高分子化学与物理 实验讲义 Experiment of Macromolecule's Synthetical Performance 新疆大学化学化工学院 材料科学与工程教研室编 2014年4月
1 高分子化学与物理 实验讲义 Experiment of Macromolecule’s Synthetical Performance 新疆大学化学化工学院 材料科学与工程教研室编 2014 年 4 月
目录 第一章高分子化学实验 实验一聚苯胺的制备和导电性的观察 5 实验二超高吸水性丙烯酸树脂的制备】 8 实验三对苯二甲酰氯与己二胺的界面缩聚 实验四聚丁二酸丁二醇酯的合成及性能表征 13 第二章高分子物理、材料物理实验 实验五粘度法测定热塑性聚合物的分子量 实验六熔点法测定热塑性结晶聚合物的熔融温度20 实验七凝胶色谱法测定聚合物分子量及分子量分布 25 实验八高分子材料拉伸强度测定。 .29 实验九高分子材料压缩强度测定 33 实验十高分子材料静弯曲强度的测定 .36 实验十一高分子材料抗冲击性能测定 .38
2 目 录 第一章 高分子化学实验 实验一 聚苯胺的制备和导电性的观察.5 实验二 超高吸水性丙烯酸树脂的制备.8 实验三 对苯二甲酰氯与己二胺的界面缩聚. 11 实验四 聚丁二酸丁二醇酯的合成及性能表征.13 第二章 高分子物理、材料物理实验 实验五 粘度法测定热塑性聚合物的分子量.15 实验六 熔点法测定热塑性结晶聚合物的熔融温度. 20 实验七 凝胶色谱法测定聚合物分子量及分子量分布.25 实验八 高分子材料拉伸强度测定.29 实验九 高分子材料压缩强度测定.33 实验十 高分子材料静弯曲强度的测定. 36 实验十一 高分子材料抗冲击性能测定. 38
前言 《高分子材料、材料化学综合实验讲义》一书，覆盖着高分子化学、高分子物 理、材料化学、材料物理、高分子材料成型加工、功能高分子材料及性能测试等 主要和基本的实验内容，是一本比较系统和综合的面向高分子材料与工程、材料 化学、功能材料专业本科生的专业实验用书。 一般教学实验都是以课程为主线，以单元性、验证性和实践操作性为主，实 验通常是教师为达到某一教学要求而设定的实验内容，并编写实验讲义，学生按 照实验讲义机械地进行实验操作，这样的实验只是一种被动的接受性实验。为了 改变这一现状，我们提出了设计性、综合性和实用性的实验教改。实验以产品为 实验过程的主线，将配方设计、成型工艺、性能测试和仪器设备操作集为一体， 学生作为实验的主体，具有很强的自主性和参与性。这样的实验实为一个产品的 研究过程，通过一组学生对同一产品合作研究，获得一批完整的、系统的实验数 据，每个同学通过对这些数据的分析和讨论得出实验的一些结论，而实验报告则 为一篇系统的研究论文。通过这样的实验，可使学生初步了解产品的研究过程， 同时为更好地进行毕业论文研究创造条件，也为一部分在毕业环节中进行毕业设 计的学生弥补了缺乏论文研究的不足。 本讲义是在经过多年教学改革实践的基础上编写而成的。2005年我们以材料 教研室现有的实验仪器为主，结合高分子化学、高分子材料成型工艺和高分子物 理三门课程，编写了《高分子材料综合实验讲义》取得了较好的效果。在此基础 上又扩展了近几年教学实践的两个专业实验的有关内容，编写成本讲义。本讲义 的有关内容，如紫外光聚合法制备超高吸水性聚丙烯酸树脂、超声与水热法制备 纳米氧化物、溶胶凝胶低温燃烧法制备纳米陶瓷粉体真空获得与真空镀膜实验、 凝胶色谱法测定聚合物分子量及分布、不同聚合物的热变形，维卡软化温度测定等 都是本专业教师的近几年科研成果，经过选择而移植过来的，使本讲义内容具有 一定的实用性和新颖性。 本讲义是为专业实验单独设课使用的，它不以验证、巩固或加深某一课程的理 论教学需要来安排实验内容，而是从培养目标要加强实验与创新能力，以及从整 个高分子材料科学与工程及材料化学实验自身原理与方法框架出发，阐明实验目 的要求、实验原理、仪器药品、实验步骤、结果讨论、思考题及参考文献等，着 重讨论实验原理，重视实验现象的分析与思考，启发创新思维，同时提倡实验技 能之间的相互联系与综合应用以及解决实际问题的完整过程训练。本讲义把所有
