甲基丙烯酸甲酯的本体聚合

一、       实验目的

（1） 了解本体聚合的基本原理以及特点，特别是了解温度对产品的影响；

（2）了解有机玻璃（PMMA）的制备技术，要求成品无气泡，无损缺，透明光洁。

二、       实验原理

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），俗称有机玻璃，因其优良的光学性能，比重小，以及在低温下仍能保持其独特的性能而被广泛的应用，则它是重要的合成材料之一。

本实验是用过氧化苯甲酰（BPO）为引发剂，甲基丙烯酸甲酯进行自由基聚合。本体聚合的具体过程是：

1、引发剂分解

2、链引发

3、链增长

4、链终止

A．偶合终止

B．歧化终止

其中，甲基丙烯酸甲酯在60℃以上时聚合，以歧化终止为主。

本体聚合反应是一个连锁反应，反应速度很快，伴随着聚合物的生成出现自动加速现象，并且甲基丙烯酸甲酯不是聚合物的良溶剂，长脸自由基有一定程度的卷曲，自动加速效应更加明显。因为引发是通过小分析的单分子的分解发生的，而生长只需要单体移动到生长链的末端，所以这两个过程的聚合速率再聚合初期并不特别依赖相应反应物在在介质中扩散的能力。另一方面，双分子终止需要在粘度增加到一定程度后，终止速率将被扩散速率所控制，而引发和生长速率则不受影响。这种在速率上的不连续性突然破坏了连锁反应的稳定状态，终止生长的链段数少于开始生长的链段数，导致反应速率与放热速率随反应进行而增加。这种效应称之为“自动加速效应”。由于粘度增加，散热困难，会发生“爆聚”。

因此，本体聚合要求严格控制不同反应阶段的温度，随时排除反应热是很有必要的。

在本体聚合反应开始前，通常有一段诱导期，聚合速度为零，体系无粘度变化。然后反应逐步进行。当转化率超过20%之后，聚合速度显著加快，称为自加速效应，此时若控制不当，体系易发生暴聚而使产品性能变坏。而转化率达80%之后，聚合速率显著减小，最后几乎停止聚合反应，需升高温度才能使之完全聚合。

三、       实验药品及仪器

药品：过氧化苯甲酰（BPO）（0.05g）---

甲基丙烯酸甲酯（MMA）（15mL）---

仪器：恒温水浴锅、三口烧瓶、直型冷凝管、磨口锥形瓶、牛角管、温度计、天平、小试管等。

四、       实验装置图

五、       实验步骤与现象分析

大致流程图：

步骤（1）：预聚

洗净并干燥玻璃仪器，同时加热水浴锅到80~90℃。称取0.05g 引发剂BPO，放入带磨口的小锥形瓶中，再加入15ml 单体MMA。在水浴锅中加热锥形瓶，盖上塞子（不要老是摇动），当瓶内的预聚物粘度与甘油（或新鲜蜂蜜）粘度相近时，立即停止加热，冷却至室温。

现象：[引发剂BPO在单体MM里经摇荡至溶解，得无色液体。加热刚开始反应无明显变化，之后溶液颜色稍偏微黄，粘度逐渐增大，粘稠状类似甘油，由搅拌器速度下降也可以看出粘度增大]

分析：[应用MMA本体聚合的引发剂主要是偶氮类与过氧化物油溶性引发剂；反应逐渐进行，粘度增大，大分子链活性降低，阻碍了双基终止，然而由于单体仍可以和小分子链接触生长，链仍在增长，则导致了自动加速现象]

步骤（2）：灌模

取一干燥洁净的试管（加入少许叶片、花瓣和纸片），为避免有气泡产生，将预聚物缓慢、呈细流线状倒入试管中，注意切勿完全灌满，应预留一定空间以防胀裂。

现象：[粘稠状预聚物有刺激性气味]

