PMMA复合材料合成与制备.docx

材料制备与合成论文PMMA 复合材料制备与合成摘 要: PMMA 复合材料制备是采用本体聚合原理来制备聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 通过改变预聚合温度以及引发剂的用量来确定实验的最佳反应方案是 30g甲基丙烯酸甲酯 (MMA )在 85℃水浴下 , 偶氮二异丁腈 ( AIBN )0.015g 作用下 预聚合 30min采用预聚浆体模腔浇注法来制备试样 , 并通过对所制试样进行冲 击性能、透光率、硬度等物性测试来对其表征从物理化学光学方面全面了解 PMMA复合材料的基本特征和性能， 总结 PMMA 复合材料在现代化生活中重要角 色以及中国国情下的 PMMA 材料发展关键词: 聚甲基丙烯酸甲酯 膨润土 本体聚合 引发剂一、 PMMA复合材料简单理解聚丙烯酸酯类透明塑料一般系指聚甲基丙烯酸甲酯 (即 PMMA ), 其单体甲 基丙烯酸甲酯 (MMA ) 是一种活性高而且易于均聚和共聚的单体 , 它主要用于制 造有机玻璃 , 也是广泛用于制造模塑料、工程塑料、涂料及粘合剂等的原料甲 基丙烯酸甲酯 ( 简称 MMA ) 的均聚物或共聚物的片状物俗称为有机玻璃 , 它是目 前塑料中透明性最好的品种。

俗名特殊处理有机玻璃 亚克力的研究开发， 距今 已有一百多年的历史 1872 年丙烯酸的聚合性始被发现； 1880 年甲基丙烯酸的 聚合性为人知晓； 1901 年丙烯聚丙酸脂的合成法研究完成； 1927 年运用前述合 成法尝试工业化制造； 1937 年甲基酸脂工业制造开发成功，由此进入规模性制 造二战期间因亚克力具有优异的强韧性及透光性， 首先， 被应用于飞机的挡风 玻璃，坦克司机驾驶室的视野镜 1948 年世界第一只压克力浴缸的诞生，樗着 压克力的应用进入了新的里程碑 20世纪 80 年代，中国压克力(亚克力)有机 玻璃年销售量不足 2 万吨，消费市场不以建筑业为主进入 90 年代以来， PMMA 在建筑业中的市场应用有了较大的发展，消费量增长很快， 2000 年已达到 8.5 万吨，其中浇注板 2.9 万吨、挤出板 2.5 万吨、模塑料 3.1 万吨(不包括挤出板 用模塑料) 预计今后几年中， 中国压克力有机玻璃市场发展速度年均将保持在 6%以上预计到 2005年，中国压克力有机玻璃的市场容量为 11 万吨，其中建筑 业约占 60%～70%有机玻璃有良好的热塑加工性能 , 易于加工成型 , 它的化学性能也很稳定 , 能 耐一般化学腐蚀 , 低浓度的酸、碱对它的作用很小。

有机玻璃成型后的边角废料 经加热裂解会还原为甲基丙烯酸甲酯单体 , 又可回收之后再用于聚合 , 避免了原 料的浪费聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 (PMMA),俗 称 有 机 玻 璃 , 其 结 构 简 式 为 : C5H8O2;( PMMA ) 聚合机理不同 , 其分子构型及性能也有所不同 自由基引发第1 页材料科学与工程学院材料制备与合成论文的聚合物系无规结构 采用本体聚合法合成的 PMMA ,常常成为短的链区相互间 隔地排列着全同立构或间同立构 , 以致整个链段看来仍是无规结构它们甚至拉 伸时还呈现无定型通常 PMMA 分子量为 50万― 100万 在低温(0 ℃― -78 ℃) 用γ- 射线或紫外线照射 MMA进行自由基聚合可得到间同立构为主的 PMMA由于 PMMA 的长分子链上具有许多非极性的甲基和极性的羧甲酯基团 , 使大分子之 间既有一定空间位阻 , 又有一定的相互作用力 , 且大分子链由仲碳原子、 季碳原子 连接而成 ,因此,它的力学性能、化学性能、熔融体性能、 热稳定性能等都和它的 结构有关PMMA 聚合试验方法在聚合物生产发展史上 , 长期以来自由基聚合占领先 地位, 目前仍占较大比重。

