高分子实验指导2015-03

1高分子材料实验安排（2015-03）：第二周：实验一甲基丙烯酸甲酯的本体聚合（8学时）实验二聚合物的加工（4学时）第三周：实验三苯乙烯-顺丁烯二酸酐的共聚（8学时）实验四对苯二甲酰氯与己二胺的界面缩聚（4学时）第四周：实验五醋酸乙烯酯的乳液聚合（8学时）2高分子材料实验指导通过高分子材料实验，可以获得许多感性认识，加深对高分子化学与物理及加工等基础知识和基本原理的理解；通过高分子材料实验课程的学习，能够熟练和规范地进行高分子材料实验的基本操作，掌握实验技术和基本技能，了解高分子材料中采用的特殊实验技术，在实验的过程中训练科学研究的方法和思维，培养学生严谨求实的科研精神，为以后的科研工作打下坚实的实验基础。实验一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。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：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。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)nCH2CH3CCOOCH3CH2CH3CCOOCH3nBPO3四、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0.5gBPO的MMA50ml，开动搅拌并升温至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。（1、预聚合在50ml锥形瓶中加入20mlMMA及单体质量0.1%的BPO，瓶口用胶塞盖上，用试管夹夹住瓶颈在85~90℃的水浴中不断摇动，进行预聚合约0.5h，注意观察体系的黏度变化，当体系黏度变大，但仍能顺利流动时，结束预聚合。2、浇铸灌模将以上制备的预聚液小心地分别灌入预先干燥的两支试管中，浇灌时注意防止锥形瓶外的水珠滴入。3、后聚合将灌好预聚液的试管口塞上棉花团，放入45~50℃的水浴中反应约２０h，注意控制温度不能太高，否则易使产物内部产生气泡。然后再在烘箱中升温至100~105℃反应2~3h,使单体转化完全，完成聚合。4、取出所得有机玻璃棒，观察其透明性，是否有气泡。）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?4实验二聚合物的加工（双螺杆挤出实验）一、实验目的1、简单认识双螺杆挤出机的结构组成；2、了解双螺杆挤出机的工作原理；3、掌握双螺杆挤出塑料成型的简单操作。二、实验内容高分子材料的热性能及加工条件；高聚物的加工。三、实验要求了解双螺杆挤出机原理；掌握塑料加工条件及其特性。四、实验步骤1）准备机组开机后必须使用的工具和物品，如：剪刀、铲刀等等。2）检查总电源和主机控制柜电源是否打开，电控柜显示是否正常。3）预热升温：按工艺要求对各加热区温控仪表进行参数设定。设定后继续恒温20min，同时进一步确定各段温控仪表和电磁阀工作是否正常。4）恒温期间将冷却水槽中加入冷却水，准备好原料，多种材料要预先混合均匀。5）用手盘动主电机连轴器，保证螺杆沿正常方向至少转动三转。（正常方向是指：从电机端视之，应为顺时针旋转）将主机调速按钮设置在零位，启动主电机，逐渐升高主螺杆转速，在不加料的情况下空转，转速应不高于20r/min，时间不大于1min，检查主机空载电流是否稳定。6)主机转动弱无异常，低速启动主喂料机，开始加料。7)注意整个机组运转情况。如有异常应及时停车处理。8)切粒机转速根据拉出样条速度调整。9)停车步骤：a、停止喂料机。