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化学

实验报告

08高分子（一）班

夏jh  0814121039

吴qs  0814121038

温jp  0814121037

实验      丙烯酰胺水溶液聚合

一、实验目的

1. 掌握溶液聚合的方法及原理；

2. 学习如何正确的选择溶剂。

二、 实验原理

与本体聚合相比，溶液聚合体系具有粘度低、搅拌和传热比较容易、不易产生局部过热、聚合反应容易控制等优点。但由于溶剂的引入，溶剂的回收和提纯使聚合过程复杂化。只有在直接使用聚合物溶液的场合，如涂料、胶粘剂、浸渍剂、合成纤维纺丝液等，使用溶液聚合才最为有利。

进行溶液聚合时，由于溶剂并非完全是惰性的，对反应要产生各种影响，选择溶剂时要注意其对引发剂分解的影响、链转移作用、对聚合物的溶解性能的影响。丙烯酰胺为水溶性单体，其聚合物也溶于水，本实验采用水为溶剂进行溶液聚合。与以有机物作溶剂的溶液聚合相比，具有价廉、无毒、链转移常数小、对单体和聚合物的溶解性能好的优点。聚丙烯酰胺是一种优良的絮凝剂，水溶性好，广泛应用于石油开采、选矿、化学工业及污水处理等方面。

合成聚丙烯酰胺的化学反应简式如下： 

三、 主要仪器和试剂

三口瓶， 球形冷凝管， 温度计， 丙烯酰胺， 甲醇， 过硫酸钾(或过硫酸铵)，氮气

装置图

四、实验步骤

1.    步骤:  在250mL 的三口瓶中，中间口安装搅拌器，分别装上一个温度计和一个冷凝管。

分析：装上搅拌棒时，应先保证搅拌棒竖直，然后可开启搅拌器，观察整个装置震荡程度，（反应装置应要求有较小的震荡）；

2.    步骤：将10 g(0.14 mol)丙烯酰胺和80 ml 蒸馏水加入反应瓶中，开动搅拌器，用水浴加热至30 ℃，使单体溶解。把0.05 g 过硫酸钾溶解在10 ml 蒸馏水中，溶解后加入反应三口瓶内，并用10 ml蒸馏水洗涤溶解烧杯。逐步升温到90 ℃，这时聚合物便逐渐形成，在90 ℃下反应2~3 h。

现象：a .把蒸馏水加入到装有丙烯酰胺的三口烧瓶中，大部分丙烯酰胺溶解，有少部分白色絮状物漂浮在液体表面，一段时间后（几分钟），仍然不溶解；开启搅拌器，调转速到300r/min，加热水浴到30℃，加热搅拌十几分钟后，白色絮状物被打成较小的白色絮状物，悬浮在溶液中，但也不溶解；

b.把溶解有过硫酸钾的溶液加入到反应瓶中，溶液中立即出现更多的白色絮状物；

c.加热时，白色絮状物减少，当加热到47℃左右，白色絮状物几分全部溶解，溶液变透明；

d.当加热到70℃左右时，黏度剧增到糨糊装，当加热到83℃时，粘度变得很大，能够拉成十来厘米长的线；

分析：a. 由后面c可以判断，少部分白色絮状物也应该是聚丙烯酰胺，当温度低时，聚丙烯酰胺的溶解度较小，聚合物便以絮状存在溶液中，当升高温度时，聚丙烯酰胺在水中的溶解度增加，使聚合物溶解；

b.由于过硫酸钾时引发剂，当加入过硫酸钾的溶液到反应瓶中时，由于单体少部分聚合，而聚合物的溶解度较小，聚合物便以絮状存在溶液中；

c.白色絮状物是反应产物，随温度的升高，聚合物的溶解度增加，使高分子聚合物溶解；

   d.当加热到70℃左右时，反应已经进行到相当的程度，高分子连也有一定的浓度，故有一定的黏度，当温度升高到83℃时，黏度变大，这时主要是由于转化率的增加，高分子连增多，其浓度也增大，随搅拌的进行，高分子连间相互缠绕，使黏度怎加；

e.另外，在加入水、单体、引发剂的水溶液时，应先加单体，再加水，最后把引发剂水溶液加入到单体水溶液中，切忌不能把单体水溶液加入引发剂水溶液中，避免开始引发剂过多而马上反应，从而造成分子量较小，最后又没有引发剂，转化率不高。

