高分子科学概论第五章课件.ppt
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1、第5章 聚合物化学反应高分子科学概论高分子科学概论高分子科学概论高分子科学概论 高分子科学概论第五章第1页,此课件共47页哦5.1 概述概述聚合物化学反应聚合物化学反应有聚合物有聚合物(高分子)(高分子)参与的化学反应参与的化学反应研究聚合物化学反应的意义:研究聚合物化学反应的意义:对天然和合成高分子进行化学改性,将其转变成新的、用途更对天然和合成高分子进行化学改性,将其转变成新的、用途更广泛的材料广泛的材料制备具有功能性的聚合物制备具有功能性的聚合物了解高分子的结构与稳定性之间的关系,改善聚合物的耐老化性了解高分子的结构与稳定性之间的关系,改善聚合物的耐老化性有助于减小废旧聚合物对环境的不良
2、影响有助于减小废旧聚合物对环境的不良影响在理论上了解和验证聚合物的结构在理论上了解和验证聚合物的结构第2页,此课件共47页哦5.2 5.2 聚合物化学反应的分类、特性及聚合物化学反应的分类、特性及其其影影响响因素因素 5.2.1 聚合物化学反应的分类聚合物化学反应的分类根据聚合物的聚合度和基团(侧、端基)的变化可作分类如下:根据聚合物的聚合度和基团(侧、端基)的变化可作分类如下:聚合度基本不变而仅限于侧基和聚合度基本不变而仅限于侧基和/或端基的变化(相似转变,如高或端基的变化(相似转变,如高分子试剂、高分子催化剂等功能高分子的制备)分子试剂、高分子催化剂等功能高分子的制备)聚合度变大的反应,如
3、交联、接枝、嵌段、扩链等聚合度变大的反应,如交联、接枝、嵌段、扩链等 聚合度变小的反应,如解聚、降解等聚合度变小的反应,如解聚、降解等第3页,此课件共47页哦5.2.2 聚合物化学反应的特性聚合物化学反应的特性聚合物和低分子同系物可进行相同的化学反应(如酯化,酰化,水聚合物和低分子同系物可进行相同的化学反应(如酯化,酰化,水解,醚化,氧化,卤化等,但因其结构特性,其化学反应也有其特解,醚化,氧化,卤化等,但因其结构特性,其化学反应也有其特性:性:i.并非同一分子链上各基团都能参与反应,因此产物分子链上并非同一分子链上各基团都能参与反应,因此产物分子链上往往既带有起始官能团,又带有新形成的官能团
4、,且每链都有往往既带有起始官能团,又带有新形成的官能团,且每链都有区别区别ii.由于主产物和副产物无法分离,形成类似共聚物的产物,因此由于主产物和副产物无法分离,形成类似共聚物的产物,因此不能用产率一词来表征反应深度,而一般用基团的转化程度(率)不能用产率一词来表征反应深度,而一般用基团的转化程度(率)来表示来表示第4页,此课件共47页哦iii.由于聚合物形态、邻近基团效应等物理由于聚合物形态、邻近基团效应等物理-化学因素影响,使聚合物的化学因素影响,使聚合物的反应速率、最高转化程度与低分子不相同反应速率、最高转化程度与低分子不相同5.2.3 聚合物化学反应的影响因素聚合物化学反应的影响因素(
5、1)物理因素(如聚合物的结晶度、溶解性、温度等)物理因素(如聚合物的结晶度、溶解性、温度等)部分结晶聚合物,低分子反应物难扩散入晶区,反应局限在部分结晶聚合物,低分子反应物难扩散入晶区,反应局限在无定型区内进行无定型区内进行无定型聚合物处于玻璃态时,链段被冻结,不利于低分子扩无定型聚合物处于玻璃态时,链段被冻结,不利于低分子扩散散第5页,此课件共47页哦溶解性溶解性聚合物随化学反应的进行其溶解性可能会不断变化,聚合物随化学反应的进行其溶解性可能会不断变化,一般来说溶解性好对反应有利,但若是沉淀的聚合物对反应试剂有一般来说溶解性好对反应有利,但若是沉淀的聚合物对反应试剂有吸附作用,则可增大反应试
