實驗2-1　苯乙烯和丙烯酸酯的乳液聚合

一、實驗目的

1.了解乳液聚合基本原理，掌握苯丙乳液的制備方法。

2.了解乳液聚合中各組分的作用，特別是乳化劑的作用。分析乳化劑用量對乳膠粒直徑的影響。

二、實驗原理

乳液聚合指單體在乳化劑作用下分散在介質中成乳液狀態進行的聚合。乳液聚合體系的主要成分有介質、乳化劑、單體以及引發劑。常見的乳液聚合體系的介質為水，乳化劑為陰離子型如十二烷基苯磺酸鈉等。若以憎水性的有機溶劑（如二甲苯）為介質，采用非離子型的乳化劑（如多元醇的單硬脂酸酯），則可以進行親水性單體（如丙烯酸和丙烯酰胺）的乳液聚合。親水性單體在憎水性有機溶劑中的乳液聚合又被稱為反相乳液聚合。反相乳液聚合的乳液體系不如普通的乳液聚合體系穩定，因此較少采用。

一般在乳液聚合體系中，單體幾乎不溶于水或只稍微溶于水。單體分子主要存在于單體顆粒和“膠囊”（膠粒）之中。與懸浮聚合不同，乳液聚合所用的引發劑是水溶性的，而且由于高溫不利于乳液的穩定，引發體系產生自由基的活化能很低，因此使聚合可以在室溫甚至更低的溫度下進行。常用的乳液聚合引發體系有過硫酸鹽-亞鐵鹽體系和異丙苯過氧化氫-亞鐵鹽等氧化還原引發體系，這類體系產生自由基的活化能只有約41.84kJ/mol，可在較低溫度下引發烯類單體聚合。

在乳液聚合體系中，自由基產生于水相。初級自由基可在水相中引發溶于水中的少量單體分子進行聚合，并經過擴散過程進入膠囊或單體顆粒從而引發膠囊或單體顆粒內的單體分子聚合。由于體系中膠囊的數目比單體顆粒的數目大很多，因此生于水相的自由基通過擴散運動進入膠囊的機會要比進入單體顆粒中的機會大很多。可以想象，乳液聚合的主要場所應當是含有單體分子的膠囊，而在單體顆粒內進行的聚合則很少。單體顆粒主要起著單體“貯存庫”的作用，單體分子不斷地由單體顆粒中擴散出去，通過介質進入正在發生聚合的膠乳顆粒內以補充膠粒內不斷聚合的單體。實驗發現，單體向膠乳顆粒中的擴散過程通常很快，因而不影響膠乳顆粒中單體的濃度和聚合速率。只有在單體顆粒完全消失之后，膠乳顆粒中的單體濃度才因得不到外界的補償而逐漸降低。

乳液聚合分為三個階段。第一階段：乳膠粒生成期（成核期），乳化劑在水中形成膠束，單體通過增溶作用進入膠束，單體以小液滴形式存在，聚合速率遞增；第二階段：恒速期，膠束完全消失，乳膠粒子數已穩定，反應勻速進行；第三階段：降速期，單體液滴消失，單體-聚合物乳膠粒體系轉變成聚合物乳膠粒，反應減速進行。本實驗要求在單體引發劑、水的用量及合成體系條件一定的條件下，測出不同乳化劑用量的乳膠粒直徑及其粒徑分布。

三、實驗儀器和實驗原料

1.實驗儀器

250mL三頸燒瓶、攪拌裝置、回流冷凝器、溫度計、恒溫水浴裝置。

2.實驗原料

去離子水、苯乙烯、丙烯酸酯、十二烷基硫酸鈉、過硫酸鉀、氫氧化鈉。

四、實驗步驟

（1）稱取0.2g過硫酸鉀溶于20mL水中備用。

（2）安裝恒溫水浴及攪拌裝置。

（3）量取80mL水、1.2g十二烷基硫酸鈉加入三頸瓶中，加熱攪拌使之充分溶解。

（4）滴加濃度為5%～10%氫氧化鈉溶液，調節瓶內pH值在8～10之間。

（5）溫度為70℃時，加入20g苯乙烯和丙烯酸酯混合物（摩爾比1∶1），滴加備好的過硫酸鉀溶液約2/3，待出現藍光后，降溫至60～65℃，半個小時內分批加入剩余的引發劑。

（6）60℃恒溫攪拌3h，冷卻出料。

（7）將苯乙烯和丙烯酸酯摩爾比改為1∶3和3∶1做對比實驗（三個組作對比）。

五、思考與討論

1.乳液聚合有哪些優缺點？

2.哪些因素影響乳液的穩定性？

3.本次實驗采用的乳化劑是什么？乳化劑用量的改變對乳液聚合反應有什么影響？