09应化高分子化学实验

实验1 甲基丙烯酸甲酯的本体聚合

实验2 丙烯酰胺水溶液聚合

实验3 苯乙烯的悬浮聚合

高分子化学实验

实验 2-1  甲基丙烯酸甲酯本体聚合

一、实验目的

1.了解本体聚合的特点，掌握本体聚合的实施方法。

2.熟悉有机玻璃的制备方法及工艺。

二、实验原理

本体聚合是不加其它介质，只有单体本身在引发剂或光、热等作用下进行的聚合，又称块状聚合。本体聚合的优点是:  生产过程比较简单，聚合产物的纯度高，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。但随着聚合的进行，转化率提高，体系粘度增加聚合热难以散发，系统的散热是关键。同时由于粘度增加，长链自由基末端被包埋，扩散困难使自由基双基终止速率大大降低，致使聚合速率急剧增加而出现所谓自动加速现象或凝胶效应，这些轻则造成体系局部过热，使聚合物分子量分布变宽，产品外观变黄，出现气泡，从而影响产品的机械强度；重则体系温度失控，引起爆聚。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，是聚合成功的关键问题。为克服这一缺点，现一般采用分段聚合：如第一阶段保持较低转化率，这一阶段体系粘度较低，散热尚无困难，可在较大的反应器中进行；第二阶段转化率和粘度较大，可进行薄层聚合或在特殊设计的反应器内聚合。

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）由于有庞大的侧基存在，为无定形固体，具有高度透明性，比重小，有一定的耐冲击强度与良好的低温性能，是航空工业与光学仪器制造工业的重要原料。如果直接做甲基丙烯酸甲酯(MMA)的本体聚合，则由于发热而产生气体只能得到有气泡的聚合物。如果选用其它聚合方法（如悬浮聚合等）由于杂质的引入，产品的透明度都远不及本体聚合方法。由于甲基丙烯酸甲酯单体比重只有 0.94g/cm³ ，而聚合物比重为 1.17 g/cm³，故有较大的体积收缩。为此，用 MMA  进行本体聚合时为了解决散热，避免自动加速作用而引起的爆聚现象，以及单体转化为聚合物时由于比重不同而引起的体积收缩等问题，工业上或实验室目前多采用预聚－浇铸聚合的方法。将本体聚合迅速进行到某种程度（转化率 10%左右）做成单体中溶有聚合物的粘稠溶液（预聚）后，再将其注入相应的模具中，在低温下缓慢聚合使转化率达到 93～95％，最后在 100℃下高温聚合至反应完全，最后脱模制得有机玻璃。

本实验是以甲基丙烯酯甲酯（MMA）进行本体聚合，生产有机玻璃棒。甲基丙烯酸甲酯在过氧化苯甲酰（BPO）引发剂存在下进行如下聚合反应：

三、实验仪器和试剂

四口瓶，电动搅拌器，温度计，球形冷凝管，恒温水浴，试管等。 

甲基丙烯酸甲酯(MMA)，过氧化二苯甲酰(BPO)   

四、实验步骤

1.预聚合反应

在装有搅拌器、冷凝管、温度计的 250ml 的四口瓶中加入溶有 0.5g BPO 的 MMA 50ml，开动搅拌并升温至升温至 75~80℃，反应 20~30 分钟，观察粘度变化。当物料呈蜜糖状时，用冷水浴骤然降温至 40℃以下停止搅拌，将四口瓶中预聚物灌入已备好的试管中。

2.聚合反应

将上述试管放入水浴中，升温至 60℃，保温 1～2h,待试管中基本无气泡产生，且聚合物基本变硬时，升温至 100℃，保温 1 小时后，任其自然冷却到 40℃以下，去除玻璃试管，即可得到光滑无色透明的有机玻璃棒。

五、思考题及实验结果讨论

1.  本体聚合方法有什么特点? 

2.  制备有机玻璃时，为什么需要首先制成具有一定粘度的预聚物?

3.  如果最后产物出现气泡，试分析致成原因？ 

4.  凝胶效应进行完毕后，提高反应温度的目的何在?

参考文献

1.潘祖仁主编，高分子化学（第三版），北京：化学工业出版社，20##年.

2.赵德仁主编,高聚物合成工艺学（第二版）, 北京：化学工业出版社，1997, 年.

