实验4 开环聚合制备尼龙6

一、实验目的

（1）加深对开环聚合原理的理解。

（2）掌握己内酰胺开环聚合的实验技术。

二、实验原理

开环聚合是环状化合物单体经过开环反应转变成线型聚合物的反应。其最大特点是聚合前后化学键的性质不发生变化，而仅是键的空间位置有了改变。因此，就其化学结构来说，开环聚合的产物与单体的组成相同。开环聚合不像加成反应时释放出那样多能量，其聚合过程的热效应是环张力的变化造成的，因此反应条件较为温和，副反应比缩聚反应少，易于得到高相对分子质量的聚合物，也不存在等摩尔配比问题。

开环聚合的机理按单体不同而异。大多数环状单体开环聚合的机理与离子聚合机理类似，为阴离子开环聚合、阳离子开环聚合或配位聚合；少数环状单体开环聚合的机理与缩聚反应或自由基聚合相类似。

环酰胺又称内酰胺，它可以在不同引发剂或催化剂的作用下，产生不同电荷性质的活性中心，从而既可以阳离子开环聚合，又可以阴离子开环聚合，还可以水解逐步聚合，反应通式为：

内酰胺在无水条件下的阳离子聚合比较复杂，引发和增长反应涉及与质子酸、质子酸盐、氨或路易斯酸形成的内酰胺阳离子。链增长经由氨解或酰化反应发生。链终止经由脒生成、内环化、支化反应和各种其他反应。这种聚合化学反应还没有在工业上得到应用。

内酰胺的阴离子聚合机理如下：

阴离子形成：

引发：

增长：

阴离子再生：

己内酰胺的阴离子聚合反应速率非常快，可在几分钟内以90%～95%的转化率生成聚合度达10万以上的聚己内酰胺。由于聚合引发后可直接浇入模具内聚合，因此产物称为浇铸尼龙。要使己内酰胺阴离子聚合在工业上有实用价值，必须有碱性催化剂和助催化剂的存在。

在环酰胺的开环聚合产物中，聚己内酰胺具有重要地位。早在1941年，聚己内酰胺就已正式投产，称为尼龙6。工业生产中，己内酰胺聚合为聚己内酰胺，以及其他内酰胺聚合为相应的聚合物所采用的方法，是把内酰胺和水的混合物加热到约270℃，保持达到平衡条件。加入微量链终止添加剂和其他助剂、开环催化剂，如氨基己酸或羧酸铵，以控制反应速率、相对分子质量和端基平衡。涉及的三个主要反应如下：

（1）开环反应，内酰胺的水解开环：

（2）缩合：

（3）内酰胺加成到增长链的端氨基上：

本实验用己内酰胺为单体、ε-氨基己酸为催化剂，通过开环聚合制成聚己内酰胺。产物在间甲酚中测定特性黏度值。

三、实验材料和仪器

1.主要实验材料

己内酰胺、间甲酚、ε-氨基己酸。

2.主要实验仪器

三口烧瓶、沙浴、温度计、烧杯。

四、实验步骤

（1）在一个100mL的三口烧瓶上装一个接头，然后抽空、充氮。加入50g纯己内酰胺和5.6gε-氨基己酸后，用沙浴把烧瓶加热到80～100℃。

（2）混合物熔化后，将温度计插入熔体内，在140℃开始搅拌，慢慢加热到250℃，直至得到黏稠熔体。

（3）把黏稠聚酰胺6熔体迅速倒入烧杯中。在间甲酚中测定其特性黏度值。

五、实验结果分析与讨论

（1）把聚合物熔体在255～265℃下保持6min以上，聚酰胺6熔体黏度值会发生什么变化？为什么？

（2）如果进行己内酰胺的阴离子型聚合选择什么试剂较合适？选择什么催化剂比较合适？

（沈新元）