微型高分子化学实验研究3例.doc

微型高分子化学实验研究3例李智辉马景李青山（燕山大学高分子材料系，河北秦皇岛，066004 ）摘要：主要介绍了微型实验在高分子化学中的重要作用通过完成常见的儿种高分子 实验，掌握了微型实验的基本操作步骤和过程，与传统实验相比，微型实验具有得天独 厚的优点，可以预见采用微型实验将是国际趋势同时本论文也讨论了微型实验在教学 及创新教育中的作用，表明了在化学教学中采用微型实验，其社会效益、经济效益、环 境效益和教学效果显著关键词：微型化学实验，高分子，绿色环保，创新教育高分子化合物的特点是分子量大、粘度高，因此用普通微型化学实验所采用的磁力搅 拌器满足不了高分子微型化学实验的要求，针对高分子合成的特点高分子化学实验产物相对 分子质量高、粘度大、反应时I可长、实验中要求配备反应釜、加热器、搅拌器、冷凝管、温 度控制装置等微型高分子化学实验所用试剂量为常量实验的1/10〜1/100,物料的挂壁作 用及混合均匀性便成为影响实验是否成功的重要因素我们必须考虑与微量试剂配套的反应 装置的问题我们的研究工作首先从实验装置的微型化开始根据高分子化学反应的特点, 经过多次反复试验，研究成功了MPC-3型、MPC-4型微型高分子化学实验装置，这套装置特 别适合于高粘度反应体系的加热和搅拌，MPC-4型增加了电磁搅拌。

微型高分子化学可以用本体、溶液、乳液、悬浮4种聚合方法，并且对连锁反应，逐步 反应和大分子反应都适用在实践中，还对引发方式进行了比较，其中自由基热引发、阴离 子引发和光引发聚合反应都可以微型化高分子化学实验经常接触易燃、易爆、易挥发和有 毒、有害药品山于微型实验投料只是常规实验的1/10,减少了挥发物和反应剩余物的排放 量如醋酸乙烯酯的乳液聚合，常规实验做出100mL乳液，性能检验只用2mL,剩余的乳液 不小心流入水池，沉淀凝聚成块极易堵塞下水道改为微型实验后，全部做到底，且每步现 象明显这样对减少污染、保护环境具有重要意义；微型化学实验全部采用磨口玻璃仪器和 塑料膜封II,提高了高分子化学实验的精确度和实验室的安全程度；微型高分子化学实验节 省经费，减轻实验工作人员工作量，同时也有利于学生科学研究素质和能力的培养，这些优 点都是常规实验无法比拟的微型高分子化学实验的教学实践表明：与常规实验相比，微型高分子化学实验完全达到 了教学大纲的要求由于微型装置精巧、新颖，有助于提高学生对实验的兴趣，同时由于以 少量的试剂在微型仪器中进行的实验，要求学生更加仔细、认真地操作，有助于学生基本技 能的训练和培养。

另外，由于实验仪器设备小型化，试剂用量少，使设备投资和实验消耗品 费用大大降低，环境污染小，安全性高，开发和推广微型分子化学实验具有重要的现实意义1实验部分1.1原料精制与制备大部分烯类单体在储存和运输过程中均需加入少量的酚类，胺类，硝基化合物等阻聚 剂，山于它们都具有一定的挥发性，若采用单纯蒸储的方法，很难将它们完全除尽，常会有 少部分阻聚剂进入新蒸的单体中要彻底除去阻聚剂，可用稀酸或稀碱先行洗涤非水溶性单 体，使阻聚物质与碱或酸作用后而进入水相中并与单体相分离分离出的单体经反复水洗并 干燥后，进行常压或减压蒸儒就可以获得不含阻聚剂的单体但有时在最后一步的蒸儒操作 中，为防止被蒸单体在蒸馋瓶中发生热聚合，还需要先加入CuCI等挥发性小的阻聚剂再进 行蒸馄蒸儒沸点较高的单体时，为了避免在蒸僧过程中发生热聚合，总是采用减压蒸馅的 方法1.1.1甲基丙烯酸甲酯的精制甲基丙烯酸甲酯是无色透明的的液体，沸点100.3〜1006C,熔点-48.2C,纯结晶密度 0.936g/cm3,微溶于水，易溶于乙醇和乙醯等有机溶剂在商品甲基丙烯酸甲酯中，一般都含有阻聚剂，常用的是对苯二酚，可用碱溶液洗去, 具体进行纯化的方法如下：在500mL分液漏斗中加入250mL甲基丙烯酸甲酯，用50mL5% 的NaOH水溶液洗涤数次至无色，然后用蒸储水洗，（每次5O~8OmL）至中性。

