甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的聚合反应.docx
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甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的聚合反应
甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的聚合反应
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高，而且单体活性大，如果采用常压蒸馏会由于温度过高而产生聚合反应，所以需要通过减压蒸馏降低化合物的沸点温度。
三．主要仪器和试剂
←减压蒸馏装置
1－蒸馏瓶；2－毛细管；3－球形分馏柱；4－温度计；5－直形冷凝管；6－分流头；7－前馏分接收瓶；8－接收瓶；9－温度计
实验仪器：
500ml分液漏斗1个，500ml试剂瓶2个，500ml烧杯2个，500ml三口瓶1个，毛细管1根，球形分馏柱1根，0~100℃温度计2支，接受瓶（50ml和500ml各一），恒温水浴一套，真空系统一套，玻璃棒。
实验试剂：
丙烯酸丁酯，氢氧化钠，无水硫酸钠，去离子水。
四．实验步骤
（1）实验准备:
配置5%NaOH溶液：
在500ml烧杯中加入10.5g氢氧化钠，并加入200ml去离子水，用玻璃棒搅拌溶液，并冷却时室温备用；
丙烯酸丁酯的碱洗和干燥：
在500ml分液漏斗中加入250ml丙烯酸丁酯单体，用预先配好的5%氢氧化钠溶液洗涤3-4次至无色（每次用量约40-50ml）。
然后用去离子水（蒸馏水）洗至中性，放入试剂瓶中加入硫酸钠适量（分子筛/硅胶），干燥3天以上；
（2）图1-2所示安装蒸馏装置，并与真空体系、高纯氮体系连接。
（3）将干燥好的丙烯酸丁酯单体过滤去除干燥剂后加入三口烧瓶中，加热开始抽真空，控制体系的压力为30mmHg，收集64℃的馏分。
由于单体的沸点于真空度密切相关，所以真空度的控制要仔细，使体系在真空度在整流过程中保证稳定。
馏分流出速度控制在1-2滴／秒为宜。
（4）精制好的丙烯酸丁酯单体密封后放入冰箱保存待用。
②甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的聚合
实验方案——乳液聚合
1.主要试剂和仪器
试剂：
甲基丙烯酸甲酯丙烯酸丁酯十二烷基硫酸钠，水，过硫酸钠、亚硫酸钠（引发剂，需要查资料：
总量与两者比例）
仪器：
烧杯电子天平电子分析天平玻棒恒温磁力搅拌器冷凝管恒温水浴滴液漏斗四颈瓶水银温度计
2:
实验步骤
1）制备
1.乳化剂十二烷基硫酸钠，加入溶剂水80g，混合均匀，投入到250ml、配有冷凝管的三颈瓶中，
2.准确称取50g丙烯酸丁酯，加入引发剂过硫酸钠0.2g，亚硫酸钠，开启冷却水，采用水浴恒温。
开动搅拌，将10g甲基丙烯酸甲酯慢慢滴到溶液中，（丙烯酸丁酯与甲基丙烯酸甲酯开始直接混合）待反应完全，升温至80度，保温1小时（时间要长一些）。
（丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯，做几组不同比例含量的实验）
2）制模（载玻片上成膜）
取两块幻灯片洗净，烘干，幻灯片外板垫上适当厚度的垫片，并在四周预留一条进口，膜厚2~3mm,尺寸15x20cm。
3）成型
自然冷却，除去牛皮纸，小心拿开幻灯片可得有机膜。
③甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的聚合物的表征
一、聚合物的转化率
【实验聚合过程中定时测，单体滴加完毕后，30min测一次】
聚合反应结束后，经除杂后，称取实验产物记录聚合物的质量为W，并记录反映前经精致的各单体的质量和W1+W2，则
转化率=W/（W1+W2）*100%
【初始（理论）的固含量：
单体/（单体+水）
反应过程中的固含量：
单体/（单体+水）
反应过程中的转化率：
反应过程中的固含量/理论的固含量】
二、聚合物膜的红外测试
1、实验原理
分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到分子的振动-转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱。
红外吸收光谱也是一种分子吸收光谱。
当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁,使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。
记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。
紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机物，特别是具有共轭体系的有机化合物，而红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物（没有偶极矩变化的振动在拉曼光谱中出现）。
