[研究生入学考试]高分子化学教程2课件.ppt

1、2.1 连锁聚合概述连锁聚合概述烯类单体通过双键打开发生的加成聚合反应大多于连锁聚合。烯类单体通过双键打开发生的加成聚合反应大多于连锁聚合。连锁聚合反应通常由链引发、链增长和链终止等基元反应组连锁聚合反应通常由链引发、链增长和链终止等基元反应组成。每一步的速度和活化能相差很大。成。每一步的速度和活化能相差很大。连锁聚合连锁聚合 按活性中心按活性中心 自由基聚合（自由基聚合（Freeradical Polymerization）阳离子聚合（阳离子聚合（Cationic Polymerization）阴离子聚合（阴离子聚合（Anionic Polymerization）1）连锁聚合的条件）连锁聚合

2、的条件 活性种活性种R （Reactive Species）的存在（外因）的存在（外因）自由基（自由基（Free Radical）R 阳离子（阳离子（Cation）阴离子（阴离子（Anion）单体中存在接受活性种进攻的弱键，如单体中存在接受活性种进攻的弱键，如-C=C-（内因）（内因）共价键（共价键（Covalent bond）的断裂）的断裂 均裂（均裂（Homolysis）均裂结果：均裂结果：共价键上一对电子分属两个基团，带独电子的共价键上一对电子分属两个基团，带独电子的基团呈中性，称为自由基。基团呈中性，称为自由基。异裂（异裂（Heterolysis）异裂结果：异裂结果：共价键上一对电子全

3、部归属于某一基团，形成共价键上一对电子全部归属于某一基团，形成阴离子；另一缺电子的基团则成为阳离子。阴离子；另一缺电子的基团则成为阳离子。2）活性种的形成）活性种的形成 自自由基聚合是至今为止研究最为透彻的高分子合成由基聚合是至今为止研究最为透彻的高分子合成反应。其聚合产物约占聚合物总产量的反应。其聚合产物约占聚合物总产量的60%60%以上。以上。重要的自由基聚合产物：高压聚乙烯、聚氯乙烯、聚重要的自由基聚合产物：高压聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、聚（甲基）丙苯乙烯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、聚（甲基）丙烯酸及其酯类、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、丁苯橡胶、烯酸及其酯类、聚丙烯

4、腈、聚丙烯酰胺、丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、ABSABS树脂等。树脂等。特点：单体来源广泛、生产工艺简单、制备方法特点：单体来源广泛、生产工艺简单、制备方法多样。多样。自由基聚合是最重要的高分子合成反应之一。自由基聚合是最重要的高分子合成反应之一。2.2 自由基聚合机理自由基聚合机理1）自由基聚合的基元反应）自由基聚合的基元反应（Elementary Reaction）链引发、链增长、链终止、链引发、链增长、链终止、链转移等基元反应链转移等基元反应 IR*R*+MRM*RM*+MRM2*RM2*+MRM3*RMn-1*+MRMn*RMn*死聚合物链引发链增长链终止 链终止

5、和链增长是一对竞争反应链终止和链增长是一对竞争反应 终止速率常数远大于增长速率常数，终止速率常数远大于增长速率常数，但从整个聚合体系宏观来看，反应速率还但从整个聚合体系宏观来看，反应速率还与反应物的浓度成正比，与反应物的浓度成正比，单体浓度单体浓度M 自由基浓度自由基浓度M.（110mol/l）（）（10-710-9mol/l）链转移（链转移（Chain Transfer）：）：夺取原子夺取原子 从单体（Monomer）链自由基链自由基 从溶剂（从溶剂（Solvent）从引发剂（从引发剂（Initiator）从大分子（从大分子（Macromolecule）失去原子的分子成为自由基，继续新链增长

6、（链失去原子的分子成为自由基，继续新链增长（链转移），链转移反应不仅将影响聚合物的分子量，也转移），链转移反应不仅将影响聚合物的分子量，也常常形成支链。常常形成支链。2）自由基聚合特征）自由基聚合特征 微观上分为链引发、增长、终止、转移等基元反应，并微观上分为链引发、增长、终止、转移等基元反应，并可概括为：可概括为：慢引发、快增长、速终止慢引发、快增长、速终止。引发速率最小，所。引发速率最小，所以引发速率是控制聚合速率的关键。以引发速率是控制聚合速率的关键。反应混合物主要由单体和聚合物组成。在聚合过程中，聚反应混合物主要由单体和聚合物组成。在聚合过程中，聚合度变化较小。合度变化较小。在聚合过程

