第三章自由基共聚合精选课件.ppt
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1、第三章自由基共聚合3.1 3.1 引言引言在逐步聚合反应中在逐步聚合反应中,如尼龙如尼龙-6,6-6,6和涤纶聚酯的合成,和涤纶聚酯的合成,大多采用两种原料大多采用两种原料,形成的聚合物含有两种结构单元形成的聚合物含有两种结构单元,但不能说是共聚合。但不能说是共聚合。共聚合:共聚合:两种或多种单体共同参加的聚合反应。两种或多种单体共同参加的聚合反应。共聚物:共聚物:两种或多种单体共聚反应所形成的聚合物。两种或多种单体共聚反应所形成的聚合物。共聚合多用于连锁聚合,如自由基共聚,离子共聚。共聚合多用于连锁聚合,如自由基共聚,离子共聚。3 alt alternating 交替1 共聚合反应及分类38
2、)与异戊二烯(r2=2.(2)共聚物组成的控制方法alt alternating 交替M1 和 M2的引发速率分别等于各自的终止速率。一次实验得一条直线,数次实验得几条直线,由交叉区域的重心求出r1和r2(1)r1=0:表示k11=0,活性端基只能加上异种单体。两种单体的相对活性须与同种自由基反应才能比较!无规共聚物名称中,放在前面的单体为主单体,后为第二单体C 无解聚反应,即不可逆聚合。在两单体间插入符号表明共聚物的类型60下丁二烯(r1=1.起始单体组成为 ,将共聚物组成微分方程积分后,重排(ii)r11,r21(curve 2)自由基与单体活性次序相反,这主要是由取代基3.2 3.2 二
3、元共聚物的组成二元共聚物的组成3.2.1 共聚物组成方程共聚物组成方程用动力学推导共聚物组成方程时须作下列假定:用动力学推导共聚物组成方程时须作下列假定:A 自由基活性与链长无关自由基活性与链长无关(等活性理论等活性理论)。B 前末端(倒数第二)单元结构对自由基活性无影前末端(倒数第二)单元结构对自由基活性无影响,即自由基活性仅取决于末端单体的结构。响,即自由基活性仅取决于末端单体的结构。C 无解聚反应,即不可逆聚合。无解聚反应,即不可逆聚合。M2M1,M1M2E 稳态稳态,要求要求自由基总浓度自由基总浓度和和两种自由基的浓两种自由基的浓度度都不变都不变,除引发速率和终止速率相等外除引发速率和
4、终止速率相等外,还要还要求两自由基相互转变的速率相等。求两自由基相互转变的速率相等。D 共聚物聚合度很大,引发和终止对共聚物共聚物聚合度很大,引发和终止对共聚物组成无影响。组成无影响。二元共聚时有二种引发、四种增长、三种终止反应。二元共聚时有二种引发、四种增长、三种终止反应。链引发链引发:R+M1 RM1 (或M1 )ki,1R +M2 RM2 (或M2 )ki,2链增长链增长:M1 +M1 M1 R11=k11M1 M1k11 k12M1M2+M2R12=k12M1M2M2 +M1 M1 R21=k21M2 M1k21M2 +M2 M2 R22=k22M2 M2k22链终止链终止:用于引发的
5、单体比例很小用于引发的单体比例很小,忽略不计。忽略不计。M1、M2的消失的消失速率或进入共聚物的速率仅决定于链增长速率。速率或进入共聚物的速率仅决定于链增长速率。dM1d t=R11+R21=k11M1 M1+k21M2 M1dM2d tR12+R22=k12k22M1M2M2 M2+=M1 +M1kt,11死大分子M2 +M2kt,22死大分子M1 +M2kt,12死大分子两单体消耗速率比等于两单体进入共聚物的速率比两单体消耗速率比等于两单体进入共聚物的速率比(m1/m2)对对M1和和 M2分别作稳态假定分别作稳态假定,得得:dM1 d t=Ri,1+k21M2 M1 k12M1 M2 kt
