高分子化學與物理實驗指導書.總結

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實驗課時間安排

高分子化學實驗是在學生主修《高分子化學與物理》課程基礎上開設的。其中學時安排如下：

序號實驗項目名稱實驗內容學時

分配1甲基丙烯酸酯的合成甲基丙烯酸甲酯預聚、聚合、熟化4

2酚醛樹脂的縮聚利用酸和堿催化劑縮聚的方法合成酚醛樹脂4

3PP球晶觀察試樣制備、操作、觀察44PS粘均分子量測定溶液配制、測定、計算、作圖4

預習情況檢查方式

要求學生在實驗前必須做好實驗預習，否則不予參加實驗。實驗預習主要包括以下兩個方面的內容：1、檢查實驗預習報告（預習報告要求包括實驗目的、實驗原理、實驗所需儀器及藥品、實驗步驟等）2、老師在實驗前要檢查學生的實驗預習情況，可采取口頭提問的方式了解學是對實驗的預習情況。相關知識的講解針對高分子化學開設的不同實驗，指導教師要做好相關的講解工作。主要包括：實驗四PS粘均分子量測定實驗一甲基丙烯酸甲酯的本體聚合一、實驗目的1.掌握自由基本體聚合的原理及合成方法；2.了解有機玻璃的生產(chǎn)工藝。二、實驗原理

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），俗稱有機玻璃。有機玻璃廣泛用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、生活等的各個領域，如飛機、汽車的透明窗玻璃、罩蓋等。在建筑、電氣、醫(yī)療衛(wèi)生、機電等行業(yè)也廣泛使用，如制造光學儀器、電器、醫(yī)療器械、透明模型、裝飾品、廣告銘牌等。每年全世界要消耗數(shù)以百萬噸的有機玻璃及其制品。工業(yè)上制備有機玻璃主要采用本體、懸浮聚合法，其次是溶液和乳液法。而有機玻璃的板、棒、管材制品通常都用本體澆鑄聚合的方法來制備。如果直接做甲基丙烯酸甲酯的本體聚合，則由于發(fā)熱而產(chǎn)生氣體只能得到有氣泡的聚合物。如果選用其它聚合方法（如懸浮聚合等）由于雜質的引入，產(chǎn)品的透明度都遠不及本體聚合方法。因此，工業(yè)上或實驗室目前多采用澆注方法。即：將本體聚合迅速進行到某種程度（轉化率10%左右）做成單體中溶有聚合物的粘稠溶液（預聚物）后，再將其注入模具中，在低溫下緩慢聚合使轉化率達到93～95%左右，最后在100℃下聚合至反應完全。其反應方程式如下：本實驗采用本體聚合法制備有機玻璃。本體聚合是在沒有介質存在的情況下進行的聚合反應，體系中可以加引發(fā)劑，也可以不加引發(fā)劑。按照聚合物在單體中的溶解情況，可以分為均相聚合和多相聚合兩種：聚合物溶于單體，為均相聚合，如甲基丙烯酸甲酯，苯乙烯等的聚合；聚合物不溶于單體，則為多相聚合，如氯乙烯，丙烯腈的聚合。本體聚合中因為體系中無介質存在，反應是粘度不斷增大，反應熱不容易排出，局部容易過熱，導致單體氣化或聚合物裂解，結果產(chǎn)品內有氣泡或空心。在甲基丙烯酸甲酯聚合過程中甚至會使反應進入爆炸聚合階段（爆聚），所以反應必須嚴格控制溫度。三、實驗儀器及設備1.調壓電爐（加熱裝置） 每組1個2.大燒杯（水浴） 每組1個3.各種試管（反應器及模具） 每人1個4.與試管配套的橡皮塞及試管夾 每人1個5.溫度計 每組1個6.鐵架臺 每組1套四、實驗藥品1.甲基丙烯酸甲酯（MMA） 5g2.過氧化二苯甲酰（BPO） 0.01g3.鄰苯二甲酸二丁酯（增塑劑） 0.3ml五、實驗步驟1、配料及準備首先在大燒杯中加入適量的水（約3/4燒杯體積），置于調壓電爐上加熱。然后在試管中加入0.01g的BPO、5g的MMA，0.3ml鄰苯二甲酸二丁酯。（注：由于各試劑加入量較小，實驗員老師已按上述比例配好大樣，學生實驗時只需從配好的試劑瓶中取適量的反應體系即可）。為了防止反應體系受熱后，MMA揮發(fā)及氣體膨脹而沖開塞子，最好在塞子邊緣用銼刀銼一條小縫。2、預聚合反應用試管夾夾好試管放入水浴中進行預聚（注意水浴液面必須高于反應體系液面），當溫度達到90℃時，保溫30－45分鐘，觀察粘度，當物料呈粘稠狀（蜜糖狀）時，停止加熱，用冷水浴驟然降溫至40℃以下終止反應。注意：預聚過程中，必須不時取出試管振搖，以代替是攪拌，排出體系的反應熱，避免局部過熱引發(fā)爆聚。3、低溫聚合反應將水浴再緩慢升溫至60℃，并維持在此溫度下進行低溫聚合，并不時取出振搖，直至體系不能流動為止，（轉化率達到80～90％，此時用鐵針刺探有機玻璃，應有彈性出現(xiàn)），低溫聚合結束。4、高溫聚合反應緩慢升溫到100℃，保溫20～30分鐘后，停止加熱，完成全部聚合過程，得到光滑無色透明的有機玻璃。取出試管，并迅速放于冷水中，倒出產(chǎn)品。六、實驗注意事項整個反應過程中，注意控制好溫度；控制電爐調壓器不要超過220V，到了指定溫度后，可通過適當調低電壓保持改指定溫度；預聚合反應時，應不時取出試管搖動，及時排出反應熱；振搖試管時，注意不要將試管從試管夾中甩脫；七、實驗有關問題本實驗也可以在大燒瓶中，在攪拌的條件下完成預聚合，制成具有一定粘度的預聚物，然后再轉入各種模具中成型；為了提高對本實驗的興趣，同學們可事先準備一些色彩鮮艷、造型精美的小飾物，在低溫聚合階段（有一定粘度時，呈蜜糖狀之后）放入到反應體系中，最后制成具有紀念意義的工藝品（類似琥珀）。注意：小飾物必須干燥，不影響聚合反應的進行，在受熱時穩(wěn)定，不會產(chǎn)生氣體。八、結果與討論自動加速現(xiàn)象在本實驗中的體現(xiàn)。如何控制反應速率，杜絕爆聚現(xiàn)象。本體聚合的優(yōu)缺點。為什么本實驗聚合反應分為預聚合、低溫聚合和高溫聚合幾個階段。PMMA聚合反應的反應熱為多少。本實驗采用的是什么類型的引發(fā)劑，引發(fā)劑的選用原則。

