高分子化学与物理实验指导书总结.doc

高分子化学与物理实验指导书

1. 实验课时间安排
     高分子化学实验是在学生主修《高分子化学与物理》课程基础上开设的。其中学时安排如下：  
序号
实验项目名称
实验内容
学时
分配
1
甲基丙烯酸酯的合成
甲基丙烯酸甲酯预聚、聚合、熟化
4

2
酚醛树脂的缩聚
利用酸和碱催化剂缩聚的方法合成酚醛树脂
4

3
PP球晶观察
试样制备、操作、观察
4
4
PS粘均分子量测定
溶液配制、测定、计算、作图
4

2. 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（预习报告要求包括实验目的、实验原理、实验所需仪器及药品、实验步骤等）
2、 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。

3. 相关知识的讲解
针对高分子化学开设的不同实验，指导教师要做好相关的讲解工作。主要包括：
实验一 甲基丙烯酸甲酯的本体聚合
实验二 酚醛树脂的缩聚
实验三 PP球晶观察
实验四 PS粘均分子量测定

实验一 甲基丙烯酸甲酯的本体聚合

一、实验目的
1. 掌握自由基本体聚合的原理及合成方法；
2. 了解有机玻璃的生产工艺。
二、实验原理
   聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），俗称有机玻璃。有机玻璃广泛用在工业、农业、军事、生活等的各个领域，如飞机、汽车的透明窗玻璃、罩盖等。在建筑、电气、医疗卫生、机电等行业也广泛使用，如制造光学仪器、电器、医疗器械、透明模型、装饰品、广告铭牌等。每年全世界要消耗数以百万吨的有机玻璃及其制品。
工业上制备有机玻璃主要采用本体、悬浮聚合法，其次是溶液和乳液法。而有机玻璃的板、棒、管材制品通常都用本体浇铸聚合的方法来制备。如果直接做甲基丙烯酸甲酯的本体聚合，则由于发热而产生气体只能得到有气泡的聚合物。如果选用其它聚合方法（如悬浮聚合等）由于杂质的引入，产品的透明度都远不及本体聚合方法。因此，工业上或实验室目前多采用浇注方法。即：将本体聚合迅速进行到某种程度（转化率 10% 左右）做成单体中溶有聚合物的粘稠溶液（预聚物）后，再将其注入模具中，在低温下缓慢聚合使转化率达到 93 ～ 95% 左右，最后在 100 ℃ 下聚合至反应完全。其反应方程式如下：

