链式共聚合反应(精品).ppt
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1、第第 四四 章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应高高 分分 子子 科科 学学 基基 础础4.1 概述概述概念概念:由一种单体进行的链式聚合反应称为由一种单体进行的链式聚合反应称为均聚反应均聚反应(homo-polymerization),其产物为其产物为均聚物均聚物(homopolymer),由两种或由两种或两种以上单体进行的链式聚合反应成为两种以上单体进行的链式聚合反应成为共聚反应共聚反应(copoly-merization),相应地,其产物成为相应地,其产物成为共聚物共聚物(copolymer)。共聚物不是由几种单体各自生成的聚合物的混合物,而共聚物不是由几种单体各自生成的聚合物
2、的混合物,而是在聚合物的分子链结构中同时含有这几种单体单元是在聚合物的分子链结构中同时含有这几种单体单元。第第 四四 章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应意义意义:通过共聚反应吸取几种均聚物的长处,改进多种性能,如通过共聚反应吸取几种均聚物的长处,改进多种性能,如机械性能、溶解性能、抗腐蚀性能和老化性能等,从而获得综机械性能、溶解性能、抗腐蚀性能和老化性能等,从而获得综合性能均衡优良的聚合物。合性能均衡优良的聚合物。此外,通过共聚反应研究还可了解不同单体和链活性种的此外,通过共聚反应研究还可了解不同单体和链活性种的聚合活性大小、有关单体结构与聚合活性之间的关系、聚合反聚合活性大小、有
3、关单体结构与聚合活性之间的关系、聚合反应机理多方面的信息等,完善高分子化学理论体系。应机理多方面的信息等,完善高分子化学理论体系。第第 四四 章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应共聚物的分类共聚物的分类:共聚物根据所含共聚物根据所含单体单元种类单体单元种类的多少可分为二元共聚物、的多少可分为二元共聚物、三元共聚物等,依此类推。三元共聚物等,依此类推。二元共聚物根据二元共聚物根据单体单元在分子链上的排列方式单体单元在分子链上的排列方式可分四类:可分四类:(1)无序(规)共聚物)无序(规)共聚物(random copolymer)两种单体单元的排列没有一定顺序,两种单体单元的排列没有一定
4、顺序,A单体单元相邻的单单体单元相邻的单体单元是随机的,可以是体单元是随机的,可以是A单体单元,也可以是单体单元,也可以是B单体单元。单体单元。AAABAABAABBABABAAB第第 四四 章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应(2)交替共聚物交替共聚物(alternating copolymer)两单体单元在分子链上有规律地两单体单元在分子链上有规律地交替排列交替排列,A单体单元单体单元相邻的肯定是相邻的肯定是B单体单元。单体单元。ABABABABABABABABABABABAB(3)嵌段共聚物嵌段共聚物(block copolymer)两单体单元在分子链上两单体单元在分子链上成段
5、排列成段排列。AAAAAAAAAAAAABBBBBBBBBBBBB第第 四四 章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应(4)接枝共聚物)接枝共聚物(graft copolymer)以其中一单体组成的长链为主链,另一单体组成的链为以其中一单体组成的长链为主链,另一单体组成的链为侧链(支链)与之相连。侧链(支链)与之相连。第第 四四 章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应4.2 共聚合方程与竞聚率共聚合方程与竞聚率 共聚物的性能与其组成有密切关系,但通常共聚物的性能与其组成有密切关系,但通常原料单体投原料单体投料比与所生成的共聚物的组成并不相同料比与所生成的共聚物的组成并不相同,它与
6、单体的相对聚,它与单体的相对聚合活性有关。合活性有关。共聚反应的反应机理与均聚反应基本相同,包括链引发、共聚反应的反应机理与均聚反应基本相同,包括链引发、链增长、链转移和链终止等基元反应,但在链增长、链转移和链终止等基元反应,但在链增长过程中其链增长过程中其增长链活性中心是多样增长链活性中心是多样的。的。以二元共聚反应为例,当两种单体以二元共聚反应为例,当两种单体M1和和M2共聚时,可共聚时,可形成两种增长链活性中心,一种以形成两种增长链活性中心,一种以M1为链端活性中心为链端活性中心,一种,一种以以M2为链端活性中心为链端活性中心,这样共聚反应的链增长反应共有以下,这样共聚反应的链增长反应共
