44a、丙烯酰胺水溶液聚合

高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告08高分子（一）班夏jh0814121039吳qs0814121038溫jp0814121037實(shí)驗(yàn)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，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：三、主要儀器和試劑三口瓶，球形冷凝管，溫度計(jì)，丙烯酰胺，甲醇，過硫酸鉀(或過硫酸銨)，氮?dú)庋b置圖四、實(shí)驗(yàn)步驟1.步驟:在250mL的三口瓶中，中間口安裝攪拌器，分別裝上一個(gè)溫度計(jì)和一個(gè)冷凝管。分析：裝上攪拌棒時(shí)，應(yīng)先保證攪拌棒豎直，然后可開啟攪拌器，觀察整個(gè)裝置震蕩程度，（反應(yīng)裝置應(yīng)要求有較小的震蕩）；2.步驟：將10g(0.14mol)丙烯酰胺和80ml蒸餾水加入反應(yīng)瓶中，開動(dòng)攪拌器，用水浴加熱至30℃，使單體溶解。把0.05g過硫酸鉀溶解在10ml蒸餾水中，溶解后加入反應(yīng)三口瓶內(nèi)，并用10ml蒸餾水洗滌溶解燒杯。逐步升溫到90℃，這時(shí)聚合物便逐漸形成，在90℃下反應(yīng)2~3h?，F(xiàn)象：a.把蒸餾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，有少部分白色絮狀物漂浮在液體表面，一段時(shí)間后（幾分鐘），仍然不溶解；開啟攪拌器，調(diào)轉(zhuǎn)速到300r/min，加熱水浴到30℃，加熱攪拌十幾分鐘后，白色絮狀物被打成較小的白色絮狀物，懸浮在溶液中，但也不溶解；b.把溶解有過硫酸鉀的溶液加入到反應(yīng)瓶中，溶液中立即出現(xiàn)更多的白色絮狀物；c.加熱時(shí)，白色絮狀物減少，當(dāng)加熱到47℃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℃左右時(shí)，黏度劇增到糨糊裝，當(dāng)加熱到83℃時(shí)，粘度變得很大，能夠拉成十來厘米長的線；分析：a.由后面c可以判斷，少部分白色絮狀物也應(yīng)該是聚丙烯酰胺，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；b.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；c.白色絮狀物是反應(yīng)產(chǎn)物，隨溫度的升高，聚合物的溶解度增加，使高分子聚合物溶解；d.當(dāng)加熱到70℃左右時(shí)，反應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行到相當(dāng)?shù)某潭?，高分子連也有一定的濃度，故有一定的黏度，當(dāng)溫度升高到83℃時(shí)，黏度變大，這時(shí)主要是由于轉(zhuǎn)化率的增加，高分子連增多，其濃度也增大，隨攪拌的進(jìn)行，高分子連間相互纏繞，使黏度怎加；e.另外，在加入水、單體、引發(fā)劑的水溶液時(shí)，應(yīng)先加單體，再加水，最后把引發(fā)劑水溶液加入到單體水溶液中，切忌不能把單體水溶液加入引發(fā)劑水溶液中，避免開始引發(fā)劑過多而馬上反應(yīng)，從而造成分子量較小，最后又沒有引發(fā)劑，轉(zhuǎn)化率不高。3.步驟：反應(yīng)完畢，將所得到的產(chǎn)物取部分倒入盛有50ml甲醇的100ml燒杯中，邊倒邊攪拌，聚丙烯酰胺便沉淀下來，觀察現(xiàn)象。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)白色沉淀呈膠棉狀，且隨時(shí)間的推移，溶液慢慢變成白色；分析：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析出，而是先析出表面，從而包裹聚合溶液，使之呈白色膠狀；六、思考題1、簡述水、單體、聚合高分子、甲醇在實(shí)驗(yàn)中的溶解情況.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，但甲醇與聚合物不相容……2、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。3、什么是爬桿效應(yīng)？高分子熔體或濃溶液之所以出現(xiàn)爬桿效應(yīng)，其原因是：轉(zhuǎn)軸表面線速度較高，靠近轉(zhuǎn)軸表面的分子鏈被拉伸取向，并纏繞在軸上，經(jīng)拉伸取向后的分子鏈段有自發(fā)恢復(fù)到卷曲構(gòu)象的傾向，造成在封閉圓環(huán)上液體的拉力，這種拉力力圖使圓環(huán)直徑變小，因而產(chǎn)生了向心法向應(yīng)力，使液體產(chǎn)生向心運(yùn)動(dòng)，直到與液體的慣性力（離心力）相平衡。液體的向心流動(dòng)必然造成圓環(huán)中心的密度和壓力增大的狀況。壓力的增大表現(xiàn)在各個(gè)方向上，其中也使與轉(zhuǎn)軸線平行的方向上產(chǎn)生應(yīng)力，稱為軸向應(yīng)力。由于液體上部的壓力較低，因此液體產(chǎn)生了沿軸上升的運(yùn)動(dòng)（與重力平衡）。

這種現(xiàn)象也稱為韋森堡效應(yīng)或包軸效應(yīng)。4、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。5、溶液聚合的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)答：優(yōu)點(diǎn):溶液聚合體系粘度較低,混合和傳熱較易,溫度易控制,較少凝膠效應(yīng),可避免局部過熱.缺點(diǎn):1.單體濃度較低,致使聚合速率較慢,設(shè)備生產(chǎn)能力較低;2.單體濃度低和向溶劑鏈轉(zhuǎn)移到雙重結(jié)果,使聚合物分子量降低;3.溶劑分離回收費(fèi)用高,除凈聚合物中殘留溶劑困難.6、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