本实验采用本体聚合法制备有机玻璃。本体聚合是在没有介质存在的情况下进行的聚合反应，体系中可以加引发剂，也可以不加引发剂。按照聚合物在单体中的溶解情况，可以分为均相聚合和多相聚合两种：聚合物溶于单体，为均相聚合，如甲基丙烯酸甲酯，苯乙烯等的聚合；聚合物不溶于单体，则为多相聚合，如氯乙烯，丙烯腈的聚合。
本体聚合中因为体系中无介质存在，反应是粘度不断增大，反应热不容易排出，局部容易过热，导致单体气化或聚合物裂解，结果产品内有气泡或空心。在甲基丙烯酸甲酯聚合过程中甚至会使反应进入爆炸聚合阶段（爆聚），所以反应必须严格控制温度。
三、实验仪器及设备
1. 调压电炉 （加热装置） 每组1个
2. 大烧杯（水浴） 每组1个
3. 各种试管（反应器及模具） 每人1个
4. 与试管配套的橡皮塞及试管夹 每人1个
5. 温度计 每组1个
6. 铁架台 每组1套
四、实验药品
1. 甲基丙烯酸甲酯（MMA） 5 g
2. 过氧化二苯甲酰（BPO） 0.01 g
3. 邻苯二甲酸二丁酯（增塑剂） 0.3 ml
五、实验步骤
1、配料及准备
首先在大烧杯中加入适量的水（约3/4烧杯体积），置于调压电炉上加热。然后在试管中加入0.01g的BPO、5g的MMA，0.3ml邻苯二甲酸二丁酯。（注：由于各试剂加入量较小，实验员老师已按上述比例配好大样，学生实验时只需从配好的试剂瓶中取适量的反应体系即可）。为了防止反应体系受热后，MMA挥发及气体膨胀而冲开塞子，最好在塞子边缘用锉刀锉一条小缝。
2、预聚合反应
用试管夹夹好试管放入水浴中进行预聚（注意水浴液面必须高于反应体系液面），当温度达到90℃时，保温30－45分钟，观察粘度，当物料呈粘稠状（蜜糖状）时，停止加热，用冷水浴骤然降温至40℃以下终止反应。注意：预聚过程中，必须不时取出试管振摇，以代替是搅拌，排出体系的反应热，避免局部过热引发爆聚。
3、低温聚合反应
将水浴再缓慢升温至60℃，并维持在此温度下进行低温聚合，并不时取出振摇，直至体系不能流动为止，（转化率达到80～90％，此时用铁针刺探有机玻璃，应有弹性出现），低温聚合结束。
4、高温聚合反应
缓慢升温到100℃，保温20～30分钟后，停止加热，完成全部聚合过程，得到光滑无色透明的有机玻璃。取出试管，并迅速放于冷水中，倒出产品。
六、 实验注意事项
1. 整个反应过程中，注意控制好温度；
2. 控制电炉调压器不要超过220V，到了指定温度后，可通过适当调低电压保持改指定温度；
3. 预聚合反应时，应不时取出试管摇动，及时排出反应热；
4. 振摇试管时，注意不要将试管从试管夹中甩脱；
七、实验有关问题
1. 本实验也可以在大烧瓶中，在搅拌的条件下完成预聚合，制成具有一定粘度的预聚物，然后再转入各种模具中成型；
2. 为了提高对本实验的兴趣，同学们可事先准备一些色彩鲜艳、造型精美的小饰物，在低温聚合阶段（有一定粘度时，呈蜜糖状之后）放入到反应体系中，最后制成具有纪念意义的工艺品（类似琥珀）。注意：小饰物必须干燥，不影响聚合反应的进行，在受热时稳定，不会产生气体。
八、结果与讨论
1. 自动加速现象在本实验中的体现。
2. 如何控制反应速率，杜绝爆聚现象。
3. 本体聚合的优缺点。
4. 为什么本实验聚合反应分为预聚合、低温聚合和高温聚合几个阶段。
5. PMMA聚合反应的反应热为多少。
6. 本实验采用的是什么类型的引发剂，引发剂的选用原则。

 实验二 酚醛树脂的合成

一、实验目的
1.学习逐步聚合的原理、实验方法；
2.熟悉不同催化条件制备酚醛树脂的方法。
二、实验原理
以酚类和醛类化合物缩合聚合得到的树脂。一般统称为酚醛树脂。是世界上最早实现工业化的树脂。由于工艺简单，加工方便，性能优异。因此，迄今为止仍为工业生产中不可缺少的材料在塑料中仍占有相当重要的地位。
由于树脂的形成反应比较复杂，到现在它的化学过程仍未完全搞清楚，它的结构因而是十分复杂的，但目前已可确认影响树脂形成及性能的因素是：所用原料的化学结构，酚与醛的相对用量（摩尔比），介质的PH值等。（具体的介绍参考课本逐步聚合一章）。
酸催化时，酚过量，生成线型酚醛树脂；碱催化时，醛过量，生成体型酚醛树脂。
三、实验仪器及设备
1. 大试管 1个
2. 带长玻璃导管（约30cm，回流）的橡皮塞 1个
3. 温度计（100℃） 1个
4. 大烧杯（水浴用） 1个
6. 电炉（加热装置，带调压器） 1个
7. 量筒 1个
8. 铁架台 1套
四、实验药品
1. 苯酚（纯度94％）
2. 甲醛（36～40％）
3. 浓盐酸
4. 浓氨水
五、实验步骤
1. 安装仪器；
2. 在大试管里加入苯酚2.5g和40％的甲醛溶液2.5ml，然后加入1ml浓HCl，用带玻璃导管的塞子塞好；
3. 在另一支大试管中加入苯酚2.5g和40％的甲醛溶液3－4ml，然后加入用1ml的浓氨水，用带玻璃导管的塞子塞好；
4. 将两只大试管置于水浴中加热，记录下反应现象。一会后就可以看到混合物开始剧烈沸腾；
5. 等反应不再剧烈进行时，继续加热，直到混合物变为混浊，生成不溶于水的树脂；
6. 从水浴中取出试管，冷却，将试管中的混合物倒入蒸发皿中，使混合物静置分层，倒去上层的水，得到下层的酚醛树脂，观察生成物的形态、颜色。

