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高化实验指导书整理 高分子化学实验苯乙烯的悬浮聚合 一、目的要求 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。 二、基本原理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COOCO2COO COOCH2CHCOOCH2CH OCOOCOCH2CHCH2CHCH2CHCH2CH CH2CH2CH2CHCH2CHCHCH2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发粘聚合物亦可使液滴相粘结。 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。 三、主要试剂和仪器 1、主要试剂名称试剂规格用量单体苯乙烯除去阻聚剂15g油溶性引发剂过氧化二苯甲酰C.P.，重结晶精制0.3g分散剂聚乙烯醇1799水溶液1.5%20ml分散介质水去离子水130ml 2、主要仪器聚合装置一套（包括250ml三口烧瓶一只，电动搅拌器一套，冷凝管一只，0100温度计一只，加热套一套。 如图2-2所示）；表面皿；吸管；20ml移液管；布氏漏斗；锥形瓶。 图2-2聚合装置图1搅拌器；2聚四氟密封塞；3温度计；4温度计套管；5冷凝管；6三口烧瓶 四、实验步骤 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，通过改变电压的方式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，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20ml1.5%的聚乙烯醇溶液，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，在2030分钟内将温度升至8590，开始聚合反应。 在反应一个多小时以后，体系中分散的颗粒123456变得发粘，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1.52h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。 五、结果与讨论 1、每隔15min记录一次加热和搅拌电压、搅拌速度、聚合温度，其中升温、取样、颗粒变硬的时间和温度也要记录下来。 2、根据所得产物质量计算反应产率。 3、思考题 (1)结合悬浮聚合的理论,说明配方中各组分的作用。 如将此配方改为苯乙烯的本体或乳液聚合则需作那些改动，为什么？ (2)分散剂作用原理是什么？其用量大小对产物粒子有何影响？ (3)悬浮聚合对单体有何要求？聚合前单体应如何处理？ (4)根据实验体会，指出在悬浮聚合中应特别注意哪些问题，采取什么措施？ 六、实验拓展 1、苯乙烯与甲基丙烯酸甲酯可发生悬浮共聚合，其共聚物是制备透明高抗冲性塑料MBS的原料之一，在恒比点附近投料可得组成均匀的共聚物。 将65ml蒸馏水和50g浆状硫酸镁加入装有搅拌器、温度计和回流冷凝管的250ml三口瓶中，搅拌，加热至95，使浆状硫酸镁均匀分散并活化约半小时，停止搅拌，逐步冷却至70。 一次性向反应瓶中加入含有引发剂的单体混合液（14g甲基丙烯酸甲酯，16.5g苯乙烯，0.3g过氧化二苯甲酰），控制搅拌速度使单体分散呈珠状，反应温度保持在7075之间反应。 