离子聚合与配位聚合生产工艺.ppt
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1、第四章第四章 离子聚合与配位聚合生产工艺离子聚合与配位聚合生产工艺定义:定义:乙烯基单体、二烯烃单体以及一些杂环化合物在某些离子的作用下进行的聚合反应称为离子聚合反应(ionic polymerization)。离子聚合反应其实质是增长活性中心为离子的连锁聚合。离子型聚合反应阳离子聚合阴离子聚合配位离子型聚合分类:分类:第一节 离子聚合反应一、概述二、阳离子聚合反应及其工业应用 链引发 链增长链转移与终止:可以向单体或溶剂进行链转移(1)阳离子聚合过程阳离子聚合过程向单体链转移向单体链转移单体:具有强推电子取代基的烯烃类单体和共轭效应的单体。工业生产主要单体有:异丁烯、乙烯、环醚、甲醛、异戊二
2、烯等。引发剂或催化剂:共性:阳离子聚合所用的催化剂为“亲电试剂”。作用:提供氢质子或碳阳离子与单体作用完成链引发过程。(2)阳离子聚合单体与引发剂或催化剂阳离子聚合单体与引发剂或催化剂b.lewis酸:应用得最广。a.质子酸:这些酸能通过自身离解,释放出质子(H+)引发反应。这种酸的特点是没有质子,须加入微量的物质如水、醇、酸等助催化剂等,生成络合物,而释放出H+或碳正离子引发单体。BF3+H2O H+(BF3 OH)-类型化合物特点含氢酸HClO4、H2SO4、H3PO4、CH3COOH反离子亲核能力较强,一般只能形成低聚物Lewis酸AlCl3、BF3、SbCl5 较强FeCl3、TiCl
3、4、SnCl4 中强ZnCl2、BiCl3 较弱需要加入微量水、醇、酸等助催化剂才能引发单体其他物质I2、Cu2+等阳离子型化合物AlRCl2等金属有机化合物只能引发活性较大的单体(3)阳离子聚合反应阳离子聚合反应温度:降低聚合温度,可以抑制向单体的转移反应,有利于增长反应,聚合度增大。溶剂:提高溶剂的溶剂化作用,有利于形成松散离子对,增加聚合速率和聚合度。常用的溶剂:卤代烷(CCl4、CHCl3、C2H4Cl2)烃(C6H6、C7H8、C3H8、C6H14)硝基化合物(C6H5NO2、CH3NO2)不能用醚、酮、胺等容易与阳离子反应的溶剂。(4)阳离子聚合的工业应用阳离子聚合的工业应用聚异丁
4、烯:可改变反应条件得到不同分子量的产品。异丁烯聚合 AlCl3为引发剂为引发剂,氯甲烷为溶剂,氯甲烷为溶剂,在在0 40聚合聚合,得低分子量聚异丁烯,主要用于粘结剂等;得低分子量聚异丁烯,主要用于粘结剂等;在在100下聚合,得高分子量产物主要用作橡胶制品。下聚合,得高分子量产物主要用作橡胶制品。丁基橡胶制备 异丁烯和少量异戊二烯异丁烯和少量异戊二烯(16%)为单体为单体,AlCl3为引发剂为引发剂,氯甲烷为稀释剂氯甲烷为稀释剂,在在100下聚合下聚合,瞬间完成,分子量达瞬间完成,分子量达20万万以上。以上。丁基橡胶冷却时不结晶,丁基橡胶冷却时不结晶,-50柔软,耐臭氧,气密性好,柔软,耐臭氧,
5、气密性好,主要用作内胎。主要用作内胎。聚乙烯亚胺聚乙烯亚胺:主要是环乙胺、环丙胺等经阳离子聚合反应。用作絮凝剂、粘合剂、涂料以及表面活性剂。聚甲醛聚甲醛:三聚甲醛与少量二氧五环经阳离子引发剂AlCl3、BF3 等引发聚合。用作热熔粘合剂、橡胶配合剂。活性阳离子聚合反应活性阳离子聚合反应 合成可控制的分子量以及分子量分布的聚合物。可以进行活性阳离子聚合反应的单体:乙烯基醚类单体、异丁烯、苯乙烯及其衍生物、N-乙烯基咔唑等,其中以乙烯基醚类单体最为重要。活性阳离子聚合的作用:(1)合成分子量分布较窄,和可控制分子量的聚合物(2)合成端基为某功能团的聚合物(3)合成具有功能性悬挂基团的聚合物(4)合
