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高分子化学实验报告
甲基丙烯酸甲酯的本体聚合
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一、实验目的
(1)掌握本体聚合的原理、优缺点; (2)熟悉本体聚合制备有机玻璃的方法; (3)了解有机玻璃工业生产上的部分操作工艺。
二、实验原理
自由基聚合的基本机理
自由基聚合时引发剂 I 先形成活性种R•, R•打开单体 M 的π键,与之加成,形成单体活性种,而后进一步不断与单体加成,促使链增长。最后,增长着的活性链失去活性,链终止。
本体聚合生产工艺
本体聚合——在不用其它反应介质情况下,单体中加有少量或不加引发剂发生聚合的方法。
均相本体聚合——生成的聚合物溶于单体(如苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯)。
非均相本体聚合——生成的聚合物不溶解在单体中,沉淀出来成为新的一相(如氯乙烯)。 有机玻璃的分段聚合 链引发:
C6H5
CC6H5
CO+CH2
OOCC6H5
33
2C6H5
CO
.
.
3
6H5
CCH2
.
3
链增长:
CH3
C6H5
CH2
.
CH3
+CH2
3
~CH2
CH3CH23
CH3
CH23
CH3.
33
链终止:
CH3
3
~CH2
3
CH2~
~CH2~CH2
CH3CH2~
.
+
.3333+CH~
33
33
采用两段聚合:即先在较低温度下预聚合,转化率控制在10~30%,
此时体系粘度较低,尚可散热,可在较大搅拌釜中进行聚合。然后,浇成薄板,由低温至高温进一步进行后聚合。
第一阶段(预聚)较低转化率(10%~40%),可在较大的釜中进行。将MMA、引发剂、增塑剂、脱模剂在80-90℃下预聚成透明的粘性液体。
第二阶段,以较慢速率进行,或进行薄层(如板状)聚合。将浆液浇注入两块平板玻璃的模型,在40℃左右缓慢聚合一段时间后,逐步升温,最后在100~110℃使聚合反应完全,降温脱模得平板有机玻璃。
三、实验药品及仪器
药品:0.5gBPO、10.6mlMMA;
仪器:恒温水浴锅、磨口小锥形瓶、具塞离心管、天平、量筒。
四、实验步骤、现象及分析
五、实验结果如图
六、实验分析讨论及思考
1、本体聚合优缺点的讨论分析。 主要优点:
(1) 本体聚合是四种方法中最简单的方法,无反应介质,产物纯净,
适合制造透明性好的板材和型材。
(2) 后处理过程简单,可以省去复杂的分离回收等操作过程,生产工
艺简单,流程短,所以生产设备也少,是一种经济的聚合方法。 (3) 反应器有效反应容积大,生产能力大,易于连续化,生产成本比
较低。
主要缺点: 1、
放热量大,反应热排除困难,不易保持一定的反应温度。因此
由于自动加速现象,会产生局部过热,小分子汽化产生气泡,甚至温度失控,发生爆聚。 2、
单体是气或液态,易流动。聚合反应发生以后,生成的聚合物
如溶于单体则形成粘稠溶液,聚合程度越深入,物料越粘稠,甚至在常温下会成为固体。
本体聚合工艺中采用的一部分解决方法
加入一定量的专用引发剂调节反应速率;采用较低的反应温度,使放热缓和;反应到一定转化率,粘度不高时就分离聚合物;分段聚合,控制转化率和“自动加速效应”; 完善搅拌器和传热系统,强化聚合设备的传热;采用“冷凝态”进料及“超冷凝态”进料;加入少量内润滑剂改善流动性。
2、自由基本体聚合为何会产生爆聚,如何解决?
答:①、双基终止是自由基本体聚合链终止的主要方式。随着反应的进行,反应转化率逐渐增大,大分子增多,溶液逐渐变得粘稠,链自由基转移受到抑制。链自由基的双基终止过程可分为三步:链自由基质心的平移;链段重排,使活性中心靠近;双基发生反应而链终止。其中链段重排是控制步骤,体系粘度是影响的主要因素。体系粘度随转化率提高后,链段重排受阻,活性端基甚至被包埋,双基终止困难。与此同时,单体的转移几乎不受影响,因此链增长继续,故而产生自动加速现象,在局部过热处发生爆聚。
②、为了防止爆聚,一般多采用两段聚合:第一阶段保持较低转化率,10%~35%不等,粘度较低,可在普通反应釜中进行;第二阶段转化率粘度较高,则在特殊设计的反应器内聚合。
3、加热的过程中为什么要不时的轻轻摇晃三角烧瓶,又不能剧烈? 答:轻轻摇晃是为了将聚合物尽量分散,以达到散热均匀的目的,但摇晃剧烈的话,会使一部分的氧气进入反应液中,它可以起到引发剂和阻聚剂的作用,会影响聚合物的纯度。
4、在本体聚合反应过程中,为什么必须严格控制不同阶段的反应温度?
答:在本体聚合的各个阶段,体系对温度的要求不同,因此要严格控制不同阶段的温度。预聚及高温后处理阶段一般要求较高的温度,因为此时不会出现自动加速现象,所以提高反应速率为主要目的;而在聚合阶段,由于体系粘度增大,热量难于散出,易出现暴聚,所以要在较低的温度下进行聚合,使体系及时散热,才能保证最终产品的质量。