丙烯酰胺水溶液聚合

1、高 分子 化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告09 高分子（1 ）班實(shí)驗(yàn)四 （ 四 ） 丙烯酰胺水溶液聚合一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握溶液聚合的方法及原理；2. 學(xué)習(xí)如何正確的選擇溶劑。二、實(shí)驗(yàn)原理與本體聚合相比，溶液聚合體系具有粘度低、攪拌和傳熱比較容易、不易產(chǎn)生局部過熱、聚合反應(yīng)容易控制等優(yōu)點(diǎn)。但由于溶劑的引入， 溶劑的回收和提純使聚合過程復(fù)雜化。只有在直接使用聚合物溶液的場合，如涂料、膠粘劑、浸漬劑、合成纖維紡絲液等，使用溶液聚合才最為有利。進(jìn)行溶液聚合時(shí)，由于溶劑并非完全是惰性的，對(duì)反應(yīng)要產(chǎn)生各種影響，選擇溶劑時(shí)要注意其對(duì)引發(fā)劑分解的影響、鏈轉(zhuǎn)移作用、對(duì)聚合物的溶解性能的影響。丙烯酰胺為水溶性單體，其聚合物也溶于水

2、， 本實(shí)驗(yàn)采用水為溶劑進(jìn)行溶液聚合。與以有機(jī)物作溶劑的溶液聚合相比，具有價(jià)廉、無毒、鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)小、對(duì)單體和聚合物的溶解性能好的優(yōu)點(diǎn)。聚丙烯酰胺是一種優(yōu)良的絮凝劑，水溶性好，廣泛應(yīng)用于石油開采、選礦、化學(xué)工業(yè)及污水處理等方面。合成聚丙烯酰胺的化學(xué)反應(yīng)簡式如下：1CH2=CH KH2-CHo=c-nh3o=c-nh2三、主要儀器和試劑o藥品：丙烯酰胺（10g）-、甲醇（150mDH HY /廣0- h、過硫酸鉀（0.05g）、蒸儲(chǔ)水（80+10+10mL 等；儀器：恒溫水浴鍋、攪拌器、三口燒瓶、球型冷凝管、溫度計(jì)、吸管、天平、量筒等。四、實(shí)驗(yàn)裝置圖五、實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象現(xiàn)象解釋在250mL的

3、三口瓶中，中間口安裝攪拌器，分別裝上一個(gè)溫度計(jì)和一個(gè)冷凝裝攪拌棒時(shí)，應(yīng)先 保證攪拌棒豎直，然 后可開啟攪拌器，調(diào) 節(jié)直到反應(yīng)裝置穩(wěn)定為止。氧氣是本實(shí)驗(yàn)的阻 聚劑，會(huì)降低引發(fā)劑 的效率，所以應(yīng)盡量 減少氧氣混入。將 10 g(0.14 mol) 丙烯酰胺和80 ml蒸 儲(chǔ)水加入反應(yīng)瓶中， 開動(dòng)攪拌器，用水浴 加熱至30 C,使單體 溶解。把0.05 g過硫 酸鉀溶解在10 ml蒸 儲(chǔ)水中，溶解后加入 反應(yīng)三口瓶內(nèi)，并用 10 ml蒸儲(chǔ)水洗滌溶解 燒杯。把蒸儲(chǔ)水加入到裝有 丙烯酰胺的三口燒瓶 中，大部分丙烯酰胺 溶解，有少部分白色 不溶物漂浮在液體表 面。把溶解有過硫酸 鉀的溶液加入到反應(yīng) 瓶中，

4、溶液中立即出 現(xiàn)大量的白色絮狀 物。少部分不溶物可能是 聚丙烯酰胺，當(dāng)溫度 低時(shí)，聚丙烯酰胺的 溶解度較小，聚合物 便以絮狀存在溶液 中，當(dāng)升高溫度時(shí)， 聚丙烯酰胺在水中的 溶解度增加，使聚合 物溶解。由于過硫酸 鉀時(shí)引發(fā)劑，當(dāng)加入 過硫酸鉀的溶液到反 應(yīng)瓶中時(shí)，由于單體 少部分聚合，而聚合 物的溶解度較小，聚 合物便以絮狀存在溶液中 逐步升溫到90 C,這時(shí)聚合物便逐漸形成，在90 C下反應(yīng)23 h。加熱時(shí)，白色絮狀物 減少，當(dāng)加熱到47c 左右，白色絮狀物幾 分全部溶解，溶液變 透明；d.當(dāng)加熱到 70 c左右時(shí)，黏度劇 增到犍糊裝，當(dāng)加熱 到83c時(shí)，粘度變得 很大，能夠拉成十來 厘米長

