高分子合成实验

第二章高分子合成实验...................................................................................2实验一聚乙烯醇缩甲醛的制备.............................................................2实验二苯乙烯的聚合方法综合实验.....................................................4实验三甲基丙烯酸甲酯的本体聚合.......................................................9实验四水溶性酚醛树脂制备及性能测定.............................................10实验五酚醛树脂的合成.......................................................................15实验六水性丙烯酸树脂的合成...........................................................17实验七醋酸乙烯酯的乳液聚合...........................................................18实验八膨胀计法测定苯乙烯聚合反应速率.......................................21实验九甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯悬浮共聚合...................................26实验十乙酸乙烯酯的溶液聚合...........................................................28实验十一丙烯酰胺水溶液聚合...........................................................30实验十二低分子量聚丙烯酸（钠盐）的合成和分析.......................32实验十三熔融缩聚反应制备尼龙-66.................................................34实验十四ε－己内酰胺缩聚制备尼龙6............................................37实验十五强酸型阳离子交换树脂的制备及其交换量的测定...........39实验十六苯丙乳液的制备...................................................................43第二章高分子合成实验实验一聚乙烯醇缩甲醛的制备一、实验目的1、加深对高分子化学反应基本原理的理解。2、了解缩醛化反应的主要影响因素。3、掌握聚乙烯醇缩甲醛的制备方法.二、实验原理早在1931年，人们已经研制出聚乙烯醇的纤维，但由于PVA的水溶性而无法实际应用。利用“缩醛化”减少水溶性，使PVA有了较大的实际应用价值。目前，聚乙烯醇缩醛树脂在工业上被广泛用于生产黏合剂、涂料、化学纤维。品种主要有聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯醇缩乙醛、聚乙烯醇缩甲乙醛、聚乙烯醇缩丁醛等。其中以聚乙烯醇缩甲醛和聚乙烯醇缩丁醛最为重要。前者是化学纤维“维尼纶”和“107”建筑胶水的主要原料，后者可用于制造“安全玻璃”。聚乙烯醇缩甲醛随缩醛度的不同，性质和用途有所不同，缩醛度在35%左右，就得到人们所称为“维尼纶”的纤维，纤维的强度是棉花的1.5∽2.0倍，吸湿性5%，接近天然纤维，故又称为“合成棉花”，如果控制强度在较低水平，由于聚乙烯醇缩甲醛分子中含有羟基、乙酰和醛基，因此有较强的黏结性能，可用作胶水，用来黏结金属、木材、玻璃、陶瓷、橡胶等。