甲基丙烯酸甲酯的本体聚合及成型

材料制备与合成甲基丙烯酸甲酯的本体聚合及成型开放性实验姓名：学号：专业：材料化学院系：化学与化工系指导教师：起止日期：20**年**月**日至20**年**月**日甲基丙烯酸甲酯的本体聚合及成型摘要：有机玻璃通常采用甲基丙烯酸甲酯（MMA）本体聚合方法制备。本实验以甲基丙烯酸甲酯（MMA）为单体，过氧化二苯甲酰（BPO）为引发剂，邻苯二甲酸二丁酯（DPB）为脱模剂，手工成型制备有机玻璃。通过实验了解聚合原理和特点，利用透光率仪测定所制产品的透明度，讨论合成过程对透光率的影响；并分析成型过程中影响产品质量的诸多因素。关键字：有机玻璃；甲基丙烯酸甲酯；本体聚合；成型；透光率前言甲基丙烯酸甲酯是一种重要的有机化工原料,主要作为聚合单体用于生产其聚合物和共聚物,还可通过酯交换用于生产甲基丙烯酸高碳酯。其聚合物为透明性极佳的塑胶材料,故常被称为有机玻璃,且具有极好的耐候性等优良特性,广泛用于汽车、容器、建筑、设备部件、家用电器材料、卫生洁具等方面,特别是近年来应用在光学级有机玻璃、防射线有机玻璃、光导纤维、光盘等高新技术领域。同时,甲基丙烯酸甲酯作为高性能建筑涂料的改性剂使用,也有很大的利用空间。除此之外,还可用于聚氯乙烯改性抗冲助剂ACR和MBS、腈纶第二单体、医药功能材料等。[1]聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是高透明无定形热塑性塑料，是制备有机玻璃的重要材料。有机玻璃与普通硅玻璃相比，具有突出的优点：它在塑料中透光性最佳（透光率大于92%），有良好的耐候性、耐酸碱性和尺寸稳定性，密度不到普通玻璃的一半，抗脆裂性却超过普通玻璃几倍，易于加工成型。有机玻璃在建材、车辆、航空、文教、日常装饰领域有着广泛的应用。[2]一、实验部分1.实验原理本体聚合是烯类单体在没有介质的情况下，单体本身在引发剂或催化剂等作用下进行的聚合，而自由基聚合可以通过本体聚合实现。本体聚合的特点是产物纯净，尤其可以得到透明制品，所需设备简单。甲基丙烯酸甲酯（MMA）通过本体聚合方法可以制得有机玻璃。聚甲基丙烯酸甲酯由于有庞大的侧基存在，为无定形固体，其最突出的性能具有高度的透明性，其比重小，故制品比同体积无机玻璃制品轻巧得多。同时又具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。甲基丙烯酸甲酯的本体聚合一般采用三段法聚合，采用高温预聚合，转化率达到一定程度后，再注入模内，在低温下进一步聚合，安全度过危险期，再高温后聚合制得制品。[3]甲基丙烯酸甲酯在过氧化苯甲酰引发剂存在下进行如下聚合反应：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1.17g/cm3，故有较大的体积收缩。2.实验仪器和原料2.1主要仪器100mL塑料杯，试管，恒温水浴箱，0-100℃温度计，玻璃板，胶带，保鲜膜。2.2主要试剂名称试剂规格用量单体甲基丙烯酸甲酯（MMA）精制30g或30mL引发剂偶氮二异丁腈AR0.02g过氧化二苯甲酰（BPO)0.5或1g（视室温定）脱模剂邻苯二甲酸二丁酯（DPB）3mL3.实验步骤3.1引发剂加入量对爆聚时间的影响1.在干净的100mL塑料杯中分别加入过氧化二苯甲酰（BPO）0.01、0.02、0.04、0.08、0.1g，邻苯二甲酸二丁酯（DPB）3mL混合均匀，放入90-95℃水浴中，记录下时间。当产生爆聚时记录下时间，获得引发剂加入量与爆聚时间关系。2.在干净的100mL塑料杯中加入适量过氧化二苯甲酰（BPO）、30mL甲基丙烯酸甲酯（MMA）混合均匀，放入90-95℃水浴中。3.注意体系的黏度，当体系具有一定的黏度，立即取出塑料杯停止加热，冷却至50℃左右，注入玻璃膜中。