實驗二酚醛樹脂的合成一、實驗目的1.學習逐步聚合的原理、實驗方法；2.熟悉不同催化條件制備酚醛樹脂的方法。二、實驗原理以酚類和醛類化合物縮合聚合得到的樹脂。一般統(tǒng)稱為酚醛樹脂。是世界上最早實現(xiàn)工業(yè)化的樹脂。由于工藝簡單，加工方便，性能優(yōu)異。因此，迄今為止仍為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的材料在塑料中仍占有相當重要的地位。由于樹脂的形成反應比較復雜，到現(xiàn)在它的化學過程仍未完全搞清楚，它的結構因而是十分復雜的，但目前已可確認影響樹脂形成及性能的因素是：所用原料的化學結構，酚與醛的相對用量（摩爾比），介質的PH值等。（具體的介紹參考課本逐步聚合一章）。酸催化時，酚過量，生成線型酚醛樹脂；堿催化時，醛過量，生成體型酚醛樹脂。三、實驗儀器及設備1.大試管 1個2.帶長玻璃導管（約30cm，回流）的橡皮塞 1個3.溫度計（100℃） 1個4.大燒杯（水浴用） 1個6.電爐（加熱裝置，帶調壓器） 1個7.量筒 1個8.鐵架臺 1套四、實驗藥品1.苯酚（純度94％） 2.甲醛（36～40％） 3.濃鹽酸 4.濃氨水五、實驗步驟安裝儀器；在大試管里加入苯酚2.5g和40％的甲醛溶液2.5ml，然后加入1ml濃HCl，用帶玻璃導管的塞子塞好；在另一支大試管中加入苯酚2.5g和40％的甲醛溶液3－4ml，然后加入用1ml的濃氨水，用帶玻璃導管的塞子塞好；將兩只大試管置于水浴中加熱，記錄下反應現(xiàn)象。一會后就可以看到混合物開始劇烈沸騰；等反應不再劇烈進行時，繼續(xù)加熱，直到混合物變?yōu)榛鞚幔刹蝗苡谒臉渲?；從水浴中取出試管，冷卻，將試管中的混合物倒入蒸發(fā)皿中，使混合物靜置分層，倒去上層的水，得到下層的酚醛樹脂，觀察生成物的形態(tài)、顏色。六、實驗注意事項由于反應劇烈，反應物可能會從玻璃導管中噴出，所以，反應劇烈時，適當取出試管，減緩反應速度，避免噴液；水浴水面要高于體系的液面；七、結果與討論酸催化和堿催化的差別。反應過程中可能會形成的中間產(chǎn)物。人造木芯板中采用的酚醛樹脂大致配方。