然后吸取少量反应液滴入清水中，若有白色沉淀产生，则可以开始缓慢升温至95再反应3h，使珠状产物进一步硬化。 结束反应，将反应液的上层清液倒出，加入适量稀硫酸，调pH至11.5，此时有大量气泡产生，静置一段时间后，倾去上层酸液，用大量蒸馏水冲洗余下的珠状产物至中性，过滤，干燥，即得产品。 将产物分别经氯仿溶解和在乙醇-苯(95:5)混合液中沉淀，重复46次以除去引发剂和未反应单体，所得沉淀物置于烘箱中60干燥至恒重。 然后将样品配制成不同浓度的二硫化碳溶液，在红外光谱仪上测定650750cm乙烯的标准浓度工作曲线，求得共聚物共聚组成。 2、亦可采用乳液聚合方法合成聚苯乙烯。 将0.3g十二烷基磺酸钠和125g去离子水依次加入装有搅拌器、温度计和回流冷凝管的250ml三口瓶中，搅拌并升温，待完全溶解后，加入10g苯乙烯和0.3g过硫酸铵，升温至8590反应1.5h，冷却至3040时即可出料。 产物可直接应用，也可破乳后得到固体产品将乳液倒入烧杯，边搅拌边加2030ml饱和CaCl2溶液进行破乳至无聚合物析出，抽滤，热水冲洗，干燥。 七、背景知识 1、苯乙烯自1930年工业化以来已有70多年的历史，由于它有很高的介电性能，在电器工业中有着广泛的应用，尤其是它的高频绝缘性能优异，因此它是很好的高频材料。 由于其具有良好的透明性和力学强度及耐热性，因此在许多工业部门和日用品中也是用途极为广泛的一种高分子材料，它已成为世界上仅次于_1范围内的红外谱图，由699cm-1处的吸光度查聚苯聚乙烯和聚氯乙烯的第三大塑料品种。 采用自由基悬浮法合成的聚苯乙烯称为发泡级聚苯乙烯（EPS），最典型的配方是100份单体、200300份水、0.30.4份过氧化二苯甲酰、0.020.045份聚乙烯醇和1份滑石粉，在85下反应8h，而后在105110下熟化4h，即可得相对分子质量45万的聚苯乙烯。 产物用低沸点烃类发泡剂（如石油醚、戊烷、卤代烃等）浸渍制成可发性珠粒，当其受热至90110，体积可增大550倍，成为泡沫塑料。 泡沫聚苯乙烯导热系数低，吸水性小，防震性好，抗老化，且具有较高的抗压强度和良好的力学强度，加工方便，成本较低。 聚苯乙烯泡沫塑料制品可用于建筑工业作顶层和隔层，冷藏工业作隔热材料及包装业作防震隔离材料。 2、苯乙烯类树脂按结构可划分成20多种，主要有通用级聚苯乙烯(GPPS)、发泡级聚苯乙烯(EPS)、高抗冲聚苯乙烯(HIPS)等。 用于挤塑或注射成型的通用级聚苯乙烯主要采用自由基连续本体聚合或加有少量溶剂的溶液聚合法生产，相对分子质量100000400000，相对分子质量分布24，具有刚性大、透明性好、电绝缘性优良、吸湿性低、表面光洁度高、易成型等特点。 高抗冲聚苯乙烯是由苯乙烯与顺丁橡胶或丁苯橡胶通过本体-悬浮法自由基接枝共聚而制成，它拓宽了通用级聚苯乙烯的应用范围，广泛用作包装材料，在、仪表、汽车零件以及医疗设备方面占有很大的市场，尤其在家用电器方面有取代ABS树脂的趋势。 此外，还可用苯乙烯制备离子交换树脂（苯乙烯-二乙烯基苯共聚物）AAS树脂（丙烯酸丁酯-丙烯腈-苯乙烯共聚物）、MS树脂（苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物）。 八、注意事项 1、开始时，搅拌速度不宜太快，避免颗粒分散的太细。 2、保温反应一个多小时时，由于此时颗粒表面黏度较大，极易发生粘结。 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，否则颗粒将粘结成块。 