7、中，单体浓度逐步降低，聚合物浓度相应提高。在聚合过程中，单体浓度逐步降低，聚合物浓度相应提高。延长聚合时间主要是提高转化率，对分子量影响较小延长聚合时间主要是提高转化率，对分子量影响较小。引发剂：引发剂：分子结构上具有弱键、易分解产生自分子结构上具有弱键、易分解产生自由基进而引发单体聚合的物质。由基进而引发单体聚合的物质。引发剂引发剂 在聚合过程中逐渐被消耗，残基成为大分子末端，在聚合过程中逐渐被消耗，残基成为大分子末端，不能再还原成原来的物质。不能再还原成原来的物质。催化剂（催化剂（Catalyst）仅在反应中起催化作用，能加快反应速度，但不仅在反应中起催化作用，能加快反应速度，但不参与反应

8、，反应结束后仍以原状态存在于体系中的物参与反应，反应结束后仍以原状态存在于体系中的物质。质。2.3引发剂（引发剂（Initiator）1）引发剂类型）引发剂类型 偶氮化合物（偶氮化合物（AzoCompound）过氧化合物（过氧化合物（Peroxide）氧化氧化还原体系（还原体系（RedoxSystem）偶氮类引发剂（偶氮类引发剂（Azo Initiator）R、R为烷基，为烷基，结构可对称或不结构可对称或不对称对称偶氮二异丁腈偶氮二异丁腈AIBN（2,2-Azo-bis-isobutyronitrile）异丁腈自由基异丁腈自由基特点：特点：一级反应，形成一种自由基；一级反应，形成一种自由基；分

9、解速率慢，分解速率慢，kd=10-5-6（5060），活性低；），活性低；较稳定，可以安全贮存；较稳定，可以安全贮存；有毒。有毒。过氧类引发剂（过氧类引发剂（Peroxide Initiator）有机过氧化物有机过氧化物无机过氧化物无机过氧化物弱过氧键（弱过氧键（O-O），加热易均裂成），加热易均裂成2个自由基个自由基 有机过氧化物有机过氧化物过氧化氢的衍生过氧化氢的衍生 有机过氧化物通式：有机过氧化物通式：R，R：H、烷基、酰基、碳酸酯等，可以相同或不同。、烷基、酰基、碳酸酯等，可以相同或不同。有机过氧化物引发剂主要类型：有机过氧化物引发剂主要类型：过氧化二烷基（过氧化二烷基（Alkyl P

10、eroxide）：如）：如过氧化二异丙苯过氧化二异丙苯 过氧化二酰基（过氧化二酰基（Acyl Peroxide）：）：如过氧化二苯甲酰（如过氧化二苯甲酰（BPO）这二类属低活性引发剂这二类属低活性引发剂过氧化二苯甲酰（过氧化二苯甲酰（BPO,Benzoylperoxide）苯甲酸基自由基 苯基自由基过氧类引发剂中最常用的低活性引发剂（过氧类引发剂中最常用的低活性引发剂（60，kd=10-6S-1）无机过氧化物引发剂无机过氧化物引发剂最常用：水溶性过硫酸盐（最常用：水溶性过硫酸盐（Persulfate）典型代表：过硫酸钾（典型代表：过硫酸钾（KSP）和过硫酸铵（）和过硫酸铵（ASP）过硫酸盐可单

11、独使用，但更普遍的是与适当的还过硫酸盐可单独使用，但更普遍的是与适当的还原剂构成氧化还原体系，可在室温或更低的温度下引发原剂构成氧化还原体系，可在室温或更低的温度下引发聚合。聚合。特点：特点：活化能低，可以在室温或更低的温度下引发聚合；活化能低，可以在室温或更低的温度下引发聚合；引发速率快，即活性大；引发速率快，即活性大；氧化还原体系引发剂（氧化还原体系引发剂（RedoxInitiator）过氧化物引发剂加入适量还原剂，通过氧化还原过氧化物引发剂加入适量还原剂，通过氧化还原反应，生成自由基。反应，生成自由基。水溶性氧化水溶性氧化还原体系还原体系 氧化剂（氧化剂（Oxidant）：过氧化氢、过硫

