甲基丙烯酸甲酯的本体聚合和有机玻璃的制备

一、实验目的

1.了解自由基本体聚合的特点和实施方法。

2.熟悉有机玻璃柱的制备方法，了解其工艺过程。

二、 实验原理

     甲基丙烯酸甲酯在过氧化苯甲酰引发剂存在下进行如下聚合反应：

    本体聚合是指单体仅在少量的引发剂存在下进行的聚合反应，或者直接在热、光和辐照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，由于聚合后期体系粘度大，聚合热难以散去，反应控制困难，导致产品发黄，出现气泡，从而影响产品的质量。

    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，而单体分子的扩散受到的影响不大，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，结果使得聚合反应速度增加，聚合物分子量变大，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”式地加速进行而失去控制，出现爆聚现象。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取无瑕疵型材的关键。

    聚甲基丙烯酸甲酯为无定形聚合物，具有高度的透明性，因此称为有机玻璃。聚甲基丙烯酸甲酯具有较好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导而不逸出，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，可以使用甲基丙烯酸甲酯与苯乙烯等单体共聚来改善耐磨性。

    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，在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于散热，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%之后，聚合体系粘度增加，聚合速率显著增加。此时应该停止第一阶反应，将聚合浆液转移到模具中，低温反应较长时间。当转化率达到90%以上后，聚合物也已成形，可以升温使单体完全聚合。引发剂的使用量应视制备的制品厚度而定。

三、实验仪器、试剂

甲基丙烯酸甲酯 过氧化苯甲酰 试管 恒温水浴 温度计 试管夹

四、实验步骤

1. 取试管一支，用洗液、自来水、蒸馏水依次洗涤干净，烘干备用。

2. 准确称取0.005g过氧化苯甲酰，量取5ml甲基丙烯酸甲酯，放入试管，混合均匀，使过氧化苯甲酰完全溶解。为防止水汽进入试管，用纸将口封好。

3. 将试管置于80-90℃恒温水浴槽加热（记下放入时间），每隔一定时间观测聚合现象，分别记录聚合管中甲基丙烯酸甲酯变稠的时间，以及聚合至不流动的时间，此时停止加热。在加热时要控制好温度，保持聚合反应平稳进行，否则会出现爆聚现象

4. 置于40℃水浴中继续进行反应，约需24小时，而后升温，分别在60℃、80℃、100℃保温一小时。取出，得到透明无色的固体有机玻璃。

五、实验结果和数据记录

实验结果：得到透明无色的固体有机玻璃柱。

六、讨论

甲基丙烯酸甲酯的本体聚合为何要分为几个阶段进行。

第二篇：实验二：甲基丙烯酸甲酯的本体聚合--有机玻璃的制备

实验二甲基丙酸烯甲酯的本体聚合----有机玻璃的制备

一、目的和要求

1.通过实验了解本体聚合基本原理和特点,并着重了解聚合温度对产品质量的影响。

2.掌握有机玻璃制备的操作技术。

二、聚合原理

反应式：

3nCH233CH23

本体聚合是指单体在少量引发剂下或者直接在热、光和辐射作用下进行的聚合反应，因此本体聚合具有产品纯度高、无需后处理等特点。本体聚合常常用于实验室研究，如聚合动力学的研究和竞聚率的测定等。工业上多用于制造板材和型材，所用设备也比较简单。本体聚合的缺点是散热困难，易发生凝胶效应，工业上常采用分段聚合的方式。

有机玻璃板就是甲基丙烯酸甲酯（MMA）通过本体聚合方法制成，聚合热为56.5kJ/mol。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)具有优良的光学性能、密度小、机械性能、耐候性好。在航空、光学仪器，电器工业、日用品方面有着广泛用途。MMA在本体聚合中的突出特点是有“凝胶效应”，即在聚合过程中，当转化率达10%-20%时，聚合速率突然加快。物料的粘度骤然上升，以致发生局部过热现象。其原因是由于随着聚合反应的进行，物料的粘度增大，活性增长链移动困难，致使其相互碰撞而产生的链终止反应速率常数下降；相反，单体分子扩散作用不受影响，因此活性链与单体分子结合进行链增长的速率不变，总的结果是聚合总速率增加，以致发生爆发性聚合。由于本体聚合没有稀释剂存在，聚合热的排散比较困难，“凝胶效应”放出大量反应热，使产品含有气泡影响其光学性能。因此在生产中要通过严格控制聚合温度来控制聚合反应速率，以保证有机玻璃产品的质量。

甲基丙烯酸甲酯本体聚合制备有机玻璃常常采用分段聚合方式，先在聚合釜内进行预聚合，后将预聚合物浇注到制品型模内，再开始缓慢后聚合反应聚合成型。预聚合有几个好处，一是缩短聚合反应的诱导期并使“凝胶效应”提前到来，以便在灌模前移出较多的聚合热，以利于保证产品质量；二是可以减少聚合时的体积收缩，因MMA由单体变成聚合体体积要缩小20％-22％，通过预聚合可使收缩率小于12%，另外浆液粘度大，可减少灌模的渗透损失。

三、仪器和试剂

仪器:100mL三角烧瓶（标准口）、回流冷凝管、磁力搅拌恒温水浴锅、玻璃漏斗、试管或其它形状的玻璃模具。

试剂:甲基丙烯酸甲酯(MMA.20g约21ml)、过氧化二苯甲酰(BPO引发剂,0.05g)。

四、实验步骤

1.制浆(预聚)

在洁净、干燥的100ml三角烧杯中加入甲基丙烯酸甲酯20g，再称量BPO重0.02g（0.1%），轻轻摇动至溶解，在该锥形瓶上安装回流装置并用水浴加热。磁力搅拌下于86～90℃加热预聚合，观察反应的粘度变化至形成粘性薄浆（似甘油状或稍粘些，反应需0.5～1小时），迅速冷却到40℃停止聚合反应。

2.成型（有机玻璃棒材的制备）

将上述制得的预制物,通过小漏斗,小心地由开口处灌入洁净,干燥的试管或其它形状的玻璃模具中,然后将灌好的模具放入50℃的烘箱中,保持6小时。然后升温至70℃，保持半小时。最后升温至95℃，保持半小时。最后取出试管，冷却后将试管砸碎，得一透明光滑的有机玻璃棒。

五.思考题

1.本体聚合与其它聚合方法比较有何特点?

2.采用预制浆的目的?

3.本体聚合与其它聚合为何要在低温下聚合然后升温,如何避免有机玻璃中产生气泡?

4.MMA单体比重为0.94,聚合物比重为1.99,计算安全聚合后体积的收缩率,若要制得厚5mm,长20mm,宽15mm的有机玻璃平板,所需的单体量为几何?