高分子化学实验报告.docx
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高分子化学实验报告
高分子方向研究性实验报告
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班级：
10材化生实验班
学号：
Q********
指导老师：
张伟、叶鹏
一、实验总框架图
二、单体精制
三、不同聚合方法制备聚乙酸乙烯酯
1）、溶液聚合
2）、乳液聚合
四、粘度法测试聚乙酸乙烯酯的粘均分子量
五、用红外光谱测定聚乙酸乙烯酯的分子结构
六、醇解聚乙酸乙烯酯以及醇解度分析
1）、低醇解度
2）、高醇解度
3）、醇解度测试
七、醇解后样品的力学性能及红外光谱分析
八、聚乙烯醇缩甲醛
九、核磁表征聚合物的结构特征
十、数据处理及分析
十一、实验总结
摘要
聚乙烯醇是重要的化工原料，用于制造聚乙烯醇缩醛、耐汽油管道和维尼纶合成纤维、织物处理剂、乳化剂、纸张
涂层、粘合剂等。
本实验采用溶液聚合、乳液聚合两种聚合方法制备聚乙酸乙烯酯并用乌氏粘度计测定两种聚合产物的分子量。
使用乳液聚合产物分别进行高、低醇解实验，测定两者的醇解度，并对两种产物分别进行力学性能测试和红外结构表征。
最终对产物进行缩甲醛化。
关键词：
聚乙酸乙烯酯、溶解聚合、乳液聚合、转化率、粘度、分子量、聚乙烯醇、醇解度、缩甲醛
一、实验总框架图
粘度法
分子量
聚乙酸乙烯酯
（溶液聚合、乳液聚合）
醇解
结构表征聚乙烯醇力学性能测定
（红外）（低醇解、高醇解）
缩甲醛
维尼纶
二、乙酸乙烯酯单体精制
2.1.单体精制过程
（1）、取300.0ml乙酸乙烯酯分两次加入到250ml分液漏斗中洗涤。
用饱和NaHSO3溶液充分洗涤三次（每次用量50.0ml）,再用蒸馏水洗涤三次（每次用量50.0ml）；
（2）、用10%Na2CO3溶液洗涤三次（每次用量50.0ml），用蒸馏水洗涤至中性（PH试纸测试）；
（3）、将乙酸乙烯酯放入干燥的500ml磨口锥形瓶中，用20.4g无水硫酸镁干燥2.6h；
（4）、在蒸馏时，蒸馏烧瓶中加入2粒沸石以及0.4g对苯二酚，收集71.8-72.5℃之间的馏分。
（5）、将精制后的单体放入磨口锥形瓶中，玻璃塞封闭放入冰箱中保存。
三、聚合方法
3.1.溶液聚合
3.1.1.实验步骤
（1）、称取30.10g无水乙醇、59.85g乙酸乙烯酯,搅拌情况下通氮气10min，加入0.074gAIBN，通氮气10min；
（2）、至其溶解后升至60℃，反应4h
（3）、将产物溶液加入蒸馏水沉淀完全，过滤得到聚合物。
再将聚合物用丙酮溶解再用水沉淀，进行三次后在室温晾干，放入真空烘箱40℃干燥
（5）、最后得产物质量：
22.608g；产率：
37.77%
3.1.2.转化率测定
温度升到60℃后，每隔1h，取出反应物溶液2g左右（m1），用去离子水沉淀后，将聚合物用丙酮溶解，再用水沉淀，进行3次，将所得聚合物沉淀干燥至恒重（m2）。
确定单体转化率：
单体转化率（质量%）=干燥后的质量（m2）*100%
溶液质量*单体总质量/反应体系总质量
3.2.乳液聚合
3.2.1.实验步骤
（1）、将1.00gOP-10溶于4.28水中，制成质量分数约为20%的OP-10水溶液；将0.196g过硫酸铵溶于4.96ml水待用。
（2）、将100.4g水，5.024g聚乙烯醇（保护胶体），加入5.28gOP-10水溶液，加热至90℃使其溶解
（3）、降温至70℃，停止搅拌，加入1.002gSDS、0.262g碳酸氢钠开启搅拌，再加入7.15g乙酸乙烯酯，通氮气保护。