因此，除了单原子和同核分子如Ne、He、O2、H2等之外，几乎所有的有机化合物在红外光谱区均有吸收。
除光学异构体，某些高分子量的高聚物以及在分子量上只有微小差异的化合物外，凡是具有结构不同的两个化合物，一定不会有相同的红外光谱。
通常红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度，反映了分子结构上的特点，可以用来鉴定未知物的结构组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团的含量有关，可用以进行定量分析和纯度鉴定。
由于红外光谱分析特征性强，气体、液体、固体样品都可测定，并具有用量少，分析速度快，不破坏样品的特点。
因此，红外光谱法不仅与其它许多分析方法一样，能进行定性和定量分析，而且该法是鉴定化合物和测定分子结构的最有用方法之一。
物质的红外光谱是其分子结构的反映，谱图中的吸收峰与分子中各基团的振动形式相对应。
多原子分子的红外光谱与其结构的关系，一般是通过实验手段得到。
这就是通过比较大量已知化合物的红外光谱，从中总结出各种基团的吸收规律。
实验表明，组成分子的各种基团，如O-H、N-H、C-H、C=C、C=OH和C≡C等，都有自己的特定的红外吸收区域，分子的其它部分对其吸收位置影响较小。
通常把这种能代表及存在、并有较高强度的吸收谱带称为基团频率，其所在的位置一般又称为特征吸收峰。
要获得一张高质量红外光谱图，除了仪器本身的因素外，还必须有合适的样品制备方法。
（1）红外光谱法对试样的要求
红外光谱的试样可以是液体、固体或气体，一般应要求：
试样应该是单一组份的纯物质，纯度应>98%或符合商业规格才便于与纯物质的标准光谱进行对照。
多组份试样应在测定前尽量预先用分馏、萃取、重结晶或色谱法进行分离提纯，否则各组份光谱相互重叠，难于判断。
试样中不应含有游离水。
水本身有红外吸收，会严重干扰样品谱，而且会侵蚀吸收池的盐窗。
试样的浓度和测试厚度应选择适当，以使光谱图中的大多数吸收峰的透射比处于10%~80%范围内。
（2）制样的方法
1.气体样品
气态样品可在玻璃气槽内进行测定，它的两端粘有红外透光的NaCl或KBr窗片。
先将气槽抽真空，再将试样注入。
2.液体和溶液试样
①液体池法
沸点较低，挥发性较大的试样，可注入封闭液体池中，液层厚度一般为0.01~1mm。
②液膜法
沸点较高的试样，直接直接滴在两片盐片之间，形成液膜。
对于一些吸收很强的液体，当用调整厚度的方法仍然得不到满意的谱图时，可用适当的溶剂配成稀溶液进行测定。
一些固体也可以溶液的形式进行测定。
常用的红外光谱溶剂应在所测光谱区内本身没有强烈的吸收，不侵蚀盐窗，对试样没有强烈的溶剂化效应等。
3.固体试样
①压片法
将1~2mg试样与200mg纯KBr研细均匀，置于模具中，用（5~10）⨯107Pa压力在油压机上压成透明薄片，即可用语测定。
试样和KBr都应经干燥处理，研磨到粒度小于2微米，以免散射光影响。
②石蜡糊法
将干燥处理后的试样研细，与液体石蜡或全氟代烃混合，调成糊状，夹在盐片中测定。
③薄膜法
主要用于高分子化合物的测定。
可将它们直接加热熔融制或压制成膜。
也可将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂中，涂在盐片上，待溶剂挥发后成膜测定（本实验采用此方法）。
下图为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯共聚物的红外光谱图。
我们可以从图中看出，在1400cm-1——1600cm-1区域，共聚物呈现出三条吸收带。
1430cm-1是甲基的弱线，其中一条强谱带在1486cm-1处，它是由于主链甲基（-C-CH3）的弯曲振动引起的。
这条谱带在共聚物中随着甲基丙烯酸甲酯成分的增减而增减。
当全部是丙烯酸丁酯时消失。
而另一个强谱带在1451cm-1，它在共聚物的成分中不发生明显的变化。
可能是由于主链亚甲基（-CH2）的振动引起的。
因此这两条谱带被用作主链甲基和亚甲基基团的定量测量依据。
1、仪器与药品
仪器：
NicoletAvatar360型红外分光光度计
药品：
聚合物膜
2、实验内容
通过红外光谱法对产品进行表征，通过分析图谱确认产物，并学会如何对聚合物膜的红外测试方法
3、实验步骤
将产物直接加热熔融或压制成膜，进行红外光谱测定，根据标准谱图对比判断产物是否合格
三、聚合物膜的接触角的测量
1、实验原理
润湿是自然界和生产过程中常见的现象。
通常将固-气界面被固-液界面所取代的过程称为润湿。
将液体滴在固体表面上，由于性质不同，有的会铺展开来，有的则粘附在表面上成为平凸透镜状，这种现象称为润湿作用。
前者称为铺展润湿，后者称为粘附润湿。
如水滴在干净玻璃板上可以产生铺展润湿。
如果液体不粘附而保持椭球状，则称为不润湿。
如汞滴到玻璃板上或水滴到防水布上的情况。
