铸型尼龙制备实验的改进

傅伟宁，项尚林

(南京工业大学 材料科学与工程学院，南京 210009)

高分子材料科学与工程专业的教学应培养出能在相应的工业领域中研究开发和解决实际问题的技术人才。实验教学是该专业教学过程中的重要环节，对学生巩固理论知识，锻炼综合技能和创新能力具有重要意义。

铸型尼龙又称MC 尼龙。由于制备过程工艺设备简单，聚合速度快，产品的机械性能和热性能优良，因此，机械、造船、汽车等工业部门都广泛应用这种新型的工程塑料［1－2］。

己内酰胺单体在引发剂和热的作用下能聚合成高分子量的聚合物。所用的引发剂有金属钠、氢氧化钠、乙醇钠等碱性物质。催化剂有酰基化合物和乙酰基己内酰胺的异氰酸酯类，如甲苯二异氰酸酯、二苯甲基二异氰酸酯、多亚甲基多苯基异氰酸酯等。用碱如氢氧化钠作引发剂时，己内酰胺的聚合属于阴离子型聚合。当采用乙酰基己内酰胺为催化剂时，其反应机理一般认为最初阶段生成己内酰胺的钠盐，而后钠盐成为反应中心，进一步与己内酰胺作用得到MC 尼龙。

MC 尼龙的制备可用氢气法、真空法、离心浇铸法［3－4］。真空法工艺简单、操作方便，是国内高校高分子材料与工程专业本科生专业实验中常用的方法［5］。即采用真空法抽去溶于己内酰胺中和反应生成的水分并促使单体熔化，熔化后的单体在抽真空条件下很快和引发剂作用生成钠盐，作用完毕后，反应物产生大气泡、出现类似暴沸的现象。暴沸后即可进行浇铸，保温进行反应，然后冷却得到MC 尼龙。

传统的MC 尼龙制备实验的实验装置和实验方法存在设备复杂、安全性、可靠性较差等问题。本文针对以上问题进行改进，使实验装置更为简单，操作更加简便，安全性更高，实验效果更加明显。

1 两种实验装置与实验方法的比较

1.1 传统实验装置与实验操作步骤

实验操作分为两步:首先将单体己内酰胺在预聚合装置中进行预聚合，然后再倒入试管在烘箱中聚合。其预聚合装置如图1 所示。

图1 传统实验预聚合装置

具体过程如下:

称取30 g 己内酰胺加入三口瓶中，装好预聚合装置(如图1)，接通电炉加热升温。当瓶内单体熔化后接上真空系统，开动真空泵使真空度逐渐提高，控制一定的真空度使瓶内温度恒定在130 ℃左右。除去物料中的水分和低沸点杂质(抽真空时间视物料中水分和低沸物多少而定，一般约需15 ～20 min)，通过控制阀徐徐放入空气恢复常压，断开真空泵电源。由加料口加入0.1 g NaOH，立即继续进行减压蒸馏，控制反应温度在130 ℃～140 ℃，等瓶内气泡消失，即反应结束(此过程约需15 ～20 min)。断开真空系统，关闭真空泵电源，切断加热电源。向三口瓶中加入3 ～5 滴催化剂甲苯二异氰酸酯，迅速摇匀后倒入预热到160 ℃的试管中，将试管在160 ℃烘箱中保温0.5 h 后取出，令其自然冷却，即固化成柱状聚合物。

1.2 改进后的实验装置与实验操作步骤

改进后的实验操作为单体己内酰胺的预聚合与聚合过程都在试管中进行，实验装置如图2 所示。

图2 改进后的实验装置

具体过程如下:

称取20 g 左右己内酰胺加入试管，装入控温加热炉中，密封，接通电源加热升温。当温度达到130 ℃左右后，开动真空泵使真空度逐渐提高，控制一定的真空度。使温度恒定在130 ℃左右，除去物料中的水分和低沸点杂质(抽真空时间视物料中水分和低沸物多少而定，一般约需15 ～20 min)，通过控制阀徐徐放入空气恢复常压，断开真空泵电源。向试管中加入0.05 ～0.1 g NaOH，立即继续进行减压蒸馏，控制反应温度在130 ℃～140 ℃，等试管内气泡消失，即反应结束(此过程约需15 ～20 min)。断开真空系统，关闭真空泵电源，向试管中加入1 ～3 滴催化剂甲苯二异氰酸酯，迅速摇匀后再装入控温加热炉中，升温至160 ℃，保温1 h 后将试管取出，令其自然冷却，即固化成柱状聚合物。

2 改进后的实验效果分析

由上述两种实验装置与实验操作步骤的比较可知，实验方法经改进后，实验装置更为简单，操作更加简便，安全性更高，实验效果更加明显。

2.1 简化实验装置，优化操作步骤

传统实验分两步进行。首先将单体己内酰胺在预聚合装置中进行预聚合，然后再倒入试管在烘箱中聚合，实验装置需要预聚合装置和烘箱;而改进后的实验，单体己内酰胺的预聚合与聚合过程都在试管中进行，不需要将预聚合后的预聚物在高温下倒入试管中。由此可见，改进后的实验装置更为简单，操作更加简便。

