在配有加熱套的1升四口反應(yīng)釜內(nèi)裝入35毫升十氫化萘和1克分子*指定的二元酸;或者,若用酸酐,則除酸酐及十氫化萘外,還應(yīng)加入1/2克分子**的二元醇.調(diào)節(jié)變壓器使加熱套安全地加熱(通常約在110伏).當(dāng)儀器其余部分裝好后再開始升溫.
蓋上反應(yīng)釜蓋并擰緊,反應(yīng)釜裝有一攪拌器,一有刻度的25毫升油水分離器,分離器頂上裝一冷凝管;另有一根氮氣導(dǎo)人管,使反應(yīng)物在整個高溫聚合中處于氮氣保護(hù)下.玻璃管中的熱電偶線連接一高溫計,并且要把熱電偶放到與反應(yīng)混合物接觸的位置(見圖4-1).所用的氮氣要通過一堿性焦性沒食子酸溶液(50克KOH,100毫升水和5克焦性沒食子酸)的洗氣瓶以除去氧,然后通過無水硫酸鈣的干燥管除去水.油水分離器中應(yīng)先裝滿十氫化萘,使在反應(yīng)過程中維持反應(yīng)釜內(nèi)有恒定的重量.
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1克分子二元醇(如果用酸酐作反應(yīng)物則再加1/2克分子二元醇)在一加熱板上溫和地預(yù)熱,當(dāng)釜溫達(dá)到150℃時,將此二元醇通過裝氮氣導(dǎo)入管的側(cè)口加入反應(yīng)釜,做這個操作時應(yīng)戴上石棉手套,今后轉(zhuǎn)移熱液體時都應(yīng)戴上石棉手套.換上氮氣導(dǎo)入管之前,往反應(yīng)混合物中加0.17克(1毫克分子)對甲苯磺酸.如果酸性共聚單體是不飽和的,此時還應(yīng)加入0.1克對苯二酚.
迅速升溫到剛開始回流,這通常低于180℃.于是維持溫度恒定,直到油水分離器內(nèi)收集總出水量的1/4.在此期間應(yīng)每隔1分鐘記錄一次水面刻度.如果水與十氫化萘的界面不太清楚,可以在油水分離器內(nèi)加幾滴堿性溴百里酚藍(lán)指示劑溶液,指示劑將集中在油水界面.
當(dāng)收集第一個四分之一的總出水量后,把反應(yīng)溫度升高約10度,再維持恒定.在溫度升高和維持恒定期間***都應(yīng)每隔1分鐘記錄一次出水量.每次讀數(shù)時一定要記錄溫度.如果必須從油水分離器中放掉水,應(yīng)加入等量的十氫化萘取代油水分離器中的水,以便保持體系中體積不變.這將有助于簡化以后的計算.
當(dāng)收集到大約總量一半的水時,停止攪拌.插入一根玻璃管到反應(yīng)釜中;用空吸裝置吸出大約2克熱的樹脂,把樣品放入一已稱重的小燒瓶中.注意別讓熱樹脂碰到皮膚.
換上氮氣導(dǎo)入管,迅速將反應(yīng)溫度再提高10℃.反應(yīng)在新的溫度下等溫進(jìn)行,直到大約總出水量的3/4被蒸出.
同時,用減量法測定取出樹脂樣品的精確重量.用10毫升丙酮稀釋,樣品溶解后,用0.8N氫氧化鉀的甲醇溶液滴定到酚酞指示劑的終點****.將用滴定法測得的反應(yīng)程度與由反應(yīng)出水量計算得到的結(jié)果進(jìn)行核對.
再次升溫之前,停止攪拌,取出另一份樹脂樣品,稱重,并滴定.重新開動攪拌,反應(yīng)溫度迅速再提高10℃,保持此溫度,直到出水速率顯著降低.在這最高的操作溫度*****等溫進(jìn)行到反應(yīng)完全.在反應(yīng)的后階段滴定的數(shù)據(jù)比共沸混合物的數(shù)據(jù)更有意義.在反應(yīng)停止前應(yīng)滴定最后一個樹脂樣品.