分尽水层后 加入单体量5%左右的无水Na2SO4,充分摇荡，放置24小时以上，减压蒸馅收集50C16.5kPa 的馅分用内径较大一些的交换柱，单体从柱中流出的线速度控制l~2cm/min,精制后的单体 甲基丙烯酸甲酯可通过测定其折光率，漠化法或气相色谱法检验其纯度1.1.2苯乙烯的精制苯乙烯为无色（或略带浅黄色）的透明液体沸点145.2 C,熔点-30.6 C，纯晶密度 0.9060g/cm3(20/4C)o苯乙烯的精制方法和精制甲基丙烯酸甲酯的方法基本相同在500mL的分液漏斗中装 入250mL的苯乙烯，每次用约50niL的5%NaOH水溶液洗涤数次，至无色后再用蒸僧水洗 至水层呈中性，然后加入适量的无水Na2SO4放置干燥干燥后的苯乙烯再进行减压蒸偏，收集60C^.33kPa的德分，测定其纯度1.1.3醋酸乙烯酯的精制量取300mL的醋酸乙烯酯（VAc）放入500mL的分液漏斗中，加入60mL饱和Na2CO3 溶液，充分振荡后，放尽水层如此2〜3次，再用lOOmL蒸馅水洗一次，用60mL10%的 Na2CO3溶液洗2次，最后用蒸僧水洗至中型将此洗净的VAc倒入干净的瓶内，加入无水 NazSCU干燥，存放在冰箱内。

干燥过的VAc置于蒸馅瓶中在水泵减压下进行减压蒸偲 1.1.4偶氮二异丁腊的精制偶氮二异丁腊是一种应用广泛的引发剂，作为它的提纯溶剂主要是低级醇，尤其是乙 醇，也有人用甲苯、石油醍等作熔剂进行精制其熔点为102〜1O3C（分解）在装有回流冷凝管的150mL锥形瓶中加入50mL乙脖，于水浴上加热至接近沸腾，迅 速加入5g偶氮二异丁腊，摇荡使其全部溶解（煮沸时间长，分解严重），热溶液迅速抽滤（过 滤所用漏斗和吸滤瓶必须预热），滤液冷却后得白色结晶，用布氏漏斗过滤后，结晶于真空 干燥器中干燥，称重，测其熔点为102C（分解）产品放在棕色瓶中存放在干燥器内1.2实验装置图1 MPC-3型高分子化学实验装置（专利）MPC-3型微型高分子化学实验装置由搅拌装置、加热水（油）浴装置、控温调速装置、固 定锁紧装置等儿部分组成1）搅拌装置选用功率1I5W,岷11.25V-6V的微型电机，带动一个417x150mm的不锈钢搅拌杆配 聚四氟乙烯塑料（或不锈钢）浆叶来完成搅拌任务，转速在0〜2400转/分，可无级调速2）加热水浴（油浴）装置该装置以不锈钢材料制成，底部装有电热装置，并配有小型热电偶等测温元件，浴温 可在20C〜300C任意选择、调控。

3） 控温、调速装置控温、调速装置装在一个小型仪表盒内，可以通过旋扭自动控温和调速4） 固定、锁紧装置固定、锁紧装置由小型铁架台、万向节、电机锁紧机构、联轴节、微型反应器、反应 器夹持机构等组成MPC-3型微型高分子化学实验装置具有体积小（可装于一个300mm见方的小盒子内）, 重量轻，省电（节能90%）,机动灵活等特点，造价也比较低廉可以开出大部分高分子 化学实验我们开发研制成功了微型可变速搅拌器，解决了在微型高分子化学实验中通常易 出现的体系粘度大、反应持续时间长并伴有大量热量放出等难题开发的电动搅拌器的功率 为0. 5〜6W,转速为80〜1200i7min,配10mL微型化学实验反应实验结果显示重复性较 好，与常规高分子化学实验⑷相比，用电节省90%,所用试剂的质量、体积仅为常规高分子 化学实验的0.1%〜1%,具有机动、灵活、节省等特点，电源可以用3〜4.5V变压器，既便 使用干电池，也可使微型高分子化学实验照常进行聚合反应一般要在适宜的温度下进行, 并且随着反应的进行伴有热量放出，这就要求微型高分子化学实验的反应釜应在一特定的温 度环境中进行根据反应釜的体枳和聚合热，我们设计了一个容积为100〜500mL的容器， 配备100-500W的加热器，由调节器控制，水浴温度可从20〜100C、油浴温度可从30〜 300C任意可调，可以满足高分子合成与化学反应的一般要求。

