聚醋酸乙烯酯(PVAc)的合成与分析

1聚醋酸乙烯酯(PVAc)的合成與分析一、實驗目的：1.學習乳化聚合方法合成聚合體2.學習使用pH計3.學習使用萬能拉力試驗機4.學習分析紅外線光譜圖二、實驗原理乳化聚合第一次被使用是在第二次世界大戰時，製造1,3-Butadiene及Styrene之合成橡膠時的方法。其較BulkPolymerization來說，熱傳及黏度的問題都能獲得良好的改善。經乳化聚合所得的產物，稱之為乳液(Latex)，有時產物不需再進一步處理就可直接拿來使用。以水為分散媒(連續相)，加入乳化劑(EmulsifierorSurfactant)及水溶性起始劑，在攪拌下進行聚合反應。而一般典型之乳化聚合的進料如下：1.單體相：單體(油溶性，不溶於水)2鏈轉移劑(油溶性，不溶於水，用於控制分子量大小)2.水溶液相：水(分散媒或連續相)起始劑(水溶性)乳化劑(具親水、親油端)市售的「萬能膠水」合成膠劑，即為乳化聚合的聚醋酸乙烯酯黏合劑，將醋酸乙烯酯單體分散於水中，利用過硫酸鉀為起始劑，加熱聚合生成高分子聚合物。CH3CH2OCOCH3CH3CH2OCOCH3nnVAcPVAc圖1聚醋酸乙烯酯反應結構圖乳化聚合方法通常裝設簡單攪拌反應器，在加入乳化劑、起始劑的水溶液和單體後，一邊攪拌一邊加熱即可製備出乳液，一般聚合溫度控制在70~90℃之間。因醋酸乙烯酯聚合熱較大，反應溫度上昇顯著，要想獲得高濃度之安定乳液較困難，因此一般採分批加入法。乳化聚合法的優點為：1.容易控制：反應混合物的黏度遠小於相同濃度的真溶液，大量的水可增加其熱容量，且反應混合物可迴流。32.可同時獲得高聚合速率和高平均鏈長(使用高乳化劑濃度和低起始劑濃度)。3.乳液成品可直接利用。4.乳液粒子小，有助於低程度殘留單體成品之獲得。其缺點為：1.不易獲得純聚合體(乳化劑不易移除)。2.欲收取固態聚合體需相當的技術。3.水的加入降低了每單位反應器體積的聚合體產量。三、儀器及藥品1.儀器項目項目名稱數量項目名稱數量(1)直流電動馬達附攪拌棒1(2)加熱包(D：15cm)1(3)四口圓底燒瓶(分離式)(1000ml，磨砂口：29/42)2(4)球形冷凝管(29/42，30cm)2(5)分液漏斗(29/42，250ml)2(6)小漏斗(D：75mm)2(7)溫度計(100℃)2(8)氮氣鋼瓶1(9)量筒(100ml)2(10)滴管(玻璃，146mm)2(11)稱量瓶(100ml)4(12)藥匙(不銹鋼)24(13)玻璃棒(L：15cm，D：0.5cm)5(14)洗瓶(500ml)2(15)燒杯(250ml)2(16)血清塞(29/42)2(17)pH計1(18)木片(10cmx2cm)10(19)橡膠帽12.藥品清單中文名稱每次實驗所需量分子式藥廠醋酸乙烯酯(VinylAcetate)100gCH3CO2CH=CH2Aldrich羧甲基纖維素(Carboxymethylcellulose)1.5gC6H7O2(OH)2OCH2COONaAldrich十二烷基硫酸鈉(Sodiumdodecylsulfate)5gCH3(CH2)11OSO3NaAldrich過硫酸鉀(Potassiumpersulfate)1gK2S2O8Aldrich磷酸三鈉(TrisodiumPhosphate)0.5gNa3PO4Aldrich蒸餾水150gH2O53.