聚乙烯醇缩甲醛是由聚乙烯醇在酸性条件下与甲醛缩合而成的。其反应方程式如下：由于几率效应，聚乙烯醇中邻近羟基成环后，中间往往会夹着一些无法成环的孤立的羟基，因此缩醛化反应不完全。为了定量表示缩醛化的程度，定义已缩合的羟基量占原始羟基量的百分数为缩醛度。由于聚乙烯醇溶于水，而反应产物聚乙烯醇缩甲醛不溶于水，因此，随着反应的进行，最初的均相体系将逐渐变成非均相体系。本实验是合成水溶性聚乙烯醇缩甲醛胶水，实验中要控制适宜的缩醛度，使体系保持均相。如若反应过于猛烈，则会造成局部高缩醛度，导致不溶性物质存在于胶水中，影响胶水质量。因此，反应过程中，要严格控制催化剂用量、反应温度、反应时间及反应物比例等因素。四、实验步骤1.安装好合成装置。2.250mL三口瓶中加人90mL去离子水,装上搅拌。加入10g聚乙烯醇。3.加热至95℃，加温直至聚乙烯醇全部溶解。4.降温至80℃，加入4mL甲醛溶液，搅拌15min。滴加0.25mol·L-1稀盐酸，控制反应体系pH为1∽3。继续搅拌，反应体系逐渐变稠。当体系中出现气泡或有絮状物产生时，立即迅速加入1.5mL8%NaOH溶液，调节pH值为8∽9。冷却，出料，得无色透明黏稠液体，即为一种化学胶水。5.测定不同温度下的粘度。五、结果与讨论1.由于缩醛化反应的程度较低，胶水中尚有未反应的甲醛，产物往往有甲醛的刺激性气味。反应结束后胶水的pH值调至弱碱性有以下作用：可防止分子链间氢键含量过大，体系黏度过大；体系黏度过高；缩醛基团在碱性环境下较稳定。2.为什么缩醛度增加，水溶性会下降？3.为什么以较稀的聚乙烯醇溶液进行缩醛化?4.聚乙烯醇缩醛化反应中，为什么不生成分子间交联的缩醛键？5.聚乙烯醇缩甲醛黏合剂在冬季极易凝胶，怎样使其在低温时同样具有很好的流动性和黏合性？实验二苯乙烯的聚合方法综合实验一、实验目的1、了解苯乙烯自由基聚合的基本原理。2、掌握悬浮聚合的实施方法，了解配方中各组分的作用。3、了解分散剂、升温速度、搅拌速度对悬浮聚合的影响。4、了解苯乙烯本体聚合的实验方法。5、了解苯乙烯溶液聚合的实验方法。6、掌握苯乙烯乳液聚合的实验方法。7、通过本综合实验，提高学生的学习兴趣、提高动手能力及综合分析问题解决问题的能力。二、实验原理1.悬浮聚合：苯乙烯在水和分散剂作用下分散成液滴状，在油溶性引发剂过氧化二苯甲酰引发下进行自由基聚合，其反应历程如下：悬浮聚合是由烯类单体制备高聚物的重要方法，由于水为分散介质，聚合热可以迅速排除，因而反应温度容易控制，生产工艺简单，制成的成品呈均匀的颗粒状，故又称珠状聚合，产品不经造粒可直接加工成型。苯乙烯是一种比较活泼的单体，容易进行聚合反应。苯乙烯在水中的溶解度很小，将其倒入水中，体系分成两层，进行搅拌时，在剪切力作用下单体层分散成液滴，界面张力使液滴保持球形，而且界面张力越大形成的液滴越大，因此在作用方向相反的搅拌剪切力和界面张力作用下液滴达到一定的大小和分布。而这种液滴在热力学上是不稳定的，当搅拌停止后，液滴将凝聚变大，最后与水分层，同时聚合到一定程度以后的液滴中溶有的黏性聚合物亦可使液滴相黏结。因此，悬浮聚合体系还需加入分散剂。悬浮聚合实质上是借助于较强烈的搅拌和悬浮剂的作用，将单体分散在单体不溶的介质（通常为水）中，单体以小液滴的形式进行本体聚合，在每一个小液滴内，单体的聚合过程与本体聚合相似，遵循自由基聚合一般机理，具有与本体聚合相同的动力学过程。由于单体在体系中被搅拌和悬浮剂作用，被分散成细小液滴，因此悬浮聚合又有其独到之处，即散热面积大，防止了在本体聚合中出现的不易散热的问题。由于分散剂的采用，最后的产物经分离纯化后可得到纯度较高的颗粒状聚合物。COOCOCOOCOOCHH2C+COOCH2CHCOOCH2CHCHH2C+COOCH2CHCH2CHO2……CH2CHCH2CH2CH2CHCHCH22.微乳液聚合：微乳液指的是由油、水、乳化剂（许多场合下还需要加入助乳化剂）组成的各向同性、热力学稳定透明或半透明胶体分散体系，其分散相尺寸为纳米级。