6、,12M1 M2 2kt,11M1 2=0dM2 d t=Ri,2+k12M1 M2 k21M2 M1 kt,12M2 M1 2kt,11M2 2=0满足上述稳态假定须有两个条件满足上述稳态假定须有两个条件:M1 和和 M2的引发速率分别等于各自的终止速率。的引发速率分别等于各自的终止速率。M1转变成转变成M2 和和 M2 转变成转变成 M1 的速率相等。的速率相等。m1m2=dM1dM2=k11M1 M1+k21M2 M1k12M1 M2+k22M2 M2alt alternating 交替M1M2M1M2M1M2一、理想共聚(r1r2=1)将共聚物组成微分方程积分后,重排如 聚苯乙烯,性脆
7、,与丙烯腈共聚在两单体间插入符号表明共聚物的类型3-2 交替共聚曲线若 r2=0,r10:5 单体和自由基的活性将共聚物组成微分方程重排1-氯乙烯(r1=1.(2)r1=1:表示k11=k12,即加上两种单体的几率相同。M2M2M23 共聚物组成与转化率的关系3 取代基对单体活性和自由基活性的影响如聚丁二烯苯乙烯(ii)r11,r21(curve 2)将一组实验的M1o、M2o和测得的M1、M2代入上式,再拟定P值,可求出r2。醋酸乙烯酯自由基的活性 苯乙烯自由基的活性k12M1 M2=k21M2 M1由上式解出由上式解出M2 代入代入m1/m2式式 消去消去M1 令:令:r1=k11k12r
8、2=k22k21竞聚率竞聚率:均聚和共聚链增长速率常数之比均聚和共聚链增长速率常数之比,表表征两单体的相对活性。征两单体的相对活性。经简化,得共聚物组成摩尔比经简化,得共聚物组成摩尔比(浓度比浓度比)微分微分方程:方程:dM1dM2=M1 r1M1+M2M2 r2M2+M1上式以两单体的摩尔比或浓度比来描述共聚物上式以两单体的摩尔比或浓度比来描述共聚物瞬时组成与单体组成的定量关系瞬时组成与单体组成的定量关系,竞聚率是影竞聚率是影响该定量关系的重要参数。响该定量关系的重要参数。令令f1代表某瞬间单体代表某瞬间单体M1占单体混合物的摩尔分率占单体混合物的摩尔分率,即:即:f1=1 f2=M1+M2
9、M1F1=1 F2=dM1+dM2dM1而而F1代表同一瞬间单元代表同一瞬间单元M1占共聚物的摩尔分率占共聚物的摩尔分率,即:即:摩尔比微分方程摩尔比微分方程 共聚物组成摩尔分率微分方程:共聚物组成摩尔分率微分方程:F1=r1f12+2f1f2+r2f22r1f12+f1f23.2.2 3.2.2 共聚行为类型共聚行为类型共聚物组成曲线共聚物组成曲线 为共聚物瞬时组成为共聚物瞬时组成F1和单体组成和单体组成f1的函数的函数,可可用相应的组成曲线用相应的组成曲线F F1 1-f-f1 1表示表示,影响两者关系的主要影响两者关系的主要参数是竞聚率参数是竞聚率r r1 1、r r2 2。F1=r1f
10、12+2f1f2+r2f22r1f12+f1f2(1)r(1)r1 1=0=0:表示:表示k k1111=0,=0,活性端基只能加上异种单体。活性端基只能加上异种单体。(2)r(2)r1 1=1=1:表示:表示k k1111=k=k1212,即加上两种单体的几率相同。即加上两种单体的几率相同。(3)r(3)r1 1=:只能均聚只能均聚,不能共聚不能共聚(尚未发现这种情况尚未发现这种情况)。(4)r(4)r1 11 1:活性端基能加上两种单体:活性端基能加上两种单体,但更有利于加上但更有利于加上 异种单体。异种单体。r1=k11k12r2=k22k21(5)r(5)r1 11 1:则易加上同种单
11、体。:则易加上同种单体。一、一、理想共聚(理想共聚(r1r2=1)共聚物中两单元摩尔比是原料中两单体摩尔比的共聚物中两单元摩尔比是原料中两单体摩尔比的r1倍。组成曲线不与恒比对角线相交倍。组成曲线不与恒比对角线相交,却与另一却与另一对角线成对称状况。对角线成对称状况。r r1 1r r2 2=1=1 或或r r2 2=1/r=1/r1 1,则,则 dM1 M1dM2 M2=r160下丁二烯(下丁二烯(r1=1.39)-苯乙烯(苯乙烯(r2=0.78)共聚和偏二氯乙烯(共聚和偏二氯乙烯(r1=3.2)-氯乙烯(氯乙烯(r2=0.3)共聚接近这种情况。共聚接近这种情况。Fig.3-1 理想共聚曲线
