实验三 甲基丙烯酸甲酯本体聚合制有机玻璃板 2

实验三 甲基丙烯酸甲酯本体聚合制有机玻璃板

一、实验目的

1、了解自由基本体聚合的特点和实验方法

2、 掌握和了解有机玻璃的制造和操作技术的特点，并测定制品的透光率

二、实验原理

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。本体聚合的优点是产品纯净，尤其是可以制得透明样品，其缺点是散热困难，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通过本体聚合方法制成。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含不饱和双键、结构不对称，易发生聚合反应，其聚合热为56.5 kJ/mol。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，后将聚合物浇注到制品型模内，再开始缓慢后聚合成型。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

三角烧杯一个、三口烧瓶一个、搅拌装置一套、球形冷凝管一根、71型或72型分光光度计，内卡尺游标，硅玻璃片三片

甲基丙烯酸甲酯MMA 30g、过氧化二苯甲酰(BPO) 0.03g

四、实验步骤

1、有机玻璃板的制备，一般分为下列几个主要步骤： (1)制模；(2)预聚合(制浆)；(3)灌浆；(4)后聚合；(5)脱模。

（1）制模： 取三块40mm×70mm硅玻璃片洗净并干燥。把三块玻璃片重叠、并将中间一块纵向抽出约30mm，其余三断面用涤纶绝缘胶带封牢。将中间玻璃抽出，作灌浆用。

（2）预聚合： 在100ml三角烧杯中加入甲基丙烯酸甲酯30g，再称量BPO重0.03g，轻轻摇动至溶解，倒入三口烧瓶中。搅拌下于80～90℃水浴中加热预聚合，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），迅速冷却至室温。

（3）灌桨： 将冷却的粘液慢慢灌入模具中，垂直放置10分钟赶出气泡，然后将模口包装密封。

（4）聚合： 将灌浆后的模具在50℃的烘箱内进行低温聚合6h，当模具内聚合物基本成为固体时升温到100℃，保持2小时。

（5）脱模： 将模具缓慢冷却到50～60℃，撬开硅玻璃片，得到有机玻璃板。[1]

实验过程与数据记录 甲基丙烯酸甲酯：30g 过氧化二苯甲酰：0.03g 预聚合温度： 89℃

预聚合时间为30min时，晃动一下锥形瓶，查看其粘度刚好合适，取出迅速冷却

至室温。

灌注聚合浆液：冷却至室温后灌注，赶出其中的微小气泡

注意事项：

1、预聚合的粘度一定要适中，不能过稀，过稀说明预聚合不充分，聚合时容易出现暴聚；也不能过大，过大的话，灌注模具中时产生气泡很难赶出。 2、为了产品脱模方便，可在硅玻璃片表面涂一层硅油，但量一定要少，否则影响产品的透光度。

五、回答问题与讨论

1、本体聚合的主要优缺点是什么？如何克服本体聚合中的“凝胶效应”？ 答：优点在于链转移反应少，反应速度快；产物干净，分子量高

缺点在于容易产生自动加速效应，甚至出现暴聚，分子量分布较宽 采用两段聚合：第一阶段保持较低转化率，10%~35%不等，粘度较低，可以再普通聚合釜中进行；第二阶段转化率和粘度较高，则在特殊设计的反应器内聚合。

2、本实验的关键是预聚合，如果预聚合反应进行的不够会出现什么问题？ 答：MMA的密度小于聚合物，为了防止反应过程中出现明显的体积缩聚； 单体在聚合过程中会放出大量的热，进行预聚合先进行散热，防止出现暴聚

3、为什么制备有机玻璃板引发剂一般使用BPO而不用AIBN？

答：AIBN做引发剂时，分解为自由基会产生N2，在聚合反应后期，会造成较大的影响。而BPO分解为自由基时，有单体即进行聚合，没有单体时，才会放出CO2 控制得当，可以避免CO2的产生