3. 复旦大学高分子科学系编著，高分子实验技术（修订版），复旦大学出版社，1996年

4. 珊瑚化工厂编.有机玻璃(及其同类聚合物).北京:化学工业出版社，1971

实验 2-4 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

四口瓶，回流冷凝管，电动搅拌器，温度计，恒温水浴

丙烯酰胺，甲醇，过硫酸钾(或过硫酸铵)，氮气

四、实验步骤

1.  在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计的 250 mL 四口瓶中加入 10 g (0.14 mol)丙烯酰胺和 80 mL 蒸馏水，开动搅拌器，在氮气存在的情况下用水浴加热至 30  ℃¹，使单体溶解。然后把溶解在 10 mL蒸馏水中的 0.05 g 过硫酸钾从冷凝管上口加入反应瓶中，并用 10 mL 蒸馏水冲洗冷凝管。逐步升温到 90  ℃，这时聚合物便逐渐形成，在 90  ℃下反应 2~3 h。

2.  反应完毕，将所得到的产物倒入盛有 150 mL 甲醇的 500 mL 烧杯中，边倒边搅拌，聚丙烯酰胺便沉淀下来。向烧杯中加入少量的甲醇，观察是否仍有沉淀生成，如果有沉淀生成，则可再加入少量甲醇，使聚合物沉淀完全。然后用布氏漏斗抽滤，用少量的甲醇洗涤三次，将聚合物转移到表面玻璃上，在 30  ℃真空烘箱中干澡至恒重，称重、计算产率。

五、  注 释

①  在排除氧气的情况下，可以获得较高相对分子质量的聚合物。采用低温反相乳液聚合，能获得相对分子质量非常高的聚合物。

六、思考题

1.  进行溶液聚合时，选择溶剂应注意哪些问题?

2.  工业上在什么情况下采用溶液聚合?

实验 2-9 苯乙烯珠状聚合

一、实验目的

1.  了解悬浮聚合的反应原理及配方中各组分的作用。

2.  了解珠状聚合实验操作及聚合工艺的特点。

二、实验原理

悬浮聚合是指在较强的机械搅拌下，借悬浮剂的作用，将溶有引发剂的单体分散在另一与单体不溶的介质中(一般为水)所进行的聚合。根据聚合物在单体中溶解与否，可得透明状聚合物或不透明不规整的颗粒状聚合物。像苯乙烯、甲基丙烯酸酯，其悬浮聚合物多是透明珠状物，故又称珠状聚合；而聚氯乙烯因不溶于其单体中，故为不透明、不规整的乳白色小颗粒(称为粉状聚合)。

悬浮聚合实质上是单体小液滴内的本体聚合，在每一个单体小液滴内单体的聚合过程与本体聚合是相类似的，但由于单体在体系中被分散成细小的液滴，因此，悬浮聚合又具有它自己的特点。由于单体以小液滴形式分散在水中，散热表面积大，水的比热大，因而解决了散热问题，保证了反应温度的均一性，有利于反应的控制。悬浮聚合的另一优点是由于采用悬浮稳定剂，所以最后得到易分离、易清洗、纯度高的颗粒状聚合产物，便于直接成型加工。

可作为悬浮剂的有两类物质:一类是可以溶于水的高分子化合物，如聚乙烯醇、明胶、聚甲基丙烯酸钠等。另一类是不溶于水的无机盐粉末，如硅藻土、钙镁的碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐等。悬浮剂的性能和用量对聚合物颗粒大小和分布有很大影响。一般来讲，悬浮剂用量越大，所得聚合物颗粒越细，如果悬浮剂为水溶性高分子化合物，悬浮剂相对分子质量越小，所得的树脂颗粒就越大，因此悬浮剂相对分子质量的不均一会造成树脂颗粒分布变宽。如果是固体悬浮剂，用量一定时，悬浮剂粒度越细，所得树脂的粒度也越小，因此，悬浮剂粒度的不均匀也会导致树脂颗粒大小的不均匀。 为了得到颗粒度合格的珠状聚合物，除加入悬浮剂外，严格控制搅拌速度是一个相当关键的问题。随着聚合转化率的增加，小液滴变得很粘，如果搅拌速度太慢，则珠状不规则，且颗粒易发生粘结现象。但搅拌太快时，又易使颗粒太细，因此，悬浮聚合产品的粒度分布的控制是悬浮聚合中的一个很重要的问题。