7、有以下四种竞争反应:四种竞争反应:第第 四四 章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应第第 四四 章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应其中活性链末端与同种单体之间的链增长反应称为其中活性链末端与同种单体之间的链增长反应称为同系链增长同系链增长反应反应(如反应(如反应I和和IV););而与不同中单体之间的反应称为而与不同中单体之间的反应称为交叉交叉链增长反应链增长反应(如反应(如反应II和和III)。)。与均聚反应做相似的假设:与均聚反应做相似的假设:(1)活性中心的反应活性与链的长短无关,也与前末端单活性中心的反应活性与链的长短无关,也与前末端单体单元无关,仅取决于末端单体单元
8、;体单元无关,仅取决于末端单体单元;(2)聚合产物分子量很大时,可忽略链引发和链转移反应聚合产物分子量很大时,可忽略链引发和链转移反应的单体消耗,即单体仅消耗于链增长反应,因此共聚物的的单体消耗,即单体仅消耗于链增长反应,因此共聚物的组成仅由链增长反应决定;组成仅由链增长反应决定;(3)假设共聚反应是一个稳态过程,即总的活性中心的浓假设共聚反应是一个稳态过程,即总的活性中心的浓度度M1*+M2*恒定,恒定,M1*和和M2*的消耗速率等于的消耗速率等于M1*和和M2*的生成速率,并且的生成速率,并且 M1*转变为转变为M2*的速率等于的速率等于M2*转转变为变为M1*的速率;的速率;第第 四四
9、章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应根据假设(根据假设(2),由于单体仅消耗于链增长反应,),由于单体仅消耗于链增长反应,M1仅消耗于仅消耗于反应(反应(I)和(和(III):):-dM1/dt=k11M1*M1+k21M2*M1M2仅消耗于反应(仅消耗于反应(II)和(和(IV):):-dM2/dt=k12M1*M2+k22M2*M2由于单体的消耗全部用于共聚物的组成,因此共聚物分子中两由于单体的消耗全部用于共聚物的组成,因此共聚物分子中两单体单元的摩尔比等于两种单体的消耗速率之比:单体单元的摩尔比等于两种单体的消耗速率之比:dM1 k11M1*M1+k21M2*M1 =(i)dM
10、2 k12M1*M2+k22M2*M2第第 四四 章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应根据假设(根据假设(3),),M1*转变成转变成M2*的速率相等,即的速率相等,即 k12M1*M2=k21M2*M1 故故 M1*=k21M2*M1/k12M2 代入共聚物组成方程(代入共聚物组成方程(i),),并令并令 r1=k11/k12,r2=k22/k21第第 四四 章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应 整理得整理得共聚合方程共聚合方程:dM1 M1(r1M1+M2)=dM2 M2(r2M2+M1)式中式中 r1和和 r2分别分别为为同系链增长速率常数同系链增长速率常数与与交叉链
11、增长速交叉链增长速率常数率常数之比,分别称为之比,分别称为M1和和M2的的竞聚率竞聚率。共聚合方程表明共聚合方程表明某一瞬间某一瞬间所得共聚产物的组成对竞聚所得共聚产物的组成对竞聚率的依赖关系,也叫做率的依赖关系,也叫做共聚物组成微分方程共聚物组成微分方程。为了研究方便,多数情况下采用摩尔分数来表示两单为了研究方便,多数情况下采用摩尔分数来表示两单体的投料比,设体的投料比,设f1、f2为原料单体混合物中为原料单体混合物中M1及及M2的摩尔分的摩尔分数,数,F1、F2分别为共聚物分子中两单体单元含量的摩尔分分别为共聚物分子中两单体单元含量的摩尔分数,则:数,则:f1=1-f2=M1/(M1+M2