步骤（3）：聚合

将试管封口，放在40~50℃的烘箱中聚合24 小时，直至硬化。最后在100℃情况下处理0.5 至1 小时，使反应趋于完全。

步骤（4）：脱模

敲碎试管，得聚合物有机玻璃。

现象：[得到光洁透明无气泡的有机玻璃成品，但花草表面有一层乳白色的小点，处于模具顶部的边缘部分并非坚硬的玻璃状，橡胶质感较强]

分析：[可能是因为顶部边缘与氧气接触较多，氧在低温时的阻聚作用，使聚合反应停留在弹性态造成的]

六、       实验产物拍照

七、       实验思考与讨论分析

（1）与其他聚合方法相比，本体聚合的优缺点有哪些？

答：特点：产品纯净，电性能好，可直接进行浇铸成型；生产设备利用率高，操作简单，不需要复杂的分离、提纯操作。优点：生产工艺简单，流程短，使用生产设备少，投资较少；反应器有效反应容积大，生产能力大，易于连续化，生产成本低．缺点：热效应相对较大，自动加速效应造成产品有气泡，变色，严重时则温度失控，引起爆聚，使产品达标难度加大．由于体系粘度随聚合不断增加，混合和传热困难；在自由基聚合情况下，有时还会出现聚合速率自动加速现象，如果控制不当，将引起爆聚；产物分子量分布宽，未反应的单体难以除尽，制品机械性能变差等。

（2）什么是自动加速效应？

答：当本体聚合至一定阶段后，体系粘度大大增加，这时大分子活性链移动困难，但单体分子的扩散并不受多大的影响，因此，链引发、链增长仍然照样进行，而链终止反应则因为粘度大而受到很大的抑制。这样，在聚合体系中活性链总浓度就不断增加，结果必然使聚合反应速度加快。又因为链终止速度减慢，活性链寿命延长，所以产物的相对分子质量也随之增加。这种反应速度加快，产物相对分子质量增加的现象称为自动加速现象(或称凝胶效应)。

（3）制备有机玻璃时，为什么需要首先制成具有一定粘度的预聚物?

答：有机玻璃是通过甲基丙烯酸甲酯的本体聚合制备的。首先制成具有一定粘度的预聚物有两个原因：A、甲基丙烯酸甲酯的密度小于聚合物的密度，在聚合过程中出现较为明显的体积收缩，预聚合可以避免体积过度收缩；B、单体在聚合过程中会产生大量的热，如果不能及时散热，很容易产生自动加速而引发爆聚。先进行预聚合，有助与聚合过程中的散热，防止爆聚现象的发生。

（4）氧气的存在对实验有什么影响？实验中是如何避免的？

答：1.氧对甲基丙烯酸甲酯的聚合有双重影响，随温度的变化，它既可起引发剂的作用，又可起阻滞作用。在低温条件下，氧能与游离基或游离基团直接结合生成稳定的基团，使后者失去活性，所以，低温下氧是阻聚剂。在低温聚合后期，当其它部分都已聚合固化时，与氧直接接触的那部分单体及其附近，还呈粘滞态或弹性态，就是由于这个原因引起的。在高温下，已经与氧结合的单体过氧化物会分解而生成新的活化中心，反应速率骤增，并大量放热，造成爆聚。

2.A、溶解BPO时不能剧烈搅拌，只能轻轻晃动，防止氧气进入诱发自由基终止，导致引发失败；B、在灌模时，试管稍微倾斜，将冷却的高聚物呈细线形稳定、缓慢流入，这样做的目的同样可以减少氧气的进入，而氧化引发剂或自由基；C、原方案中提到在氮气环境中进行实验，效果可能更好，但鉴于设备复杂性未被采用。

（5）为什么预聚后要在 40~50℃温度下聚合，而不是80~90℃？

答：A、由得，低温会延长引发剂的半衰期。而低温长时间反应最有利于聚合物的形成；B、低温下聚合速率降低,可以大大降低发生爆聚的几率。温度过高会使聚合度下降，因为本体聚合最难以控制的就是散热问题，温度高了产物质量就有影响。

（6）在本体聚合反应过程中，为什么必须严格控制不同阶段的反应温度?

