第二章逐步聚合反应课件.ppt
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1、第二章逐步聚合反应第1页,此课件共39页哦2.)混缩聚混缩聚(杂缩聚杂缩聚):由由两种两种具有具有不同官能团不同官能团的单体的单体 参加的反应,如二元酸与二元醇、二元酸与二元参加的反应,如二元酸与二元醇、二元酸与二元 胺等的缩聚反应胺等的缩聚反应3.)共缩聚共缩聚两种情况两种情况a.)在在均缩聚均缩聚反应体系中加入反应体系中加入相同类型相同类型的的第二种第二种单体单体 的缩聚反应,可用通式表示为:的缩聚反应,可用通式表示为:b.)在在混缩聚混缩聚体系中加入体系中加入第三第三甚至甚至第四种第四种单体进行的单体进行的 缩聚反应,如对苯二甲酸、乙醇及丁二醇体系;缩聚反应,如对苯二甲酸、乙醇及丁二醇体
2、系;乙二醇与马来酸酐及苯酐体系等乙二醇与马来酸酐及苯酐体系等第2页,此课件共39页哦聚合反应通式可表示为:聚合反应通式可表示为:应用:应用:可用于可用于改变改变大分子链的大分子链的组成组成和和结构结构,从而改变,从而改变 其其性能性能,为缩聚,为缩聚产物的多样化产物的多样化提供有效手段提供有效手段 制备无规和嵌段共聚物方面的应用制备无规和嵌段共聚物方面的应用:无规共缩聚可适当无规共缩聚可适当降低降低聚合物的聚合物的 Tg、Tm;可合成聚氨酯、聚酯型热塑弹性体可合成聚氨酯、聚酯型热塑弹性体2.按缩聚产物的分子结构分类按缩聚产物的分子结构分类1.)线型缩聚反应线型缩聚反应 第3页,此课件共39页哦
3、定义:定义:参加缩聚的单体参加缩聚的单体都都含有含有2个官能团个官能团,分子沿链,分子沿链 端向端向两个方向两个方向增长,结果形成线型缩聚物增长,结果形成线型缩聚物 核心问题核心问题:缩聚产物缩聚产物分子量的控制分子量的控制(methods?)2.)体型缩聚反应体型缩聚反应 定义:定义:单体中单体中至少至少有一种含有有一种含有两个以上两个以上的官能团,的官能团,如官能度为如官能度为23或或24反应体系,反应时分反应体系,反应时分 子子向两个以上方向增长向两个以上方向增长,结果形成,结果形成体型交联体型交联 结构结构缩聚物缩聚物 特点:特点:反应进行到某一程度时,体系粘度会反应进行到某一程度时,
4、体系粘度会突然增突然增 大大,形成,形成冻胶状冻胶状物质物质凝胶凝胶凝胶点凝胶点第4页,此课件共39页哦关键问题:关键问题:凝胶点的凝胶点的预测预测和和控制控制3.按反应的热力学特征分类按反应的热力学特征分类1.)平衡缩聚反应平衡缩聚反应 定义:定义:逆反应速率逆反应速率不等于零不等于零的缩聚反应的缩聚反应研究的重要内容:研究的重要内容:减小逆反应速率减小逆反应速率使平衡向生成高使平衡向生成高 聚物方向移动聚物方向移动(methods?)2.)不平衡缩聚反应不平衡缩聚反应 特点:特点:平衡常数平衡常数小于小于 103,如聚酯,如聚酯K 4;聚酰胺聚酰胺 K 400 第5页,此课件共39页哦定义
5、:定义:逆反应速率逆反应速率很小很小或或等于零等于零的缩聚反应的缩聚反应 特点:特点:平衡常数平衡常数大于大于 103,与平衡缩聚相比,缩聚物,与平衡缩聚相比,缩聚物 不被不被低分子产物低分子产物降解降解 能发生缩聚反应的官能团种类很多能发生缩聚反应的官能团种类很多?缩聚物的特点:缩聚物的特点:一般为一般为杂链聚合物杂链聚合物,链中,链中保留保留有官有官 能团的结构特征,如能团的结构特征,如OCO,CONH,O,SO2等等 按聚合物链中原子基团结构分为:按聚合物链中原子基团结构分为:聚酯聚酯、聚酰胺聚酰胺、聚聚 醚醚反应等类型反应等类型 第6页,此课件共39页哦三、线型缩聚反应的特征三、线型缩
