实验03 PMMA的本体聚合及有机玻璃板制作

一、实验目的

1、了解本体聚合的特点，掌握本体聚合的实施方法，并观察整个聚合过程中体系粘度的变

化过程。

2、掌握本体浇注聚合的合成方法及有机玻璃的生产工艺。

二、实验原理

本体聚合是不加其它介质，只有单体本身在引发剂或光、热等作用下进行的聚合，又称块状聚合。本体聚合的产物纯度高、工序及后处理简单，但随着聚合的进行，转化率提高，体系粘度增加，聚合热难以散发，系统的散热是关键。同时由于粘度增加，长链游离基末端被包埋，扩散困难使游离基双基终止速率大大降低，致使聚合速率急剧增加而出现所谓自动加速现象或凝胶效应，这些轻则造成体系局部过热，使聚合物分子量分布变宽，从而影响产品的机械强度；重则体系温度失控，引起爆聚。为克服这一缺点，现一般采用两段聚合：第一阶段保持较低转化率，这一阶段体系粘度较低，散热尚无困难，可在较大的反应器中进行；第二阶段转化率和粘度较大，可进行薄层聚合或在特殊设计的反应器内聚合。

本实验是以甲基丙烯酯甲酯（MMA）进行本体聚合，生产有机玻璃平板。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）由于有庞大的侧基存在，为无定形固体，具有高度透明性，比重小，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。以 MMA 进行本体聚合时为了解决散热，避免自动加速作用而引起的爆聚现象，以及单体转化为聚合物时由于比重不同而引起的体积收缩问题，工业上采用高温预聚合，预聚至约 10% 转化率的粘稠浆液，然后浇模，分段升温聚合，在低温下进一步聚合，安全渡过危险期，最后脱模制得有机玻璃平板。

如果直接做甲基丙烯酸甲酯(MMA)的本体聚合，则由于发热而产生气体只能得到有气泡的聚合物。如果选用其它聚合方法（如：悬浮聚合等）由于杂质的引入，产品的透明度都远不及本体聚合方法。为此，工业上或实验室目前多采用浇注聚合的方法。即：将本体聚合迅速进行到某种程度（转化率10%左右）做成单体中溶有聚合物的粘稠溶液（预聚物）后，再将其注入模具中，在低温下缓慢聚合使转化率达到93～95％，最后在100℃下高温聚合至反应完全。

三、仪器和试剂

1、仪器：

三口烧瓶，冷凝管，天平，铁架台，温度计，恒温水浴，电动搅拌器，玻璃板。 2、试剂：

甲基丙烯酸甲酯，过氧化苯甲酰（BPO），偶氮二异丁腈（AIBN）。

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四、实验步骤

1、模具制备

将两片平板玻璃（150×150mm）洗净烘干，在玻璃片间垫好用玻璃纸包紧的胶管（4×1.5mm）围成方形并留出灌料口，然后用铁夹夹紧，备灌模用。

2、预聚合反应

在250ml的三口瓶中安装搅拌器、冷凝管、温度计。先加入50mg BPO （或AIBN），再加入MMA50ml开动搅拌使BPO（或AIBN）溶解在单体中，加热水浴，当温度达到90℃时保温5分钟，然后使物料在80～85℃维持30分钟左右。

图2 MMA聚合装置图

1-搅拌棒 2-塞子 3-温度计 4-温度计套管 5-冷凝管 6-三口瓶 图1 PMMA制备模具示意图 观察粘度，当物料呈蜜糖状时，用冷水浴骤然降温至40℃以下终止反应并停止搅拌，将三口瓶中预聚物灌入已备好的模具中，封好灌料口。 3、低温聚合反应

将上述模具放入烘箱中，升温至52℃，保温7小时（此时用铁针刺探有机玻璃，应有弹性出现）低温聚合结束，抽掉胶管。

4、高温聚合反应

抽出垫条的模具在烘箱中继续缓慢升温到100℃，保温1小时后，烘箱停止加热，任其

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自然冷却到40℃以下，取出模具脱掉玻璃片即得光滑无色透明的有机玻璃板。

五、 实验注意事项

1．聚合反应所用塞子应采用软水塞，并防止杂质混入反应体系，影响聚合反应。 2．灌无时预聚物中如有气泡应设法排出。

3．高温聚合反应结束后，应自然降温至40以下，再取出膜具进行脱模，以避免骤然降温造成模板和聚合物的破裂。

六、思考题

1、在合成有机玻璃板时，采用预聚制浆的目的何在？经聚合后的浆液为何要在低温下聚合，然后再升温？试用自由基聚合机理解释之。

2、如果最后产物出现气泡，试分析致成原因？

3、MMA单体比重为940 kg/m，聚合物比重为1190 kg/m ，计算聚合后体积的收缩百分率。

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