六、实验注意事项
1. 由于反应剧烈，反应物可能会从玻璃导管中喷出，所以，反应剧烈时，适当取出试管，减缓反应速度，避免喷液；
2. 水浴水面要高于体系的液面；
七、结果与讨论
1. 酸催化和碱催化的差别。
2. 反应过程中可能会形成的中间产物。
3. 人造木芯板中采用的酚醛树脂大致配方。

4. 操作指导分析
1、甲基丙烯酸甲酯的本体聚合
正常现象
    实验过程中试管中的溶液粘度随反应时间的增加而逐渐增大，使物料呈蜜糖状，最后变硬。
 非正常现象
    实验过程中，易发生暴聚而使产物结块，造成出料困难，最终使实验仪器报废。
 非正常现象产生的原因
    由于升温过快或搅拌速度太慢，易发生暴聚而使产物结块。
  2、酚醛树脂的合成
正常现象
1.实验过程中反应物颜色逐渐发生变化，溶液逐渐分层。
2.不同催化剂条件下，反应速度不同，剧烈层都不同。
非正常现象
1.反应过于剧烈，反应液从导管喷出。
 非正常现象产生的原因
1.由于温度过高，反应过快 。

5. 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。一般只是简单地计算产物的收率。

实验三 球晶的制备与观察

一、目的及要求
1.了解偏光显微镜的结构和使用方法。
2.了解球晶形态与结晶温度的关系
3.计算球晶的平均直径。
二、偏光显微镜观察球晶的原理。
用偏光显微镜来观察球晶结构尺寸是根据聚合物晶体具有双折射的原理。当一束光线进入各向同性的均匀介质中时，光速不随传播方向面改变。因此，在各方面都具有相同的折射率。换言之。均匀介质只有一个折射率。而对晶体来说，其光学性质是随方向而异的。当光线通过晶体时就会分解为平面互相垂直的两束光，它们的传播速度除光轴方向外，一般是不相等的。于是，产生了两条折射率不同的光线，这种现象称为双折射。晶体的一切光学性质都与双折射有关。

偏光显微镜是研究晶体形态的有效工具之一。许多重要的晶体光学研究都是在偏光镜的正交场下进行的。起偏镜和检偏镜相互垂直。在正交偏光镜间可以观察到球晶的形状、大小、数目等。
高聚物从熔体冷却后，成为光学各向异体，当结晶体的振动方向与起偏镜的检偏镜振动方向不一致时，视野明亮，就可以观察到晶。其原因可简述如下：
P-P代表起偏镜振动方向：
A-A代表检偏镜振动方向：
N、M是晶体内某一切面内的两个振动方向。
由图可知，晶体切面内的振动方向与偏光镜的振动方向不一致。设N振动方向与偏光镜振动方向P-P间的夹角为a，光先进入起偏镜。自起偏镜透出的平面光的振幅为OB，光继续射至晶片上，由于切面内两振动方向不与P-P一致，因此，要分解到晶体的两振动画中，分至N方向上光的振幅为OD。分至N方向上光的振幅为OD，分至M方向的光的振幅为OE，自晶片透出的两平面偏光继续至检偏镜上，由于检偏镜的振动方向与晶体切面内的两振动方向不一致，故每一平面偏光都要一分为二，OD振幅的光分解为OF与DF振幅的光。OE分解为OG和GE，振幅为DF和EG的光由于垂直于检偏镜的振动方向，故不能透过，而OG和OF的光，它们在检偏镜的振动(方面)面内，因而可以透过。两个光波在同一平面内振动，必然要发出干涉，它们的合成波为：
y=OF-OG=ODSina-OECosa………………(1)
OD=OBCosa
OB=ASinwt
又因晶片内N和M方向振动的两光波的速度不相等，折射率也不一样，设其相位差为，则
OD=OBCosa=AsinwtCosa………..(2)
OE=OBSina=Asin(wt-)Sina………….(3)
将(2)、(3)式代入(1)
得：………(4)
因各束光的强度与各束光振幅的平方成正比，故由(4)式得出：
Ｉ＝A2sin22aSin2/2
式中A为入射光的振幅，a是晶片内振动方向与起偏镜方向的夹角。当……等时，光的强度最大，视野最亮。当…时，I=0，视野最黑。如晶体切面内的振动方向与起偏镜(或检偏镜)的振动方向平行时，即a=0，则晶体全黑；当晶体的光轴和起偏镜的振动方向一致时，也出现全黑现象。
三、仪器及样品
1.PS型偏光显微镜
2.6V15W灯泡
3.载物台测微尺，目镜测微尺
4.载玻片和盖玻片
5.加热台
6.重锤
7.聚乙烯粒料或聚丙烯
四、操作步骤
1.制作
(1)加热台升温至2000C并恒温。
(2)将干净的载玻片置于加热台上。
(3)将一颗聚丙烯粒料置于载玻片上，并用一盖玻片盖住样品，待样品开始熔化时，加一重锤。
(4)样品熔化20分钟后，开始降温至1400C1、340C、1260C。
(5)保温一小时
(6)撤去热源，自然冷却至室温（或等速冷却，或快速冷却）。
2.正交偏光镜下观察
(1)接通电源
(2)调节反光镜使对准光源。
(3)转动起偏镜至90°位置
(4)转动检偏镜至0°,即为正交场
(5)将晶体样品置载物台上，调节显微镜上的粗动、微动旋钮对平焦距。
(6)观察球晶形态
(7)利用测微尺校正目镜测微尺，并测量球晶的直径。
(8)显微摄影。