6、聚反应的特征P23-24P23-241.线型缩聚的逐步特性线型缩聚的逐步特性三聚体三聚体三聚体三聚体三聚体三聚体三聚体三聚体四聚体四聚体四聚体四聚体(结构结构结构结构?)第7页,此课件共39页哦 n聚体聚体 m聚体聚体(n+m)聚体聚体 水水2.线型缩聚的可逆特性线型缩聚的可逆特性 大部分线型缩聚反应是大部分线型缩聚反应是大部分线型缩聚反应是大部分线型缩聚反应是可逆可逆可逆可逆反应,可逆程度可由反应,可逆程度可由反应,可逆程度可由反应,可逆程度可由平衡常平衡常数数来衡量,如聚酯化反应来衡量,如聚酯化反应来衡量,如聚酯化反应来衡量,如聚酯化反应:含含羟基羟基的任何聚体和含的任何聚体和含羧基羧基的
7、任何聚体都可以进行的任何聚体都可以进行反应,通式如下:反应,通式如下:如此进行下去,显示出如此进行下去,显示出逐步逐步的特征,见的特征,见P24P24图图2-12-1。第8页,此课件共39页哦根据平衡常数根据平衡常数根据平衡常数根据平衡常数K K的大小,将线型缩聚大致分为三类的大小,将线型缩聚大致分为三类的大小,将线型缩聚大致分为三类的大小,将线型缩聚大致分为三类:K值小,值小,如如聚酯聚酯化反应,化反应,K 4;副产物水副产物水对分子量对分子量 影响很大影响很大K K值中等,值中等,值中等,值中等,如如如如聚酰胺聚酰胺化反应,化反应,化反应,化反应,K K 300 300500500;水对分
8、水对分水对分水对分 子量的子量的影响较小影响较小影响较小影响较小K K值很大,值很大,值很大,值很大,在几千以上,如在几千以上,如在几千以上,如在几千以上,如聚碳酸酯聚碳酸酯聚碳酸酯聚碳酸酯、聚砜聚砜可看成可看成不不不不 可逆可逆可逆可逆缩聚缩聚缩聚缩聚 对所有缩聚反应来说,对所有缩聚反应来说,逐步特性是共有的逐步特性是共有的,而可逆平,而可逆平衡衡程度可以有很大差别程度可以有很大差别第9页,此课件共39页哦第三节第三节 线型缩聚反应平衡线型缩聚反应平衡一、官能团等活性理论一、官能团等活性理论背景:背景:形成大分子的缩聚反应过程是形成大分子的缩聚反应过程是逐步逐步进行的,进行的,若每一步都有若
9、每一步都有不同的速率常数不同的速率常数,动力学动力学将无将无 法进行研究法进行研究解决措施:解决措施:引用了官能团引用了官能团等活性等活性概念概念 假设:假设:在在各个反应阶段各个反应阶段,不论是单体、二聚体、三聚,不论是单体、二聚体、三聚 体、多聚体或高聚物,其体、多聚体或高聚物,其链两端链两端的官能团的反的官能团的反 应能力应能力不依赖于分子链的大小,不依赖于分子链的大小,即官能团的活即官能团的活 性性与分子的大小无关与分子的大小无关 官能团等活性概念官能团等活性概念第10页,此课件共39页哦结论:结论:缩聚反应的平衡特征可用缩聚反应的平衡特征可用一个平衡常数一个平衡常数来表来表 征,缩聚
10、动力学也征,缩聚动力学也与低分子反应动力学相似与低分子反应动力学相似 原先认为:原先认为:官能团官能团反应能力反应能力随分子链增大而降低随分子链增大而降低 Flory等等经实验研究证实:经实验研究证实:1.)当当n1,2,3时,各反应体系速率常数时,各反应体系速率常数k却随却随n增大增大 而而迅速减小迅速减小 2.)当当n3以后,速率常数均以后,速率常数均趋向于定值趋向于定值,说明官能,说明官能 团的团的活性与链长无关活性与链长无关 因此,在粘度不大的情况下因此,在粘度不大的情况下,官能团等活性概念是正确官能团等活性概念是正确的的,而且是缩聚反应动力学分析的基础而且是缩聚反应动力学分析的基础,