由于縮聚中的副反應(yīng)會引起交聯(lián),并因此導(dǎo)致凝膠化,所以有些配方不能反應(yīng)到理論上的終點,若反應(yīng)混合物顯著變稠,并開始粘到攪拌棒上來,則應(yīng)迅速補加乙二醇以引起酯交換反應(yīng).這將制止分解的樹脂交聯(lián),并使樹脂容易從反應(yīng)釜中清除掉.超過凝膠點的測量是無意義的,部分凝膠化的樹脂應(yīng)扔掉不要.
當(dāng)反應(yīng)終了時.撤去油水分離器和氮氣導(dǎo)入管.進(jìn)一步操作前,一定要戴石棉手套.熱電偶和攪拌應(yīng)一取出就用棉布擦干凈.當(dāng)樹脂混合物冷卻到200℃以下時,將它倒入一用金屬容器保護(hù)的厚壁玻璃瓶內(nèi).這里最好用普通的8盎司帶螺帽的實驗室用的瓶子,它們有良好的耐熱震性能.
轉(zhuǎn)移樹脂到瓶內(nèi)時,最好將固定在架子上的反應(yīng)簽倒過來,將釜內(nèi)的東西倒干凈.倒凈后的反應(yīng)釜也可用棉布擦干凈.
冷卻到室溫后,十氫化脲-聚酯混合物將會分層,只要傾析出上層的十氫化萘清液就得到典型的樹脂樣品.
應(yīng)從積累的數(shù)據(jù)中計算出四個不同的假二級反應(yīng)速率常數(shù)和四個真實的速率常數(shù).只有保證在等溫下得到的數(shù)據(jù)才能用于你的計算.從不同溫度下的速率常數(shù)可以算出你所合成的聚合物的活化能(E)和阿累尼烏斯的A因子.比較你得到的和其他組得到的聚合物的參數(shù)值.解釋阿累尼烏斯參數(shù)和你們所得聚合物結(jié)構(gòu)關(guān)系中的意義.
儀器 反應(yīng)釜和附件,加熱套和可調(diào)變壓器,機(jī)械攪拌,油水分離器,冷凝管,氮氣鋼瓶,熱電偶,高溫計和石棉手套.
化學(xué)試劑 列于表4-2的二元酸、酸酐和二元醇,焦性沒食子酸,十氫化萘,氫氧化鉀甲醇溶液與丙酮.
表4-2 合成聚酯所用化合物的物理性質(zhì)
| 化合物 | 沸點(℃) | 熔點(℃) |
| 乙二醇 | 198 | -12.6 |
| 一縮二乙二醇 | 245 | -10.5 |
| 二縮三乙二醇 | 285 | — |
| 三縮四乙二醇 | — | |
| 聚乙二醇 | 依分子量而定 | |
| 己二酸 | — | 152 |
| 反丁烯二酸 | 200 升華 | 2871) |
| 順丁烯二酸 | 135 分解 | 130 |
| 順丁烯二酸酐 | 202 | 532) |
| 鄰苯二甲酸 | 200 分解 | 2301) |
| 鄰苯二甲酸酐 | 284 升華 | 1302) |
| 丁二酸 | 235 分解 | 185 |
| 丁二酸酐 | 261 | 119 |
1)封閉毛細(xì)管.2)易升華.
* 總加入量應(yīng)控制在大約250克.因此用較高分子量的二元醇時,加入量必須按比例減少.
** 當(dāng)使用酸酐時,加1/2克分子的二元醇是為了緩和較激烈的酸酐-二元醇反應(yīng).這對反應(yīng)沒有損害,因為在此反應(yīng)中并不出水.
*** 然而只有等溫觀察到的數(shù)據(jù)才能用于速率常數(shù)的測定.
**** 由于有對苯二酚的存在,不能觀察到典型的酚酞終點,但是可出現(xiàn)一易辦認(rèn)的從淡黃到紫棕或巧克力色的變化;確切的色變化跟實驗的樹脂有關(guān).
***** 有時必須把溫度升高到250℃;這個溫度應(yīng)被認(rèn)為是個上限.任何中間溫度,只要能維持回流并且不分解,都是可以的,但還需要能從體系中蒸出十氫化萘以加快使反應(yīng)完全.