高分子化学实验教学大纲.doc

高分子化学实验 课程实验教学大纲一、课程概况（Course Overview） 课程名称：高分子化学实验Course： Experimental Polymer Chemistry课程编号：062404171 适用学生:化学专业学生Course Number：062404171 Designed for: students for chemistry学 分：2 学 时：36 独立设课：否Credit：2 Class hour: 36 Independent course： no预修课程：高分子化学 Preparatory courses: polymer chemistry 二、课程简介 （Course Descriptions）高分子化学为一门实验科学，因此高分子化学实验是本课程的主要组成部分，由于新的有机反应和高分子方法日新月异，通过该课程的学习，对高分子化学的发展现状有大概的了解。通过本课程的学习，使学生加深对高分子理论课的基本概念和基本理论的理解，较系统地学习高分子实验的基本知识，掌握各种高分子合成方法的基本原理及各种仪器的基本操作方法，使他们学会正确合理地选择实验条件，正确处理实验数据，以保证实验结果的正确可靠。从而进一步提高学生综合实验操作能力、创新能力以及分析和解决问题的能力。Polymer chemistry is an experimental science, so polymer chemistry experiment is an important part of polymer chemistry. Since the new organic and polymer synthesis methods develop dramatically, through the study of this course, students can get the knowledge of polymer chemistry development situation. This course can make students deeply understand the fundamental concepts and theories of polymer chemistry, systematically studying the basic knowledge of polymer chemistry experiment, take fundamental theory and polymer chemistry synthesis methods and basic operation steps of instruments, and learn to correctly choose experimental conditions and deal with the experimental data for the right and accuracy of experimental results. This course can further develop the students comprehensive experimental ability, innovation ability and the ability to analyze and solve the problems.三、实验项目一览表(Experiment project schedule)序号No.实验名称Name每组人数Members of each group实验时数Hours实验类型验证综合设计Course TypeVerifying/Synthetic/Designing必做选做Required Course/Elective Course1甲基丙烯酸甲酯的本体聚合（有机玻璃的制备）methyl methacrylatebulk polymerization (preparation of organic glass)24-6验证Verifying必做Required Course2端羟基聚已二酸乙二醇酯的制备Preparation of hydroxyl-terminated poly-adipic acid glycol ester26-8验证Verifying必做Required Course3乙酸乙烯酯的乳液聚合（白乳胶的制备）Vinyl acetate emulsion polymerization (preparation of white emulsion)24-6验证Verifying必做Required Course4酚醛树脂的合成Synthesis of phenolic resin24-6验证Verifying必做Required Course四、推荐教材及参考书目 (Recommended Teaching Materials and Reference Books) 1.