有机玻璃的制备

实验报告课程名称：高分子化学实验指导老师：涂克华、蒋宏亮成绩：__________________实验名称：有机玻璃的制备（本体聚合）实验类型：合成实验同组学生姓名：________一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求了解本体聚合的特点，掌握本体聚合的方法，要求制备出无气泡，平整透明的有机玻璃薄板。二、实验原理本体聚合是单体在不另加溶剂、介质下本身进行聚合反应的过程，用本体聚合的方法可以制得纯净的、分子量较高的聚合物。在本体聚合中，随着转化率的提高，聚合物的粘度增加，反应所产生的热量难于散发，同时由于粘度增加，长链游离基末端被包裹，扩散困难，使游离基双基终止速率大大降低，致使聚合速率急剧增加而出现自动加速现象或凝胶效应，这些都将引起分子量分布不均匀，从而影响产品性能。本实验室以甲基丙烯酸甲酯在引发剂的存在下进行本体聚合，制备有机玻璃薄板。在试验中，为了解决散热、避免自动加速作用可能引起的爆聚现象及单体转化为聚合物引起的体积收缩问题，一般采用预聚合的方法，严格控制反应温度，降低聚合反应速率，使之安全地度过危险期。最后在较高温度下，继续完成聚合反应。三、实验装置1.仪器制模玻璃×2，大烧杯800ml，大试管，水银温度计0-100ºC×2，集热式恒温加热磁力搅拌器，铁夹×3，粗铅丝，橡皮管，开口木塞，电吹风，天平2.药品（用量均为实际使用量）甲基丙烯酸甲酯（MMA——单体）新蒸馏20g过氧化苯甲酰（BPO——引发剂）重结晶0.04g邻苯二甲酸二丁酯（DBP——增塑剂）化学纯1.2g3，实验装置图如下图1.有机玻璃纸制备装置图四、实验步骤及注意事项1.清洁仪器将所有玻璃仪器用丙酮洗净，并用电吹风吹干2.制模将穿有粗铅丝的洁净橡皮管弯成“U”形状，然后夹紧在两块洁净干燥的平板玻璃中间，四周用铁夹子夹紧，最后把模具放入50ºC烘箱内烘干备用。3.制浆（预聚）在一洁净干燥的大试管中，按依次加入MMA、BPO、DBP，搅匀后用配有一温度计的小木塞（开缝）塞紧，将试管置于70ºC水浴中，逐步升温到90-92ºC,维持20分钟左右，随时注意聚合液粘度的变化。4．注模当上述试管中聚合液粘度（或转化率）达到要求（聚合液粘度呈甘油状时）后，立即取出试管并擦干外表（如果水气进入，会在聚合时100度以上的高温下气化，形成气泡），然后将聚合液沿玻璃壁缓缓倒入事先制好的模具中，取另一条洁净短橡皮管封在模子的上端开口处，开口端用透明胶带纸封住（目的是减少在聚合过程中单体的挥发），玻璃板贴上标签，放入50ºC烘箱中。5．实验阶段性结束，关掉仪器电源，拔掉插头，清洁所有玻璃仪器，整理干净实验台。（如果粘有聚合物的试管较难清洗，可以倒入水浴锅内的热水，加速聚合物的溶解）6.成型（该步骤由老师完成）将灌有聚合物液的模具烘至不流动后升温（注意：过早升温将导致气泡的产生）到100-120ºC烘2小时，最后关闭烘箱电源，徐徐降温至室温。7.脱模（2010年10月22日完成）去掉模子上的夹子，用剪刀辅助，慢慢脱去玻璃片和橡皮管（注意不要硬拉，以免损坏有机玻璃表面），即得有机玻璃平板。注意事项①.称取液体样品时，如果先放入烧杯中称量，再倒入反应体系，会有较多的液体样品残留在烧杯中，造成称量不准确；因此可以用小烧杯托住大试管，直接往试管中加样，但是这样操作加样时务必小心谨慎，一旦过量药品无法取出②.