实验 四 粘度法测定高聚物分子量

利用高聚物溶液的粘度与高聚物分子量的相互关系。测定粘度可以计算分子量，这种方法称为粘度法，它是目前最常用的方法之一。
一、实验目的
1.学习用粘度法测定高聚物分子量。
2.学习粘度法测定高聚物分子量的数据处理方法。
二、原理
高分子溶液粘度的大小与其分子量，分子形状，溶液浓度溶剂性质。温度等因素有关。由于影响高聚物溶液粘度的因素较多，因此到目前为止，粘度与分子量的关系式还不能由理论式来计算，而是从经验而得。
在一定温度下，高分子溶液的特性粘度。与高分子的分子量M之间的经验公式：
……(1)
在一定温度时，对某一高聚物—溶剂体系，公式中k、是常数，一般可查手册，如本体聚合的甲基丙烯酸甲酯在苯溶剂中，测得温度时，，从实验测得特性粘度就可以求出高聚物的分子量。特性粘度的定义为溶液浓度无限稀的情况下比浓粘度或比浓对数粘度（）
……(2)
式(2)中分别为溶液和纯溶剂在同一温度下的粘度称为相对粘度。
分别为稀溶液及纯溶液用同一粘度设计在同一温度下测得的流出时间）单位秒。
而称之增比粘度。
高聚物溶液的粘度和浓度之间依赖关系。有下列公式。
……(3)
……(4)

