丙烯酰胺的水溶液聚合

丙烯酰胺的水溶液聚合

一、实验目的

（1）掌握溶液聚合的方法及原理；

（2）学习如何正确的选择溶剂。

二、实验原理

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。只有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，使用溶液聚合才最为有利。

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。丙烯酰胺为水溶性单体，其聚合物也溶于水，本实验采用水为溶剂进行溶液聚合。与以有机物作溶剂的溶液聚合相比，具有价廉、无毒、链转移常数小、对单体和聚合物的溶解性能好的优点。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：

三、实验药品及仪器

药品：丙烯酰胺（10g）---、甲醇（150mL）---、过硫酸钾（0.05g）、蒸馏水（80+10+10mL）等；

仪器：恒温水浴锅、搅拌器、三口烧瓶、球型冷凝管、温度计、吸管、天平、量筒等。

四、实验装置图

五、实验步骤与现象分析

步骤（1）：

在250mL 的三口瓶中，中间口安装搅拌器，分别装上一个温度计和一

个冷凝管。

分析：[装搅拌棒时，应先保证搅拌棒竖直，然后可开启搅拌器，调节直到反应装置稳定为止]

步骤（2）：

将10 g(0.14 mol)丙烯酰胺和80 ml 蒸馏水加入反应瓶中，开动搅拌器，用水浴加热至30 ℃，使单体溶解。把0.05 g 过硫酸钾溶解在10 ml 蒸馏水中，溶解后加入反应三口瓶内，并用10 ml蒸馏水洗涤溶解烧杯。

现象：[把蒸馏水加入到装有丙烯酰胺的三口烧瓶中，大部分丙烯酰胺溶解，有少部分白色不溶物漂浮在液体表面。把溶解有过硫酸

钾的溶液加入到反应瓶中，溶液中立即出现大量的白色絮状物]分析：[少部分不溶物可能是聚丙烯酰胺，当温度低时，聚丙烯酰胺的溶解度较小，聚合物便以絮状存在溶液中，当升高温度时，聚

丙烯酰胺在水中的溶解度增加，使聚合物溶解。由于过硫酸钾

时引发剂，当加入过硫酸钾的溶液到反应瓶中时，由于单体少

部分聚合，而聚合物的溶解度较小，聚合物便以絮状存在溶液

中]

步骤（3）：

逐步升温到90 ℃，这时聚合物便逐渐形成，在90 ℃下反应2~3 h。现象：[加热时，白色絮状物减少，当加热到47℃左右，白色絮状物几分全部溶解，溶液变透明；d.当加热到70℃左右时，黏度剧增

到糨糊装，当加热到83℃时，粘度变得很大，能够拉成十来厘

米长的线]

分析：[白色絮状物是反应产物，随温度的升高，聚合物的溶解度增加，使高分子聚合物溶解；当加热到70℃左右时，反应已经进行到

相当的程度，高分子连也有一定的浓度，故有一定的黏度，当

温度升高到83℃时，黏度变大，这时主要是由于转化率的增加，

高分子连增多，其浓度也增大，随搅拌的进行，高分子连间相

互缠绕，使黏度怎加]

步骤（4）：

反应完毕，将所得到的产物取部分倒入盛有50 ml甲醇的100 ml烧杯中，边倒边搅拌，聚丙烯酰胺便沉淀下来，观察现象。

现象：[刚滴加反应溶液时，没有立刻出现白色沉淀，轻轻摇晃，立刻出现白色絮状沉淀；当一次性滴加较多时白色沉淀呈烂胶棉状，且随时间的推移，溶液慢慢变成白色]

分析：[聚合物不溶于甲醇，甲醇溶于水，从而使聚合物从水溶液中沉淀析出来，已经缠绕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，从而包裹聚合溶液，使之呈白色

烂胶状]

六、实验产物拍照

七、实验思考与讨论分析

（1）什么是溶液聚合，特点是什么？

答：溶液聚合是将单体和引发剂溶于适当溶剂中,在溶液状态下进行的聚合反应，是高分子合成过程中一种重要的合成方法。

聚合体系的粘度比本体聚合低，混合和散热比较容易，生产操作和温度都易于控制，还可利用溶剂的蒸发以排除聚合热。若为自由基聚合，单体浓度低时可不出现自动加速效应，从而避免爆聚并使聚合反应器设计简化。缺点是对于自由基聚合往往收率较低，聚合度也比其他方法小，使用和回收大量昂贵、可燃、甚至有毒的溶剂，不仅增加生产成本和设备投资、降低设备生产能力,还会造成环境污染。如要制得固体聚合物,还要配置分离设备，增加洗涤、溶剂回收和精制等工序。

（2）工业上在什么情况下采用溶液聚合?

答：由于溶剂分离回收费用高，除尽聚合物中残留溶剂困难。因此工业上溶液聚合多用于聚合物直接使用的场合，如涂料、胶粘剂、合成纤维纺丝

液、继续进行化学反应等。

（3）溶液聚合的优点和缺点有哪些？

答：优点:A、粘度低，易混合；B、易传热，可避免局部过热；C、温度易控制；D、减弱甚至消除凝胶效应；E、易于控制分子量分布和产品结构状态；F、产物一般直接使用。

缺点：A、单体浓度较低,致使聚合速率较慢,设备生产能力较低；B、单体浓度低和向溶剂链转移到双重结果,使聚合物分子量降低；C、溶剂分离回收费用高,除净聚合物中残留溶剂困难。

（4）进行溶液聚合时，选择溶剂应注意哪些问题?

答：自由基溶液聚合选择溶剂时，必须注意下列两方面的问题：A、溶液对聚合活性的影响。初看起来，溶剂并不参加反应。但溶剂往往并非绝对惰性，对引发剂有诱导作用，链自由基对溶剂有连转移反应。这两个方面的作用都可能影响聚合速率和分子量。B、溶剂对聚合物的溶解性能和凝胶效应的影响。学用良溶剂时，为均相聚合，如果单体的浓度不高，可能不出现凝胶效应，遵循正常的自由基聚合动力学规律。学用沉淀聚合，凝胶效应显著。不良溶剂的影响则介于两者之间，影响深度则视溶剂优劣程度和浓度而定。

（5）溶液聚合的产物如何得到和溶剂如何回收?

答：对于沉淀聚合的,只要通过真空泵进行吸滤就可以得到聚合物,而滤液进行蒸馏提纯即可。而对于均相聚合,可用另外一种溶剂破坏聚合物和原有的体系,使聚合物沉淀下来。再进行吸滤,滤液进行蒸馏。

（6）单体、聚合物、甲醇在实验中的溶解情况如何？