高分子化学与物理实验
梁波
2011年12月
高分子化学与物理实验是高分子化学与物理专业教学的重要实践环节，是本科生今后从事本专业技术工作或进一步深造的基本训练之一。通过该实验使学生较熟练地掌握高分子化合物的聚合反应原理和控制方法，具有选择聚合反应和控制聚合反应条件合成聚合物的理论、实践能力，掌握高聚物的结构与性能之间的内在联系及其规律，为以后的学习和工作打下基础。
一、实验内容及学时安排
高分子化学实验属于《高分子化学与物理》试验的一部分，学时为8，开设两个实验，每个实验为4学时。开设时间为第二学年的上学期，具体内容和学时安排如下：
序号 1 2 实验项目名称 本体聚合—有机玻璃的制造
聚乙烯醇缩甲醛的制备
实验内容
甲基丙烯酸甲酯的本体聚合及成型 本实验是合成水溶性聚乙烯醇缩甲醛胶水
学时分配
4 4
二、预习情况检查方式
要求学生在实验前必须做好实验预习，否则不予参加实验。实验预习主要包括以下两个方面的内容： ① 检查实验预习报告
包括实验目的、实验原理、实验所需仪器及药品、实验步骤等； ② 提问形式
老师在实验前要检查学生的实验预习情况，可采取口头提问的方式了解学是对实验的预习情况。
三、实验数据处理
高分子化学实验主要是要求学生掌握由单体到聚合物的几种工艺实施方法，通过实验现象的观察可以看到实验的最终结果。因此高分子化学的数据处理相对比较简单。
四、实验报告要求
实验报告是实验工作的全面总结，是教师考核学生实验成绩的主要依据。实验报告是学生分析、归纳、总结实验数据，讨论实验结果并把实验获得的感性认识上升为理性认识的过程。实验报告要用规定的实验报告纸书写，要求语言通顺、图表清晰、分析合理、讨论深入，处理数据应由每人独立进行，不能多人合写一份报告。实验报告要真实反映实验结果，不得伪造。
具体包括如下内容：
① 实验题目、实验者姓名、班级和实验日期； ② 实验目的和要求；
③ 主要实验仪器、设备与材料； ④ 实验原理；
⑤ 实验步骤（流程图）； ⑥ 实验原始记录； ⑦ 实验数据计算结果 ； ⑧ 思考题；
⑨ 结果分析，实验心得与体会。
实验一 本体聚合—有机玻璃的制造
一、实验目的
了解本体聚合的特点，掌握本体聚合的实施方法，并观察整个聚合过程中体系粘度的变化过程。
二、实验原理
本体聚合是不加其它介质，只有单体本身在引发剂或光、热等作用下进行的聚合，又称块状聚合。本体聚合的产物纯度高、工序及后处理简单，但随着聚合的进行，转化率提高，体系粘度增加，聚合热难以散发，系统的散热是关键。同时由于粘度增加，长链游离基末端被包埋，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所谓自动加速现象或凝胶效应，这些轻则造成体系局部过热，使聚合物分子量分布变宽，从而影响产品的机械强度；重则体系温度失控，引起爆聚。为克服这一缺点，现一般采用两段聚合：第一阶段保持较低转化率，这一阶段体系粘度较低，散热尚无困难，可在较大的反应器中进行；第二阶段转化率和粘度较大，可进行薄层聚合或在特殊设计的反应器内聚合。 本实验是以甲基丙烯酯甲酯（MMA）进行本体聚合，生产有机玻璃。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）由于有庞大的侧基存在，为无定形固体，具有高度透明性，比重小，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。以 MMA 进行本体聚合时为
2 了解决散热，避免自动加速作用而引起的爆聚现象，以及单体转化为聚合物时由于比重不同而引起的体积收缩问题，工业上采用高温预聚合，预聚至约 10% 转化率的粘稠浆液，然后浇模，分段升温聚合，在低温下进一步聚合，安全渡过危险期，最后脱模制得有机玻璃棒。
(H3C)2CNNC(CH3)22.C(CH3)2+N2CNCNCNCH3CH3.C(CH3)2+H2CC(H3C)2CH3CC.CNCOOCH3CNCOOCH3CH3CH3(H3C)2CH3CC.H2CC.CNCOOCH3COOCH3CH3CH3CH32H2CC.H3CCCCH2COOCH3COOCH3COOCH3CH3CH3CH32H3CC.H3CCH+HCCCOOCH3COOCH3COOCH
3三、实验仪器及药品
1) 仪器：
烧杯 1000ml 1 只 电炉 1KW 1 只 温度计 100 ℃ 1 支