b、逐渐降低主螺杆转速，尽量排尽机筒内残余物料。物料排完后停止双螺杆主机。即转速调至零位，按下主电机停止按钮。c、依次停止冷却风机、油泵，断开电控柜上各段加热器电源开关。5d、停止切粒机等辅助设备。五、思考题1、什么是热塑性和热固性？常见的热塑性塑料都有哪些？2、热固性塑料能否用双螺杆挤出机挤出成型加工？实验三苯乙烯-顺丁烯二酸酐树脂的合成一、实验目的通过聚苯-丁树脂的合成，了解共聚合的原理及其特点。二、实验原理本实验制备的聚苯-丁树脂是采用苯乙烯与顺丁烯二酸酐（马来酸酐），在甲苯(或乙苯)溶剂中以过氧化二苯甲酰为引发剂进行溶液聚合，因为生成的苯-丁共聚物不溶于溶剂因而又称为沉淀聚合。顺丁烯二酸酐自身很难聚合，但与苯乙烯很容易进行共聚，而且总是形成1∶1的交替共聚物其反应如下：三、实验仪器与试剂四口瓶，回流冷凝管，电动搅拌器，恒温水浴，温度计，滴液漏斗马来酸酐，苯乙烯，过氧化二苯甲酰，二甲苯四、实验步骤1.在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计和滴液漏斗的250mL四口瓶中加入12g马来酸酐和100mL二甲苯，加热至80℃使其全部溶解。2.将13g（15mL，d=0.906g/mL）苯乙烯，0.25~0.35g过氧化二苯甲酰和50mL二甲苯混合摇匀后自滴液漏斗加入反应瓶中，温度不超过90℃，约30~40min滴完。nCH2=CH+C6H5nCH=CHO=CC=OO[CH2CHCHCH]nC6H5O=CC=OO63.从出现白色沉淀聚合物时算起，在100~105℃下，反应2h左右，即可停止反应。4.将产物冷至室温，过滤(回收二甲苯)，用石油醚洗涤、干燥，即得白色粉末状聚苯-丁树脂。（在装有冷凝管、温度计与搅拌计的三口瓶中分别加入75mL甲苯、2.9mL新蒸苯乙烯、2.5g马来酸酐及0.005gAIBN，将反应混合物在室温下搅拌至反应物全部溶解成透明溶液，保持搅拌，将反应物加入升温至85～90℃，可观察到有苯乙烯/马来酸酐共聚物沉淀生成，反应1h后停止加热，反应混合物冷却至室温后抽滤，所得白色粉末在60℃下真空干燥后，称重，计算产率。比较聚苯乙烯/马来酸酐共聚物的红外光谱。）五、思考题1.顺丁烯二酸酐自身很难聚合，但与苯乙烯共聚很容易，为什么?其共聚物结构如何?实验四对苯二甲酰氯与己二胺的界面缩聚一、实验目的1．了解缩合聚合的特点，掌握界面缩聚的机理及对单体活性的要求。2．通过对苯二甲酰氯与己二胺的界面缩聚，掌握界面缩聚实施必须满足的基本条件。二、实验原理对苯二甲酰氯与己二胺反应生成聚对苯二甲酰己二胺。反应实施时，将对苯二甲酰氯溶于有机溶剂（如CCl4），己二胺溶于水，且在水相中加入来消除聚合反应生成的小分子副产物。将两相混合后，聚合反应迅速在界面进行，所生成的聚合物在界面析出成膜，把生成的聚合物膜不断拉出，单体不断向界面扩散，聚合反应在界面持续进行。三、主要药品与仪器对苯二甲酰氯1.35g己二胺0.77gCCl4100mlNaOH0.53g带塞锥形瓶（250ml）1个7烧杯（250ml）2个玻璃棒1支镊子1把四、实验步骤于干燥的250mL锥形瓶中称取1.35g对苯二甲酰氯，加入100ml无水CCl4,，盖上塞子，摇荡使对苯二甲酰氯尽量溶解配成有机相。另取两个100mL烧杯，分别称取新蒸己二胺0.77g和NaOH0.53g，共用100mL水将其分别溶解后倒入250mL烧杯中混合均匀，配成水相。将有机相倒入干燥的250mL烧杯中，然后用一玻棒紧贴烧杯壁并插到有机相底部，沿玻棒小心地将水倒入，马上就可在界面观察到聚合物膜的生成。用镊子将膜小心提起，并缠绕在一玻璃棒上，转动玻璃棒，将持续生成的聚合物膜卷绕在玻璃棒上。