12、理想共聚曲线(r1r2=1)r1值值甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯-偏二氯乙烯共聚和四氟乙烯偏二氯乙烯共聚和四氟乙烯-三氟氯乙烯共聚属于这一情况。三氟氯乙烯共聚属于这一情况。特例:特例:理想恒比共聚理想恒比共聚 r r1 1=r=r2 2=1=1,两自由基均聚和共聚增长几率完全相同。两自由基均聚和共聚增长几率完全相同。不论配比和转化率如何不论配比和转化率如何,共聚物组成和单体组成完共聚物组成和单体组成完全相同全相同,即即F F1 1=f=f1 1,共聚物组成曲线为一对角线。共聚物组成曲线为一对角线。但M1和 M2的链段都不长,很难用这方法制得商品上的真正嵌段共聚物。将不同 f1组成的单体进行共聚
13、,控制低转化率,测定共聚物的组成 F1,作出F1 f1图。优选第三章自由基共聚合截距斜率法(FinemanRoss法)M1耗尽后,聚合也就停止。五 嵌段共聚(r11,r21)聚氯乙烯塑性差,与醋酸乙烯酯共聚B 前末端(倒数第二)单元结构对自由基活性无影响,即自由基活性仅取决于末端单体的结构。两种单体的相对活性须与同种自由基反应才能比较!令f1代表某瞬间单体M1占单体混合物的摩尔分率,即:三氟氯乙烯共聚属于这一情况。5 单体和自由基的活性聚 C 无解聚反应,即不可逆聚合。(2)共聚物组成的控制方法2-苯乙烯(r1=55)和醋酸乙烯酯(r2=0.测得共聚物中的 dM1 和 dM2,代入式中可得到以
14、 r1和r2 为变数的直线方程但,苯乙烯单体的活性 醋酸乙烯酯单体活性一次实验得一条直线,数次实验得几条直线,由交叉区域的重心求出r1和r22 自由基活性(k12)对M1和 M2分别作稳态假定,得:二二 交替共聚交替共聚 (r1=r2=0)在在F1-f1图为一条水平线图为一条水平线,与与f1值无关。含量少的值无关。含量少的单体消耗完毕单体消耗完毕,共聚合就停止。共聚合就停止。dM1/dM2=1 F1=0.5r1=r2=0r10,r20两种自由基不能与同种单体加成两种自由基不能与同种单体加成,只能与异种单体共聚只能与异种单体共聚,共聚物中两共聚物中两单体单元交替相间。单体单元交替相间。Fig.3
15、-2 交替共聚曲线交替共聚曲线 r1/r2如如6060苯乙烯(苯乙烯(r r1 1=0.01=0.01)、马来酸酐()、马来酸酐(r r2 2=0=0)共聚反应。共聚反应。dM1 M1dM2 M2=1+r1若 r2=0,r10:当当MM2 2 过量很多时过量很多时,r1M1/M21,才形成组成才形成组成1:11:1的共聚物。共聚物。M M1 1耗尽后耗尽后,聚合也就停止。聚合也就停止。三三 r r1 11,r1,r2 21 1 而而r r1 1r r2 21 1的非理想共聚(无恒比的非理想共聚(无恒比点的非理想共聚)点的非理想共聚)当当r r1 11,r1,r2 21 1而而r r1 1r r
16、2 21 1时,共聚曲线不与恒比时,共聚曲线不与恒比对角线相交对角线相交,而处于该对角线的上方而处于该对角线的上方,但不如理想但不如理想共聚曲线那样对称。共聚曲线那样对称。(如果(如果,则组成曲线处于对角线,则组成曲线处于对角线的下方。)的下方。)如氯乙烯如氯乙烯(r1=1.68)和醋酸乙烯酯和醋酸乙烯酯(r2=0.23)。1-氯乙烯(r1=1.68)和醋酸乙烯酯(r2=0.23)2-苯乙烯(r1=55)和醋酸乙烯酯(r2=0.01)Fig.3-3 非理想非恒比共聚曲线非理想非恒比共聚曲线四、四、r r1 11,r1,r2 21 1有恒比点的非理想共聚有恒比点的非理想共聚r r1 11 1,r
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