3.    步骤：   反应完毕，将所得到的产物取部分倒入盛有50 ml甲醇的100 ml烧杯中，边倒边搅拌，聚丙烯酰胺便沉淀下来，观察现象。

现象：刚滴加反应溶液时，没有立刻出现白色沉淀，轻轻摇晃，立刻出现白色絮状沉淀；当一次性滴加较多时白色沉淀呈胶棉状，且随时间的推移，溶液慢慢变成白色；

分析：聚合物不溶于甲醇，甲醇溶于水，从而使聚合物从水溶液中沉淀析出来，已经缠绕在一起的聚合物高分子，不可能很快分散沉淀析出，而是先析出表面，从而包裹聚合溶液，使之呈白色胶状；

六、思考题

1、简述水、单体、聚合高分子、甲醇在实验中的溶解情况.

答:单体中由于有氨基，氨基上的N有孤对电子，可以与水中的氢原子形成氢键，故单体可溶于水，且溶解度随温度的升高而增大；同理聚合物中也有氨基，聚合物也可溶解在水中，但由于烷基过大，溶解度没有单体的大；由于水羟基的极性没有氨的极性强但比醇羟基的极性强，根据相似相容原理，水与水甲醇互容，水与聚合物也有一定的相容性，但甲醇与聚合物不相容……

2、 进行溶液聚合时，选择溶剂应注意哪些问题?

答：自由基溶液聚合选择溶剂时，必须注意下列两方面的问题。

A、 溶液对聚合活性的影响。初看起来，溶剂并不参加反应。但溶剂往往并非绝对惰性，对引发剂有诱导作用，链自由基对溶剂有连转移反应。这两个方面的作用都可能影响聚合速率和分子量。

B、溶剂对聚合物的溶解性能和凝胶效应的影响。学用良溶剂时，为均相聚合，如果单体的浓度不高，可能不出现凝胶效应，遵循正常的自由基聚合动力学规律。学用沉淀聚合，凝胶效应显著。不良溶剂的影响则介于两者之间，影响深度则视溶剂优劣程度和浓度而定。

3、什么是爬杆效应？

高分子熔体或浓溶液之所以出现爬杆效应，其原因是：转轴表面线速度较高，靠近转轴表面的分子链被拉伸取向，并缠绕在轴上，经拉伸取向后的分子链段有自发恢复到卷曲构象的倾向，造成在封闭圆环上液体的拉力，这种拉力力图使圆环直径变小，因而产生了向心法向应力，使液体产生向心运动，直到与液体的惯性力（离心力）相平衡。液体的向心流动必然造成圆环中心的密度和压力增大的状况。压力的增大表现在各个方向上，其中也使与转轴线平行的方向上产生应力，称为轴向应力。由于液体上部的压力较低，因此液体产生了沿轴上升的运动（与重力平衡）。
     这种现象也称为韦森堡效应或包轴效应。

4、工业上在什么情况下采用溶液聚合?

 答：由于溶剂分离回收费用高，除尽聚合物中残留溶剂困难。因此工业上溶液聚合多用于聚合物直接使用的场合，如涂料、胶粘剂、合成纤维纺丝液、继续进行化学反应等。

5、溶液聚合的优点以及缺点

答：优点:溶液聚合体系粘度较低,混合和传热较易,温度易控制,较少凝胶效应,可避免局部过热.

缺点:1.单体浓度较低,致使聚合速率较慢,设备生产能力较低;2.单体浓度低和向溶剂链转移到双重结果,使聚合物分子量降低;3.溶剂分离回收费用高,除净聚合物中残留溶剂困难.

6、溶液聚合的产物如何得到和溶剂如何回收?

答：对于沉淀聚合的,只要通过真空泵进行吸滤就可以得到聚合物,而滤液进行蒸馏提纯即可.而对于均相聚合,可用另外一种溶剂破坏聚合物和原有的体系,使聚合物沉淀下来.再进行吸滤,滤液进行蒸馏.

7、为什么要在搅拌的情况下把过硫酸钾溶解在水中再加入反应瓶中？

答：保证引发剂充分分散在水中，防止引发剂在一起发生笼蔽效应，降低引发剂的引发效率.