最后加入已经配好的过硫酸铵水溶液，通氮气10min，反应开始
（4）、体系出现蓝光后，反应15min后缓慢滴加剩余的63.05g乙酸乙烯酯（两小时滴加完）
（5）、滴加完毕之后继续搅拌，70℃反应0.5h，逐步升温至85℃，至无单体回流后，继续反应1.5h。
继续搅拌冷却至室温
（6）、将生成的乳液经纱布过滤后倒出，进行物性测试。
（7）、加入工业酒精将乳液破乳（不能加多酒精，否则聚合物溶解在酒精中），得到聚合物沉淀。
用90℃热水反复洗涤3次，然后用丙酮溶解再用水沉淀，进行三次后置于真空烘箱干燥处理。
（7）、所得聚合物质量：
32.79g
产率=46.71%
3.2.2.转化率及固含量的测定
在步骤5中，待单体滴加完毕后，先每隔10min取乳液1g左右，测定固含量；30min后每隔0.5h取样，确定转化率。
固含量（质量%）=干燥后的质量（m2）*100%
乳液质量（m1）
单体转化率（质量%）=干燥后的质量（m2）*100%
溶液质量*单体总质量/反应体系总质量
3.2.3.PH值测定
以PH试纸测定乳液PH值
测试值：
PH=5.0
3.2.4.凝胶量的测定
将纱布上残留固体放置于120℃烘箱至恒重，测定凝胶量。
凝胶质量：
0.129g
凝胶量（质量%）=凝胶质量m1*100%
单体总质量m
四、粘度法测试聚乙酸乙烯酯的粘均分子量
4.1.实验步骤
（1）、取一只干燥、洁净的乌氏粘度计，在两根小管上套上乳胶管，将粘度计置于恒温水浴槽中，保持垂直，保证毛细管以上的两个小球浸没在液面以下。
（2）、用移液管准确量取10ml待测样品注入粘度计中，恒温5min后，用止血钳封闭连接C管的乳胶管，用洗耳球将溶液吸至小球充满，放开止血钳，液面下降。
用秒表记下液面流经a线和b线的时间即为流出时间。
重复4次，误差不超过0.2秒，取时间的平均值。
（3）、用移液管准确移取5ml溶剂加入到粘度计中，混合均匀，并把溶液吸至a线上方小球一半处，让溶液流下以洗涤毛细管，重复3次，待恒温后如前测定流出时间。
按照同样的步骤加入5ml、5ml、5ml测试流出时间。
（4）、将上述测定完毕的溶液倒入废液缸，加入10ml溶剂，仔细清洗粘度计的各支管及毛细管，将溶剂倒入废液桶，最后量取10ml溶剂重复步骤3操作。
4.2.数据处理
利用公式ηr=t/t。
分别计算各不同浓度的粘数和对数粘数，并对浓度作图，得到两条直线，具有相同的截距，即为特性粘度。
五、用红外光谱测定聚乙酸乙烯酯的分子结构
4.1.实验步骤
（1）、将溶液聚合的聚乙酸乙烯酯0.07g溶于丙酮定容至25ml,直接涂抹在溴化钾晶片上，干燥后形成很薄的膜层
（2）、先接通稳压电源，待电业稳定在220V，按主机电源开关，将试样固定在样品架上进行扫描测定。
4.2.图像分析
从红外光谱上找出主要基团的特征吸收，与标准光谱对照，从而分析鉴定聚合物成分。
六、醇解聚乙酸乙烯酯以及醇解度
6.1.低醇解度
（1）、在搅拌的情况下加入241.5ml乙醇，11.91gPVAc（剪碎）放入500ml三颈烧瓶，加热至78℃，使聚合物完全溶解后，用冷水加温，在55℃下缓慢滴加1%的氢氧化钠-乙醇溶液20.8ml
（2）、40min后发生相转变，将产物用布氏漏斗抽滤，分摊后放入烘箱干燥
6.2.高醇解度
（1）、在搅拌的情况下加入242.6ml乙醇，11.99gPVAc（剪碎）放入500ml三颈烧瓶，加热至78℃，使聚合物完全溶解后，用冷水加温，在55℃下缓慢滴加1%的氢氧化钠-乙醇溶液20.3ml
（2）、约45min后发生相转变，再缓慢滴加1%NaOH-乙醇溶液10.1ml，继续反应1h.