苯乙烯（St）通过聚合反应生成如下聚合物。反应式如下：

本实验要求聚合物体具有一定的粒度。粒度的大小通过调节悬浮聚合的条件来实现。

三、实验仪器及试剂 

250mL 三口瓶，电动搅拌器，恒温水浴，冷凝管，温度计，吸管，抽滤装置

苯乙烯，聚乙烯醇，过氧化二苯甲酰，甲醇

四、实验步骤

1. 在 250 mL 三颈瓶上，装上搅拌器和水冷凝管。量取 100 mL 去离子水，称取0.5 g 聚乙烯醇(PVA)加入到三颈瓶中，开动搅拌器并加热水浴至 95 ℃左右，待聚乙烯醇完全溶解后(20 min 左右)，将水温降至 80 ℃左右。

2.  称取 0. 5 g 过氧化二苯甲酰(BPO)于一干燥洁净的 50 mL 量筒（或烧杯）中，并加入 20 g单体苯乙烯(已精制)使之完全溶解。

3.  将溶有引发剂的单体倒入到三颈瓶中，此时需小心调节搅拌速度，使液滴分散成合适的颗粒度(注意开始时搅拌速度不要太快，否则颗粒分散的太细)，继续升高温度，控制水浴温度在 86~89 ℃范围内，使之聚合。一般在达到反应温度后 2~3 h 为反应危险期，此时搅拌速度控制不好(速度太快、太慢或中途停止等)，就容易使珠子粘结变形。

4.  在反应 3 h 后，可以用大吸管吸出一些反应物，检查珠子是否变硬，如果已经变硬，即可将水浴温度升高至 90~95 ℃，反应 1 h 后即可停止反应。

5.  将反应物进行过滤，并把所得到的透明小珠子放在25 mL甲醇中浸泡20 min(为什么?)，然后再过滤(甲醇回收)，将得到的产物用约 50 ℃的热水洗涤几次(为什么?)，用滤纸吸干后，置产物于 50~60 ℃烘箱内干燥，计算产率，观看颗粒度的分布情况。

五、注释

1.  在工业上要得到一定相对分子质量的珠状聚合物，一般引发剂用量应为单体质量的 0.2%~0.5%，但反应时间较长。本实验为了缩短反应时间，因此，选用了较大的引发剂用量(为单体质量的 2.5%)。

2.  工业上为提高设备利用率，采用的水油比比较小，一般为 1:1~4:1 ，而在本实验中所采用的水油比为 5:1 ，因为高水油比有利于操作(水油比即水用量与单体用量之比)。

3.  聚乙烯醇的用量根据所要求的珠子的颗粒度大小以及所用的聚乙烯醇本身的性质(相对分子质量，醇解度)而定。根据各方面的资料来看，用量差别较大，其用量相对于单体来说，最多的为 3%，最少的为 0.1%~0.5%，根据我们的实验条件，聚乙烯醇用量为单体的 2.5%。

六、思考题

1.  试考虑苯乙烯珠状聚合过程中，随转化率的增长，其反应速度和相对分子质量的变化规律。

    2.  为什么聚乙烯醇能够起稳定剂的作用?聚乙烯醇的质量和用量在悬浮聚合中，对颗粒度影响如何?

    3.  根据实验的实践，你认为在珠状聚合的操作中，应该特别注意什么，为什么?

4.  试对比本体聚合、悬浮聚合、溶液聚合和乳液聚合的特点。

参考文献

1.潘祖仁主编，高分子化学（第三版），北京：化学工业出版社，20##年.

2.赵德仁主编,高聚物合成工艺学（第二版）, 北京：化学工业出版社，1997, 年.