操作指導分析1、甲基丙烯酸甲酯的本體聚合正?，F(xiàn)象

實驗過程中試管中的溶液粘度隨反應時間的增加而逐漸增大，使物料呈蜜糖狀，最后變硬。

非正?，F(xiàn)象

實驗過程中，易發(fā)生暴聚而使產(chǎn)物結塊，造成出料困難，最終使實驗儀器報廢。

非正?，F(xiàn)象產(chǎn)生的原因

由于升溫過快或攪拌速度太慢，易發(fā)生暴聚而使產(chǎn)物結塊。

2、酚醛樹脂的合成正?，F(xiàn)象1.實驗過程中反應物顏色逐漸發(fā)生變化，溶液逐漸分層。2.不同催化劑條件下，反應速度不同，劇烈層都不同。非正?，F(xiàn)象1.反應過于劇烈，反應液從導管噴出。

非正?，F(xiàn)象產(chǎn)生的原因1.由于溫度過高，反應過快。實驗數(shù)據(jù)處理

高分子化學實驗主要是要求學生掌握由單體到聚合物的幾種工藝實施方法，通過實驗現(xiàn)象的觀察可以看到實驗的最終結果。因此高分子化學的數(shù)據(jù)處理相對比較簡單。一般只是簡單地計算產(chǎn)物的收率。