加药品时，固体粉末尽可能加到试管底部，按BPO，DPB,MMA顺序加，液态单体量比较大，可以将残留在试管壁上的药品冲下③.温度升高到85度后，就要时刻注意聚合物黏度的变化，如果搅动温度计感到液体粘稠，提起温度计时末端液滴有拉丝现象，即粘度达到要求；聚合物反应过程中一直保持无色透明状态，因此要特别注意，一旦粘度过高，发生自动加速现象，会造成聚合物无法倾出④.试管取出时温度很高，操作时需戴线手套⑤.聚合物有单体散发出的刺激性气味，倾倒时不要将试管置于鼻部下方，防止吸入；倾倒注意缓慢均匀，防止气泡产生；倒完后若发现有气泡，可轻轻敲打玻璃，将气泡赶出五、实验数据记录在实验过程中，为了得到更大的有机玻璃板，药品取要求量的1.3倍。在实际称量中，药品的取用量如下：甲基丙烯酸甲酯25.8350g过氧化苯甲酰0.0529g邻苯二甲酸二丁酯1.5508g六、实验过程现象及结果1、在将MMA、BPO、DBP搅匀后放在70ºC水浴中加热，可以看到开始阶段，液体无色透明，用温度计搅拌液体像水一样，几乎没有体现出粘度的增大，说明聚合尚未开始或聚合程度很低。20分钟之后，再用温度计深入液体，然后拿出可以看出：温度计下端可以粘起一条液体的细丝，说明液体已经达到了一定的粘度，并且触摸试管外壁，温度较高，是单体聚合时放热，说明预聚阶段已经完成。2、在注模的时候，由于我的预聚液从水浴中拿出来后没有立即注模，由于预聚液稍有冷却，在注模时可以看到预聚液表面形成了一层膜。注模时，预聚液一定要连续注入，不能有中断否则容易产生气泡。3、成型、脱模之后，观察得到的有机玻璃平板，可以看到边缘与橡皮管接触的地方颜色泛黄，这是由于橡皮管分子在反应时有部分溶进了有机玻璃板中，这也是由于橡皮管外面没有包玻璃纸所致。4、得到的有机玻璃硬质，无色均匀透明，在三边缘橡皮管附近体积收缩明显，形成较大的环状空隙。图2.实验制得产品照片七、思考题1.采用预聚制浆有什么好处？本体聚合中，如果不能有效的解决散热问题，就可能因为体系温度太高，发生自动加速作用，引起爆聚，发生危险。采用预聚制浆，严格控制反应温度，降低聚合反应速率，使之安全地度过危险期；最后在较高温度下，进一步提高转化率，完成聚合反应2.怎样防止有机玻璃中产生气泡?总体上说，要采用分段聚合方式，单体转化率低于20%时，温度要控制的低，使吸放热平衡；当转化率升高到90%左右时（模具倒置，玻璃板不流动），单体已经很少，这时要升高温度，使聚合温度高于聚合物的玻璃化转化温度，便于单体扩散，使反应完全，而此时如果残留单体很多，也会产生气泡具体实验步骤上：实验前，玻璃的表面和橡皮管必须洁净无杂质；预聚时转化率（粘度）务必控制好，可以与甘油对比判断；取出大试管注模前要擦干外表面的水，防止水混入；注模要缓慢均匀，防止空气混入；升温要及时3.写出MMA聚合反应历程？引发：增长：终止：4.若要制得厚5mm，长20cm，宽15cm的有机玻璃平板，计算所需的单体量查得PMMA密度为1.18～1.19g/cm3，选用1.19计算，有机玻璃平板的体积为0.5×20×15=150cm3，质量为150cm3×1.19g/cm3=178.5g，忽略引发剂和增塑剂质量的影响，即假设聚合物质量=单体质量需MMA质量为178.5g，1.785mol。