 

第二篇：实验二 溶液聚合丙烯酰胺及其干燥加工

实验二 溶液聚合丙烯酰胺及其干燥加工

一、实验目的

了解溶液聚合的原理和溶剂选择的原则，掌握丙烯酰胺溶液聚合方法。

二、实验原理

将单体溶解于溶剂中而进行的聚合反应为溶液聚合，生成的聚合物溶解于溶剂中，溶液聚合为均相聚合；反之，聚合物从溶剂中沉淀出来，聚合反应称为沉淀聚合。自由基聚合、离子聚合和缩聚反应皆可以采用溶液聚合的方法。

在自由基均相溶液聚合中，聚合物链处于比较伸展的状态，活性中心易相互靠近而进行双基终止。只有在高转化率下，体系粘度增加到一定程度，才开始出现自动加速效应。但是，如果单体浓度低，则自动加速效应可能不再出现，整个自由基聚合过程都遵循常见的自由基聚合动力学方程，因此溶液聚合是实验室中研究聚合机理及聚合动力学等常用的方法。在沉淀聚合中，聚合物处在不良溶剂中，聚合物链呈卷曲状态，端基被包围，聚合开始不久就会出现自动加速效应，不存在稳定聚合阶段。随着聚合的进行，聚合物链卷曲缠绕程度加深，自动加速效应也增强。因此，沉淀聚合的动力学行为与均相聚合有明显不同。均相聚合中终止过程主要是双基终止，聚合速率与引发剂浓度的平方根成正比；沉淀聚合中活性中心被包围，终止过程基本上是通过单基终止完成的，聚合速率与引发剂浓度成正比。

溶液聚合中溶剂的存在对聚合反应有或多或少的影响，溶剂的选择的是相当重要的，一般遵循以下要求：

（1） 对引发剂的诱导分解作用小，以提高引发剂的引发效率。溶剂对偶氮类引

发剂的影响很小，对有机过氧化物引发剂有较大的诱导分解作用，顺序为：芳烃、烷烃、醇、胺。

（2） 溶剂的链转移常数应低，以获得较高分子量的聚合物。

（3） 尽量使用聚合物的良溶剂，以便控制聚合反应。

与本体聚合相比，溶液聚合具有粘度低、混合和传热容易以及反应温度容易控制等优点。但是，存在聚合物分离和溶液回收等问题，因此在聚合物溶液直接

使用的情况下，如涂料、粘合剂、浸渍剂和合成纤维的纺丝液等，才采用溶液聚合。

丙烯酰胺为水溶性单体，其聚合物也溶于水。本实验采用水作为溶剂进行溶液聚合，存在无毒、价廉和链转移常数小的优点。聚丙烯酰胺是一种优良的絮凝剂，水溶性好，被广泛的应用于石油开采、选矿和污水处理的等方面。

三、化学试剂和仪器

化学试剂：丙烯酰胺，甲醇，过硫酸铵。

仪器设备：机械搅拌器，回流冷凝管，温度计，三口瓶

四、实验步骤

将10g丙烯酰胺(0.14 mol)和90ml 蒸馏水加入到250ml三口烧瓶中,在三口烧瓶的中间口装机械搅拌器（若使用集热式电磁搅拌器，则将磁力搅拌磁子装入三口烧瓶内），在一侧口装入回流冷凝管，另一侧口用塞子塞住，开动搅拌器，水浴加热至30℃，使单体完全溶解，将0.05g过硫酸铵溶解于10ml蒸馏水中，溶液加入到反应瓶中，逐步升温到90℃，反应2-3小时，冷至室温。

产品后处理：

① 在500mL烧杯中加入150 mL甲醇，在搅拌下缓缓加入上述溶液，有

聚合物沉淀出现。静置片刻，加入少量甲醇，观察是否有沉淀出现。如果有，在加入甲醇使聚合物完全沉淀出。用布氏漏斗过滤，沉淀用

少量甲醇洗涤三次，再30 ℃真空干燥至恒重，称重计算产率。

② 为了环保，不采用沉淀法将聚合物从甲醇中沉淀出来的方法测定产率

和固含量，而是称取10g产物置于已知重量的玻璃表面皿上，真空干

燥，称重，计算固体含量。

五、分析与思考

1、从环境保护的角度考虑，应尽量避免使用有机溶剂。那么，对于涂料和粘合剂（特别是不溶于水的聚合物）而言，可采取那些措施？

2、对于苯乙烯、甲基丙烯酸和丙烯腈的溶液聚合，可选择哪些溶剂？