该加热装置具有质星轻、体 积小、节能省电、机动灵活的特点该加热装置与微电动搅拌装置配合使用，可以开出大部 分高分子化学实验，该套实验装置造价200元，仅为常规高分子化学反应装置的1/5微型高分子化学实验所用仪器包括不锈钢焊条芯和管与不锈钢板或聚四氟乙烯制成搅 拌桨；用微型注射器代替量筒、用不锈钢针头加洗耳球代替真空泵、通用气球代替氮气系统、 用青霉素小瓶作为本体聚合的反应瓶、用自制的小型电热器应用于熔融缩聚，这些微小型仪 器设备经过实验，印证效果良好1.3.1苯乙烯本体聚合取四只洗净干燥的青霉素小瓶，分别加入0.004, 0.006, 0.008, 0.010g偶氮二异丁腊, 再分别加入已除去阻聚剂精制过的苯乙烯lg （可换算成体积后，用移液管加入），给小瓶加 盖覆膜胶塞后，一面用针头连氮气球通过胶盖充氮气，一面用另一针头，用洗耳球抽气，置 换三次后，一齐放入85 C恒温水浴中进行聚合注意观察和记录，比较各瓶中的反应情况 及粘度，体积的变化聚合2小时后，取出小瓶冷却后，分别加入2mL甲苯，搅拌得粘 稠状液体然后再将聚合物溶液在在搅拌下慢慢倒入盛有5mL乙醇的小杯中，使聚苯乙烯 沉析出来，得到的聚合物放在玻璃皿上，在60C真空烘箱中干燥至恒重。

1.3.2甲基丙烯酸甲酯本体聚合准备洗净干燥的青霉素小瓶五只，分别将lg溶有0.2%, 0.4%, 0.6%, 0.8%和1.0%的 偶氮二异丁腊的甲基丙烯酸甲酯加入各瓶中，加包玻璃纸胶塞后，用氮气置换瓶中空气将 五只小瓶一齐放入70C恒温水浴中进行聚合，观察和记录瓶中反应情况，注意体系粘度和 体积的变化，30min后，升温到75C,再过30min,再升高5C,当瓶内物料变得坚硬，就 将该瓶取出，记录所有时间，其余小瓶继续反应至反应物变硬再取出，记录反应时间1.3.3醋酸乙烯酯的溶液聚合在装有搅拌器，回流冷凝管和温度计的反应瓶中加入醋酸乙烯酯2g （可折算成体积后 用移液管量取），再将另一小烧杯中预先准备好的偶氮二异丁腊溶液（0.005g溶于2mL甲脖 中）倒入反应瓶，升温，控制反应瓶内温度61-63C,注意观察体系内粘度的变化，3小时 后，停止反应，将瓶内物料倒入用锡箔纸折成的小表面皿中，放入50C真空烘箱中干燥， 得无色透明树脂2结果与讨论2.1微型实验与绿色环保绿色化学作为当代化学科学的研究前沿，绿色的教育和普及己是化学教育工作的首要 任务之一化学是一门实验科学，化学实验是化学教育的重要环节，因此开展绿色化学实验, 是绿色化学教育的主要手段。

微型化学实验被誉为“化学实验的革命”，是近年来发展很快的 一种化学实验的新方法、新技术，具有省试剂、少污染、快速、安全、便携等特点2002 年8月在北京举办的第十七届国际化学教育学术研讨会（ICCE）中已把微型化学仪器列入 主题之一，而2004年即将在土耳其举办的第十八届国际化学教育学术研讨会（ICCE）中己 经把微型化学提升到第一个主题，表明采用微型实验将是国际趋势⑵化学教学，尤其是在 有机化学教学中采用微型实验，其社会效益、经济效益、环境效益和教学效果显著2.2微型实验与节约能源通过实验探讨了微型实验仪器的选用与装配、正确使用方法、操作技巧；组装了常压 蒸（分）儒装置、减压蒸葡装置，水蒸汽蒸儒装置、分液装置、抽滤装置、升华装置、固- 液提取装置等不同的反应装置；摸索出儿种有机物微型合成实验中温度的高低、pH值的大 小、试剂的规格与用量范围、加料的次序、反应的时间、纯化的方法等实验条件，并与常规 合成实验进行了对比2.2.1试剂用量的对比常规实验与微型实验试剂用量的对比见表1所示由表1可看出，微型实验在节约试剂方面的优点是非常突出的。