自由基聚合的实施方法主要有本体聚合、溶液聚合、 悬浮聚合、乳液聚合四种其中也有些方法可用于缩聚和离子聚合 本实验主 要是通过实验 ,找出制备有机玻璃的最佳工艺条件 , 最终经过物性测试来对样品 进行表征 ,所以要求制的产品非常纯净 , 而且本体聚合的方法简单易操作 , 所需仪 器比较少 , 宜于实验室研究用因此采用本体聚合的方法PMMA 的缺陷以及改性研究现状在于聚甲基丙烯酸甲酯是透明性最好的聚 合物材料之一 , 具有优良的耐候性、电绝缘性和极好的装饰效果但有机玻璃的 硬度低,不耐刮擦 ,在使用过程中表面极易被擦伤 , 造成表面起雾 ,使材料的透明 度下降, 装饰效果劣化与抗冲击性能好的透明材料聚碳酸酯 (PC)相比,PMMA的 价格低,有成本优势,但抗冲击强度低 ,在许多方面的应用受到限制我们可以通 过对其进行改性来解决这些缺点带来的问题聚甲基丙烯酸甲酯的改性 ,就是对聚合物的结构进行某些调整和改变 , 从而 使高聚物的某些性能得以改善和提高 所有高聚物的改性工作都是着眼于高聚物 的三个结构层次 , 即通过改变高聚物的分子链结构、聚集态结构以及表面来达到 改性的目的聚甲基丙烯酸甲酯的改性工作也是如此。

PMMA复合材料在近年来 ,聚合物/ 粘土纳米复合材料的研制和应用引起了人 们的广泛关注 ,因为这类材料兼具有机和无机材料的特点 , 具有普通材料无法比 拟的优点 , 如更高的模量、热变形温度、尺寸稳定性及优异的气液阻透性等蒙 脱土( montmorillonite ,简称 MMT结) 构特征为两层 Si-O四面体中间夹一层 Al-O 八 面体的三明治结构利用蒙脱土的层间可膨胀性及与有机阳离子吸附与交换性 , 很容易将其亲水性改为亲油性 ,从而为制备聚合物 / 蒙脱土纳米复合材料提供了 可能性采用一般的乳液聚合即可制备出 PMMA/OMM纳T米复合材料 针对 PMMA本体 聚合制备过程中引发剂用量、 预聚合温度对 PMMA性能的影响做一个探讨 , 确定现 有条件下的最佳预聚合温度和引发剂用量 得出上述制得 PMMA最佳方案后 , 我们第2 页材料科学与工程学院材料制备与合成论文将膨润土作为添加剂来对其进行改性 ,制得 MMT/PMM复A合材料将所得样品与相 同反应条件下制得的未经改性的 PMMA样品的力学性能进行比较 , 通过数据的比 较来探讨膨润土改性后的 PMMA其韧性是否得到了改善。

二、 PMMA材料合成实验原理实验通过将试剂 α-甲基丙烯酸 （分析纯）, 甲基丙烯酸甲酯 （分析纯）, 天无水 乙醇（分析纯）, 偶氮二异丁腈 （化学纯）, 医用凡士林 （精细化工 ）, 甲基硅油（精细 化工） ，通过仪器电动恒温水浴锅 （DSY-1-2 孔型）, 直流电动搅拌器 （JJ-2 型）, 电 热鼓风干燥箱 （DF206 型）, 分光光度计 （722 型）, 冲击实验机 （XJJ-5 型）, 塑料洛 式硬度计 （XHR-型） 进行实验，实验采用本聚合反应在机理上属于自由基聚合 自 由基聚合反应一般由链引发、 链增长、 链终止等基元反应组成的原理 链引发反 应是形成单体自由基活性种的反应 用引发剂引发时 ,MMA分子中的双键 , 在引发 剂的激发下在双键处可以发生加聚反应生成高聚物 , 成为聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）,反应用中的引发剂是偶氮二异丁腈将由下列两步进行 :（1） 引发剂 I 分解,形成初级自由基 R I →2R? -2） 初级自由基与单体加成 , 形成单体自由基单体自由基形成以后 , 继续与 其他单体加聚 , 而使链增长在链引发阶段形成的单体自由基 ,仍具有活性 , 能打开第二个烯类分子的 π 键, 形成新的自由基。

