，也有些是作为阻燃单体与聚合物单 体共聚生成阻燃聚合物。 通常认为，磷系阻燃剂主要通过凝聚相发挥阻燃作用，主要是因为磷系阻燃 剂能够在高温条件下分解，生成小分子的磷酸，这些磷酸在充足的热量下进一步 缩聚生成焦磷酸和水。释放出的水稀释了被氧化产生的气相产物。此外，磷酸和 焦磷酸也能起到催化端基脱水进而生成交联的碳化结构。在高温下，磷酸或焦磷 酸转变成偏磷酸及多聚磷酸，与前述形成的炭化产物形成较为稳定的阻隔炭层， 从而发挥阻燃作用。在凝聚相，磷系阻燃剂应用于聚酯、聚酰胺、纤维素等主链 结构中含氧或含氮的聚合物时效果更佳