3 前 言 《高分子材料、材料化学综合实验讲义》一书，覆盖着高分子化学、高分子物 理、材料化学、材料物理、高分子材料成型加工、功能高分子材料及性能测试等 主要和基本的实验内容，是一本比较系统和综合的面向高分子材料与工程、材料 化学、功能材料专业本科生的专业实验用书。 一般教学实验都是以课程为主线，以单元性、验证性和实践操作性为主，实 验通常是教师为达到某一教学要求而设定的实验内容，并编写实验讲义，学生按 照实验讲义机械地进行实验操作，这样的实验只是一种被动的接受性实验。为了 改变这一现状，我们提出了设计性、综合性和实用性的实验教改。实验以产品为 实验过程的主线，将配方设计、成型工艺、性能测试和仪器设备操作集为一体， 学生作为实验的主体，具有很强的自主性和参与性。这样的实验实为一个产品的 研究过程，通过一组学生对同一产品合作研究，获得一批完整的、系统的实验数 据，每个同学通过对这些数据的分析和讨论得出实验的一些结论，而实验报告则 为一篇系统的研究论文。通过这样的实验，可使学生初步了解产品的研究过程， 同时为更好地进行毕业论文研究创造条件，也为一部分在毕业环节中进行毕业设 计的学生弥补了缺乏论文研究的不足。 本讲义是在经过多年教学改革实践的基础上编写而成的。2005 年我们以材料 教研室现有的实验仪器为主，结合高分子化学、高分子材料成型工艺和高分子物 理三门课程，编写了《高分子材料综合实验讲义》取得了较好的效果。在此基础 上又扩展了近几年教学实践的两个专业实验的有关内容，编写成本讲义。本讲义 的有关内容，如紫外光聚合法制备超高吸水性聚丙烯酸树脂、超声与水热法制备 纳米氧化物、溶胶-凝胶低温燃烧法制备纳米陶瓷粉体真空获得与真空镀膜实验、 凝胶色谱法测定聚合物分子量及分布、不同聚合物的热变形,维卡软化温度测定等 都是本专业教师的近几年科研成果，经过选择而移植过来的，使本讲义内容具有 一定的实用性和新颖性。 本讲义是为专业实验单独设课使用的，它不以验证、巩固或加深某一课程的理 论教学需要来安排实验内容，而是从培养目标要加强实验与创新能力，以及从整 个高分子材料科学与工程及材料化学实验自身原理与方法框架出发，阐明实验目 的要求、实验原理、仪器药品、实验步骤、结果讨论、思考题及参考文献等，着 重讨论实验原理，重视实验现象的分析与思考，启发创新思维，同时提倡实验技 能之间的相互联系与综合应用以及解决实际问题的完整过程训练。本讲义把所有
实验归纳为高分子化学部分，材料化学部分，高分子物理、材料物理部分，材料 成型加工部分，材料专业学生创新及综合性实验部分组成，以便教师根据实验学 时数和学生课余兴趣来安排训练。 本讲义可供从事高分子材料及材料化学专业的教学、科研、设计、生产和应用 的人员参考使用。讲义后还编有相关附录，除教学实验时使用外，学生毕业后还 可以作为手册使用。 如果本讲义能引起材料专业本科生读者的兴趣，促进高分子材料科技工作的进 展，作者将感到莫大的欣慰。同时也希望使用本讲义的同学提出指导性的建议和 不足之处。 本讲义由新疆大学化学化工学院材料教研室司马义·努尔拉、买买提江依米 提、吐尔逊阿不都热依木、宿新泰、杜勇、米红宇、曹丽琴、赵梦奇等老师参加 编写：艾合买提沙塔尔录入附录部分和整个讲义的排版工作。在此对支持、关心 本讲义编写工作的各位老师表示衷心的感谢。由于水平有限，经验不足，讲义中 错误和疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。 编者 2008年3月
4 实验归纳为高分子化学部分，材料化学部分，高分子物理、材料物理部分，材料 成型加工部分，材料专业学生创新及综合性实验部分组成，以便教师根据实验学 时数和学生课余兴趣来安排训练。 本讲义可供从事高分子材料及材料化学专业的教学、科研、设计、生产和应用 的人员参考使用。讲义后还编有相关附录，除教学实验时使用外，学生毕业后还 可以作为手册使用。 如果本讲义能引起材料专业本科生读者的兴趣，促进高分子材料科技工作的进 展，作者将感到莫大的欣慰。同时也希望使用本讲义的同学提出指导性的建议和 不足之处。 本讲义由新疆大学化学化工学院材料教研室司马义·努尔拉、买买提江·依米 提、吐尔逊·阿不都热依木、宿新泰、杜勇、米红宇、曹丽琴、赵梦奇等老师参加 编写；艾合买提·沙塔尔录入附录部分和整个讲义的排版工作。在此对支持、关心 本讲义编写工作的各位老师表示衷心的感谢。由于水平有限，经验不足，讲义中 错误和疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。 编者 2008 年 3 月