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实验成功的关键。 为了防止产物结团，可加入极少量的乳化剂以稳定颗粒。 若反应中苯乙烯的转化率不够高，则在干燥过程中会出现小气泡，可利用在反应后期提高反应温度并适当延长反应时间来解决。 醋酸乙烯酯的乳液聚合 一、目的要求 1、掌握实验室制备聚醋酸乙烯酯乳液的方法。 2、了解乳液聚合的配方及乳液聚合中各个组分的作用。 3、参照实验现象对乳液聚合各个过程的特点进行对比、认证。 二、基本原理在乳液聚合中，有两种粒子成核过程，即胶束成核和均相成核。 醋酸乙烯酯是水溶性较大的单体，28时在水中的溶解度为2.5%，因此它主要以均相成核形成乳胶粒。 所谓均相成核即水相聚合生成的短链自由基在水相中沉淀出来，沉淀粒子从水相和单体液滴吸附乳化剂分子而稳定，接着又扩散入单体，形成乳胶粒的过程。 醋酸乙烯酯乳液聚合最常用的乳化剂是非离子型乳化剂聚乙烯醇。 聚乙烯醇主要起保护胶体作用，防止粒子相互合并。 由于其不带电荷，对环境和介质的PH值不敏感，但是形成的乳胶粒较大。 而阴离子型乳化剂，如烷基磺酸钠RSO3Na（R=C12-C18）或烷基苯磺酸钠RPhSO3Na（R=C7-C14），由于乳胶粒外负电荷的相互排斥作用，使乳液具有较大的稳定性，形成的乳胶粒子小，乳液粘度大。 本实验将非离子型乳化剂和离子型乳化剂按一定比例混合使用，以提高乳化效果和乳液的稳定性。 非离子型乳化剂使用聚乙烯醇和OP-10，主要起保护胶体作用；而离子型乳化剂选用十二烷基磺酸钠，可减小粒径，提高乳液的稳定性。 醋酸乙烯酯胶乳广泛应用于建材纺织涂料等领域，主要作为粘合剂使用，既要具有较好的粘接性，而且要求粘度低，固含量高，乳液稳定。 聚合反应采用过硫酸盐为引发剂，按自由基聚合的反应历程进行聚合,主要的聚合反应式如下S2O8R+CH2=CHRCH2CH+CH2=CHCH2CH|OCOCH3OCOCH3OCOCH3OCOCH32CH2CHCH2CH2+CH=CH|OCOCH3OCOCH3OCOCH3为使反应平稳进行，单体和引发剂均需分批加入。 本实验分两步加料反应。 第一步加入少许的单体、引发剂和乳化剂进行预聚合，可生成颗粒很小的乳胶粒子。 第二步，继续滴加单体和引发剂，在一定的搅拌条件下使其在原来形成的乳胶粒子上继续长大。 由此得到的乳胶粒子，不仅粒度较大，而且粒度分布均匀。 这样保证了胶乳在高固含量的情况下，仍具有较低的粘度。 三、主要试剂和仪器 1、主要试剂名称试剂规格用量单体醋酸乙烯酯聚合级64.2ml乳化剂聚乙烯醇工业级（1788号）5.0g十二烷基磺酸钠AR1.0g OP-10工业级（20%水溶液）5ml引发剂过硫酸铵AR（20%水溶液）5ml邻苯二甲酸二丁酯AR5ml去离子水90ml 1、主要仪器四口瓶250ml一只、冷凝器一只、温度计一支、搅拌器一套、滴液漏斗100ml一只、加热水浴一套2SO412345图2-3乳液聚合装置 1、四口瓶 2、球型冷凝管 3、温度计 4、漏斗 5、搅拌马达及搅拌器 四、实验步骤 1、实验装置如图，四口瓶中装好搅拌器、回流冷凝管、滴液漏斗和温度计。 根据配方准确量取各种试剂。 首先加入5.0g聚乙烯醇和90ml去离子水。 开动搅拌，加热水浴，使温度升至80，将聚乙烯醇完全溶解。 2、降温至68-70，依次加入1g十二烷基磺酸钠、5ml的OP- 10、2.5ml引发剂和21.4ml醋酸乙烯。 反应30min后，加入另一半引发剂，并开始滴加剩余单体42.8ml。 滴加速度控制在30-40滴/min，滴加时注意控制反应温度不变。 3、单体滴加完后，继续反应0.5h，再加入5.0ml邻苯二甲酸二丁酯，搅拌20min。 