儀器裝置圖圖2儀器裝置圖四、實驗步驟(1)乳液聚合1.架設實驗裝置如圖2所示，並準備藥品。2.於四口圓底燒瓶內加入蒸餾水150ml，再加入1.5g羧甲基纖維素，啟動攪拌馬達，轉速設定250rpm。3.啟動加熱包電源開關，溫度設定在70℃，慢慢加熱。64.加熱一段時間後，當溫度達到約50～60℃時，依次加入5g十二烷基硫酸鈉、0.5g磷酸三鈉、1g過硫酸鉀，最後滴入10g的醋酸乙烯酯。5.當溫度達到70℃後，開始將剩餘的90g醋酸乙烯酯單體，於1小時內滴入，滴完後繼續攪拌。從滴入單體開始，每隔5分鐘，記錄反應溫度。6.當溶液溫度上升到最高點後(約80℃)，溫度開始緩緩下降，關閉加熱包電源，停止加熱，繼續攪拌，直到冷卻至室溫為止。7.將反應後的乳液倒出，測量固成份含量、pH值及黏著強度，並利用紅外線光譜測定結構。(2)乳液的性質測試1.固成份測定：秤取5g的乳液，於105℃下烘乾2小時，取出後，冷卻至室溫加以秤重，測量重量比值。100(%)乳液重量乾燥後重量固成份含量2.pH值測定：利用pH計，經校正後測定乳液pH值。3.黏著強度測試：利用乳液將兩片木片黏合，固定接著面積，加壓乾燥後，利用萬能拉力試驗機，測量抗張強度(測量5次試片，取平均值和標準偏差)。7五、實驗記錄及數據1.添加物使用量添加物重量（g）2.乳化聚合時溫度記錄（每五分鐘記錄一次）時間（min）溫度（oC）時間（min）溫度（oC）83.聚合過程中乳液觀察(1)顏色變化(2)黏度變化(3)乳液有無微粒形成，是否有聚集現象(4)溫度最高溫為何4.乳液物性測試測試方法請參考實驗步驟(2)乳液的性質測試，將所測試結果記錄下來。六、問題與討論1.乳化聚合機構為何(可分為三個階段)？2.請說明自由基聚合與逐步聚合反應的差異性？並舉例說明。3.聚醋酸乙烯酯的乳液應用在哪些方面？國內有哪些製造廠商？4.乳化聚合中所使用的界面活性劑的用途為何？有哪幾種分類？有何區別？5.何謂臨界微胞濃度(criticalmicelleconcentration)？6.請說明起始劑、增稠劑、溫度及攪拌速度對乳化聚合的影響？7.請說明如何將聚醋酸乙烯酯進一步鹼化成聚乙烯醇？9七、附錄萬能拉力機的操作與測試：1.氣壓機插電，將氣壓機紅色按鈕拉起2.將筆電裝上，接上拉力機連接線(接在電腦後方右邊)開機3.開啟拉力機左後方黑色電源4.電腦開機後，選第一項(Man-Yi)5.點選桌面：大學部拉力試驗Vac聚合反應6.點選桌面：TRAPEZIUM2輸入帳號及密碼：user7.將NEW選單拉下，選TEST，NEXT，TEST1，NEXTBatchsize(Sample種類1)、SubBatchsize(每種類測試次數5)，輸入完畢右邊點空白處即會出現相關條件8.輸入sample厚度、寬度、長度，再按兩次NEXT，Finish，進入操作頁面9.拉力機部份先試夾夾具大約高度後，再將下極限固定以防夾具碰撞，將拉力機後面延伸計向後轉10.力量歸零(按ZERO鍵)。右手邊氣閥控制上夾具，先夾住試片上端，試片位置需置中且正11.夾住後，力量數值會變動，按面板上、下箭頭歸零。歸零後Extension10歸零12.Begintest(start)待數值及圖形出現後，按下Save儲存13.開File後，按PrintPreview，選PDF存檔，輸入檔名(組別)再存入隨身碟14.圖形數據以同種類試片為一組每組測試五次，共存五個數據及圖形