课程名称：化工专业实验Ⅰ 指导老师：介素云
实验名称：有机玻璃的制造 同组学生姓名：
一、实验目的
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。 二、实验原理
本体聚合是不加其他介质，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，体系黏度增加，聚合热难以散发，系统的散热是关键。同时由于黏度增加，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酸甲酯（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问题，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，在低温下进行下一步聚合，安全度过危险期，最后脱模制得有机玻璃平板。
三、实验仪器及药品
仪器：
仪器名称 | 规格 | 数量 |
三角瓶 | 50ml | 1只 |
保护层垫块烧杯 | 1000ml | 1只 |
电炉 | 1KW | 1只 |
变压器 | 1KV | 1只 |
温度计 | 100℃ | 1支 |
量筒 | 50、100ml | 各1只 |
试管 | 10mm70mm | 1支 |
烧杯 | 描图纸400ml | 1只 |
制模玻璃 | 100mm100mm | 2支 |
另备橡皮条、玻璃纸、描图纸、胶水、试管夹、玻璃棒若干 |
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试剂：
试剂名称 | 规格 | 滤扇 用量 |
甲基丙烯酸甲酯（MMA） | 新鲜蒸馏，BP=100.5℃ | 船用防爆离心风机30ml |
过氧化二苯甲酰（BPO） | 重结晶 | 0.05g |
邻苯二甲酸丁酯（DBP） | 分析纯 | 2ml |
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四激光熔覆头、实验步骤
1.制模
将一定规格的两块普通玻璃板洗净后，烘干。用透明胶将硅胶条包好，使之不外露。将包好的橡皮条放在两块玻璃板之间的三边，用沾有胶水的描图纸把玻璃板三边封严，并用夹子夹上，留出一边作灌浆用，制好的模放入烘箱内，于50 ℃烘干。（注意：玻璃板千万不能水洗。） 2.预聚制浆
在洗净烘干的三角瓶中，加入30mLMMA、0.05g BPO及2mL DBP，BPO完全溶解后，将三角瓶放入水浴中，逐步加热至90~92 ℃，保温。（注意：聚合过程中，需不断用玻璃棒搅拌，使之均匀散热并感知浆液的黏度）当浆液黏度如甘油时，立即取出三角瓶，在冷水中冷却至40℃左右，立即将预聚液注入模中，另取一条描图纸封住模子的最后一边。
3.低温聚合，高温聚合
将注有浆液的模子放入50℃烘箱内低温聚合。 当成柔软透明固体时，升温至100℃下继续聚合2h，使之完全反应，然后冷却至室温。
4.脱模
取出模子，将其放入水中浸泡少顷，撑开玻璃板，即得有机玻璃平板。（实际实验时只做到低温聚合步骤，高温聚合及脱模步骤后来由老师完成）
豆浆器
5.爆聚
可取一部分预聚浆液倒入小试管中制成有机玻璃棒材，也可取一部分预聚浆液倒入试管中仍在90℃下加热聚合，观察自动加速作用引起的爆聚现象。
五、实验结果
图1 实验制得有机玻璃
图1即为实验制得有机玻璃，由于边缘并未使胶带完全覆盖，导致参差不齐，但整体透明度良好。
六、讨论及思考
1.在合成有机玻璃板时，采用预聚制浆的目的何在？
采用预聚制浆可以解决MMA在进行本体聚合时的散热问题，避免自动加速作用（凝胶效应）引起的爆聚现象和单体转化为聚合物时因为比重不同而导致的体积收缩等问题，且当预聚物有一定黏度时不宜漏浆。
2.经聚合后的浆液为何要在低温下聚合，然后再升温？试用游离基聚合机理解释之。
随聚合进行，转化率提高，体系黏度增加，产生自动加速现象，又称为凝胶效应。加速的原因可以由链终止受扩散控制来解释。链自由基的双基终止过程可分为三步：链自由基质心的平移；链段重排使活性中心靠近；双基化学反应而终止。其中链段重排是控制步骤，体系粘度是影响的主要因素。体系粘度随转化率提高后，链段重排受阻，活性端基可能被包埋，双基终止困难，链终止速率常数kt下降，自由基寿命延长；40%～50%转化率时，kt可降低上百倍，但在这一转化率下，体系粘度还不足以妨碍单体扩散，链增长速率常数kp变动不大，从而使kp/kt0.5增加了近7～8倍，导致加速现象显著。
这些因素轻则造成体系局部过热，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。因此先在低温下聚合，使得聚合反应的转化率提高，并且能较为有效的散热，防止出现局部过热现象，当转化率达到较高之后，即当单体浓度较低时，再升温提高聚合反应速率，此时因为转化率已经较高，粘度不再有很大的变化，即端基被包埋的影响下降，链段重排正常进行，不会出现凝胶现象，聚合可以正常进行。
3.MMA单体比重为940kg/m3，聚合物比重为1190kg/m3，计算聚合后体积收缩百分率。
由于质量一定，体积与密度变化成倒数关系，故采用密度计算体积收缩百分率。查阅文献得，MMA的体积变化率值约为20.6%，两者较为符合。
4.若要制得厚5mm，长20cm，宽15cm的有机玻璃平板，计算所需的单体量。
，，即所需单体体积为189.9ml。
5.在制造有机玻璃平板时，加入少量DBP，DBP主要起什么作用？
DBP即邻苯二甲酸丁酯，在本次实验中主要是作为增塑剂加入，使得聚合反应最后得到的
聚甲基丙烯酸甲酯柔韧性增强，且后续处理中更有利于脱模。
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