（3）、将产物用布氏漏斗抽滤，分摊后放入烘箱干燥
6.3.醇解度测试
6.3.1.高醇解
（1）、准确称取高醇解样品1.062g，加入100.3ml水，加热至95℃回流溶解，冷却后加入6滴酚酞试剂
（2）、用0.01mol/L氢氧化钠乙醇溶液中和至微红色
（3）、用0.5mol/L氢氧化钠水溶液25.0ml，在水浴上回流1h
（4）、冷却，用0.5mol/L盐酸溶液滴定至无色
（5）、作一空白试验，重复1至4步骤
6.3.2.低醇解
（1）、准确称取高醇解样品1.074g，加入100.1ml水，加热至95℃回流溶解，冷却后加入6滴酚酞试剂
（2）、其余步骤同高醇解样品操作
七、醇解后样品的力学性能及红外光谱分析
7.1.力学性能测试
7.1.1.高醇解
（1）、将1.134g高醇解度的样品溶于17.361水与3.208g酒精混合物
（2）、溶液均匀涂抹在洁净干燥玻璃板上，形成连续平整的膜，真空烘箱40℃干燥
（3）、用模具在膜上裁下哑铃型的3个样品条
（4）、在每个样品上取3个点测试膜厚度，将样品竖直夹在样品夹上，进行力学性能测试
7.1.2.低醇解
（1）、将1.106g高醇解度的样品溶于12.871g水与7.105g酒精混合物
（2）、其余步骤同高醇解样品操作
7.2.红外光谱分析
分别配成浓度梯度差0.2%的0.8%-1.8%的高低醇解度样品在干燥、洁净玻璃板上成膜，干燥后进行红外测试
八、聚乙烯醇缩甲醛
（1）、在搅拌条件下，取5.049g聚乙烯醇样品、90.0ml水加入三颈烧瓶中，升温至95℃使样品完全溶解
（2）、降温至80℃，加入2.5ml的30%盐酸溶液，搅拌15min,控制反应体系PH值在1-2之间。
滴加甲醛水溶液20.0ml（缓慢滴加，约半小时滴完），保持反应温度80℃
（3）、维持反应30min，降温至60℃
（4）、维持搅拌至体系有絮状物沉淀生成，加入1ml8%氢氧化钠，调节PH值为8-9，冷却，出料
九、核磁表征聚合物的结构特性
（1）、用氘代氯仿溶剂将聚乙酸乙烯酯溶解并配成10%的溶液1ml
（2）、用氘代甲醇作溶剂将聚乙烯醇缩甲醛并配成10%的溶液1ml
（3）、用重水作溶剂将聚乙烯醇溶解并配成10%的溶液1ml
（4）、将配置好的样品溶液注入到直径5mm，长约18cm的测试管中，溶液注入量5cm深
（5）、核磁测试
十、数据处理及分析
10.1.溶液聚合转化率
10.1.1.数据处理
时间/h
瓶重/g
干燥前/g
干燥后/g
m1
m2
转化率/%
1
22.797
24.808
22.926
2.011
0.129
9.649
2
23.390
25.126
23.745
1.736
0.355
30.759
3
23.292
25.320
24.146
2.028
0.854
63.341
4
22.797
24.857
23.787
2.060
0.990
72.287
10.1.2.分析
（1）、从图表上看，在反应前期转化率呈线性增加；
（2）、在2h后期，体系出现凝胶现象，使反应加速，图表上体现为转化率增加幅度上升
（3）、反应在4h后基本上结束
10.2.乳液聚合
10.2.1.数据处理
时间/min
杯重/g
干燥前/g
干燥后/g
m1
m2
转化率/%
固含量/%
0
23.051
24.248
23.52
1.197
0.469
104.5526
39.18129
10
16.183
17.549
16.808
1.366
0.625
122.0916
45.75403
20
15.597
17.376
16.494
1.779
0.897
134.5466
50.42159
30
22.82
23.822
23.373
1.002
0.553
147.2698
55.18962
60
23.402
24.497
24.116
1.095
0.714
173.9965
65.20548
90
15.371
16.678
16.291
1.307
0.92
187.8316
70.39021
120
14.138
15.244
15.128
1.106
0.99
238.8561
89.51175
凝胶量=0.129*100%/70.200=0.18%
PH=5.0
10.2.2.数据分析
（1）、从图表上看，固含量和转化率都呈线性增长趋势。
但是由于没有烘干，导致样品固含量和转化率远远超过原有值
（2）、体系没有出现明显的凝胶效应
（3）、凝胶量表示高聚合度的聚合产物，凝胶量少表明体系分散均匀
（4）、PH为5.0表明在聚合过程中部分酯键水解产生乙酸，而且量超过碳酸氢钠的缓冲范围
10.3.测试粘均分子量
10.3.1.溶液聚合数据处理
浓度/g/dL
平均T
ηr
ηsp
ηsp/C
（lnηr）/C
0.3
148.413
1.131
0.131
0.437
0.410
0.2
144.908
1.104
0.104
0.522
0.496
0.15
140.620
1.072
0.072
0.478
0.461
0.12