3.2有机玻璃板的成型1.准备模具：制备玻璃夹板模具。2.将上述聚合物注入玻璃夹板模具中，垂直放置10min，然后将模口密封。在60-65℃水浴中恒温反应1h。3.将玻璃夹板模放入烘箱，升温至95-100℃保持2h，撤去夹板。4.有机玻璃透光率的测定，量尺寸与模具尺寸比较。nCH2CH3CCOOCH3CH2CH3CCOOCH3n二、实验数据处理通过引发剂加入量对爆聚时间的影响的实验得出，过氧化二苯甲酰为0.02g与0.04g时，爆聚时间相对其他组的较少，分别为6min与5.71min。因此下面实验确定过氧化二苯甲酰的加入量为0.02g或0.04g。将制得的有机玻璃从玻璃夹具中取出，再通过分光光度计测得有机玻璃的透光率。具体数据如下表：表2引发剂用量和聚合后体系黏度与有机玻璃透光率的关系甲基丙烯酸甲酯的用量/mL过氧化二苯甲酰用量/g吸光度聚合后体系黏度透光率/%300.20.354水状44.250.2——甘油粘稠状880.40.043甘油粘稠状90.57注：透光度值转化为透光率值：从表2中可以看出，甲基丙烯酸甲酯用量一定时，随着过氧化二苯甲酰用量的增加，透光率增大。而透光率越大，说明透明度越好。即过氧化二苯甲酰用量增加，透明度也随之增加。除此之外，聚合后体系黏度也对透光率存在影响，黏度较好的，透光率较大。三、实验结果与讨论1.现象部分实验时，在恒温水浴中，塑料杯中的液体受热较快易变形，内部液体在数分钟后开始有沸腾的现象并液体上升，上层呈现出泡沫状，下层呈现清澈有些粘稠的液体。将其取出，因为杯中有余温，所以液体仍然上升，待温度有些下降时，液体开始凝固，没有下降的趋势，凝固在原位，形成坚硬的固体。上半部因为高温时呈现泡沫状，致使降温凝固时有较多的气孔，而下半部则呈透明状。上述情况称为爆聚。通过控制温度以及不断观察液体的变化，以保证液体不会出现爆聚现象，当液体出现是油状时，要注意控制温度，保证液体不会太稀，也不会太稠。太稀时，液体没有达到粘稠状。太稠时，不利于灌注。当加热的液体出现小气泡时，要赶紧将液体取出，防止爆聚。2.数据结果部分在测试不同过氧化二苯甲酰用量的有机玻璃的透光率实验中，得出：甲基丙烯酸甲酯用量一定时，随着过氧化二苯甲酰用量的增加，透光率增大。而透光率越大，说明透明度越好。即过氧化二苯甲酰用量增加，透明度也随之增加。除此之外，聚合后体系黏度也对透光率存在影响，黏度较好的，透光率较大。四、实验结果通过单体甲基丙烯酸甲酯的本体聚合制备有机玻璃，观察到了爆聚现象，制备有机玻璃实验过程中因尽量避免出现爆聚，制得的有机玻璃，进行透光率的测定，并得出：甲基丙烯酸甲酯用量一定时，随着过氧化二苯甲酰用量的增加，透光率增大。而透光率越大，说明透明度越好。即过氧化二苯甲酰用量增加，透明度也随之增加。除此之外，聚合后体系黏度也对透光率存在影响，黏度较好的，透光率较大。五、体会与建议实验中塑料杯内的液体现象的变化需要特别注意。当加热的液体中出现小气泡时，就要赶紧将液体取出，防止爆聚。当液体出现些许粘稠时，要注意控制温度，保证液体不会太稀，也不会太稠。太稀时，液体没有达到粘稠状，预聚物转化没有达到一定标准。太稠时，不利于灌注。此实验是气味较浓，较刺鼻的。如果实验室经济条件允许，可提供一次性口罩等物品。除此之外，该实验在爆聚时有一定的危险性，为防止爆聚时向四处飞溅，实验中一定要有人时刻关注液体变化，也要尽量与易爆聚的液体保持一定距离。参考文献[1]孙世林,李吉春,黄剑峰.甲基丙烯酸甲酯的合成及技术进展[J].甘肃石油和化工,2006,04:9-15.[2]张丹.甲基丙烯酸甲酯浇注聚合模型及过程优化[D].浙江大学,2008.[3]《材料合成与制备》《材料结构与性能测试》课程实验指导书：胡晓洪.甲基丙烯酸甲酯的本体聚合及成型.佛山科学技术学院，2015.2:82.