推荐教材高分子化学实验，中国科学技术大学出版社，2003年Recommended Teaching Materials:Polymer chemistry experiment University of Science and Technology of China press, 2003.2.参考书目高分子实验技术（修订版），复旦大学 高分子科学系 高分子科学研究所 编（1996）Reference Bookspolymer experiment technologyFudan University, polymer science department, polymer science research institute edited, 1996. 五、考核与评价方式(Course Evaluation)实验报告包括：(1)实验目的；(2)实验原理；(3)仪器及试剂；(4)实验步骤和数据处理；(5)结果讨论。实验考核方式应根据实验操作情况和实验报告情况进行评分，其中平时成绩占30，实验报告成绩占70。Experimental report includes experimental goals, experimental principle, instruments and materials, experimental processes and treatment of data, and results and discussion.The experimental examine depends on the experimental reports and usual performance, in which 70% is for experimental reports and 30% is for usual performance.六、场地、设备与器材(Site, equipment and consumable materials)所有实验均在精细化工实验室进行。所有实验用到的仪器设备主要有：旋转粘度仪、红外光谱仪、核磁共振仪等，另外还包括中量制备玻璃仪器，化学试剂和化学溶剂若干。All the experiments must be carried out in fine chemical industry laboratory. The instruments used in the experiments include rotary viscometer, infrared spectrometer, nuclear magnetic resonance apparatus magnetic resonance spectrometer and so on. In addition, some preparation glassware instrument, chemical reagent and chemical solvent are also included.撰写人：丰慧 审定人： 高分子化学实验课程实验项目1甲基丙烯酸甲酯的本体聚合（有机玻璃的制备）（项目名称）一、 实验目的1了解自由基本体聚合的特点和实施方法。2熟悉有机玻璃的制备方法，了解其工艺过程。二、 实验内容有机玻璃是通过甲基丙烯酸甲酯的本体聚合制备的。甲基丙烯酸甲酯的密度小于聚合物的密度，在聚合过程中出现较为明显的体积收缩。为了避免体积收缩和有利于散热，工业上往往采用二步法制备有机玻璃。在过氧化苯甲酰引发下，甲基丙烯酸甲酯聚合初期平稳反应，当转化率超过20之后，聚合体系粘度增加，聚合速率显著增加。此时应该停止第一阶段反应，将聚合浆液转移到模具中，低温反应较长时间。当转化率达到90以上后，聚合物业已成型，可以升温使单体完全聚合。三、 实验原理本体聚合是指单体仅在少量的引发剂存在下进行的聚合反应，或者直接在热、光和辐照作用下进行的聚合反应。本体聚合具有产品纯度高，无需后处理等优点，可直接聚合成各种规格的型材。但是，由于体系粘度大，聚合热难以散去，反应控制困难，导致产品发黄，出现气泡，从而影响产品的质量。本体聚合进行到一定程度，体系粘度大大增加，大分子链移动困难，而单体分子的扩散受到的影响不大。链引发和链增长反应照常进行，而增长链自由基的终止受到限制，结果使得聚合反应速度增加，聚合物分子量变大，出现所谓的自动加速效应。更高的聚合速率导致更多的热量生成，如果聚合热不及时散去，会使局部反应“雪崩”式地加速进行而失去控制。因此，自由基本体聚合中控制聚合速率使聚合反应平稳进行是获取无瑕疵型材的关键。聚甲基丙烯酸甲酯为无定形聚合物，具有高度的透明性，因此称为有机玻璃。聚甲基丙烯酸甲酯具有较好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业的重要材料。有机玻璃表面光滑，在一定的曲率内光线可在其内部传导而不逸出，因此在光导纤维领域得到应用。但是聚甲基丙烯酸甲酯耐候性差、表面易磨损，可以使用基丙烯酸甲酯与苯乙烯等单体共聚来改善耐磨性。 