5、的線。加熱時(shí)，白色絮狀物 減少，當(dāng)加熱到47 c 左右，白色絮狀物幾 分全部溶解，溶液變 透明；d.當(dāng)加熱到 70 c左右時(shí)，黏度劇 增到犍糊裝，當(dāng)加熱 到83c時(shí)，粘度變得 很大，能夠拉成十來 厘米長的線。反應(yīng)完畢，將所 得到的產(chǎn)物取部分倒 入盛有50 ml甲醇的 100 ml燒杯中，邊倒 邊攪拌，聚丙烯酰胺 便沉淀下來，觀察現(xiàn) 象。剛滴加反應(yīng)溶液時(shí)， 沒有立刻出現(xiàn)白色沉 淀，輕輕搖晃，立刻 出現(xiàn)白色絮狀沉淀； 當(dāng)一次性滴加較多時(shí) 白色沉淀呈爛膠棉 狀，且隨時(shí)間的推移，聚合物不溶于甲醇， 甲醇溶于水，從而使 聚合物從水溶液中沉 淀析出來，已經(jīng)纏繞 在一起的聚合物高分 子，不可能很快分散 沉淀

6、析出，而是先析 出表面，從而包裹聚溶液慢慢變成白色。合溶液，使之呈白色爛膠狀。六、實(shí)驗(yàn)圖片七、實(shí)驗(yàn)思考與討論分析(1)什么是溶液聚合，特點(diǎn)是什么？答：溶液聚合是將單體和引發(fā)劑溶于適當(dāng)溶劑中 ，在溶液狀態(tài)下進(jìn)行 的聚合反應(yīng)，是高分子合成過程中一種重要的合成方法。聚合體系的粘度比本體聚合低，混合和散熱比較容易，生產(chǎn)操作和溫 度都易于控制，還可利用溶劑的蒸發(fā)以排除聚合熱。若為自由基聚合, 單體濃度低時(shí)可不出現(xiàn)自動(dòng)加速效應(yīng)，從而避免爆聚并使聚合反應(yīng)器 設(shè)計(jì)簡化。缺點(diǎn)是對(duì)于自由基聚合往往收率較低， 聚合度也比其他方 法小，使用和回收大量昂貴、可燃、甚至有毒的溶劑，不僅增加生產(chǎn) 成本和設(shè)備投資、降低設(shè)備生

7、產(chǎn)能力，還會(huì)造成環(huán)境污染。如要制得 固體聚合物，還要配置分離設(shè)備，增加洗滌、溶劑回收和精制等工序。(2)工業(yè)上在什么情況下采用溶液聚合？答：由于溶劑分離回收費(fèi)用高，除盡聚合物中殘留溶劑困難。因此工業(yè)上溶液聚合多用于聚合物直接使用的場合，如涂料、膠粘劑、合成纖維紡絲液、繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)等。（ 3）溶液聚合的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)有哪些？答： 優(yōu)點(diǎn) : A、 粘度低，易混合；B、 易傳熱，可避免局部過熱；C、溫度易控制；D、 減弱甚至消除凝膠效應(yīng)；E、 易于控制分子量分布和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)狀態(tài)；F、 產(chǎn)物一般直接使用。缺點(diǎn)：A、 單體濃度較低, 致使聚合速率較慢, 設(shè)備生產(chǎn)能力較低；B、 單體濃度低和向溶劑鏈轉(zhuǎn)移到雙

