第二章-高分子材料合成原理及方法-链式聚合优秀PPT.ppt
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1、其次章其次章 高分子材料合成原理及方法高分子材料合成原理及方法书目书目 引言引言 自由基聚合反应自由基聚合反应 阳离子型聚合反应阳离子型聚合反应 阴离子型聚合反应阴离子型聚合反应 逐步聚合反应逐步聚合反应 共聚合反应共聚合反应 高分子材料的合成方法高分子材料的合成方法2.1 引言引言 2.1.1 聚合反应及分类 1、聚合反应 a、概念 b、能够参与聚合反应的单体2、据单体与高分子在组成结构上的变更进行分类 a、加聚反应加聚物单体 b、缩聚反应缩聚物单体 举例 2.1.1 聚合反应及分类聚合反应及分类 3 3、据聚合反应机理分类、据聚合反应机理分类 a a、链式聚合、链式聚合特征特征“基元反应基
2、元反应”、“体系组成体系组成”、“转化率,单体转化率,单体-时间时间”几种类型几种类型 b b、逐步聚合、逐步聚合特征特征“逐步反应逐步反应”、“体系组成体系组成”、“转化率,单体转化率,单体-时间时间”2.2 自由基聚合反应自由基聚合反应 自由基聚合机理自由基聚合机理 自由基聚合引发反应自由基聚合引发反应 自由基聚合反应动力学自由基聚合反应动力学 相对分子质量相对分子质量 聚合热力学聚合热力学2.2.1 自由基聚合机理自由基聚合机理(一)自由基的产生(一)自由基的产生 自由基的概念自由基的概念均裂、异裂均裂、异裂以以BPO举例举例(二)自由基的反应性(二)自由基的反应性1、自由基的活性、自由
3、基的活性2、影响自由基活性的因素、影响自由基活性的因素“共轭效应共轭效应”、“极性效应极性效应”、“空间位阻空间位阻”3、自由基反应类型、自由基反应类型 a、加成反应、加成反应 b、氧化、氧化-还原反应还原反应 c、偶合反应、偶合反应 d、歧化反应、歧化反应 e、转移反应、转移反应(三)自由基聚合机理(三)自由基聚合机理“四个基元反应四个基元反应”链引发反应链引发反应链增长反应链增长反应链终止反应链终止反应链转移反应链转移反应1、链引发反应(慢引发)、链引发反应(慢引发)初级自由基初级自由基 活化能:活化能:100170 kJ/mol单体自由基单体自由基 活化能:活化能:2034 kJ/mol
4、“速率限制步骤速率限制步骤”?“诱导期诱导期”2、链增长反应(快增长)、链增长反应(快增长)双键双键键键键键 活化能:活化能:2034 kJ/mol “体系组成体系组成”3、链终止反应(速终止)、链终止反应(速终止)偶合终止偶合终止 活化能:几乎为活化能:几乎为0歧化终止歧化终止 活化能:活化能:821 kJ/mol a、聚合度的变更、聚合度的变更 b、影响偶合终止与歧化终止的因、影响偶合终止与歧化终止的因素素“为什么能够产生大分子为什么能够产生大分子”?3、链转移反应、链转移反应概念概念特点:特点:“聚合速率聚合速率”、“聚合度聚合度”转移反应类型转移反应类型 a、向单体链转移、向单体链转移
5、 b、向溶剂链转移、向溶剂链转移 c、向引发剂转移向引发剂转移 d、向大分子链转移向大分子链转移 2.4 自由基聚合反应特征自由基聚合反应特征A 链式聚合反应链式聚合反应B 速率限制步骤速率限制步骤C 链增长才使聚合度增加。体系组成链增长才使聚合度增加。体系组成D 转化率与时间的关系,聚合度与时转化率与时间的关系,聚合度与时间的关系。间的关系。E 少量阻聚剂使自由基聚合终止。少量阻聚剂使自由基聚合终止。2.3 自由基聚合反应动力学自由基聚合反应动力学主要探讨内容主要探讨内容聚合反应速率聚合反应速率聚合产物相对分子质量聚合产物相对分子质量各种影响因素各种影响因素3.1.1 自由基聚合动力学方程自