12、酸盐、氢过氧化物）：过氧化氢、过硫酸盐、氢过氧化物等。等。还原剂（还原剂（Reductant）：无机还原剂和有机还原剂（醇、）：无机还原剂和有机还原剂（醇、胺、草酸、葡萄糖等）。胺、草酸、葡萄糖等）。主要有主要有过氧化氢体系过氧化氢体系和和过硫酸盐体系过硫酸盐体系过硫酸盐体系过硫酸盐体系 亚硫酸盐和硫代硫酸盐与过硫酸盐构成氧化还原体亚硫酸盐和硫代硫酸盐与过硫酸盐构成氧化还原体系：形成两个自由基：系：形成两个自由基：半衰期（半衰期（t1/2）（）（Half Life）引发剂分解为一级反应，常用半衰期来衡量反应速率的引发剂分解为一级反应，常用半衰期来衡量反应速率的大小。大小。半衰期：半衰期：引发剂

13、分解起至起始浓度一半所需的时间，以引发剂分解起至起始浓度一半所需的时间，以t1/2表示（表示（Hr）。）。t1/2与与kd的关系：的关系：引发剂的活性的表示：引发剂的活性的表示：kd、t1/2kd愈大或愈大或t1/2愈短，引发剂的活性愈高愈短，引发剂的活性愈高工业上衡量引发剂活性的定量指标：工业上衡量引发剂活性的定量指标：60下下t1/2：t1/2 1hr：高活性引发剂，如：高活性引发剂，如DCPD(1hr)；1hrt1/2 6hr：低活性引发剂，如：低活性引发剂，如AIBN(16hr)。BPPD：过氧化二碳酸二苯氧乙酯过氧化二碳酸二苯氧乙酯4）引发剂的选择）引发剂的选择根据聚合方法选择：根据

14、聚合方法选择：本体、悬浮和溶液聚合：本体、悬浮和溶液聚合：偶氮类和过氧类等油溶性引发剂。偶氮类和过氧类等油溶性引发剂。乳液、水溶液聚合：乳液、水溶液聚合：过硫酸盐等水溶性引发剂或氧化还原体系。过硫酸盐等水溶性引发剂或氧化还原体系。根据聚合温度选择：根据聚合温度选择：选择选择t1/2与聚合时间同数量级或相当的引发剂。与聚合时间同数量级或相当的引发剂。引发剂用量的确定需经过大量的试验：引发剂用量的确定需经过大量的试验：总的原则为：低活性用量多，高活性用量少，一般为单体量的总的原则为：低活性用量多，高活性用量少，一般为单体量的0.010.1%。2.4 聚合速率（聚合速率（Rate of Polyme

15、rization）1）概述）概述定义：定义：Rp单位时间内单体消耗量或聚合物的生成量单位时间内单体消耗量或聚合物的生成量转化率转化率(Conversion)：参加反应的单体量占总单体量的：参加反应的单体量占总单体量的百分比。百分比。通常呈通常呈S型型。据此，。据此，可将聚合过程分为：可将聚合过程分为：1诱导期；诱导期；2聚合初期；聚合初期；3聚合中期；聚合中期；4聚合后期聚合后期可用C t 曲线表示聚合过程中速率的变化各阶段的特点：各阶段的特点：诱导期（诱导期（Induction Period）反应开始时，体系中的杂质使初级自由基终止，无反应开始时，体系中的杂质使初级自由基终止，无聚合物形成。

16、聚合物形成。特点：特点：曲线不通过原点。曲线不通过原点。若体系纯度高，无阻聚杂质，则无诱导期。若体系纯度高，无阻聚杂质，则无诱导期。可通过精制单体、反应釜内通过可通过精制单体、反应釜内通过N2等消除或减少杂质，等消除或减少杂质，缩短或消除诱导期。缩短或消除诱导期。聚合初期聚合初期 诱导期后，诱导期后，C在在1020%以下的阶段。以下的阶段。特点：特点：Rp不随不随t 而变化（而变化（Ct曲线几乎呈直线）。曲线几乎呈直线）。聚合中期聚合中期 C达达1020%以上的阶段。以上的阶段。Rp逐渐增加，出现自动加速现象，也称加速阶段。逐渐增加，出现自动加速现象，也称加速阶段。聚合后期聚合后期 C在在70

