有机玻璃的制造

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。 三. 实验仪器及药品 仪器：

仪器名称 三角瓶 烧杯 电炉 变压器

规格 50ml 1000ml 1KW 1KV

数量 1只 1只 1只 1只

温度计 量筒 试管 烧杯 制模玻璃

100℃ 50、100ml 10mm×70mm 400 ml 100mm×100mm

1支 各一只 1支 1只 2块

另备橡皮条、玻璃纸、描图纸、胶水、试管夹、玻璃棒若干

试剂：

试剂名称

甲基丙烯酸甲酯（MMA） 过氧化二苯甲酰（BPO） 邻苯二甲酸二丁酯（DBP）

规格

新鲜蒸馏，BP=100.5℃ 重结晶 分析纯

用量 30ml 0.05g 2ml

四. 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。用透明玻璃纸将橡皮条包好，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，留出一边作灌浆用。制好的模放入烘箱内，于50℃烘干。 2. 预聚制浆

在洗净烘干的三角瓶中，加入30ml MMA、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粘度），当浆液粘度如甘油时，立即取出三角瓶，在盛冷水的烧杯中冷却至40℃左右，立即将预聚浆液注入模中，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，使之反应完全，然后再冷却至室温。 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。

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.有机玻璃成品）

成品的边缘部分有气泡，浆液温度分布不均导致MMA单体部分汽化；由于粘胶带时没有把边缘部分弄平坦，比较毛；中间部分效果很好。 六．思考题

6. 在合成有机玻璃板时，采用预聚制浆的目的何在？

答：用预聚制浆，是为了解决MMA在进行本体聚合时的散热问题，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等问题。 7. 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。 答：在预聚浆液中，体系的粘度小，自由基的浓度高，容易双基终止。在低温下，自由基的活性较低，体系粘度小，散热也较容易，随着反应进行，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，此时可以增加温度来提高聚合速率。

8. MMA单体比重为940kg/m3，聚合物比重为1190 kg/m3，计算聚合后体积收缩百分率。 答：体积收缩百分率=（1-940/1190）*100%=21%

9. 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。 在制造有机玻璃平板时，加入少量DBP，DBP主要起什么作用？ 答:聚合物体积=0.5*20*15=150cm3

再根据质量守恒：V单体聚合物V聚合物1190150189.89cm3189.89ml

单体940DBP（领苯二甲酸二丁酯）是增塑剂，方便有机玻璃从模板中脱离。