所得聚合物放入盛有200mL1%HCl水溶液中浸泡后，用水充分洗涤至中性，最后用蒸馏水洗，压干，减碎，置真空干燥箱中于80℃真空干燥，计算产率。五、思考题1、为什么在水相中需加入两倍量的NaOH？若不加，将会发生什么反应？对聚合反应有何影响？2、二酰氯可与双酚类单体进行界面缩聚合成聚酯，但却不能与二醇类单体进行界面缩聚，为什么？实验五醋酸乙烯酯的乳液聚合—白乳胶的制备一、实验目的1.熟悉乳液聚合的特点，了解乳液聚合中各组分的作用。2.掌握制备聚醋酸乙烯胶乳的方法。二、实验原理乳液聚合是指单体在乳化剂的作用下，分散在介质中加入水溶性引发剂，在机械搅拌或振荡情况下进行非均相聚合的反应过程。乳液聚合体系主要包括单体、分散介质(水)、8乳化剂、引发剂。乳液聚合的机理不同于一般的自由基聚合，可以同时提高聚合速度和分子量。而在本体、溶液和悬浮聚合中，使聚合速率提高的一些因素，往往使分子量降低。醋酸乙烯乳液聚合产物——聚醋酸乙烯胶乳，可用于漆、涂料和胶粘剂。该胶乳做为漆具有水基漆的特点：粘度小，不用有机溶剂；做为涂料，对于纸张、织物、地板及墙壁等均可涂用；做为胶粘剂，无论木材、纸张及织物，凡是多孔性表面均可使用。醋酸乙烯酯（VAc）的乳液聚合采用水溶性的过硫酸盐为引发剂，为使反应平稳进行，单体和引发剂均需分批加入。本实验采用PVA和OP-10两种乳化剂混合使用，乳化效果和稳定性比单独使用一种好。三、实验仪器及试剂四口瓶，回流冷凝管，电动搅拌器，温度计，恒温水浴醋酸乙烯酯，过硫酸铵，聚乙烯醇，OP-10，去离子水四、实验步骤1.在装有搅拌器、球型冷凝管和温度计的250mL四口瓶中，加入聚乙烯醇水溶液（10%wt）60mL，去离子水30mL、OP-101g，搅拌均匀后加入醋酸乙烯酯10g（11mL，d=0.933g/mL），用水浴加热至65～70℃。2.称取0.3g过硫酸铵，用10mLH2O配成溶液，加5mL于反应瓶中，控温65~70℃，反应一段时间（出现蓝色荧光，温度慢慢升至70℃）后，在70±1℃下滴加50g（54mL，d=0.933g/mL）醋酸乙烯酯，约2～2.5h滴加完毕，滴加单体过程中补加剩余引发剂溶液。3.单体滴加完毕后，缓慢升温至80℃以上，如在70～72℃保温10分钟，缓慢升温到75℃，保持10分钟，再缓慢升温至78℃，保持10分钟，再缓慢升温至80℃，保持10分钟。4.撒掉水浴，自然冷却到40℃，用NaHCO3水溶液调节pH=4~6，加入3g邻苯二甲酸二丁酯，充分混合后停止搅拌，出料，即得到白色粘稠的、均匀而无明显粒子的聚醋酸乙烯胶乳(即市售的白乳胶)。5.测固含量：取2克乳液（精确到0.002克）置于烘至恒重的玻璃表皿上，放于105℃烘箱中烘至恒重计算含固量（约4小时）。100干燥后样品质量固含量＝％干燥前样品质量9100固含量产品质量－聚乙烯醇质量单体转化率＝％单体质量（先在50ml烧杯中将KPS溶于8ml水中。另在装有搅拌器、冷凝管和温度计的三颈瓶中加入30ml聚乙烯醇溶液，0.8ml乳化剂OP-10，12ml蒸馏水，5ml乙酸乙烯酯和2mlKPS水溶液，开动搅拌，加热水浴，控制反应温度为68~70℃，在约2h内由冷凝管上端用滴管分次滴加完剩余的单体和引发剂，保持温度反应到无回流时，逐步将反应温度升到90℃，继续反应至无回流时撤区水浴，将反应混合物冷却至约50℃，加入10%的NaHCO3水溶液调节体系的pH为2~5，经充分搅拌后，冷却至室温，出料。观察乳液外观，称取4g乳液，放入烘箱在90℃干燥，称取残留的固体质量，计算固含量。固含量＝（固体质量／乳液质量）×100%）五、思考题1.在乳液聚合过程中，乳化剂的作用是什么？2.本实验操作应注意哪