4、将反应体系降至室温，出料。 五、实验拓展 1、固含量测定在已称好的铝箔中加入0.5g左右试样，（精确至0.0001g）放在平面电炉上烘烤至恒重。 按下式计算固含量固含量=0102W?式中W0铝箔重；W1干燥前试样重+铝箔重；W2干燥后试样重+铝箔重； 2、转化率的测定转化率=%100?ababcWWGWWSW式中cW取样干固含量；S实验中加入的乳化剂、引发剂、增塑剂总重量aW四口瓶内乳液体系总重量；bW取样湿重量G实验中醋酸乙烯酯单体加入总重量 六、结果与讨论 1、醋酸乙烯乳液聚合体系与理想的乳液聚合体系有何不同 2、如何从聚合物乳液中分离出固体聚合物？ 3、为什么要严格控制单体滴加速度和聚合反应温度？ 七、背景知识 1、醋酸乙烯酯无色液体。 性易变。 不溶于水。 沸点71-73。 高度易燃，应远离火种存放。 使用时应避免吸入蒸气。 2、醋酸乙烯酯的聚合可采用溶液、乳液、本体等聚合方法。 采用何种方法决定于产物的用途。 如果作为涂料或粘合剂，多采用乳液聚合方法。 聚醋酸乙烯酯胶乳具有水基漆的优点，即粘度较小，而分子量较大，不用易燃的有机溶剂。 作为粘合剂时（俗称白胶），无论木材纸张织物均可使用。 如果要进一步醇解制备聚乙烯醇，则采用溶液聚合，这就是维尼纶合成纤维工业所采用的方法。 3、醋酸乙烯酯的均聚物，玻璃化温度约为28，低温下发脆，为此，常采用外加增塑剂的方法改进使用性能，也可采用与具有柔性的单体共聚的方法，如与丙烯酸酯共聚。 聚醋酸乙烯酯的醇解反应 一、目的要求 1、通过实验掌握聚乙烯醇制备的一般方法和高分子反应的基本原理。 2、了解聚醋酸乙烯酯醇解反应的特点，影响醇解程度的因素。 二、基本原理由于“乙烯醇”极不稳定，极易异构化而生成乙醛或环氧乙烷，所以聚乙烯醇不能由“乙烯醇”来聚合制备，通常都是通过将聚醋酸乙烯酯（PVAc）醇解（或水解）后得到聚乙烯醇（PVA）。 由于聚合物的分子量很高而且具有多分散性、结构的多层次变化以及聚合物的凝聚态结构及溶液行为与小分子的差异很大，使聚合物的化学反应具有本身的特征，一般来说，聚合物中官能团的活性较低，化学反应不完全，官能团全部转化不完全，主副产物又无法分离，因此常用基团的转化程度来表示反应进行的深度。 PVAc的醇解可以在酸性或碱性条件下进行，酸性醇解时，由于痕量级的酸很难从PVA中除去，而残留的酸可加速PVA的脱水作用，使产物变黄或不溶水，目前工业上都采用碱性醇解法。 本实验用甲醇为醇解剂，NaOH为催化剂，醇解反应式如下NaOHCH2CHOCOCH3n+CH3OHCH2CHnOH+CH3COOCH3从反应式也可以看出，醇解反应实际上是甲醇和高分子PVAc之间的酯交换反应。 这种使聚合物结构发生变化的化学反应在高分子化学中称高分子化学反应。 影响反应的主要因素有 1、聚合物浓度其它条件不变，随聚合物浓度提高，醇解度下降。 但浓度太低，溶剂损失和回收工作量太大，一般为22%。 2、NaOH用量加大用量对醇解速度、醇解率影响不大，但会增加体系中醋酸钠含量，影响反应质量。 一般NaOH/PVAc=0.12（摩尔比）。 3、反应温度提高温度会加快醇解速度，但副反应也相应提高。 工业上一般在45-48。 4、相变由于PVAc可溶于甲醇而PVA不溶于甲醇，因此在反应过程中会发生相变。 在实验室中醇解进行好坏的关键在于体系中刚出现胶冻时，必须用强烈搅拌将其打碎，才能保证醇解较完全地进行。 三、主要试剂和仪器 1、主要试剂名称试剂规格聚合物PVAc工业品醇解剂NaOH CP溶剂甲醇CP 2、主要仪器250ml三口瓶一个、表面皿一个、回流冷凝管一个、布氏漏斗一个、100温度计一支、加热装置、移液管一支、搅拌器一套。 