6、由基聚合动力学方程链引发速率链引发速率Ri链增长速率链增长速率Rp 等活性理论等活性理论链终止速率链终止速率Rt 稳态假定稳态假定 聚合总速率等于链增长速率聚合总速率等于链增长速率一级反应一级反应kd引发剂分解速率常数,单位:时间引发剂分解速率常数,单位:时间-1,物理意义:单位引发剂浓度时的分解速率,常见引发剂的物理意义:单位引发剂浓度时的分解速率,常见引发剂的kd约约10-410-6秒秒-1。R、M、P 分别代表初级自由基、链自由基和高聚物分别代表初级自由基、链自由基和高聚物链引发反应链引发反应第一步是速率限制步骤,引入引发速率第一步是速率限制步骤,引入引发速率f fRIdk2链增长反应链
7、增长反应 链增长速率为各步增长反应速率的总和;链增长速率为各步增长反应速率的总和;第一个假定:等活性理论第一个假定:等活性理论各步增长速率各步增长速率常数相等;常数相等;双基终止,并有双基终止,并有偶合终止偶合终止和和歧化终止歧化终止两种形式两种形式链终止反应链终止反应2 2 代表终止时消逝代表终止时消逝两个自由基,美国两个自由基,美国的习惯用法的习惯用法其次个假定:其次个假定:“稳态稳态”假定,在很短一段时假定,在很短一段时间内,体系自由基浓度不变,即间内,体系自由基浓度不变,即Ri=Rt 高分子聚合度很大,用于引发的单体远少高分子聚合度很大,用于引发的单体远少于用于增长的单体,即:于用于增
8、长的单体,即:RiRp 第三个假定:聚合总速率等于链增长速率。第三个假定:聚合总速率等于链增长速率。即即R Rp 聚合速率方程聚合速率方程例题例题 单体溶液浓度为单体溶液浓度为0.2 mol/L,过氧类引,过氧类引发剂浓度为发剂浓度为4*10-3 mol/L,在,在60oC下加下加热聚合,如引发剂半衰期热聚合,如引发剂半衰期44 h,引发,引发剂效率剂效率f=0.80,kp=145 L/(mol.s),kt=7.0*107 L/(mol.s),欲达到,欲达到50%转化转化率,需多长时间?率,需多长时间?2.3.2 影响聚合反应速率的因素影响聚合反应速率的因素一、聚合温度一、聚合温度依据依据Ar
9、rhenius方程方程上升温度,聚合反应速率增加上升温度,聚合反应速率增加In fact:聚合中期,聚合中期,Rp非但不下降,反而加快,在非但不下降,反而加快,在Ct曲曲线上表现为线上表现为S型。型。加速现象:外界因素(如加速现象:外界因素(如T、I)不变,仅由于)不变,仅由于体系本身引起的加速现象体系本身引起的加速现象。M、I 随时间随时间 ,Rp也应随之也应随之自由基聚自由基聚合的重要合的重要特征特征二、自动加速现象二、自动加速现象 体系粘度随转化率提高后,双基终止困难,体系粘度随转化率提高后,双基终止困难,终止速率下降终止速率下降,转化率转化率 40 50%时,终止速率下降可达上百倍,而
10、此时体时,终止速率下降可达上百倍,而此时体系粘度还不足以严峻阻碍单体扩散,系粘度还不足以严峻阻碍单体扩散,kp变动不大,使变动不大,使kp/kt1/2增增加了近加了近78倍,活性链寿命延长十多倍,自动加速显著,分子量倍,活性链寿命延长十多倍,自动加速显著,分子量也快速增加。也快速增加。自动加速现象因体系粘度引起的,又称自动加速现象因体系粘度引起的,又称凝胶效应(凝胶效应(gel effectgel effect)。粘度粘度包埋程度包埋程度k kt t 自由基浓度寿命自由基浓度寿命 R Rp p 分子量分子量自动加速现象产生缘由自动加速现象产生缘由双基终止由扩散限制双基终止由扩散限制2.4 相对