自Stoffer、Atik等于1980年代早期首次报道微乳液聚合反应以来，由于微乳液的特殊性能，在医药、生物、工业等方面具有广泛的潜在应用，因而受到人们的极大关注。应用领域包括制备多孔材料用于高效分离膜，制备聚合物纳米粒子用于油墨、高性能吸附材料等，制备高档涂料以及制备用于原油开采的乳液、提高采收率等。微乳液聚合可很方便地得到纳米级的高分子量聚合物乳胶粒，但是由于典型的微乳液聚合通常固含量都很低，一般低于10%，且需使用较高的乳化剂/单体比，如制备固含量为2%~5%的微乳通常需加入5%的乳化剂，因而大大地限制了微乳液聚合的商业应用。如何提高固含量、降低乳化剂用量是近年来微乳液聚合研究的关键问题之一。目前报道的方法主要有三种：①半连续法，或称多步加料法，即单体在聚合反应过程中的特定时段分批加入；②连续法，即单体在聚合反应过程中连续地加入正在反应的聚合体系；③类WinsorI体系法，聚合体系的组成类似WinsorI型分散体系，由清澈的两相组成，上层油相为纯的单体，下层为含阳离子乳化剂的微乳液相，水溶性的氧化还原引发剂溶于微乳液相，在温和搅拌下，单体由过量的油相吸收到胶束内进行聚合反应。最后所得的聚合物乳胶粒子的大小取决于所用的微乳液体系及聚合反应方法。有些情况下，所加单体多数是在已存在的乳胶粒子内聚合，因而随着所加单体的增加，乳胶粒子显著增大；有些情况下，乳胶粒子的大小则几乎保持不变。影响粒子尺寸的可能因素包括单体的溶解性、扩散限制以及单体的用量等。本实验采用半连续法制备聚苯乙烯微乳液，最后可得到固含量约为40%，聚合物粒子粒径小于40nm，相对分子质量大于106g/mol的微乳液。3.苯乙烯的本体聚合：苯乙烯的本体聚合是按自由基机理进行的均相聚合反应。4.苯乙烯的溶液聚合：苯乙烯的溶液聚合是按自由基机理进行的均相聚合反应。三、主要试剂和仪器1、主要试剂苯乙烯：除去阻聚剂；油溶性引发剂：过氧化二苯甲酰（C.P.重结晶精制）；聚乙烯醇：1799水溶液1.5%；过硫酸钾；NaH2PO4；油酸钠；十二烷基硫酸钠；甲醇；偶氮二异丁腈（AIBN）2、主要仪器聚合装置一套（包括250ml三口烧瓶一个，电动搅拌器一套，冷凝管一支，0~100℃温度计一支，加热水浴一套，如图2-1所示），表面皿，吸管，20ml移液管，布氏漏斗，锥形瓶。图2-1聚合装置图1-搅拌器；2-聚四氟乙烯密封塞；3-温度计；4-温度计套管；5-冷凝管；6-三口烧瓶四、实验步骤（一）悬浮聚合：1、安装装置按图安装好实验装置，为保证搅拌速度均匀，整套装置安装要规范。尤其是搅拌器，安装后用手转动要求无阻力，转动轻松自如。本装置采用调压器，通过改变电压来控制电机转速和加热温度，进而达到控制搅拌速度和聚合物温度的目的。2、加料用分析天平准确称取0.3g过氧化二苯甲酰放入100ml锥形瓶中，再用移液管按配方量取苯乙烯15g，亦加入锥形瓶中，轻轻振荡，待过氧化二苯甲酰完全溶解后加入三口烧瓶。再加入1.5%的聚乙烯醇溶液20ml，最后用130ml去离子水分别冲洗锥形瓶和量筒后加入三口烧瓶中。3、聚合通冷凝水，启动搅拌并控制在一恒定转速下，在20~30min内将温度升至85~90℃，开始聚合反应。在反应一个小时以后，体系中分散的颗粒变得发黏，此时一定要注意控制好搅拌速度。在反应后期可将温度升至反应温度上限，以加快反应，提高转化率。当反应1.5~2h后，可用吸管取少量颗粒于表面皿中进行观察，如颗粒变硬发脆，可结束反应。4、出料及后处理停止加热，撤出电炉，一边搅拌一边用冷水将三口烧瓶冷却至室温，然后停止搅拌，取下三口烧瓶。产品用布氏漏斗过滤，并用热水洗数次。最后产品在50℃鼓风干燥箱中烘干，称量，计算产率。5、注意事项①开始时，搅拌速度不宜太快，避免颗粒分散得太细。②保温反应1个多小时后，由于此时颗粒表面黏度较大，极易发生黏结。故此时必须十分仔细的调节搅拌速度，千万不能使搅拌停止，否则颗粒将黏结成块。③悬浮聚合的产物颗粒的大小与分散剂的用量及搅拌速度有关，严格控制搅拌速度和温度是