11、也是高分子化也是高分子化学的一个基本原理。学的一个基本原理。第11页,此课件共39页哦a.真溶液真溶液,均相均相体系;体系;b.官能团所处官能团所处环境环境在反应中在反应中不变不变;c.无扩散控制无扩散控制官能团等活性理论成立的条件:官能团等活性理论成立的条件:二、反应程度与聚合度的关系二、反应程度与聚合度的关系一般的化学反应,一般的化学反应,用反应物的用反应物的转化率转化率来表示反应程度来表示反应程度 聚合反应,聚合反应,可用可用巳转化为聚合物巳转化为聚合物的单体量占起始单体的单体量占起始单体 量的百分率来表示:量的百分率来表示:第12页,此课件共39页哦 缩聚反应初期,缩聚反应初期,单体单
12、体消耗很快消耗很快,单体转化率,单体转化率90左右时左右时体系体系并无高聚物生成并无高聚物生成。(P24图图2-1)为了得到高分子量的缩聚物,为了得到高分子量的缩聚物,单体转化率应接近单体转化率应接近100,故缩聚反应中单体转化率的意义不,故缩聚反应中单体转化率的意义不大,而常用大,而常用官能团的反应程度官能团的反应程度来表示反应的深度。来表示反应的深度。1.官能团的反应程度官能团的反应程度定义:定义:已参加反应的官能团数占起始官能团数的百分率,已参加反应的官能团数占起始官能团数的百分率,P(N0N)/N01N/N0 对于对于“aRb”体系及等物质量的体系及等物质量的“aRa”和和“bRb”体
13、系体系,PaPbP第13页,此课件共39页哦数均聚合度:数均聚合度:平均平均每个大分子每个大分子中含有中含有结构单元数,结构单元数,表表 示为:示为:N0/N 2.P与与 的关系为:的关系为:P1N/N01/(1P)P与与 的关系的关系(见见p25表表2-5或图或图2-2)反应程度达反应程度达0.9时,聚合度仅时,聚合度仅10,此时残留单体已少于此时残留单体已少于1,单体转化率已达,单体转化率已达99;当;当P0.9时聚合度才有较大幅时聚合度才有较大幅度的变化;合成纤维和工程塑料的聚合度要求在度的变化;合成纤维和工程塑料的聚合度要求在100200以上,以上,P必须达到必须达到0.990.995
14、以上以上 第14页,此课件共39页哦三、平衡常数与聚合度的关系三、平衡常数与聚合度的关系-P27-28-P27-28背景:背景:按照官能团等活性概念,可以用一个按照官能团等活性概念,可以用一个平衡常数平衡常数 K来表示整个缩聚反应的平衡特征,缩聚可用来表示整个缩聚反应的平衡特征,缩聚可用 官能团反应来描述官能团反应来描述以酯聚合反应为例:以酯聚合反应为例:t0 N0 N0 0 0tt 封闭体系封闭体系 N N N0N N0N非封闭体系非封闭体系 N N N0N Nw第15页,此课件共39页哦根据平衡常数的定义根据平衡常数的定义:nw定义为定义为存留存留在体系中小分子的在体系中小分子的摩尔分数摩
15、尔分数,或称为,或称为 “小分子剩余率小分子剩余率”含义:含义:指实际存留在聚合反应体系中的小分子物质的指实际存留在聚合反应体系中的小分子物质的 量与理论上能够生成的小分子物质的量的比值量与理论上能够生成的小分子物质的量的比值第16页,此课件共39页哦1.密闭系统密闭系统特点:特点:小分子存留率等于实际生成率,即小分子存留率等于实际生成率,即nw=P 在在密闭反应器密闭反应器中进行的中进行的线型平衡缩聚线型平衡缩聚反应达到平衡时的反应达到平衡时的反应程度以及生成的聚合物同系物的聚合度反应程度以及生成的聚合物同系物的聚合度完全完全由由平衡常数平衡常数决定决定,与,与其它条件无关其它条件无关;故;
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