从式(3)和(4)可看出比浓粘度和比浓对数粘度与浓度c成线性关系。因此可以对c或对c作图可得出两条直线。以浓度c外推射。两条直线在c＝0处。即纵轴上相交一点。此点的截距即是特性粘度(r)然后根据(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称为粘均分子量。
特性粘度()的单位和数值。随溶液浓度的表示方法而异。特性粘度[]的单位是毫升／克。
将已配制好的高聚物稀溶液放入粘度计中测出溶液和溶剂。
溶液的浓度C是已知的。在一定的温度下t0对于一个固定的粘度计与一种固定的溶剂是一个固定的数值，因此每测定一个溶液的t就能求出一组与溶液浓度c相应的sp/c与1nr／c的值。只要将同一高聚物样品配制几份不同浓度的稀溶液就可求出几组数据的用这些数据作图可求出特性粘度[]，见图2所示。
三、实验仪器
1.乌氏粘度计一支
2.秒表一块
3.波动控温恒温水槽一套。
4.50ml或25ml容量瓶二个，2号砂蕊漏斗1个，10ml、5ml移液管一支。
四、实验步骤
(1)清洗仪器 实验应将粘度计、容量瓶、移液管、漏斗等仔细清洗。粘度计先用洗液。后用自然水、蒸馏水、用酒精洗后烘干，所用药品（配制）需经过2号砂蕊漏斗过滤后再用。
(2)配制溶液
用分析天平准确称取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，用砂蕊漏斗过滤放入恒温槽内待用，同时另一个容量瓶(50ml)装入50ml苯，同样放入恒温槽内待用。并将250C恒温溶剂加入容量瓶至刻度。
(3)溶剂流出时间t0的测定。
a:预先在粘度计的2.3管上接上乳胶复管(图1)
b:借助于重锤将粘度计垂直于恒温水槽中，水面高过D球2cm。
c:将10ml溶剂经管1注入粘度计。
d:恒温10分钟，待气泡消失。
e:紧闭管(3)上的乳胶管。
f:用针筒或是吸球。经管2乳胶管。慢慢将液体抽入C球，待溶液升至D球的一半，停止抽气。
g:取下吸球，放开管子3，让液体自由下落。
h:当液面下降到刻线m1时，迅速起动秒表。当液体落到m2时立即停止秒表。并记录时间。起动和停止秒表的瞬间，应是弯月面的最低点与刻线相切的瞬间。注意，观察时应使刻线前后重迭。
i:重复三次。每次流经时时间差值不超过0.2秒，取算术平均值。测得t0(或t)。
4.溶液流出时间的t的测定。
a.将上述测t0的粘度计洗净烘干。以上述同样放法置于槽中。
b.用移液管经管1移入恒温的待测溶液10ml注入粘度计内测方法同上测得t1。
c.用移液管。放入待测溶剂5ml注入盛有溶液的粘度计中，取出摇匀，并上下抽至三次。然后测试方法同t0测得t2。
d.然后分别移入5、10、10ml溶剂测得t3、t4、t5。上述五点浓度分别为起始浓度C0的1、、、和倍。
五、数据处理
1.相对粘度
式中t和t0分别溶液和溶剂流经C球m1－m3的时间(秒)
2.增比粘度
3.比浓粘度毫升／克
4.比浓对数粘度()毫升／克
5.特性粘度[]毫升／克
[]可以由几个浓度的比浓粘度和比浓对数粘度对浓度在方格坐标纸上作图，通过各点作直线外推至求得，此时从轴截距即为特性粘度。

将实验数据列表如下
浓度比值
起始浓度
2/3
1/2
1/3
1/4

纯溶剂(t0)
t
1

2

3

根据以上计算结果得到()就可代入(1)式，即可算出高聚物的分子量。
六、思考题
1.你在测定分子量时主要的要注意哪几点？
2.为什么在测定完了纯溶剂的流出时间t0后要将它烘干才能测溶液的流出时间？
3.能否只测一个浓度的溶液粘度来求高聚物的分子量？为什么？
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。
    实验报告的内容包括如下：
1、 实验名称、学生姓名、学号、班号和实验日期；
2、 实验目的和要求；
3、 实验仪器、设备与材料；
4、 实验原理；
5、 实验步骤；
6、 实验原始记录；
7、 实验数据计算结果；
8、 实验结果分析，讨论实验指导书中提出的思考题，写出心得与体会。

书是我们时代的生命——别林斯基

　　书籍是巨大的力量——列宁

　　书是人类进步的阶梯———高尔基

　　书籍是人类知识的总统——莎士比亚

　　书籍是人类思想的宝库——乌申斯基

　　书籍——举世之宝——梭罗

　　好的书籍是最贵重的珍宝——别林斯基

　　书是唯一不死的东西——丘特

　　书籍使人们成为宇宙的主人——巴甫连柯

　　书中横卧着整个过去的灵魂——卡莱尔

　　人的影响短暂而微弱，书的影响则广泛而深远——普希金

　　人离开了书，如同离开空气一样不能生活——科洛廖夫

　　书不仅是生活，而且是现在、过去和未来文化生活的源泉 ——库法耶夫

　　书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者———史美尔斯

　　书籍便是这种改造灵魂的工具。人类所需要的，是富有启发性的养料。而阅读，则正是这种养料———雨果