6、剂的浓度,从而增大反应速率吸附作用,则可增大反应试剂的浓度,从而增大反应速率温度:升温有利于提高反应速率,但温度过高会增大不期待副温度:升温有利于提高反应速率,但温度过高会增大不期待副反应的发生概率反应的发生概率第6页,此课件共47页哦(2)化学因素)化学因素 邻近基团效应邻近基团效应邻近基团效应邻近基团效应i.位阻效应位阻效应由于新生成的功能基的立体阻碍,导致其邻近基团难以继续参与反由于新生成的功能基的立体阻碍,导致其邻近基团难以继续参与反应应如聚乙烯醇的三苯乙酰化反应如聚乙烯醇的三苯乙酰化反应第7页,此课件共47页哦ii.静电效应静电效应可分为静电排斥(阻碍)和静电吸引(促进)作用可分为静
7、电排斥(阻碍)和静电吸引(促进)作用先形成的羧基负离子会排斥先形成的羧基负离子会排斥OH对邻近酰胺基的进攻,对邻近酰胺基的进攻,例如:例如:聚丙烯酰胺的水解反应:聚丙烯酰胺的水解反应:水解反应程度只能水解反应程度只能达百分之七十多达百分之七十多(负离子的屏蔽效应负离子的屏蔽效应)第8页,此课件共47页哦聚甲基丙烯酸甲酯的碱性水解反应聚甲基丙烯酸甲酯的碱性水解反应(皂化反应皂化反应)先形成的羧基负离子,先形成的羧基负离子,可成为对邻近基团的可成为对邻近基团的亲核进攻试剂,从而亲核进攻试剂,从而使反应速度越来越快。使反应速度越来越快。(负离子的促进效应负离子的促进效应)第9页,此课件共47页哦 分
8、子链上相邻官能团成对反应的限制分子链上相邻官能团成对反应的限制分子链上相邻官能团成对反应的限制分子链上相邻官能团成对反应的限制例如:例如:从概率统计证明,相邻基团反应的残余率为从概率统计证明,相邻基团反应的残余率为13.5(几率效应几率效应)第10页,此课件共47页哦5.3 聚合物的相似转变及其应用聚合物的相似转变及其应用聚合物与低分子的化学作用,仅限于基团(侧基和聚合物与低分子的化学作用,仅限于基团(侧基和/或端基)转变而聚合或端基)转变而聚合度基本不变的反应度基本不变的反应聚合度相似转变聚合度相似转变5.3.1 引入新基团引入新基团聚乙烯的氯化聚乙烯的氯化自由基连自由基连自由基连自由基连锁
9、机理锁机理锁机理锁机理:第11页,此课件共47页哦PEPE的氯磺化反应的氯磺化反应(橡胶橡胶)高弹性聚合物高弹性聚合物结晶性聚合物结晶性聚合物(塑料塑料)产物中每产物中每34重复单元含重复单元含1个氯原子,个氯原子,4050个重复单元约有个重复单元约有1个酰氯基团,个酰氯基团,利用酰氯基团与金属氧化物(氧化铅或氧化锰)进行交联利用酰氯基团与金属氧化物(氧化铅或氧化锰)进行交联聚苯乙烯的氯甲基化反应聚苯乙烯的氯甲基化反应第12页,此课件共47页哦5.3.2 基团的转化基团的转化(1)纤维素的化学改性)纤维素的化学改性 (见第(见第1章)章)(2)聚乙烯醇的合成及其缩醛化)聚乙烯醇的合成及其缩醛化
10、维尼纶的生产往往由聚乙酸乙烯酯的醇解、聚乙烯醇的纺丝、热拉伸、维尼纶的生产往往由聚乙酸乙烯酯的醇解、聚乙烯醇的纺丝、热拉伸、缩醛化等工序组成缩醛化等工序组成第13页,此课件共47页哦(3 3)环化反应环化反应5.4 聚合度变大的化学转变及其应用聚合度变大的化学转变及其应用该类反应包括该类反应包括交联交联、接枝接枝、嵌段嵌段和和扩链扩链5.4.1 5.4.1 交联交联线型或线型或支链型支链型聚合物聚合物化学交联化学交联:橡胶硫化、不饱和聚酯的固化、环氧树脂的固:橡胶硫化、不饱和聚酯的固化、环氧树脂的固化、皮革的鞣制等化、皮革的鞣制等物理交联物理交联:利用光、热、和辐射使聚合物进行的交联反应,如:
11、利用光、热、和辐射使聚合物进行的交联反应,如聚乙烯的辐射交联聚乙烯的辐射交联第14页,此课件共47页哦(1)(1)不饱和聚酯的固化不饱和聚酯的固化(邻苯二甲酸、丁烯二酸和乙二醇的共缩聚物邻苯二甲酸、丁烯二酸和乙二醇的共缩聚物)常用的交联剂是苯乙烯,其次是甲基丙稀酸甲酯,常用的交联剂是苯乙烯,其次是甲基丙稀酸甲酯,丙稀腈。丙稀腈。引发剂引发剂第15页,此课件共47页哦(2 2)二烯类橡胶的硫化)二烯类橡胶的硫化第16页,此课件共47页哦常用的硫化促进剂:常用的硫化促进剂:2巯基并噻唑巯基并噻唑二硫化四甲基秋兰姆二硫化四甲基秋兰姆二甲基二硫化氨基甲酸锌二甲基二硫化氨基甲酸锌苯胍类化合物苯胍类化合物
12、常用的硫化活化剂:常用的硫化活化剂:ZnO,硬脂酸,硬脂酸为提高硫化效率,需加入硫化促进剂和硫化促进剂的活化剂为提高硫化效率,需加入硫化促进剂和硫化促进剂的活化剂(3)(3)不含双键聚烯烃的交联不含双键聚烯烃的交联i.过氧化物交联过氧化物交联聚烯烃大分子可与过氧化物共热而交联,属于聚烯烃大分子可与过氧化物共热而交联,属于自由基机理自由基机理第17页,此课件共47页哦ii.ii.聚合物的高能辐射交联聚合物的高能辐射交联乙烯基聚合物受电离辐射时,将发生交联或降解乙烯基聚合物受电离辐射时,将发生交联或降解 辐射剂量低时,辐射剂量低时,,双取代乙烯基聚合物、双取代乙烯基聚合物、卤代聚合物趋卤代聚合物趋
13、向于分解,单取代聚合物以交联为主向于分解,单取代聚合物以交联为主 高辐射剂量交联机理与过氧化物类似,辐射穿透深度有限,高辐射剂量交联机理与过氧化物类似,辐射穿透深度有限,宜薄膜交联宜薄膜交联第18页,此课件共47页哦(发生断链)(发生断链)iii.离子交联(离聚物)离子交联(离聚物)第19页,此课件共47页哦又如已被杜邦公司商品又如已被杜邦公司商品化的乙烯化的乙烯-甲基丙烯酸共甲基丙烯酸共聚物的二价金属盐聚物的二价金属盐5.4.2 5.4.2 接枝接枝接枝共聚物的性能取决于主、支链的组成和长度,以及支链数接枝共聚物的性能取决于主、支链的组成和长度,以及支链数长长支链的接枝物类似共混物,支链短而
14、多的接枝物类似无规共聚物支链的接枝物类似共混物,支链短而多的接枝物类似无规共聚物两种性质不同的聚合物连接在一起,形成性能特殊的接枝物,如两种性质不同的聚合物连接在一起,形成性能特殊的接枝物,如酸酸碱性,亲水碱性,亲水亲油,非染色性亲油,非染色性可染色性,等可染色性,等第20页,此课件共47页哦(1 1 1 1)长出支链)长出支链)长出支链)长出支链接枝点可由自由基、阴离子、阳离子、配位聚合机理产生,以自由基法最多接枝点可由自由基、阴离子、阳离子、配位聚合机理产生,以自由基法最多用用长出支链型接枝的制备方法有:链转移反应法、大分子引发剂法、辐射长出支链型接枝的制备方法有:链转移反应法、大分子引发
15、剂法、辐射接枝法接枝法i.链转移机理长出支链的接枝法链转移机理长出支链的接枝法例:抗冲击苯乙烯例:抗冲击苯乙烯例:抗冲击苯乙烯例:抗冲击苯乙烯(HIPSHIPS)合成合成合成合成a.初级自由基与乙烯基侧基加成初级自由基与乙烯基侧基加成第21页,此课件共47页哦c.初级自由基夺取烯丙基氢而链转移,形成接枝点初级自由基夺取烯丙基氢而链转移,形成接枝点相对速率常数关系:相对速率常数关系:k1k2k3在接枝共聚中,采用氧化还原体系可以有选择性地产生自由基接枝点,减在接枝共聚中,采用氧化还原体系可以有选择性地产生自由基接枝点,减少均聚物的形成。少均聚物的形成。b.初级自由基与聚丁二烯主链中双键加成初级自
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