17、%以上，最后可达以上，最后可达9095%。Rp较慢，最后接近零，也称减速阶段。较慢，最后接近零，也称减速阶段。匀速匀速 加速加速 减速减速 反应速率与单体浓度呈一级反应反应速率与单体浓度呈一级反应 聚合速度与引发剂浓度的平方根、单体浓度的一次方成正比聚合速度与引发剂浓度的平方根、单体浓度的一次方成正比聚合速率聚合速率2.5 聚合度聚合度 聚合度是表征聚合物的重要指标，影响聚合速率的聚合度是表征聚合物的重要指标，影响聚合速率的诸因素如：诸因素如：引发剂浓度、单体浓度、聚合温度等引发剂浓度、单体浓度、聚合温度等，它们，它们对聚合度同样也存在影响。对聚合度同样也存在影响。1）动力学链长（）动力学链长

18、（Kinetics Chain Length）定义定义：每个活性种从引发阶段到终止阶段所消耗的：每个活性种从引发阶段到终止阶段所消耗的单体分子数。以单体分子数。以表示。表示。表明：低转化率下，动力学链长与单体浓度的表明：低转化率下，动力学链长与单体浓度的 一次方成正比，与引发剂浓度的平方根成反比。一次方成正比，与引发剂浓度的平方根成反比。偶合终止：偶合终止：二个活性种形成一个聚合物分子二个活性种形成一个聚合物分子 歧化终止：歧化终止：一个活性种形成一个聚合物分子一个活性种形成一个聚合物分子 一般情况：一般情况：C、D分别为偶合终止分别为偶合终止和歧化终止的速率和歧化终止的速率平均聚合度平均聚合

19、度增长速率与形成大分子的所有终增长速率与形成大分子的所有终止速率之比止速率之比)(.,StrItrmtrtpnRRRRRX21,22MkSkMkIkkkMkRkXpstrpItrpmtrpptn向单体、引发剂、溶剂的链转移常数分别向单体、引发剂、溶剂的链转移常数分别定义如下：定义如下：pStrSpItrIpMtrMkkCkkCkkC,2122MSCMICCMkRkXSIMpptn)(110MSCMICCXXSIMnn0)(nX在歧化終止在歧化終止时：链转移时：链转移反应对平均反应对平均聚合度影响聚合度影响的定量关系的定量关系式式正常聚合终止正常聚合终止（歧化终止歧化终止）链转移终止链转移终止：

20、表示无链转移反应时的聚合度。表示无链转移反应时的聚合度。（歧化終止）（歧化終止）2.6聚合方法聚合方法实施方法实施方法本体聚合本体聚合溶液聚合溶液聚合悬浮聚合悬浮聚合乳液聚合乳液聚合配方主要成分配方主要成分单体、引发剂单体、引发剂单体引发剂、溶剂单体引发剂、溶剂单体、引发剂、分单体、引发剂、分散剂、水散剂、水单体、引发剂、乳单体、引发剂、乳化剂、水化剂、水聚合场所聚合场所单体内单体内溶剂内溶剂内单体内单体内胶束内胶束内聚合机理聚合机理自由基聚合一般机自由基聚合一般机理，聚合速度上升理，聚合速度上升聚合度下降聚合度下降容易向溶剂转移，容易向溶剂转移，聚合速率和聚合度聚合速率和聚合度都较低都较低类

21、似本体聚合类似本体聚合能同时提高聚合速能同时提高聚合速率和聚合度率和聚合度生产特征生产特征设备简单，易制备设备简单，易制备板材和型材，一般板材和型材，一般间歇法生产，热不间歇法生产，热不容易导出容易导出传热容易，可连续传热容易，可连续生产。产物为溶液生产。产物为溶液状。状。传热容易。间歇法传热容易。间歇法生产，后续工艺复生产，后续工艺复杂杂传热容易。可连续传热容易。可连续生产。产物为乳液生产。产物为乳液状，制备成固体后状，制备成固体后续工艺复杂续工艺复杂产物特性产物特性聚合物纯净。分子聚合物纯净。分子量分布较宽量分布较宽分子量较小，分布分子量较小，分布较宽。聚合物溶液较宽。聚合物溶液可直接使用可直接使用较纯净，留有少量较纯净，留有少量分散剂分散剂留有乳化剂和其他留有乳化剂和其他助剂，纯净度较差助剂，纯净度较差表表1 自由基聚合实施方法比较自由基聚合实施方法比较