答：A、温度是引发单体，引发聚合反应的主要条件，又是促进聚合，决定聚合速率的主要因素；B、由于温度对链增长与链终止的速度有密切的关系。高温下，链终止的速度超过链增长的速度，高温又能引起链增长的解聚作用，使生成短链的机会增多，因此对产品质量还有直接的影响；C、温度过高，还会引起爆聚，造成事故，产生废品；D、温度控制不均匀易形成局部过热，产品会出现气泡等缺陷。温度控制不当，有时即使不出现明显的缺陷，但由于产品相对分子量的差异，仍然会对产品质量产生影响；E、有机玻璃是热的不良导体，不能盲目的采用强制降温，局部过冷造成的收缩不均匀就导致应力集中，产品表面可能出现裂纹。因此在反应过程中必须严格控制不同阶段的反应温度。

（7）为何在花草周围会出现一层乳白色的小点？

答：灌模时加入一些植物组织，由于其内部含有很高的水分，高温聚合时，水分进入有机玻璃，发生乳化，从而形成一层小点。

（8）凝胶效应进行完毕后，提高反应温度的目的何在?

答：因为预聚后，为了防止在高温下聚合，出现暴聚的现象，导致实验的失败，是在较低的温度下进行聚合的，这样聚合不能进行完全，还有部分的单体未反应,因此需要在较高的温度下再反应一段时间，使反应趋于完全。

（9）什么是浇注成型？有什么特点？

答：1.浇注成型是塑料加工的一种方法。早期的浇铸是在常压下将液态单体或预聚物注入模具内，经聚合而固化成型，变成与模具内腔形状相同的制品。随着成型技术的发展，传统的浇铸概念有所改变，聚合物溶液、分散体和熔体也可用于浇铸成型。在传统浇铸基础上，派生出灌注、嵌铸、压力浇铸、旋转浇铸和离心浇铸等方法。

2.浇铸成型一般不施加压力，对设备和模具的强度要求不高，对制品尺寸限制较小，制品中内应力也低。因此，生产投资较少，可制得性能优良的大型制件，但生产周期较长，成型后须进行机械加工。

第二篇：甲基丙烯酸甲酯的本体聚合

化学化工学院材料化学专业实验报告

实验名称：甲基丙烯酸甲酯的本体聚合（有机玻璃板的制备）

年级：                                               日期：

姓名：                   学号：                     同组人：

一、预习部分

甲基丙烯酸甲酯，无色液体，易挥发，易燃。熔点为-48℃，沸点100-101℃，24℃（4.3kPa），相对密度0.9440（20/4℃），折射率1.4142，闪点（开杯）10℃，蒸气压（25.5℃）5.33kPa。溶于乙醇、乙醚、丙酮等多种有机溶剂，微溶于乙二醇和水。在光、热、电离辐射和催化剂存在下易聚合。

PMMA是以丙烯酸及其酯类聚合所得到的聚合物统称丙烯酸类树酯，相应的塑料统称聚丙烯酸类塑料，其中以聚甲基丙烯酯甲酯应用最广泛。聚甲基丙烯酸甲酯缩写代号为PMMA，俗称有机玻璃，是迄今为止合成透明材料中质最优异的。

二实验部分

1实验目的

（1）：了解自由基本体聚合的特点和实施方法

（2）：熟悉有机玻璃板的制备方法，了解其工艺过程

2：实验原理

本体聚合是指单体仅在少量引发剂存在下进行的聚合反应，或者直接加热，光和辐射作用下进行的聚合反应。本体聚合具有产品纯度高和无需后处理等优点，可直接聚合成各种规格的型材。但是，由于体系粘度大，聚合热难以散去，反应控制困难，导致产品发黄，出现气泡，从而影响产品质量。

本体聚合进行到一定程度，体系粘度大大增加，大分子链的移动困难，而单体分子的扩散收到的影响不大。链引发和链增长反应照常进行，而增长链自由基的终止受到限制，结果使得聚合反应的速度增加，聚合物分子变大，出现所谓的自动加速效应。更高的聚合速率导致更多的热量生成，如果聚合热不能及时散去，会使局部反应雪崩式的加速进行而失去控制，因此，自由基本体聚合中控制聚合速率使聚合反应平稳进行是获得无瑕疵型材的关键。