12、),F1=1-F2=dM1/(dM1+dM2)第第 四四 章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应分别代入共聚合微分方程,得分别代入共聚合微分方程,得摩尔分数共聚合方程摩尔分数共聚合方程:r1 f12+f1 f2F1=r1 f12+2 f1 f2+r2 f22第第 四四 章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应竞聚率的物理意义竞聚率的物理意义:r1=k11/k12,表示以表示以M1*为末端的增长链加本身单体为末端的增长链加本身单体M1与与加另一单体加另一单体M2的反应能力之比,的反应能力之比,M1*加加M1的能力为自聚能力,的能力为自聚能力,M1*加加M2的能力为共聚能力,即的能力
13、为共聚能力,即r1表征了表征了M1单体的自聚能力单体的自聚能力与共聚能力之比;与共聚能力之比;r1表征了单体表征了单体M1和和M2分别与末端为分别与末端为M1*的增长链反应的相的增长链反应的相对活性,它是影响共聚物组成与原料单体混合物组成之间定量对活性,它是影响共聚物组成与原料单体混合物组成之间定量关系的重要因素。关系的重要因素。r1=0,表示表示M1的均聚反应速率常数为的均聚反应速率常数为0,不能进行自聚,不能进行自聚反应,反应,M1*只能与只能与M2反应;反应;r1 1,表示表示M1*优先与优先与M1反应发生链增长;反应发生链增长;r1 1,F1f1曲线曲线在对角线的上方,若在对角线的上方
14、,若r11r11,r2 1(或或 r1 1):在这种情形下,共聚在这种情形下,共聚单体对中的一种单体的自聚倾向大于共聚。另一种单体的单体对中的一种单体的自聚倾向大于共聚。另一种单体的共聚倾向则大于自聚倾向,其共聚倾向则大于自聚倾向,其F1f1曲线与一般理想共聚相曲线与一般理想共聚相似,当似,当r11,r21时,曲线在对角线上方;当时,曲线在对角线上方;当r11时,时,曲线在对角线的下方,都不会与对角线相交,但曲线是不曲线在对角线的下方,都不会与对角线相交,但曲线是不对称的。对称的。当当r11,r21时(或时(或r11),得到的实际上是两得到的实际上是两种单体的均聚物。当种单体的均聚物。当r1(
15、或或r2)特别大,而特别大,而r2(或或r1)接近接近于于0,则实际上只能得到,则实际上只能得到M1(或或M2)的均聚物。的均聚物。第第 四四 章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应0.5000.51.01.0F1f1r11,r21r11第第 四四 章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应r1r21的非的非理想理想共聚体系的共聚体系的F1 f1曲线曲线 (ii)r11,r2 1,r2 1 :这种情形极少见于自由基聚合,而多这种情形极少见于自由基聚合,而多见于离子或配位共聚合,其见于离子或配位共聚合,其F1f1曲线也与对角线相交,具曲线也与对角线相交,具有恒分点有恒分点。只是曲线的
16、形状与位置与只是曲线的形状与位置与r1 1,r21,r2-CN,-COR -COOR-Cl -OCOR,-R -OR,-H 与之相反,取代基的共轭效应越强,单体的活性越高。与之相反,取代基的共轭效应越强,单体的活性越高。第第 四四 章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应(2)位阻效应)位阻效应 自由基链增长反应常数自由基链增长反应常数k=AeD DE/RT,取代基的共轭效应主取代基的共轭效应主要影响其中的要影响其中的D DE值,而其空间立阻效应则主要影响式中的值,而其空间立阻效应则主要影响式中的A值。值。1,1-二取代单体由于链增长时采用首尾加成方式,单体取代基二取代单体由于链增长时采
17、用首尾加成方式,单体取代基与链自由基的取代基远离,相对于单取代单体,空间阻碍增加与链自由基的取代基远离,相对于单取代单体,空间阻碍增加不大,但共轭效应明显增强,因而单体活性增大,如偏二氯乙不大,但共轭效应明显增强,因而单体活性增大,如偏二氯乙烯的活性比氯乙烯高烯的活性比氯乙烯高2-10倍;倍;第第 四四 章章 链链 式式 共共 聚聚 合合 反反 应应 而而1,2-二取代单体不同,单体与链自由基加成时,两者的取二取代单体不同,单体与链自由基加成时,两者的取代基靠得很近,位阻相应增大,因而单体活性下降,如代基靠得很近,位阻相应增大,因而单体活性下降,如1,2-二二氯乙烯的活性比氯乙烯低氯乙烯的活性
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