,新自由基活性并不衰减 ,继续和其他单体分子结合成单元 更多的链自由基这个过程称做链增长反应自由基活性高 , 有相互作用而终止的倾向终止反应有偶合终止和歧化终止 两种方式 两链自由基的独电子相互结合成共价键的终止反应称做偶合终止 偶 合终止结果 , 大分子的聚合度为链自由基重复单元数的两倍用引发剂引发并无 链转移时 , 大分子两端均为引发剂残基某链自由基夺取另一自由基的氢原子或其他原子的终止反应 , 则称做歧化终 止歧化终止结果 , 聚合度与链自由基中单元数相同每个大分子只有一端为引 发剂残基 ,另一端为饱和或不饱和 , 两者各半链终止方式与单体种类和聚合条件有关由实验确定 , 甲基丙烯酸甲酯在 60℃以上聚合 , 以歧化终止为主 ; 在 60℃以下聚合 , 两种终止方式都有三、 PMMA的制备流程（1） 模具制作截取足够量长 125mm宽 15mm厚 2.0mm的平板无机玻璃 , 每四片为一组将标准 试样夹紧并以胶带固定密封住 标准试样要留出至少 1/3 以便抽出留出空腔 待 标准试样抽出并将模具四面平板无机玻璃密封完全后将模具底部也用胶带封起 来,这样一个模具就做好了 在选择胶带的时候最好选择无色透明的胶带 ,这样能第3 页材料科学与工程学院材料制备与合成论文很清楚地观察得到模具里面反应体的情况。

2) 预聚浆的制备在 100ml 小烧杯里加入 MMA30g本( 实验所用 MMA含量大于 99%,20℃下密度为 0.9410―0.9440g/ml,30gMMA即为 31.88ml 然后称取一定量的偶氮二异丁腈 (AIBN), 轻轻摇动至溶解 ,倒入三口瓶中 ,在搅拌器搅拌的条件下在较高温度的水 浴中加热预聚合 , 观察反应体系的粘度变化直至形成粘性薄浆 ( 似甘油状或稍粘 一些) 此时将反应体迅速冷却至室温 , 将预聚合好的粘稠状浆液倒入烧杯 , 预备 灌浆3) 灌浆将制好的粘稠浆液迅速冷却至室温 , 倒入一只洁净干燥的小烧杯中 , 倒时注 意不要过急 , 以免空气被包裹在聚合体中形成气泡将做好的洁净的无机玻璃模 具倾斜约 30°, 缓缓倒入预聚浆料 , 注意一定要控制倒的速度 , 要使预聚浆慢慢 地沿着模具的壁面向下流 ,尽量减少空气被包裹的可能 倒满后, 可以轻轻在桌面 上敲击模具的底部赶出里面的空气待空气完全赶出以后 , 用胶带把模具的口封 住,确定要密封严实 , 不能让里面的预聚浆漏出来4) 低温聚合将灌浆后封好的模具放入 40℃― 50℃的烘箱中进行低温聚合 , 时间为 10― 12 个小时。

低温聚合使模具里的聚合物基本成为固体后再将温度升高到 95℃―100℃,保持 1.5―2 个小时后断开电源 ,使模具在烘箱内慢慢冷却至 50℃― 60℃ 后取出5) 脱模将冷却后的模具取出 , 拆去外面的一层密封胶带 , 橇开四面围着的平板无机 玻璃既可得样品因为无机玻璃表面是光滑的 , 而且它与有机玻璃不会发生反应 , 所以可以不用涂脱模剂 如果是钢制模具则一定要涂一层脱模剂 脱模剂要能在 100℃温度不挥发 , 我们可以选用有机硅油 , 它可以在 -50 ℃― 150℃温度长期作 用脱模剂使用时要注意用量 ,太少了起不到作用 , 太多了又会影响到样品的透光 度和色泽四、 MMT/PMM复A合材料的制备将钠基膨润土配成一定浓度的矿浆 ,使其 pH值在 7-8 之间, 再加入一定量十 六烷基三甲基氯化铵 ( CTAC), 在一定温度下活化一段时间 , 过滤、洗涤、干燥 , 即得有机膨润土将上面 PMMA制备实验中总结得到的工艺条件 ( 即预聚合反应温 度和引发剂的用量 )作为制备 MMT/PMMA 复合材料的实验条件 , 搅拌下在 MMA 中加入不同质量分数的有机膨润土进行预聚合预聚合后即得 MMT/PMMA 齐 聚物。

同样用上面所用的模具进行浇铸 , 聚合完全后脱模得到样品第4 页材料科学与工程学院材料制备与合成论文本实验主要测试的是产品的透光率、 机械强度和成品硬度 冲击性能测试使 用的是 XJJ-5 型冲击性能试验机 ,所要冲击能量数据由下式计算得到。