11、分子质量相对分子质量一、动力学链长一、动力学链长 概念:活性链从引发阶段到终止阶段所消耗的单体分概念:活性链从引发阶段到终止阶段所消耗的单体分子数子数 动力学链长动力学链长=链增长速率与链终止速率的比值链增长速率与链终止速率的比值动力学链长与引发速率的关系:动力学链长与引发速率的关系:若为引发剂引发,则若为引发剂引发,则 :在低转化率下:动力学链长与单体浓度的一次在低转化率下: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。方成正比,与引发剂浓度的平方根成反比。代入代入偶合终止,聚合度偶合终止,聚合度=2*v歧化终止,聚合度歧化终止,聚合度=v二、温度的影响:二、温度的影响:E
12、负值,温度上升,聚合度下降负值,温度上升,聚合度下降例题例题3:已知过氧化二苯甲酰在已知过氧化二苯甲酰在60oC的半衰期为的半衰期为48 h,甲基丙烯酸甲酯在甲基丙烯酸甲酯在60oC的的 kp2/kt=1*10-2L/(mol.s)。假如起始投料量为假如起始投料量为100 mL溶液溶液(溶剂为惰性溶剂为惰性)中含中含20 g甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸甲酯和0.1 g 过氧化苯甲酰,试求过氧化苯甲酰,试求(1)10%单体转化为聚合物需多少时间?单体转化为聚合物需多少时间?(2.14 h)(2)反应初期生成的聚合物数均聚合度?)反应初期生成的聚合物数均聚合度?(831)(60oC下,下,85%歧化
13、终止,歧化终止,15%偶合终止,偶合终止,f=1)(M(BPO)=242 g/mol;M(MMA)=100 g/mol)热力学探讨范围:热力学探讨范围:反应的可能性、反应进行的方向以及平衡反应的可能性、反应进行的方向以及平衡方面的问题。方面的问题。聚合热力学的主要目的:聚合热力学的主要目的:从单体结构来推断聚合可能性,这对从单体结构来推断聚合可能性,这对探究新聚合物的合成很重要。探究新聚合物的合成很重要。2.6 聚合热力学聚合热力学反应能否进行、按什么方向进行,取决于自由焓变更。反应能否进行、按什么方向进行,取决于自由焓变更。聚合、解聚处于平衡聚合、解聚处于平衡聚合自发进行聚合自发进行解聚解聚
14、热力学其次定律:热力学其次定律:聚合热力学的基础聚合热力学的基础只有自由能变更只有自由能变更GG小于零的过程才能自动进行。小于零的过程才能自动进行。一般聚合反应是放热反应,一般聚合反应是放热反应,H 0。是进行聚合反应的必要条件,是进行聚合反应的必要条件,与与 、有关有关。即聚合热的大小是关键。即聚合热的大小是关键。此时温度为聚合上限温度此时温度为聚合上限温度TC。聚合温度必需在。聚合温度必需在Tc以下。以下。S总是负值总是负值学问点总结学问点总结 结构单元 单体 转化率 自由基 自由基的基元反应 自由基聚合反应的速率限制步骤 自由基聚合反应中,转化率与时间的关系 自由基聚合反应中,分子量与时
15、间的关系 链终止方式,与分子量的关系 自由基聚合体系的组成2.3 阳离子型聚合反应阳离子型聚合反应聚合反应聚合反应按反应机理按反应机理链式聚合链式聚合逐步聚合逐步聚合离子聚合离子聚合自由基聚合自由基聚合离子聚合离子聚合依据活性中心依据活性中心的电荷性质的电荷性质阳离子聚合阳离子聚合阴离子聚合阴离子聚合离子聚合主要内容离子聚合主要内容 聚合单体聚合单体 聚合引发体系聚合引发体系 聚合反应机理聚合反应机理2.3.1 单体单体烯类、羰基化合物、含氧杂环的单体烯类、羰基化合物、含氧杂环的单体原则上:原则上:取代基为供电基团的单体取代基为供电基团的单体 供电取代基使供电取代基使C=C电子云密度增加,有电
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