甲基丙烯酸甲酯的本体聚合及成型

材料制备与合成

甲基丙烯酸甲酯的本体聚合及成型开放性实验

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专业：材料化学

院系：化学与化工系

指导教师：

起止日期：20**年**月**日至20**年**月**日

甲基丙烯酸甲酯的本体聚合及成型

摘要：有机玻璃通常采用甲基丙烯酸甲酯（MMA）本体聚合方法制备。本实验以甲基丙烯酸甲酯（MMA）为单体，过氧化二苯甲酰（BPO）为引发剂，邻苯二甲酸二丁酯（DPB）为脱模剂，手工成型制备有机玻璃。通过实验了解聚合原理和特点，利用透光率仪测定所制产品的透明度，讨论合成过程对透光率的影响；并分析成型过程中影响产品质量的诸多因素。

关键字：有机玻璃；甲基丙烯酸甲酯；本体聚合；成型；透光率

前言

甲基丙烯酸甲酯是一种重要的有机化工原料,主要作为聚合单体用于生产其聚合物和共聚物,还可通过酯交换用于生产甲基丙烯酸高碳酯。其聚合物为透明性极佳的塑胶材料,故常被称为有机玻璃,且具有极好的耐候性等优良特性,广泛用于汽车、容器、建筑、设备部件、家用电器材料、卫生洁具等方面,特别是近年来应用在光学级有机玻璃、防射线有机玻璃、光导纤维、光盘等高新技术领域。同时,甲基丙烯酸甲酯作为高性能建筑涂料的改性剂使用,也有很大的利用空间。除此之外,还可用于聚氯乙烯改性抗冲助剂ACR和MBS、腈纶第二单体、医药功能材料等。[1]

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是高透明无定形热塑性塑料，是制备有机玻璃的重要材料。有机玻璃与普通硅玻璃相比，具有突出的优点：它在塑料中透光性最佳（透光率大于92%），有良好的耐候性、耐酸碱性和尺寸稳定性，密度不到普通玻璃的一半，抗脆裂性却超过普通玻璃几倍，易于加工成型。有机玻璃在建材、车辆、航空、文教、日常装饰领域有着广泛的应用。[2]

一、实验部分

1.实验原理

本体聚合是烯类单体在没有介质的情况下，单体本身在引发剂或催化剂等作用下进行的聚合，而自由基聚合可以通过本体聚合实现。本体聚合的特点是产物纯净，尤其可以得到透明制品，所需设备简单。甲基丙烯酸甲酯（MMA）通过本体聚合方法可以制得有机玻璃。聚甲基丙烯酸甲酯由于有庞大的侧基存在，为无定形固体，其最突出的性能具有高度的透明性，其比重小，故制品比同体积无机玻璃制品轻巧得多。同时又具有一定的耐冲击强度与良好的低温性能，是航空工业与光学仪器制造工业的重要原料。甲基丙烯酸甲酯的本体聚合一般采用三段法聚合，采用高温预聚合，转化率达到一定程度后，再注入模内，在低温下进一步聚合，安全度过危险期，再高温后聚合制得制品。[3]

甲基丙烯酸甲酯在过氧化苯甲酰引发剂存在下进行如下聚合反应：

由于甲基丙烯酸甲酯单体比重只有0.94g/cm3，而聚合物比重为1.17 g/cm3，故有较大的体积收缩。

2.实验仪器和原料

2.1主要仪器

100mL 塑料杯，试管，恒温水浴箱，0-100℃温度计，玻璃板，胶带，保鲜膜。

2.2主要试剂

3.实验步骤

3.1引发剂加入量对爆聚时间的影响

1.在干净的100mL 塑料杯中分别加入过氧化二苯甲酰（BPO ）0.01、0.02、0.04、0.08、0.1g ，邻苯二甲酸二丁酯（DPB ）3mL 混合均匀，放入90-95℃水浴中，记录下时间。当产生爆聚时记录下时间，获得引发剂加入量与爆聚时间关系。

2.在干净的100mL 塑料杯中加入适量过氧化二苯甲酰（BPO ）、30mL 甲基丙烯酸甲酯（MMA ）混合均匀，放入90-95℃水浴中。

3.注意体系的黏度，当体系具有一定的黏度，立即取出塑料杯停止加热，冷却至50℃左右，注入玻璃膜中。

3.2有机玻璃板的成型

1.准备模具：制备玻璃夹板模具。

2.将上述聚合物注入玻璃夹板模具中，垂直放置10min ，然后将模口密封。在60-65℃水浴中恒温反应1h 。

3.将玻璃夹板模放入烘箱，升温至95-100℃保持2h ，撤去夹板。

4.有机玻璃透光率的测定，量尺寸与模具尺寸比较。

nCH 2CH 3C COOCH 3CH 2CH 3C COOCH 3

n

二、实验数据处理

通过引发剂加入量对爆聚时间的影响的实验得出，过氧化二苯甲酰为0.02g与0.04g 时，爆聚时间相对其他组的较少，分别为6min与5.71min。因此下面实验确定过氧化二苯甲酰的加入量为0.02g或0.04g。

将制得的有机玻璃从玻璃夹具中取出，再通过分光光度计测得有机玻璃的透光率。具体数据如下表：

表2 引发剂用量和聚合后体系黏度与有机玻璃透光率的关系

注：透光度值转化为透光率值：

从表2中可以看出，甲基丙烯酸甲酯用量一定时，随着过氧化二苯甲酰用量的增加，透光率增大。而透光率越大，说明透明度越好。即过氧化二苯甲酰用量增加，透明度也随之增加。除此之外，聚合后体系黏度也对透光率存在影响，黏度较好的，透光率较大。

三、实验结果与讨论

1.现象部分

实验时，在恒温水浴中，塑料杯中的液体受热较快易变形，内部液体在数分钟后开始有沸腾的现象并液体上升，上层呈现出泡沫状，下层呈现清澈有些粘稠的液体。将其取出，因为杯中有余温，所以液体仍然上升，待温度有些下降时，液体开始凝固，没有下降的趋势，凝固在原位，形成坚硬的固体。上半部因为高温时呈现泡沫状，致使降温凝固时有较多的气孔，而下半部则呈透明状。上述情况称为爆聚。通过控制温度以及不断观察液体的变化，以保证液体不会出现爆聚现象，当液体出现是油状时，要注意控制温度，保证液体不会太稀，也不会太稠。太稀时，液体没有达到粘稠状。太稠时，不利于灌注。当加热的液体出现小气泡时，要赶紧将液体取出，防止爆聚。

2.数据结果部分

在测试不同过氧化二苯甲酰用量的有机玻璃的透光率实验中，得出：甲基丙烯酸甲酯用量一定时，随着过氧化二苯甲酰用量的增加，透光率增大。而透光率越大，说明透明度越好。即过氧化二苯甲酰用量增加，透明度也随之增加。除此之外，聚合后体系黏度也对透光率存