實驗三球晶的制備與觀察一、目的及要求1.了解偏光顯微鏡的結構和使用方法。2.了解球晶形態(tài)與結晶溫度的關系3.計算球晶的平均直徑。二、偏光顯微鏡觀察球晶的原理。用偏光顯微鏡來觀察球晶結構尺寸是根據(jù)聚合物晶體具有雙折射的原理。當一束光線進入各向同性的均勻介質中時，光速不隨傳播方向面改變。因此，在各方面都具有相同的折射率。換言之。均勻介質只有一個折射率。而對晶體來說，其光學性質是隨方向而異的。當光線通過晶體時就會分解為平面互相垂直的兩束光，它們的傳播速度除光軸方向外，一般是不相等的。于是，產(chǎn)生了兩條折射率不同的光線，這種現(xiàn)象稱為雙折射。晶體的一切光學性質都與雙折射有關。偏光顯微鏡是研究晶體形態(tài)的有效工具之一。許多重要的晶體光學研究都是在偏光鏡的正交場下進行的。起偏鏡和檢偏鏡相互垂直。在正交偏光鏡間可以觀察到球晶的形狀、大小、數(shù)目等。高聚物從熔體冷卻后，成為光學各向異體，當結晶體的振動方向與起偏鏡的檢偏鏡振動方向不一致時，視野明亮，就可以觀察到晶。其原因可簡述如下：P-P代表起偏鏡振動方向：A-A代表檢偏鏡振動方向：N、M是晶體內某一切面內的兩個振動方向。由圖可知，晶體切面內的振動方向與偏光鏡的振動方向不一致。設N振動方向與偏光鏡振動方向P-P間的夾角為a，光先進入起偏鏡。自起偏鏡透出的平面光的振幅為OB，光繼續(xù)射至晶片上，由于切面內兩振動方向不與P-P一致，因此，要分解到晶體的兩振動畫中，分至N方向上光的振幅為OD。分至N方向上光的振幅為OD，分至M方向的光的振幅為OE，自晶片透出的兩平面偏光繼續(xù)至檢偏鏡上，由于檢偏鏡的振動方向與晶體切面內的兩振動方向不一致，故每一平面偏光都要一分為二，OD振幅的光分解為OF與DF振幅的光。OE分解為OG和GE，振幅為DF和EG的光由于垂直于檢偏鏡的振動方向，故不能透過，而OG和OF的光，它們在檢偏鏡的振動(方面)面內，因而可以透過。兩個光波在同一平面內振動，必然要發(fā)出干涉，它們的合成波為：y=OF-OG=ODSina-OECosa………………(1)OD=OBCosaOB=ASinwt又因晶片內N和M方向振動的兩光波的速度不相等，折射率也不一樣，設其相位差為，則OD=OBCosa=AsinwtCosa………..(2)OE=OBSina=Asin(wt-)Sina………….(3)將(2)、(3)式代入(1)得：………(4)因各束光的強度與各束光振幅的平方成正比，故由(4)式得出：Ｉ＝A2sin22aSin2/2式中A為入射光的振幅，a是晶片內振動方向與起偏鏡方向的夾角。當……等時，光的強度最大，視野最亮。當…時，I=0，視野最黑。如晶體切面內的振動方向與起偏鏡(或檢偏鏡)的振動方向平行時，即a=0，則晶體全黑；當晶體的光軸和起偏鏡的振動方向一致時，也出現(xiàn)全黑現(xiàn)象。三、儀器及樣品1.PS型偏光顯微鏡2.6V15W燈泡3.載物臺測微尺，目鏡測微尺4.載玻片和蓋玻片5.加熱臺6.重錘7.聚乙烯粒料或聚丙烯四、操作步驟1.制作(1)加熱臺升溫至2000C并恒溫。(2)將干凈的載玻片置于加熱臺上。(3)將一顆聚丙烯粒料置于載玻片上，并用一蓋玻片蓋住樣品，待樣品開始熔化時，加一重錘。(4)樣品熔化20分鐘后，開始降溫至1400C1、340C、1260C。(5)保溫一小時(6)撤去熱源，自然冷卻至室溫（或等速冷卻，或快速冷卻）。2.正交偏光鏡下觀察(1)接通電源(2)調節(jié)反光鏡使對準光源。(3)轉動起偏鏡至90°位置(4)轉動檢偏鏡至0°,即為正交場(5)將晶體樣品置載物臺上，調節(jié)顯微鏡上的粗動、微動旋鈕對平焦距。(6)觀察球晶形態(tài)(7)利用測微尺校正目鏡測微尺，并測量球晶的直徑。(8)顯微攝影。