6、成嵌段共聚物(5)合成大分子单体(1)阴离子聚合反应历程阴离子聚合反应历程链引发链增长三、阴离子聚合反应及其工业应用此外,根据需要链终止可以避免。链终止可以发生阴离子聚合的单体:(1)带有吸电子取代基乙烯基或二烯烃单体 (2)环状单体 如内酰胺、内酯、环氧杂烷、异氰酸酯阴离子聚合引发剂:碱、路易士碱和碱金属、金属碳基化合物、胺、磷化氢以及格氏试剂等。阴离子聚合通常在极性溶剂中进行,这种情况下,对应阳离子的影响可减少。四氢呋喃、乙二醇甲醚、吡啶等常用作阴离子聚合溶剂。(2)阴离子聚合单体与引发剂或催化剂阴离子聚合单体与引发剂或催化剂链增长反应:链增长反应是通过单体插入到离子对中间完成的。离子对的
7、存在形式对聚合速率、聚合度和结构均有影响。链终止反应:无杂质的聚合体系中苯乙烯、丁二烯等单体极难发生终止反应,活性链寿命很长。(3)阴离子聚合反应主要特点阴离子聚合反应主要特点溶剂及溶剂中的少量杂质不影响链增长过程,而是影响反应速度和链增长模式。合成分子量狭窄的聚合物。合成AB型,ABA型以及多嵌段、星形、梳形等不同形式的嵌段共聚物。合成某些具有适当功能团端基的聚合物。(4)阴离子聚合的工业应用阴离子聚合的工业应用第二节 配位聚合反应及其工业应用一、概述定义:定义:由过渡金属卤化物与有机金属化合物组成的络合型聚合引发剂体系引发乙烯基单体、二烯烃单体进行的空间定向聚合反应,称为配位(阴离子)聚合
8、反应。配位聚合反应属于特殊的离子聚合反应,有时也称为插入聚合反应(Insertion Polymerization)。配位聚合的单体配位聚合的单体 凡是可以进行聚合的烯类单体都可以在配位阴离子引发剂的作用下转变为聚合物。CCCCCCCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHHHHHCCCCCCCCCCCCCCCCH HHH HHHHHHHHHHHHHHHHHHH反式-1,4-聚丁二烯顺式-1,4-聚丁二烯高聚物的立体异构现象:高聚物的立体异构现象:由于分子中原子或原子团在空间排布方式(简称构型)不同引起的。实例:顺式聚丁二烯、反式聚丁二烯;全同聚丙烯、间同聚丙烯、无规聚丙烯。顺丁橡胶RCCCC
9、CCCHCHHHHCCCCCCHRHRHR HRHRHRHHHHHHHHHHRCCCCCCCHCHHHHCCCCCCRRHHHH RRHH RRHHHHHHHHHHRCCCCCCCRCHHHHCCCCCCRHHHRR HRHRHHHHHHHHHHHH全同立构体间同立构体无规立构体高聚物中有规立构高聚物所占的百分数称为高聚物中有规立构高聚物所占的百分数称为立构规整度立构规整度(等规度等规度)。c.经过四元环插入过程。插入反应包括两个同时进行的过程。I.增长链端阴离子对C=C的-碳的亲核进攻(反应2)。II.阳离子Mt+对烯烃键的亲电性进攻(反应1)。配位聚合的特点配位聚合的特点a.单体首先与亲电
10、性金属配位形成络合物。b.反应具有阴离子性质。二、齐格勒-纳塔(Ziegler-Natta)催化剂(1)主催化剂主催化剂a.周期表中第IVB族到第VIII族的过渡元素钛、钒、铬等的卤化物(或烷氧化物),常用的主催化剂有TiCl4、TiCl3、VCl3、ZrCl3等,其中以TiCl3最常用。b.TiCl3共有、四种结晶变化,不同的制备办法,其颜色、晶系及定向能力都不相同,晶形是极好的催化剂。(2)助催化剂:助催化剂:主要是IAIIIA族的金属烷基化合物或氢化物,最有效的是金属离子半径小、带正电的金属有机化合物如Be、Mg、Al等金属的烷基化合物,它们具有配位能力强,易生成稳定的双金属活性中心。不