8、重結(jié)果, 使聚合物分子量降低；C、溶劑分離回收費(fèi)用高, 除凈聚合物中殘留溶劑困難。（ 4）進(jìn)行溶液聚合時(shí)，選擇溶劑應(yīng)注意哪些問題?答：自由基溶液聚合選擇溶劑時(shí)，必須注意下列兩方面的問題：A、溶液對(duì)聚合活性的影響。初看起來，溶劑并不參加反應(yīng)。但溶劑往往并非絕對(duì)惰性，對(duì)引發(fā)劑有誘導(dǎo)作用，鏈自由基對(duì)溶劑有連轉(zhuǎn)移反應(yīng)。這兩個(gè)方面的作用都可能影響聚合速率和分子量。B、 溶劑對(duì)聚合物的溶解性能和凝膠效應(yīng)的影響。學(xué)用良溶劑時(shí)，為均相聚合，如果單體的濃度不高，可能不出現(xiàn)凝膠效應(yīng)，遵循正常的自由基聚合動(dòng)力學(xué)規(guī)律。學(xué)用沉淀聚合，凝膠效應(yīng)顯著。不良溶劑的影響則介于兩者之間，影響深度則視溶劑優(yōu)劣程度和濃度而定。（ 5

9、）溶液聚合的產(chǎn)物如何得到和溶劑如何回收?答：對(duì)于沉淀聚合的, 只要通過真空泵進(jìn)行吸濾就可以得到聚合物,而濾液進(jìn)行蒸餾提純即可。而對(duì)于均相聚合, 可用另外一種溶劑破壞聚合物和原有的體系, 使聚合物沉淀下來。再進(jìn)行吸濾, 濾液進(jìn)行蒸餾。（6）單體、聚合物、甲醇在實(shí)驗(yàn)中的溶解情況如何？答: 單體中由于有氨基，氨基上的N 有孤對(duì)電子，可以與水中的氫原子形成氫鍵，故單體可溶于水，且溶解度隨溫度的升高而增大；同理聚合物中也有氨基，聚合物也可溶解在水中，但由于烷基過大，溶解度沒有單體的大；由于水羥基的極性沒有氨的極性強(qiáng)但比醇羥基的極性強(qiáng)，根據(jù)相似相容原理，水與水甲醇互容，水與聚合物也有一定的相容性，但甲醇與

10、聚合物不相容。（7）為什么要在攪拌的情況下把過硫酸鉀溶解在水中再加入反應(yīng)瓶中？答：保證引發(fā)劑充分分散在水中，防止引發(fā)劑在一起發(fā)生籠蔽效應(yīng)，降低引發(fā)劑的引發(fā)效率（8）什么是籠蔽效應(yīng)？答： 籠蔽效應(yīng)是用圓球模擬溶液中的分子偶遇而提出的，表達(dá)液相中分子運(yùn)動(dòng)物理圖象的一種模型。采用一個(gè)中間有槽的容器，槽中盛有可滾動(dòng)的球，稀少的球代表“氣相”，密堆積的球代表“液相”。將球攪動(dòng)， 使它們運(yùn)動(dòng)，測定一對(duì)帶標(biāo)記球的碰撞次數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在 “液相”情況下標(biāo)記球發(fā)生碰撞后，周圍形成一個(gè)溶劑籠，在彼此分開以前，在籠中要反復(fù)碰撞很多次，因此得出液相中存在籠的結(jié)論。由于籠蔽效應(yīng)的影響，濃度較低的引發(fā)劑分子及其分解出的初級(jí)自由基始終處于含大量溶劑分子的高黏度聚合物溶液的包圍之中，一部分初級(jí)自由基無法與單體分子接觸而更容易發(fā)生向引發(fā)劑或溶劑的轉(zhuǎn)移反應(yīng)，從而使引發(fā)劑效率降低。八、 討論影響實(shí)驗(yàn)的因素溶劑： 可能發(fā)生向溶劑中轉(zhuǎn)移、誘導(dǎo)效應(yīng) , 從而影響到分子量, 因此選用何種溶劑對(duì)實(shí)驗(yàn)有很大的影響。氧：它是一種高效的阻聚劑，會(huì)極大的降低引發(fā)劑的效率。溫度：溫度越高反應(yīng)速度越快，分子量越小。引發(fā)劑：過硫酸