實驗四粘度法測定高聚物分子量利用高聚物溶液的粘度與高聚物分子量的相互關系。測定粘度可以計算分子量，這種方法稱為粘度法，它是目前最常用的方法之一。一、實驗目的1.學習用粘度法測定高聚物分子量。2.學習粘度法測定高聚物分子量的數(shù)據(jù)處理方法。二、原理高分子溶液粘度的大小與其分子量，分子形狀，溶液濃度溶劑性質。溫度等因素有關。由于影響高聚物溶液粘度的因素較多，因此到目前為止，粘度與分子量的關系式還不能由理論式來計算，而是從經(jīng)驗而得。在一定溫度下，高分子溶液的特性粘度。與高分子的分子量M之間的經(jīng)驗公式：……(1)在一定溫度時，對某一高聚物—溶劑體系，公式中k、是常數(shù)，一般可查手冊，如本體聚合的甲基丙烯酸甲酯在苯溶劑中，測得溫度時，，從實驗測得特性粘度就可以求出高聚物的分子量。特性粘度的定義為溶液濃度無限稀的情況下比濃粘度或比濃對數(shù)粘度（）……(2)式(2)中分別為溶液和純溶劑在同一溫度下的粘度稱為相對粘度。分別為稀溶液及純溶液用同一粘度設計在同一溫度下測得的流出時間）單位秒。而稱之增比粘度。高聚物溶液的粘度和濃度之間依賴關系。有下列公式?！?3)……(4)從式(3)和(4)可看出比濃粘度和比濃對數(shù)粘度與濃度c成線性關系。因此可以對c或對c作圖可得出兩條直線。以濃度c外推射。兩條直線在c＝0處。即縱軸上相交一點。此點的截距即是特性粘度(r)然后根據(jù)(1)求出高聚物的分子量。由上法求出的高聚物分子量是高聚物的平均分子量稱為粘均分子量。特性粘度()的單位和數(shù)值。隨溶液濃度的表示方法而異。特性粘度[]的單位是毫升／克。將已配制好的高聚物稀溶液放入粘度計中測出溶液和溶劑。溶液的濃度C是已知的。在一定的溫度下t0對于一個固定的粘度計與一種固定的溶劑是一個固定的數(shù)值，因此每測定一個溶液的t就能求出一組與溶液濃度c相應的sp/c與1nr／c的值。只要將同一高聚物樣品配制幾份不同濃度的稀溶液就可求出幾組數(shù)據(jù)的用這些數(shù)據(jù)作圖可求出特性粘度[]，見圖2所示。三、實驗儀器1.烏氏粘度計一支2.秒表一塊3.波動控溫恒溫水槽一套。4.50ml或25ml容量瓶二個，2號砂蕊漏斗1個，10ml、5ml移液管一支。四、實驗步驟(1)清洗儀器實驗應將粘度計、容量瓶、移液管、漏斗等仔細清洗。粘度計先用洗液。后用自然水、蒸餾水、用酒精洗后烘干，所用藥品（配制）需經(jīng)過2號砂蕊漏斗過濾后再用。(2)配制溶液用分析天平準確稱取0.25g，PS小心加入25ml，容量瓶中，加入15-20ml甲苯溶液中浸之溶解，用砂蕊漏斗過濾放入恒溫槽內待用，同時另一個容量瓶(50ml)裝入50ml苯，同樣放入恒溫槽內待用。并將250C恒溫溶劑加入容量瓶至刻度。(3)溶劑流出時間t0的測定。a:預先在粘度計的2.3管上接上乳膠復管(圖1)b:借助于重錘將粘度計垂直于恒溫水槽中，水面高過D球2cm。c:將10ml溶劑經(jīng)管1注入粘度計。d:恒溫10分鐘，待氣泡消失。e:緊閉管(3)上的乳膠管。f:用針筒或是吸球。經(jīng)管2乳膠管。慢慢將液體抽入C球，待溶液升至D球的一半，停止抽氣。g:取下吸球，放開管子3，讓液體自由下落。h:當液面下降到刻線m1時，迅速起動秒表。當液體落到m2時立即停止秒表。并記錄時間。起動和停止秒表的瞬間，應是彎月面的最低點與刻線相切的瞬間。注意，觀察時應使刻線前后重迭。i:重復三次。每次流經(jīng)時時間差值不超過0.2秒，取算術平均值。測得t0(或t)。4.溶液流出時間的t的測定。a.將上述測t0的粘度計洗凈烘干。以上述同樣放法置于槽中。b.用移液管經(jīng)管1移入恒溫的待測溶液10ml注入粘度計內測方法同上測得t1。c.用移液管。放入待測溶劑5ml注入盛有溶液的粘度計中，取出搖勻，并上下抽至三次。然后測試方法同t0測得t2。d.然后分別移入5、10、10ml溶劑測得t3、t4、t5。上述五點濃度分別為起始濃度C0的1、、、和倍。五、數(shù)據(jù)處理1.相對粘度式中t和t0分別溶液和溶劑流經(jīng)C球m1－m3的時間(秒)2.增比粘度3.比濃粘度毫升／克4.比濃對數(shù)粘度()毫升／克5.特性粘度[]毫升／克[]可以由幾個濃度的比濃粘度和比濃對數(shù)粘度對濃度在方格坐標紙上作圖，通過各點作直線外推至求得，此時從軸截距即為特性粘度。將實驗數(shù)據(jù)列表如下濃度比值起始濃度2/31/21/31/4純溶劑(t0)t123根據(jù)以上計算結果得到()就可代入(1)式，即可算出高聚物的分子量。六、思考題/r