聚甲基丙烯酸甲酯为无定形聚合物，具有高度的透明性，因此成为有机玻璃。聚甲基丙烯酸甲酯具有较好的耐冲击强度于良好的低温性能，是航空工业和光学仪器制造业的重要材料。有机玻璃表面光滑，在一定的曲率内光线可在其内部传到而不逸出，因此在光导纤维领域得到应用。但是，聚甲基丙烯酸甲酯耐候性差，表面易磨损。可以是甲基丙烯酸甲酯与苯乙烯等单体共聚来改善耐候性。

有机玻璃是通过甲基丙烯酸甲酯的本体聚合制备的。甲基丙烯酸甲酯的密度小于聚合物的密度，再聚合过程中出现较为明显的体积收缩。为了避免体积收缩和有利散热，工业上往往采用二步法制备有机玻璃。在过氧化苯甲酰引发下，甲基丙烯酸甲酯聚合初期平稳反应，当转化率超过20%以后，聚合体粘度增加，聚合速率明显加快，此时应该停止第一阶段反应，将聚合浆液转移到模具中，低温反应较长时间。当转化率打到90%以上后，聚合物业已成型，可以升温使单体完全聚合。引发剂的用量应视制备的制品厚度而定。

三．化学试剂和仪器

化学试剂：过氧化苯甲酰，甲基丙烯酸甲酯

仪器设备：三颈瓶，冷凝管，搅拌器，玻璃板，橡胶管，温度计

四．实验步骤

准确称取70mg的过氧化苯甲酰，80g甲基丙烯酸甲酯，混合均匀，加入到配有冷凝管和温度计的三颈瓶中，水浴加热并开动搅拌器，逐步升温到95度左右，反映至有粘稠产物出现，用玻璃棒沾取少量产物出现拉丝现象即可，粘度大约为甘油粘度两倍，停止加热，迅速将产物倒入事先准备好，用两片玻璃板夹住橡胶管制成的模具中，用夹子夹紧，放入烘箱中，由老是控制温度，持续加热20h。打开烘箱，自然冷却至室温，取下夹子，小心撬开玻璃板，取出制品，洗净，吹干，取部分试样进行分析。

五．实验结果

如图可见，玻璃化温度大约在164度，高于理论数据104度，分析原因可能为引发剂失效或者加入量过少，引发反应没有在预订温度完成，升高温度，能量增高后，反应才被引发。

六．思考题

1.自动加速效应是怎样产生的？对聚合反应有哪些影响？

自加速效应又称自动加速效应。自由基聚合反应进行到一定转化率时，会出现反应速率自动加快的现象。出现自动加速的根本原因是链自由基的终止速率受抑制。产生抑制的因素有两种：凝胶效应(gel effect)或Trommsdorff效应(Trommsdorff effect)或Norrish-Smith效应(Norrish-Smith effect)和沉淀效应。启动加速效应在自由基聚合中是一种较为普遍的现象。这种现象的存在是有害的，常常影响产物的质量。因此，在自由基聚合反应中需减少或避免其发生。一般地讲，采用升高反应温度、在反应体系中加入适量的良溶剂或加入适宜的链转移剂及分阶段聚合等手段均可减少凝胶效应的发生。

2．制备有机玻璃，各阶段的温度应怎样控制，为什么？

有机玻璃制备时，温度前期缓慢升温，升至预定温度后保持小波动，是温度恒定，待反应物反应充分，粘稠以后，倒出，降温，然后放入烘箱内缓慢升温，再恒温，切忌快速升温，或超出预定温度过多，容易发生爆聚。

3．用偶氮二异丁腈作为引发剂制备有机玻璃，为什么厚度越大，加入的引发剂量越小？

原因是偶氮二异丁腈在引发过程中药释放氮气，这时候由于体系粘度很大，不利于气体向外扩散，所以引发剂的用量要控制防止过多的引发剂产生过多气体，在成有机玻璃中产生过多气泡。