有机玻璃是通过甲基丙烯酸甲酯的本体聚合制备的。甲基丙烯酸甲酯的密度小于聚合物的密度，在聚合过程中出现较为明显的体积收缩。为了避免体积收缩和有利于散热，工业上往往采用二步法制备有机玻璃。在过氧化苯甲酰引发下，甲基丙烯酸甲酯聚合初期平稳反应，当转化率超过20之后，聚合体系粘度增加，聚合速率显著增加。此时应该停止第一阶段反应，将聚合浆液转移到模具中，低温反应较长时间。当转化率达到90以上后，聚合物业已成型，可以升温使单体完全聚合。四、 实验方法与步骤1预聚物的制备：准确称取50 mg的过氧化苯甲酰、50 g甲基丙烯酸甲酯，混合均匀，加入到配有冷凝管和通氮管的三颈瓶中，通氮、加热并开动电磁搅拌。升温至75，反应约30 min，体系达到一定粘度(相当于甘油粘度的两倍，转化率为7-17)，停止加热，冷却至50；补加10mg过氧化二碳酸环辛酯。2制模：取两块玻璃板洗净、烘干，在玻璃板的一面涂上一层硅油作为脱膜剂。玻璃板外沿垫上适当厚度的垫片(涂硅油，面朝内)；并在四周糊上厚牛皮纸，并预留一注料口。在烘箱中烘干后，取出垫片。3成型：将上述预聚物浆液通过注料口缓缓注入模腔内；注意排净气泡。待模腔灌满后，用牛皮纸密封。将模子的注料口朝上垂直放入烘箱内，于40继续聚合20h，体系固化失去流动性。再升温至100保温1h，打开烘箱，自然冷却至室温；除去牛皮纸，小心撬开玻璃板，取出制品、洗净、吹干。五、 实验要求实验内容要求、实验报告要求及考核评价要求实验报告包括：(1)实验目的；(2)实验原理；(3)仪器及试剂；(4)实验步骤和数据处理；(5)结果讨论。实验考核方式应根据实验操作情况和实验报告情况进行评分，其中平时成绩占30，实验报告成绩占70。六、场地、设备与器材实验均在精细化工实验室进行。实验用到的仪器设备主要有：搅拌电机，搅拌器，温度计，直型冷凝管，三口烧瓶，水浴锅等，另外还包括中量制备玻璃仪器，化学试剂和化学溶剂若干。高分子化学实验课程实验项目2端羟基聚已二酸乙二醇酯的制备（项目名称）一、 实验目的1合成端羟基聚酯，掌握熔融缩聚反应的实验操作，熟练使用真空减压系统2运用Carothers （卡罗瑟斯）方程来控制缩聚反应的分子量，加深对缩聚反应分子量控制的理解二、 实验内容本实验欲合成分子量为1500的聚己二酸乙二醇酯，反应程度约在0.98聚合中反应程度的监测是实验的重要步骤，可用羟基滴定法和羧基滴定法测定残留官能团的含量，进一步求数均分子量。三、 实验原理 由缩聚中的Carothers方程可以知道反应物两种官能团的摩尔比越偏离1，缩聚物的聚合度越小，不能满足实际需要。聚酯化反应是平衡反应，为了使反应有利于生成聚合物，唯一的措施是将反应过程中生成的小分子水从聚合体系中除去，不能通过加大某一反应物的浓度实现。为了及时将生成的水从体系中除去，反应后期应在高温高真空下进行，需要更换实验装置，同时使用减压蒸馏和搅拌操作。聚合中反应程度的监测是实验的重要步骤，可用羟基滴定法和羧基滴定法测定残留官能团的含量，进一步求数均分子量。本实验欲合成分子量为1500的聚己二酸乙二醇酯，反应程度约在0.98缩聚反应的基本方程。由美国化学家*卡罗瑟斯于1936年提出。即：, 式中为反应程度，为反应物的平均官能度，为数均聚合度。、和、分别表示、官能单体的分子数和单体的官能度。该方程建立了与、之间的定量关系。当时，为线型缩聚，；当时体系可生成体型高聚物。假定出现凝胶点时的瞬间，聚合物分子量迅速增至无限大，即，此时反应程度为凝胶点，则。例如，3摩尔邻苯二甲酸酐与2摩尔甘油的缩聚反应中，,。通过该方程的计算可以预测体型缩聚中的凝胶点。四、 实验方法与步骤1预聚合250ml四径烧瓶配搅拌器、氮气导管、温度计和油水分离器，称取己二酸和乙二醇，加入烧瓶，缓慢通入氮气，加热至己二酸逐步熔融，开始搅拌。继续升温，在145度左右开始有水汽凝结，严格控制加热使反应均匀出水，最后在210度下脱去大部分水。2反应程度检测大部分水脱去后，取聚合物约1.5克在锥形瓶中溶解于20mL丙酮中，酚酞作为指示剂，用0.5mol/L KOH溶液滴定终点（浅粉红色），可得每克聚合物所含羧基得摩尔数，至酸值低于5（每克聚合物样品所消耗的KOH的毫克数）如酸值未达到要求，补加少许乙二醇，在210度下继续反应，至聚合物酸值达到要求。3后聚合当大部分水除去之后，拆除油水分离器，换上减压蒸馏装置，缓慢升高体系的真空度升温至210度，在1KPa10KPa下，脱除剩余水和过量乙二醇。在通氮条件下恢复常压并降低温度，在呈流动状态下将聚合物倒入洁净的容器中，充分冷却，按照羟基滴定法滴定除羟基的摩尔数，进一步算出聚合物的分子量。羟基和酸酐反应生成酯和羧酸，滴定产生得羧酸就可以知道羟基得量。在棕色试剂瓶中加入100mL新蒸吡啶和乙酸酐，混合均匀备用。称量1g聚合物，放入100mL磨口锥形瓶中，加入10mL吡啶乙酸酐溶液，配回流冷凝管和干燥管，搅拌溶解。在100度油浴中保持1h，用吡啶冲洗冷凝管，冷却至室温。