高分子合成与性能教案

聚丙烯酰胺的制备与性能研究

一、实验目的

了解丙烯酰胺的自由基聚合原理；掌握溶液聚合的方法；掌握粘度法测定聚合物的分子量；掌握通过聚合工艺和配方控制聚合物分子量大小的方法；理解引发剂量对聚合物分子量大小的影响机理；掌握差热分析法测试聚合物玻璃化温度的原理和方法；掌握通过聚合工艺和配方控制聚合物玻璃化温度的原理和方法。

二、基本原理

1.重结晶

重结晶是利用固体混合物中目标组分在某种溶剂中的溶解度随温度变化有明显差异，在较高温度下溶解度大，降低温度时溶解度小，从而能实现分离提纯。

以一个含有目标物A和杂质B的混合物为例。设A和B在某溶剂中的溶解度都是1g/100mL（20 ℃）和10g/100mL（100 ℃）。若一个混合物样品中含有9gA和2gB，将这个样品用100mL溶剂在100 ℃下溶解，A和B可以完全溶解于溶剂中。将其冷却到20 ℃，则有8gA和1gB从溶液中析出。过滤，剩余溶液（通常称为母液）中还溶有1gA和1gB。在将析出的9g结晶再依上溶解、冷却、过滤，又得到7g结晶，这已是纯的A物质了，母液又带走了1gA和1gB。这样在损失了2gA的前提下，通过两次结晶得到了纯净的A。

2. 丙烯酰胺的溶液聚合

与本体聚合相比，溶液聚合体系具有粘度低、搅拌和传热比较容易、不易产生局部过热、聚合反应容易控制等优点。但由于溶剂的引入，溶剂的回收和提纯使聚合过程复杂化。在直接使用聚合物溶液的场合，如涂料、胶粘剂、浸渍剂、合成纤维纺丝液等，使用溶液聚合最为有利。

进行溶液聚合时，由于溶剂并非完全是惰性的，对反应要产生各种影响，选择溶剂时要注意其对引发剂分解的影响、链转移作用、对聚合物的溶解性能的影响。

聚丙烯酰胺是一种优良的絮凝剂，水溶性好，广泛应用于石油开采、选矿、化学工业及污水处理等方面。

合成聚丙烯酰胺的化学反应简式如下：

3、粘度法测定聚合物分子量

高分子溶液具有比纯溶剂高得多的粘度，其粘度大小与高聚物分子的大小、形状、溶剂性质以及溶液运动时大分子的取向等因素有关。因此可以根据高分子溶液的粘度测定高聚物的分子量。

根据马克-哈温克经验公式：

[η]=K Mηα（1）若特性粘度[η]，常数K及α值已知，便可利用上式求出聚合物的粘均分子量Mη 。K、α是与聚合物、溶剂及溶液温度等有关的常数，它们可以从手册中查到。[η]定义为溶液浓度趋近于零时的比浓粘度。[η]值即用本实验方法求得。

由经验公式：

ηSP/C =[η] + Kˊ[η]2C （2）

lnηr/ C =[η] - β[η]2 C （3）

式（3）中ηr称为相对粘度，即为在同温度下溶液的绝对粘度η与溶剂的绝对粘度η0之比：

ηr= η /η0（4）式（2）中ηsp称为增比粘度，它被定义为加入高聚物溶质后引起溶剂粘度增加的百分数，即：

ηsp=（η—η0）/η0=ηr—1 （5）C是溶液的浓度，Kˊ和β为常数。

当在同温度下某稀溶液和纯溶剂分别流经同一毛细管的同一高度时，若所需时间分别为t和t0，且t0大于100秒时，则

ηr= t / t0 （6）这样，只需测定不同浓度的溶液流经同一毛细管的同一高度时所需的时间t

及纯溶剂的流经时间t0，便可求得各浓度所对应的ηr值进而求得各ηsp，ηsp/C及lnηr/C值，最后通过作图得到[η]值，这种方法称为外推法。

图1 外推法求]

[ 值

在许多情况下，由于试样量少或要测定大量同品种的试样，为了简化操作，对于多数线型柔性高分子溶液均符合Kˊ≈1/3；Kˊ+β=1/2，则再将（2）、（3）式联立可得式：

[η] = [2（ηsp—lnηr）]1/2/ C （7）所以只要知道一个浓度下的ηr值，便可通过（7）式求出[η]，这种测定[η]的方法称为一点法。本实验就是利用一点法来测聚丙烯酰胺的分子量。

4、聚合物玻璃化温度的测定（DSC）

聚合物的示差扫描量热法（DSC，Differential Scanning Calorimentry）是指在程序控温下，测量物质的物理性质与温度关系的一种方法，在高分子方面有着广泛的应用。它们可以用于研究聚合物的玻璃化转变温度T g、相转变、结晶温度T c、熔点T m、结晶度X c、等温结晶动力学参数，研究聚合、固化、交联、氧化、分解等反应以及测定反应温度或反应热、反应动力学参数等。

DSC则分为两种，一种是热流型，另一种是功率补偿型。本实验采用热流型DSC。

DSC曲线如图所示。

图 聚合物DSC 曲线示意图（1-固-固一级转变；2-偏移的基线；3-熔融转变；4-降解或气化；5-二级或玻璃化转变；6-结晶；7-固化、氧化、化学反应或交联）

由于各种仪器的DSC 曲线的吸热、放热方向不同，所以曲线上必须注明吸热和/或放热方向。如图所示。当温度达到玻璃化转变温度Tg （图中5处）时试样的热容增大就需要吸收更多的热量，使基线发生位移（图中2处），假如试样能够结晶，并且处于过冷的非晶态，那么在Tg 以上可以进行结晶，同时放出大量的结晶热而产生一个放热峰（图中6），进一步升温，结晶熔融吸热，出现吸热峰（图中7），最后发生分解、吸热，出现吸热峰（图中4）。当然不是所有的聚合物试样都能存在上述全部物理化学变化。

DSC 曲线中结晶试样熔融峰的峰面积对试样的熔融热H f (J/mg)，若百分之百结晶的试样的熔融热ΔH f *是已知的则按下式计算试样的结晶度X c

*

f

c f H X H ∆=∆ （9）

DTA 和DSC 虽然在原理及操作上都不复杂，但影响试验精度的因素很多。

（1） 仪器因素：与炉子的形状、大小和温度梯度有关。

（2） 测试时所用的气氛是否惰性。

（3） 热电偶的粗细及其位置会影响差热曲线的形状和峰的面积。

（4） 升温速度：玻璃化转变是一个松弛过程，升温速度太慢，转变不明显，甚至观察不到玻璃化转变；升温太快，T g 移向高温。结晶性聚合物在升温过