11、同金属化合物对聚丙烯立构规整度的影晌不同金属化合物对聚丙烯立构规整度的影晌高活性高活性Ziegler-Natta催化剂催化剂第一代催化剂1g钛生产聚丙烯1-5kg,等规指数88-91%第二代催化剂第三代催化剂1g钛生产聚丙烯20kg,等规指数95%1g钛生产聚丙烯600-2000kg,等规指数98%采用第三代催化剂可以省去脱除催化剂和无规聚丙烯的工序。高高 效效 催催 化化 剂剂问题的提出:问题的提出:聚烯烃常规催化体系聚烯烃常规催化体系,-TiCl-TiCl3 3/AlEt/AlEt2 2ClCl3 3体系体系中中TiTi的利用率低,催化效率低和定向能力差,用于生的利用率低,催化效率低和定向
12、能力差,用于生产必须经过冗长的后处理工序脱除催化剂残渣和无规产必须经过冗长的后处理工序脱除催化剂残渣和无规物,不仅流程长,而且能耗高,产率低。物,不仅流程长,而且能耗高,产率低。高效催化剂的定义:高效催化剂的定义:将将TiClTiCl3 3负载于镁盐或有机镁表面负载于镁盐或有机镁表面,TiCl,TiCl3 3达到最大分散达到最大分散,提高催化剂的比表面积和利用率提高催化剂的比表面积和利用率,并,并通过添加内外络通过添加内外络合剂提高合剂提高PPPP的等规度。的等规度。这样制得的催化剂即为生产聚这样制得的催化剂即为生产聚烯烃的烯烃的高效催化剂高效催化剂。采用高效催化剂的意义采用高效催化剂的意义可
13、使催化活性在较长的时间内不衰减,从而保持可使催化活性在较长的时间内不衰减,从而保持其长效高活性。其长效高活性。可使聚烯烃中残留的过渡金属降至可使聚烯烃中残留的过渡金属降至10101010-6-6以下,以下,可免除聚烯烃生产中的醇洗、水洗、中和等后可免除聚烯烃生产中的醇洗、水洗、中和等后处理工序。处理工序。助催化剂:(助催化剂:(三乙基铝三乙基铝 )AlEtAlEt3 3的作用是的作用是将主催化剂中的将主催化剂中的TiClTiCl4 4还原还原成为成为TiClTiCl3 3 ,使主催化剂产生烷,使主催化剂产生烷基化作用,形成基化作用,形成活性中心。活性中心。与原料中的与原料中的H H2 2O O
14、,O O2 2等发生等发生反应,杀死毒物以保证主反应,杀死毒物以保证主催化剂活性不下降。催化剂活性不下降。高效催化剂的主要成分高效催化剂的主要成分主催化剂有效成分为主催化剂有效成分为TiClTiCl3 3,以,以MgClMgCl2 2为载体。为载体。主催化剂主催化剂大多数载体是镁的化合物如大多数载体是镁的化合物如MgO,MgClMgO,MgCl2 2,MgClMgCl2 26H6H2 2O,4MgCOO,4MgCO3 3Mg(OH)Mg(OH)2 25H5H2 2O O等,等,或采用或采用 CaO,ZnO CaO,ZnO,聚苯乙烯,聚丙烯粉末。,聚苯乙烯,聚丙烯粉末。催化剂的载体催化剂的载体扩
15、大催化剂的表面积扩大催化剂的表面积 增加有效活性中心。增加有效活性中心。高效催化剂的主要成分高效催化剂的主要成分可作第三组分大多是分子中含可作第三组分大多是分子中含O O、N N、P P化合物的给化合物的给电子试剂电子试剂.a.a.含氧有机化合物:含氧有机化合物:如醚、酯、醇、醛、酚、酮和羧酸等。如醚、酯、醇、醛、酚、酮和羧酸等。b.b.含磷有机化合物:含磷有机化合物:如次磷酸酯、磷酰胺等。如次磷酸酯、磷酰胺等。c.c.含氮有机化合物:含氮有机化合物:如脂肪胺和芳胺类如脂肪胺和芳胺类 。第三组分第三组分高效催化剂的主要成分高效催化剂的主要成分第三组分的作用第三组分的作用已已经经证证明明,制制备
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- 离子 聚合 配位聚合 生产工艺
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