加入35滴酚酞乙醇溶液作指示剂，用0.5mol/L KOH标准溶液滴定至浅粉红色，由此可得1g聚合物所含羟基的摩尔数。4实验结束，拆除实验装置，清洗反应瓶五、 实验要求实验内容要求、实验报告要求及考核评价要求实验报告包括：(1)实验目的；(2)实验原理；(3)仪器及试剂；(4)实验步骤和数据处理；(5)结果讨论。实验考核方式应根据实验操作情况和实验报告情况进行评分，其中平时成绩占30，实验报告成绩占70。六、 场地、设备与器材实验均在精细化工实验室进行。实验用到的仪器设备主要有：四径瓶，机械搅拌器，加热套，减压蒸馏装置一套，油水分离器，真空系统，通氮系统, 旋转粘度仪、红外光谱仪、核磁共振仪等，另外还包括中量制备玻璃仪器，化学试剂和化学溶剂若干。化学试剂：己二酸和乙二醇（聚合物总量50克，摩尔比1:1）反应监测：0.5mol/L KOH标准溶液，酚酞指示剂，丙酮，吡啶，乙酸酐高分子化学实验课程实验项目3乙酸乙烯酯的乳液聚合（白乳胶的制备）（项目名称）一、 实验目的了解乳液聚合特点，配方及各组分的作用。熟悉聚乙酸乙烯酯乳胶的制备及用途。二、 实验内容市场上的“白乳胶”就是乳液聚合方法制备的聚醋酸乙烯酯乳液。乳液聚合通常在装备回流冷凝管的搅拌反应釜中进行：加入乳化剂、引发剂水溶液和单体后，一边进行搅拌，一边加热便可制得乳液。乳液聚合温度一般控制在7090之间，pH值在26之间。由于醋酸乙烯酯聚合反应放热较大，反应温度上升显著，一次投料法要想获得高浓度的稳定乳液比较困难，故一般采用分批加入引发剂或者单体的方法。醋酸乙烯酯乳液聚合机理与一般乳液聚合机理相似，但是由于醋酸乙烯酯在水中有较高的溶解度，而且容易水解，产生的乙酸会干扰聚合；同时，醋酸乙烯酯自由基十分活泼，链转移反应显著。因此，除了乳化剂，醋酸乙烯酯乳液生产中一般还加入聚乙烯醇来保护胶体。三、 实验原理乳液聚合是以水为分散介质，单体在乳化剂的作用下分散，并使用水溶性的引发剂引发单体聚合的方法，所生成的聚合物以微细的粒子状分散在水中的乳液。乳化剂的选择对稳定的乳液聚合十分重要，起到降低溶液表面张力，使单体容易分散成小液滴，并在乳胶粒表面形成保护层，防止乳胶粒凝聚。常见的乳化剂分为阴离子型、阳离子型和非离子型三种，一般多使用离子型和非离子型配合使用。市场上的“白乳胶”就是乳液聚合方法制备的聚醋酸乙烯酯乳液。乳液聚合通常在装备回流冷凝管的搅拌反应釜中进行：加入乳化剂、引发剂水溶液和单体后，一边进行搅拌，一边加热便可制得乳液。乳液聚合温度一般控制在7090之间，pH值在26之间。由于醋酸乙烯酯聚合反应放热较大，反应温度上升显著，一次投料法要想获得高浓度的稳定乳液比较困难，故一般采用分批加入引发剂或者单体的方法。醋酸乙烯酯乳液聚合机理与一般乳液聚合机理相似，但是由于醋酸乙烯酯在水中有较高的溶解度，而且容易水解，产生的乙酸会干扰聚合；同时，醋酸乙烯酯自由基十分活泼，链转移反应显著。因此，除了乳化剂，醋酸乙烯酯乳液生产中一般还加入聚乙烯醇来保护胶体。醋酸乙烯酯也可以与其他单体共聚合制备性能更优异的聚合物乳液，如与氯乙烯单体共聚合可改善聚氯乙稀的可塑性或改良其溶解性；与丙烯酸共聚合可改善乳液的粘接性能和耐碱性。四、 实验方法与步骤一、 乳液聚合方法1、首先在四口烧瓶内加入去离子水90克、聚乙烯醇5克，5克OP10，开启搅拌，水浴加热至8090使其溶解。2、 降温至70，停止搅拌，加入十二烷基磺酸钠1克及碳酸氢钠0.26克后，开启搅拌，再加入7克醋酸乙烯酯（约1/10单体量），最后加入过硫酸胺0.4克，反应开始。3、 至反应体系出现兰光，表明乳液聚合反应开始启动，15分钟后再开始缓慢滴加剩余的醋酸乙烯酯63g，于两个小时内加完。4、 滴加完毕后继续搅拌，保温反应0.5小时，撤除恒温浴槽，继续搅拌冷却至室温。5、 将生成的乳液经纱布过滤倒出，进行物性测试。乳液的物性测试1、 pH值测定：以pH试纸测定乳液pH值；2、 固含量测定：在培养皿（预先称重m0）中倒入2克左右的乳液并准确记录（m1），与105烘箱内烘烤2小时，称量并计算干燥后的重量（m2），测其固体百分含量：固含量，wt= 干燥后的质量m2 100乳液质量m1 3、粘度测试：以NDJ79型旋转式粘度计测试乳液粘度。选用1号转子，测试温度25。五、 实验要求实验内容要求、实验报告要求及考核评价要求实验报告包括：(1)实验目的；(2)实验原理；(3)仪器及试剂；(4)实验步骤和数据处理；(5)结果讨论。实验考核方式应根据实验操作情况和实验报告情况进行评分，其中平时成绩占30，实验报告成绩占70。六、 场地、设备与器材所有实验均在精细化工实验室进行。所有实验用到的仪器设备主要有：电动搅拌器，恒温油浴锅，三口瓶，滴液漏斗，锥形瓶，温度计，量桶，冷凝管，搅拌棒，烧杯，旋转粘度计等，另外还包括中量制备玻璃仪器，化学试剂和化学溶剂若干。高分子化学实验课程实验项目4酚醛树脂的合成（项目名称）一、 实验目的1 学习缩聚反应的特点及反应条件对产物性能的影响。2 学会在苯酚存在条件下测定甲醛含量的方