四、实验步骤 1、按图2-2（见实验2）装好仪器。 2、在三口瓶中加入90ml甲醇，在搅拌下缓慢加入剪碎的PVAc15克，加热回流并搅拌使之溶解。 将溶液冷却至30，加入3ml5%的NaOH甲醇溶液，控制反应温度在45进行醇解。 当醇解度达60%左右时，大分子从溶解状态变为不溶解状态，出现胶团。 因此醇解过程中要注意观察，当体系中出现胶冻时要立即强烈搅拌将其打碎，否则会因胶体内部包住的PVAc无法醇解而导致实验失败。 3、出现胶冻后再继续搅拌0.5h，打碎胶冻，再加入4.5ml的NaOH甲醇溶液，反应温度仍控制在45，反应0.5h。 然后升温至65，继续反应1h。 4、冷却，将反应液倒出，用布氏漏斗抽滤，用10ml甲醇洗涤三次。 将所得PVA置于50-60的真空烘箱中干燥。 五、拓展实验醇解度的测定准确称取聚乙烯醇样品1g，加入100ml蒸馏水，加热回流至全部溶解。 冷却后加入酚酞指示剂。 用0.01mol/L氢氧化钠水溶液25ml，在水浴上回流1h，冷却，用0.5mol/L盐酸滴定至无色。 同时做一空白试验。 乙酰氧基含量%=%100059.0)(12?WNVV式中，N为盐酸标准溶液的体积摩尔浓度；V2为空白消耗的盐酸，ml；V1为样品消耗的盐酸，ml；W为样品的质量；0.059为换算因子。 六、结果与讨论 1、为避免醇解过程中出现胶冻甚至产物结块，催化剂的加入方式采用分批加入，也可采用滴加方式。 2、由于甲醇有毒性，可以用乙醇代替，但是使用乙醇产品的颜色会变黄，而且转化率较使用甲醇时低一些。 3、从反应机理、工艺控制等方面分析、比较PVAc和VAc醇解反应的相同与不同之处。 4、影响醇解度的因素有哪些，实验中要控制那些条件才能获得较高的醇解度？ 七、背景知识 1、工业生产的聚乙烯醇，根据用途和性能要求，而有不同水解度和不同聚合度的商品。 大致可分为高水解度（水解度98%-99%）、中等水解度（87%-89%）和低水解度（79%-83%）三类商品，平均聚合度则主要分为500- 600、1400- 1800、2400-2500等几档。 中国生产的商品 1799、1788牌号聚乙烯醇，代表聚合度为1700；水解度分别为99%和88% 2、我国聚乙烯醇最主要的用途是用来生产维尼纶纤维。 其次用作纺织浆料、粘合剂、涂料、分散剂等。 由于聚乙烯醇具有优良的粘接性、柔韧性、成膜性以及良好的机械强度，所以适于用作纺织用浆料。 而且改变其水解度可以改变其亲水或憎水性能，从而即可得到适用于聚酯等憎水性的纤维，又可得到适用于亲水性强的棉纤维的聚乙烯醇。 水解度低的聚乙烯醇适用于聚酯纤维的上浆用，而水解度高的则适用于棉纤维上浆用。 聚乙烯醇还用于造纸工业。 聚乙烯醇缩甲醛的制备 一、目的要求加深对高分子化学反应基本原理的理解。 掌握聚乙烯醇缩醛的制备方法。 了解缩醛化反应的主要影响因素。 二、基本原理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,因此缩醛化反应不能完全。 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，影响胶水的质量。 因此，反应过程中，要特别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。 三、主要试剂和仪器 1、主要试剂聚乙烯醇1799工业级10g甲醛水溶液38%4ml盐酸化学纯NaOH水溶液8%5ml去离子水 2、主要仪器250ml三口瓶一只、电动搅拌器一台、温度