3.复旦大学高分子科学系编著，高分子实验技术（修订版），复旦大学出版社，1996年

 

第二篇：高分子化学实验课程教学大纲

高分子化学实验课程教学大纲

英文名称：Polymer chemistry experiments

课程编号：14007112

课程类别：学科基础

学时/学分：32/2

实验/上机学时：32/0

适用专业：高分子材料与工程

开课学期：第五学期

一、实验目的和任务

目的：验证高分子化学的基本理论，加深对各种聚合方法的理解。

任务：训练学生的实验技能，培养学生严谨的科学态度，为后续专业课及科研工作培养专业技术的应用能力。

二、实验基本要求

高分子化学是高分子材料与工程专业学生的必修课之一。本课程所开出的实验课程是配合理论课教学的，加深对高分子化学基本知识和基本原理的理解，掌握各种聚合方法的原理，特点及控制方法 。能够熟练和规范地进行高分子化学实验的基本操作，掌握实验技术和基本技能。引导学生注意观察实验现象，并善于分析实验现象，要忠实地做原始记录。使学生能正确的处理实验数据和撰写实验报告。通过实验课的训练，使学生养成严谨的科学态度，良好的实验习惯，使其以后能独立完成一些研究工作。

三、考核方式与规定

考核方式：考查。包括预习报告，课堂表现，实验报告和实验考试几个方面内容。成绩最后评定为优、良、中、及、不及。

四、实验项目和内容

五、选用教材

1．教材

高分子化学实验．何卫东编．中国科学技术大学出版社，2005.

2．参考教材

高分子科学与材料工程实验.刘剑平等.化学工业出版社,2005.

高分子物理实验课程教学大纲

英文名称：Polymer physics experiments

课程编号：14008112

课程类别：学科基础

学时/学分：32/2

实验/上机学时：32/0

适用专业：高分子材料与工程

开课学期：第六学期

一、实验目的和任务

目的：验证高分子物理的基本理论，加深对理论的理解。

任务：训练学生的实验技能，培养学生严谨的科学态度，为后续专业课及科研工作培养专业技术的应用能力。

二、实验基本要求

高分子物理是高分子材料与工程专业学生的必修课之一。本课程所开出的实验课程是配合理论课教学的，目的在于使学生对理论课的内容有更深入、更直观的理解。同时注重培养学生的实验技能，提高动手能力，熟悉并掌握测试高聚物分子量及其分布与各种热性能、力学性能参数等的实验原理和方法。

三、考核方式与规定

考核方式：考查。包括预习报告，课堂表现，实验报告和实验考试几个方面内容。成绩最后评定为优、良、中、及、不及。

四、实验项目和内容

五、选用教材

1．高分子物理实验.刘振兴等编，中山大学出版社.

2．高分子物理实验.北京大学出版社.

3．高分子实验技术.复旦大学出版社.

4．高分子实验与专论.北京大学出版.

高分子材料与工程综合实验课程教学大纲

英文名称：Special experiments of polymer materials engineering

课程编号：14038112

课程类别：专业课

学时/学分：32/2

实验/上机学时：32/0

适用专业：高分子材料与工程

开课学期：第七学期

一、实验目的和任务

目的：通过实验，加深对基础理论和专业特点的认识。

任务：提高学生动手查阅文献、动脑制备、研究、物检、分析材料及制品的基本技能，从而初步具备分析解决本专业有关工程技术问题的能力，这一过程充分发挥学生的创造力，为培养素质型的人才，为学生今后从事有关的生产科研活动打下良好的基础。

二、实验基本要求

通过本课程的学习，使学生能掌握几种高聚物合成及改性生产工艺，并能够用所学基础理论解决实际问题，对国内外生产技术和发展方向有所了解，掌握高聚物合成工艺过程及方法的规律性和产品的有关工艺参数及性能测定方法。 

三、考核方式与规定

成绩评定办法：查阅文献、制订实验方案 30分；工艺实验、性能测试、动手操作能力30分；设计型实验报告40分，满分100分。90-100分为优秀，80-89为良好，70-79为中等，60-69为及格，60以下为不及格。

四、实验项目和内容

五、选用教材

1．高聚物合成工艺学. 赵德仁. 第二版.化学工业出版社.

2．高分子材料导论. 张留成. 第二版.化学工业出版社.

3．高分子物理. 何曼君，陈维孝等. 第二版.复旦大学出版社.

4．高分子化学. 潘祖仁，孙经武. 第二版.化学工业出版社.

5．聚合过程及设备. 计其达. 第一版.化学工业出版社.

6．高分子材料成型加工原理. 王贵恒.化学工业出版社.

7．塑料成型工艺学.成都科技大学主编.