实验四 丙烯酰胺水溶液聚合

高

分

子

化

学

实

验

报

告

实验四丙烯酰胺水溶液聚合

丙烯酰胺水溶液聚合

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。

3、掌握丙烯酰胺溶液聚合的方法。 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：

链引发：

引发剂活性集团的形成： K 2S 2O 82KSO 4

带电引发离子与丙烯酰胺作用生成活性中心：

KSO 4+H 2C CH C O

NH 2

O 3SO C

CH 2C O NH 2H

链增长：

链终止：

三、实验药品及仪器

药品：丙烯酰胺、甲醇、过硫酸钾(或过硫酸铵)

仪器：三口瓶、球形冷凝管、温度计、搅拌器、烧杯、一次性杯子、玻璃棒 实验装置如下图：

+H 2C CH C O

NH 2

HO C

CH 2C O NH 2H

OH

+H 2C CH C O

NH 2

O 3SO C CH 2C O NH 2

H

n O 3SO C

CH 2C O NH 2H

C

CH 2C O NH 2H n

O 3SO C CH 2

C O

NH 2

H C CH 2

C

O

NH 2

H n 2O 3SO C CH 2

C

O

NH 2

H C CH 2

C O

H n

NH 2

C C O H NH 2

C O NH 2

H n

CH 2C OSO 3

四、实验步骤及现象

步骤现象分析在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。

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。然后把溶解在10 mL 蒸馏水中的0.05 g 过硫酸钾从冷凝管上端加入反应瓶中，并用10 mL 蒸馏水冲洗冷凝管。逐步升温到90℃（反应瓶里温度70-80℃），这时聚合物便逐渐形成，在90℃下反应2.5h。单体为白色絮状

的物质，加入反

应容器之后逐渐

溶解，随着反应

的进行液体的黏

度逐渐变大。出

现爬坡现象。

单体能溶解于水

中，随着反应的

进行单体逐渐聚

合成聚合物，分

子为长链，体系

粘度变大，故出

现爬坡现象。

反应完毕，将所得到的产物倒入盛有150 mL 甲醇的500 mL 烧杯中，边倒边搅拌，聚丙烯酰胺便沉淀下来。向烧杯中加入少量的甲醇，观察是否仍有沉淀生成，如果有沉淀生成，则可再加入少量甲醇（5mL-15mL），使聚合物沉淀完全。然后用布氏漏斗抽滤，用少量的甲醇(10mL)洗涤三次，将聚合物转移到一次性杯中，在30℃真空烘箱中干燥至恒重，称重、计算产率。倒入到甲醇中，

溶液变白色，出

现白色丝状的沉

淀。缠绕在玻璃

棒上时像棉絮一

样。再加入少量

的甲醇不生成沉

淀。抽滤后得白

色蜂窝胶棉状沉

淀，烘干后得

15.27g含气泡的

里面为乳白色外

围被透明且有点

粘的胶状物包

裹。

聚丙烯酰胺不溶

于甲醇，甲醇溶

于水，使聚合物

从水溶液中沉淀

出来。烘干后产

物中间有白色是

因为聚合物在烘

箱中聚合物交缠

在一起，随着水

分蒸先是表面的

析出，从而将里

面的聚合物溶液

包裹，里面的还

有水分，故内部

有白色。

%7.152%100*1027.15%100*w%===g

g

反应物质量产物质量

五、实验结果及分析 实验结果：

烘干前：得白色蜂窝胶棉状沉淀

烘干后:

得15.27g 含气泡的里面为乳白色外围被透明且有点

粘的胶状物包裹

产率计算：

实验产率过高的原因：

由于聚合物在烘箱中聚合物交缠在一起，随着水分蒸先

是表面的析出，从而将里面的聚合物溶液包裹，里面的还有很多溶液，故内部有白色且产率偏高很多。

七、思考题

1、进行溶液聚合时，选择溶剂应注意哪些问题?

答：①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。②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。

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、引发剂是否升温地越快越好？

答：不是。温度太高引发剂分解的太快，引发速度快，但周围的单体还来不及被引发，聚合物的聚合度降低。所以，引发剂有最适温度。

4、为什么先加单体，再加引发剂，且要将引发剂溶于水中再加入？

答：这样做是为了将引发剂分散，防止引发剂在一起发生笼蔽效应，降低引发剂的引发效率。

5、如何选择引发剂，选择引发剂需考虑哪些因素？

答：用作引发剂需具备以下条件：①在聚合温度范围内有适当的分解速度常数；②所产生的自由基具有适当的稳定性。根据一发即的溶剂性能，可分为油溶性和水溶性，水溶性引发剂用于乳液聚合和水溶液聚合，油溶性引发剂则用于本体、悬浮与有机溶剂中的溶液聚合。

选择引发剂时应考虑的因素有：聚合操作方式、反应温度及在该温度下引发剂的分解速度、引发剂的分解活化能、引发剂的半衰期。