138.985
1.059
0.059
0.493
0.479
0.1
138.125
1.053
0.053
0.526
0.513
[η]=（0.5486+0.542）/2
=0.5453
根据公式：
[η]=KM^a
K=0.000350dL/g;a=0.630
M=116833g/mol
聚合度：
n=M/M。
=1358
10.3.2.乳液聚合数据处理
浓度/g/dL
平均T
ηr
ηsp
ηsp/C
（lnηr）/C
0.312
162.70
1.240
0.240
0.769
0.689
0.208
151.92
1.158
0.158
0.759
0.704
0.156
146.33
1.115
0.115
0.738
0.699
0.125
143.27
1.092
0.092
0.735
0.703
0.104
143.06
1.090
0.090
0.868
0.831
纯溶剂
131.22
[η]=（0.8078+0.8006）/2
=0.8042
根据公式：
[η]=KM^a
K=0.000350dL/g;a=0.630
M=216466g/mol
聚合度：
n=M/M。
=2517
10.4.红外光谱测定聚乙酸乙烯酯的分子结构
10.4.1.数据处理
10.4.2.数据分析
（1）、在3300cm-1左右有个键吸收峰，为不饱和C-H键以及-OH重叠峰，表明样品中残留乙酸乙烯酯单体以及没有完全干燥。
（2）、C=O吸收峰没有发现明显的位移，说明C=O旁边没有强拉电子基团或者吸电子效应被抵消，所以-OOCCH3的结构符合图谱
10.5.醇解
10.5.1.低醇解
产物质量：
6.770g
产率=（产物质量/PVAc质量）*100%
=（6.770/11.91）*100%
=56.84%
C（乙酰基含量%）=（V2-V1）*N*0.059*100%/W
C（乙酰基含量%）=19.92%
醇解度=1-C=80.08%
10.5.2.高醇解
产物质量：
7.055g
产率=（产物质量/PVAc质量）*100%
=（7.055/11.99）*100%
=58.84%
C（乙酰基含量%）=2.06%
醇解度=1-C=97.94%
10.6.醇解后样品力学性能和红外测试
10.6.1.力学性能
10.6.1.1.高醇解
取性能测试前呈线性增加的几个点作图
弹性模量：
E=14.881MPa
屈服（零斜率）：
屈服应变=0.21943mm/mm
屈服应力=333.15259MPa
拉伸强度=最大负载/（试样宽度*试样厚度）
拉伸强度=277960N/m2
相对形变=（I-I。
）*100%/I。
相对形变=69.56%
10.6.1.2.低醇解
取性能测试前呈线性增加的几个点作图
弹性模量：
E=1.9775MPa
屈服（零斜率）：
屈服应变=2.18755mm/mm
屈服应力=220.41803MPa
拉伸强度=最大负载/（试样宽度*试样厚度）
拉伸强度=208180N/m2
相对形变=（I-I。
）*100%/I。
相对形变=252.85%
10.6.1.3.数据分析
（1）、高醇解样品属于强而韧材料，低醇解度样品属于软而韧材料
（2）、由于样品没有完全干燥，所以没有明显屈服点
10.6.2.红外光谱
10.6.2.1.高醇解
10.6.2.2.低醇解
10.6.2.3.数据分析：
（1）、低醇解的3400cm-1的-OH峰相比于高醇解的较小，吸收没有高醇解强烈
（2）、低醇解的1600cm-1的C=O峰相比于高醇解的较大，表明低醇解乙酰基含量较高
10.7.核磁共振
10.7.1.低醇解
10.7.2.高醇解
10.7.3.数据分析
（1）、低醇解样品在化学位移0.9处振动峰较小，RCH3中的H所占含量少；高醇解样品振动峰不明显，几乎为0，醇解度很高
（2）、化学位移1.5处的峰为R3CH；化学位移1.8处为ROH
（3）、化学位移4.7处的峰为R2C=CH2
（4）、由于样品测试问题，位移4.7处的峰值与1.8处的峰值比例不为2：
1，难以分析。
10.8.XRD晶体衍射
10.8.1.高醇解
10.8.2.高醇解
10.8.3.数据分析
（1）、高低醇解样品在20.00处有最高峰，且突起明显，表明晶相和非晶相差别较大。
（2）、高醇解样品尖峰比低醇解高，说明高醇解结晶度高
十、实验总结
实验需要细心、耐心，不能一蹴而就。
可能在某次不准确的投料时便会影响聚合物的性能。
在从原料精制到最后维尼纶的合成中我获得许多经验。
整个实验从总体来说比较成功，但是由于时间以及操作问题上，有些步骤的单体转化率较小。
在力学性能测试以及红外光谱分析时由于没有将样品充烘干导致一些数据处理以及分析上的困扰。
参考文献：
[1]、《高分子方向研究性实验讲义》高分子表面与界面实验室编
[2]、核磁共振：
[3]、红外光谱特征吸收峰[1]
[4]、红外光谱吸收峰
[5]、
[6]、XRD计算结晶度
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