量筒 50、100ml 各1 只 试管 10mm×70mm 1 支 烧杯 400 ml 1 只
另备玻璃纸、描图纸、胶水、试管夹、玻璃棒 若干 2) 药品：
甲基丙烯酸甲酯（MMA） 30ml，BP=100.5℃ 偶氮二异丁腈（AIBN）
四、实验步骤
图1聚合装臵图
（1.搅拌器 2.四氟密封塞 3.温度计 4.温度计套管 5.冷凝管）
1) 预聚体的制备
在洗净烘干的三口瓶中，加入30ml MMA、0.05g 偶氮二异丁腈，完全溶解后，将三口瓶放入水浴中，逐步加热至75～80℃，保温（注意：聚合过程中，搅拌，使之均匀散热并感知浆液的粘度），当浆液粘度如甘油时，立即取出三口瓶，在盛冷水的烧杯中冷却至50℃左右，立即将预聚浆液注入试管中。
2) 低温聚合、高温聚合
将注有浆液的模子放入60℃烘箱内低温聚合，当成柔软透明固体时，升温至100℃下继续聚合2h，使之反应完全，然后再冷却至室温。 3) 脱模
取出，将其放入水中浸泡少顷，得有机玻璃棒。 4) 爆聚
可取一部分预聚浆液倒入试管中，仍在90℃下加热聚合，观察自动加速作用引起的爆聚现象。
五、实验注意事项 【正常现象】
实验过程中，随着温度的逐渐升高，溶液粘度加大。 【非正常现象】
实验过程中，易发生暴聚而冒泡，最终使实验失败。 【非正常现象产生的原因】
由于升温过高，预聚反应时间太长，易发生暴聚。
六、思考题
为什么采用75-80，50-60，90的三段聚合工艺制备有机玻璃棒？
实验二 聚乙烯醇缩甲醛的制备
一、实验目的
了解聚乙烯醇缩醛化反应的原理，并制备胶水。
二、实验原理
聚乙烯醇缩甲醛是利用聚乙烯醇缩与甲醛在盐酸催化的作用下而制得的，其反应如下：
～CH2CHCH2CH～ + HCH OHCl～CH2CHCH2CH + H～2OOHOHO CH2 O
聚乙烯醇是水溶性的高聚物，如果用甲醛将它进行部分缩甲醛化，随着缩醛度的增加，水溶性愈差。作为维尼纶纤维的聚乙烯醇缩甲醛的缩醛度一般控制在35%左右。它不溶于水，是性能优良的合成纤维。
本实验是合成水溶性聚乙烯醇缩甲醛胶水。反应过程中须控制较低的缩醛度，使产物保持水溶性。如反应过于猛烈，则会造成局部高缩醛度，导致不溶性物质存在于水肿，影响胶水质量。因此在反应过程中，特别要注意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。
聚乙烯醇缩甲醛随缩醛化程度的不同，性质和用途各有所不同。它能溶于甲酸、乙酸、二氧六环、氯化烃（二氯乙烷、氯仿、二氯甲烷）、乙醇-苯混合物（30：70）、乙醇-甲苯混合物（40：60）以及60%的含水乙醇等。
三、实验仪器及药品
1) 仪器：
250 ml 三口瓶 1 只 电动搅拌器 1 台
温度计 100 ℃ 1 支 ， 冷凝管 1只
量筒
10、100 ml 各1 只
聚乙烯醇，38%工业甲醛，0.25 mol/L盐酸，8% NaOH溶液，去离子水，PH试纸（1-14）
四、实验步骤
图1聚合装臵图
（1.搅拌器 2.四氟密封塞 3.温度计 4.温度计套管 5.冷凝管）
在250 ml三颈瓶中，加入100 ml去离子水，10 g聚乙烯醇，在搅拌下升温溶解。 待聚乙烯醇完全溶解后，于90 ℃作用加入3 ml甲醛（38%工业甲醛）搅拌15分钟。再加入0.25 mol/L盐酸0.5 ml，控制反应T体系pH值1～3，保持反应温度90℃左右，继续搅拌，反应体系逐渐变稠，当体系中出现气泡或者有絮状物产生，立即迅速加入1.5 ml 8% NaOH溶液，调节体系的pH值为8-9。然后冷却降温出料。获得无色透明粘稠的液体，即市售的一种胶水。
五、实验注意事项
本实验是合成水溶性聚乙烯醇缩甲醛胶水。反应过程中须控制较低的缩醛度，使产物保持水溶性。如反应过于猛烈，则会造成局部高缩醛度，导致不溶性物质存在于水肿，影响胶水质量。因此在反应过程中，特别要注意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。 【正常现象】
维尼纶纤维的聚乙烯醇缩甲醛的缩醛度一般控制在35%左右，产物保持水溶性。 【非正常现象】
局部高缩醛度，导致不溶性物质存在于水中。 【非正常现象产生的原因】
反应过于猛烈，局部高缩醛度，导致不溶性物质存在于水中，影响胶水质量。
六、思考题
1.为什么缩醛度增加，水溶性下降，当达到一定的缩醛度之后产物完全不溶于水？ 2.产物最终能够为什么要把pH调到8-9？试讨论缩醛对酸和碱的稳定性。