2.2 安全可靠，保护环境

传统实验要将预聚合后的预聚物在高温下倒入试管中，三口烧瓶的温度为130 ℃～140 ℃，试管的温度为160 ℃左右，在如此高的温度下操作，必须要非常谨慎，稍微不注意即会发生烫伤事故;而且在如此高的温度下，预聚合后的预聚物中未反应的己内酰胺单体和作为催化剂加入的甲苯二异氰酸酯(TDI)都会挥发出来，直接进入操作者所处的空气中，致使操作者和周围的人大量吸入体内。众所周知，这些被吸入的气体对人体非常有害，尤其是TDI。TDI 是水白色或浅黄色液体，具有强烈的刺激气味，对皮肤、眼睛和呼吸道有强烈刺激作用。吸入高浓度的TDI 蒸汽会引起支气管炎、支气管肺炎和肺水肿，液体与皮肤接触可引起皮炎。液体与眼接触可引起严重刺激作用，如果不加以治疗，可能导致永久性损伤。而长期接触TDI 可引起慢性支气管炎，对TDI 过敏者，可能引起气喘，伴喘鸣、呼吸困难和咳嗽［6］等症状。

改进后的实验不需要将预聚合后的预聚物在高温下倒入试管，在加入TDI 过程中，只需将试管从控温加热炉中取出，滴入数滴TDI，快速摇晃均匀后再放入控温加热炉中进行聚合。在这一实验过程中，尽管试管内预聚合后的预聚物温度在130 ℃～140 ℃，但试管口的温度并不高，因此安全性得到提高;另外，因操作便于在抽风厨中进行，因此即使有少量未反应的己内酰胺单体和TDI 会挥发出来，都不会被操作者和周围的人吸入体内，因而对人体和环境的污染大大减少。

2.3 实验效果更加明显

图3 为改进前后的实验样品，a 为改进前在试管中的样品，b 为改进后在试管中的样品，c 为改进前从试管中取出的样品外形，d 为改进后从试管中取出的样品外形。

在传统实验中将预聚合后的预聚物在高温下从三口烧瓶倒入试管过程中需要一定的时间，为安全起见，预聚合装置与烘箱一般有一定的距离，预聚物倒入试管后再将试管放入事先预热到160 ℃左右的烘箱中又要花费一定的时间，整个操作过程时间较长。而三口烧瓶的温度在130 ℃～140 ℃，试管的温度为160 ℃左右，此操作整个过程在室温下进行，预聚合后的预聚物的温度会大幅度降低，实践表明:当预聚物的温度低于110 ℃左右，反应活性中心就会大幅度减少，实验就会失败，因此传统实验经常有不成功的现象。即使成功，表面也不够光滑，如图3 中的a、c 所示。

图3 改进前后的实验样品

改进后的实验不需要将预聚合后的预聚物在高温下倒入试管中，只需要将试管从控温加热炉中取出，滴入数滴TDI，快速摇晃均匀后再放入控温加热炉中进行聚合。在这一过程中，试管中的预聚物在室温下存在时间大大缩短，温度降低有限，因而实验成功的可能性大大增加，成功率接近100，产品外观也较为光滑，如图3 中的b、d 所示。

将改进前后的样品用上海精密科学仪器有限公司生产的CDR－34P 型差动热分析仪进行分析，测试样品的熔融温度(tm)、结晶温度(tc)、熔融热焓(hm)、结晶热焓(hc)，结果如表1 所示。从表1可以看出，实验改进后获得的MC 尼龙样品的热性能得到提高，这表明改进后MC 尼龙分子量相对较高，没有未参与反应的残余己内酰胺单体，进一步说明了改进后实验的可靠性得到提高。

表1 改进前后样品的热性能

3 结束语

铸型尼龙实验是高分子材料与工程专业实验中难度较大的实验之一，针对传统的铸型尼龙实验方法中存在的问题，进行了改进。实践表明，改进后的实验方法具有许多优点:实验装置更为简单，操作更加简便，安全性更高，实验效果更加明显。

［1］石安富. 工程塑料手册［M］. 上海:上海科学技术出版社，2003.

［2］ 文祥.MC 尼龙的性能和应用［J］. 江西铜业工程，1999(2):19－22.

［3］王运华. 铸型尼龙离心浇铸聚合成型工艺研究［J］. 工程塑料应用，2000，28(9):24－26.

［4］曾上游，林轩，刘成. 卧式离心浇铸法生产MC 尼龙［J］. 工程塑料应用，2011，39(10):52－54.

［5］复旦大学高分子科学系. 高分子实验技术［M］. 上海:复旦大学出版社，1996:247－252.

［6］李绍雄，刘益军. 聚氨酯胶粘剂［M］. 北京:化学工业出版社，1998.