第一章高分子化学实验 实验一聚苯胺的制备和导电性的观察 一、实验目的 了解一种功能性聚合物一导电聚合物：掌握聚苯胺的合成方法。 二、实验原理 共轭聚合物指的指主链为长程的大元共轭体系的聚合物，由于电子沿主链方 向的迁移较为容易，因此是本征导电体。最早的导电聚合物是于20世纪70年代 发现的聚乙炔，以后人们又陆续发现了聚苯乙炔、聚苯、聚苯胺和聚噻吩等电子 导电聚合物，纠正了人们对有机聚合物不具有导电性的误解，为功能高分子材料 的应用开创了崭新的领域，并由此派生出光导电、电致发光和光电存储等新的研 究空间。共轭聚合物作为导电聚合物使用，一般存在化学稳定性低、制备比较团 难和加工性能差等缺点，而聚苯胺却具有制备方法简单、制备条件容易控制和稳 定性高等特点，同时还有良好的电导性，因而受到广泛关注。聚苯胺除了能导电 外，还具有质子交换、氧化还原、电致变色和三阶非线性光学等性质，在塑料电 池、电磁屏蔽、导电材料、发光二极管和光学器件等方面有巨大的应用前景。 聚苯胺由于其高电导率、良好的环境稳定性和原料的价廉易得等特点而成为 人们关注的焦点。聚苯胺的合成有化学氧化聚合和电化学聚合。化学氧化聚合是 苯胺在酸性介质中以过硫酸盐或重铬酸钾等作为氧化剂而发生氧化偶联聚合，聚 合时所使用的酸通常为挥发性质子酸，浓度一般控制在0.5mol/L~4.0mol/L之 间，反应介质可为水、甲基吡咯烷酮等极性溶剂，可采用溶液聚合和乳液聚合进 行。介质酸提供反应所需的质子，同时以掺杂剂的形式进入聚苯胺主链，使聚合 物具有导电性，所以盐酸为首选。电化学聚合是苯胺在电流作用下在电极上发生 聚合，它可以获得聚苯胺薄膜。在酸性电解质溶液中得到的蓝色产物，具育很高 的导电性、电化学特性和电致变色性：在碱性电解质溶液中则得到深黄色产物。 聚苯胺在大多数溶剂中是不溶的，仅部分溶解于二甲基甲酰胺和甲基吡咯烷 酮，可溶于浓硫酸，采用苯胺衍生物聚合、嵌段共聚和接枝共聚等方法可以提高 聚苯胺的溶解性，但是会给其导电性带来负面影响 ○N○N{O-N-C-w以 NoH海 "HCIE H01010
5 第一章 高分子化学实验 实验一 聚苯胺的制备和导电性的观察 一、 实验目的 了解一种功能性聚合物—导电聚合物；掌握聚苯胺的合成方法。 二、 实验原理 共轭聚合物指的指主链为长程的大-π 共轭体系的聚合物，由于电子沿主链方 向的迁移较为容易，因此是本征导电体。最早的导电聚合物是于 20 世纪 70 年代 发现的聚乙炔，以后人们又陆续发现了聚苯乙炔、聚苯、聚苯胺和聚噻吩等电子 导电聚合物，纠正了人们对有机聚合物不具有导电性的误解，为功能高分子材料 的应用开创了崭新的领域，并由此派生出光导电、电致发光和光电存储等新的研 究空间。共轭聚合物作为导电聚合物使用，一般存在化学稳定性低、制备比较团 难和加工性能差等缺点，而聚苯胺却具有制备方法简单、制备条件容易控制和稳 定性高等特点，同时还有良好的电导性，因而受到广泛关注。聚苯胺除了能导电 外，还具有质子交换、氧化还原、电致变色和三阶非线性光学等性质，在塑料电 池、电磁屏蔽、导电材料、发光二极管和光学器件等方面有巨大的应用前景。 聚苯胺由于其高电导率、良好的环境稳定性和原料的价廉易得等特点而成为 人们关注的焦点。聚苯胺的合成有化学氧化聚合和电化学聚合。化学氧化聚合是 苯胺在酸性介质中以过硫酸盐或重铬酸钾等作为氧化剂而发生氧化偶联聚合，聚 合时所使用的酸通常为挥发性质子酸，浓度一般控制在 0.5mol／L～4.0mol／L 之 间，反应介质可为水、甲基吡咯烷酮等极性溶剂，可采用溶液聚合和乳液聚合进 行。介质酸提供反应所需的质子，同时以掺杂剂的形式进入聚苯胺主链，使聚合 物具有导电性，所以盐酸为首选。电化学聚合是苯胺在电流作用下在电极上发生 聚合，它可以获得聚苯胺薄膜。在酸性电解质溶液中得到的蓝色产物，具育很高 的导电性、电化学特性和电致变色性；在碱性电解质溶液中则得到深黄色产物。 聚苯胺在大多数溶剂中是不溶的，仅部分溶解于二甲基甲酰胺和甲基吡咯烷 酮，可溶于浓硫酸，采用苯胺衍生物聚合、嵌段共聚和接枝共聚等方法可以提高 聚苯胺的溶解性，但是会给其导电性带来负面影响。 N N H H n N N m » ¹Ô-·´ Ó¦ Ñ õ» ¯µ¥Î» N H2 + Cl - N H n-x N H N H X N N m (NaOH)ÍѲôÔÓ ²ôÔÓ£ ¨HCI£ ©