此外，如果是能被液体润湿的固体完全浸入液体之中，则称为浸湿。
上述各种类型示于图1。
图1各种类型的润湿
当液体与固体接触后，体系的自由能降低。
因此，液体在固体上润湿程度的大小可用这一过程自由能降低的多少来衡量。
在恒温恒压下，当一液滴放置在固体平面上时，液滴能自动地在固体表面铺展开来，或以与固体表面成一定接触角的液滴存在，如图2所示。
图2接触角
假定不同的界面间力可用作用在界面方向的界面张力来表示，则当液滴在固体平面上处于平衡位置时，这些界面张力在水平方向上的分力之和应等于零，这个平衡关系就是著名的Young方程，即
γSG-γSL=γLG·cosθ
（1）
式中γSG，γLG，γSL分别为固-气、液-气和固-液界面张力；θ是在固、气、液三相交界处，自固体界面经液体内部到气液界面的夹角，称为接触角，在0o-180o之间。
接触角是反应物质与液体润湿性关系的重要尺度。
在恒温恒压下，粘附润湿、铺展润湿过程发生的热力学条件分别是：
粘附润湿Wa=γSG-γSL+γLG≥0
（2）
铺展润湿S=γSG-γSL-γLG≥0（3）
式中Wa，S分别为粘附润湿、铺展润湿过程的粘附功、铺展系数。
若将
（1）式代入公式
（2）、（3），得到下面结果：
Wa=γSG+γLG－γSL=γLG（1+cosθ）（4）
S=γSG-γSL-γLG=γLG（cosθ-1）（5）
以上方程说明，只要测定了液体的表面张力和接触角，便可以计算出粘附功、铺展系数，进而可以据此来判断各种润湿现象。
还可以看到，接触角的数据也能作为判别润湿情况的依据。
通常把θ＝90°作为润湿与否的界限，当θ＞90°，称为不润湿，当θ＜90°时，称为润湿，θ越小润湿性能越好；当θ角等于零时，液体在固体表面上铺展，固体被完全润湿。
接触角是表征液体在固体表面润湿性的重要参数之一，由它可了解液体在一定固体表面的润湿程度。
接触角测定在矿物浮选、注水采油、洗涤、印染、焊接等方面有广泛的应用。
决定和影响润湿作用和接触角的因素很多。
如，固体和液体的性质及杂质、添加物的影响，固体表面的粗糙程度、不均匀性的影响，表面污染等。
原则上说，极性固体易为极性液体所润湿，而非极性固体易为非极性液体所润湿。
玻璃是一种极性固体，故易为水所润湿。
对于一定的固体表面，在液相中加入表面活性物质常可改善润湿性质，并且随着液体和固体表面接触时间的延长，接触角有逐渐变小趋于定值的趋势，这是由于表面活性物质在各界面上吸附的结果。
接触角的测定方法很多，根据直接测定的物理量分为四大类：
角度测量法、长度测量法、力测量法，透射测量法。
其中，液滴角度测量法是最常用的，也是最直截了当的一类方法。
它是在平整的固体表面上滴一滴小液滴，直接测量接触角的大小。
为此，可用低倍显微镜中装有的量角器测量，也可将液滴图像投影到屏幕上或拍摄图像再用量角器测量，这类方法都无法避免人为作切线的误差。
本实验所用的仪器JC2000C1静滴接触角/界面张力测量仪就可采取量角法和量高法这两种方法进行接触角的测定。
2、仪器与药品
仪器：
JC2000C1静滴接触角/界面张力测量仪，微量注射器，容量瓶，镊子，玻璃载片，聚合物膜
试剂：
蒸馏水
3、实验内容
考察水在不同固体表面上的接触角。
4、实验步骤
接触角的测定
（1）开机。
将仪器插上电源，打开电脑，双击桌面上的JC2000C1应用程序进入主界面。
点击界面右上角的活动图象按钮，这时可以看到摄像头拍摄的载物台上的图象。
（2）调焦。
将进样器或微量注射器固定在载物台上方，调整摄像头焦距到0.7倍（测小液滴接触角时通常调到2倍～2.5倍），然后旋转摄像头底座后面的旋钮调节摄像头到载物台的距离，使得图象最清晰。
（3）加入样品。
可以通过旋转载物台右边的采样旋钮抽取液体，也可以用微量注射器压出液体。
测接触角一般用0.6μL～1.0μL的样品量最佳。
这时可以从活动图象中看到进样器下端出现一个清晰的小液滴。
（4）接样。
旋转载物台底座的旋钮使得载物台慢慢上升，触碰悬挂在进样器下端的液滴后下降，使液滴留在固体平面上。
（5）冻结图象。
点击界面右上角的冻结图象按钮将画面固定，再点击File菜单中的Saveas将图象保存在文件夹中。
接样后要在20s（最好10s）内冻结图像。
（6）量角法。
点击量角法按钮，进入量角法主界面，按开始键，打开之前保存的图象。
这时图象上出现一个由两直线交叉45度组成的测量尺，利用键盘上的Z、X、Q、A键即左、右、上、下键调节测量尺的位置：
首先使测量尺与液滴边缘相切，然后下移测量尺使交叉点到液滴顶端，再利用键盘上<和>键即左旋和右旋键旋转测量尺，使其与液滴左端相交，即得到接触角的数值。
另外，也可以使测量尺与液滴右端相交，此时应用180°减去所见的数值方为正确的接触角数据，最后求两者的平均值。
（7）量高法。
点击量高法按钮，进入量高法主界面，按开始键，打开之前保存的图象。
然后用鼠标左键顺次点击液滴的顶端和液滴的左、右两端与固体表面的交点。
如果点击错误，可以点击鼠标右键，取消选定。
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