共聚合反应
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高分子化学教材第五章连锁共聚合反应5.1共聚物的命名和分类连锁聚合反应中,由一种单体进行的聚合反应称为均聚反应,所得聚合物称为均聚物;而由两种或两种以上单体参与的聚合反应称为共聚反应,所得聚合物称为共聚物或共聚体;两种单体的共聚称为二元共聚,两种以上单体的共聚称为多元共聚。
共聚合反应是高分子合成工业中广泛应用的一种方法,改变单体种类、改变单体间相对量和结构单元间连接方式可以控制共聚物的性能,以适应实际需要,因此共聚合反应为新型材料的开发开辟了广阔的途径;共聚合反应还可以扩大使用单体的X围,有些单体本身不能发生均聚合反应,不能形成均聚物,但却可以和适当的其它单体进行共聚合,因而扩大了制造聚合物的原料来源。
另外,研究共聚合反应和共聚理论可以了解聚合物结构与性能之间的关系,测定各种单体和不同活性中心(活性种)的反应能力,为高分子设计提供实践和理论依据。
本章主要讨论由两种单体共聚合的二元共聚体系。
5.1.1共聚物的分类根据两种单体的结构单元在共聚物分子链中的排布方式,可将共聚物分为五类:1.无规共聚物:共聚物分子链中两种结构单元M1和M2的排列次序是无规的,M1或M2连续的单元数不多,有一个到几十个不等,按一定的几率分布。
M1M1M2M1M1M1M2M1M2M2M2M1M2苯乙烯和丙烯腈、氯乙烯和乙酸乙烯酯的自由基共聚就属于这一类型。
2.交替共聚物:共聚物分子链中两种结构单元轮番交替地排列着。
M1M2M1M2M1M2M1M2M1M2M1M2M1M2苯乙烯和马来酸酐的自由基共聚合属于这一类型。
3.嵌段共聚物:共聚物分子链中两种结构单元各自排列成段,两种均聚物链段又相互连接,每段可由几百至几千结构单元组成。
M1M1M1M1M2M2M2M2M1M1M1M1M2M2M2M2嵌段共聚物可分为二嵌段型(AB型)、三嵌段型(ABA型或ABC型)以及多嵌段型(-[AB]n-型)。
4.接枝共聚物:一种支链型聚合物,即在一种聚合物主链上接上另一种聚合物链作为支链所形成的共聚物,而主链或支链本身也可以是共聚物。
第三节共聚反应及分类一、共聚合反应的特征1. 共聚合及其共聚物的概念均聚合(homopolymerization):一种单体参加的反应,形成的产物为均聚物(homopolymer) 。
均聚物的大分子链上含有一种结构单元。
如聚氯乙烯(PVC)为均聚物> 共聚合(copolymerization):两种或多种单体共同参加的加成聚合反应,形成的聚合物分子链中含有两种或多种单体单元,该聚合物称为共聚物(copolymer)。
如根据参加共聚反应的单体数量,共聚反应可分为三种类型:> 两种单体参加的共聚反应称为二元共聚,理论研究得相当详细,本章的研究重点> 三种单体参加的共聚反应称为三元共聚,多种单体参加的共聚反应称为多元共聚共聚合反应与缩聚反应(condensation polymeriztion)的区别:缩聚反应:官能团间的反应,机理往往属于逐步聚合,如聚酯和尼龙-6,6的合成,大多是含不同基团的两种单体的缩合反应,形成的缩聚物也由两种结构单元组成,但不称做共缩聚。
同种基团的两种单体与另一种基团单体的缩聚才称做共缩聚。
注意:共聚合反应这一名称多用于连锁聚合的范畴,如自由基共聚(自由基机理进行聚合)、离子共聚等。
2.共聚物的类型与命名共聚物的分类:对于二元共聚,按照两种结构单元在大分子链中的排列方式不同,共聚物分为四种类型:> 无规共聚物(random copolymer):大分子链上M1、M2结构单元呈无规则排列,自由基共聚物大多属于无规共聚物,如VC-VAc。
> 交替共聚物(alternating copolymer):大分子链上M1、M2单元交替排列,即严格相间,如 St-MAn 溶液共聚所得的聚合物属于交替共聚物。
> 嵌段共聚物(block copolymer):大分子链是由较长的链段M1和另一较长的链段M2构成,M1、M2链段成段出现根据两种链段在分子链中出现的情况,又有:AB型 ABA型 (AB)n型,如苯乙烯(S)-丁二烯(B)-苯乙烯(S)形成三嵌段共聚物(SBS),即SBS热塑性橡胶属于嵌段共聚物> 接枝共聚物(graft copolymer):共聚物主链由单元M1组成,并接枝另一单元M2组成的支链,如高抗冲性的聚苯乙烯(HIPS),它是以聚丁二烯作主链,接枝上苯乙烯作为支链以提高其抗冲性。
第六章链式共聚反应本章要点:1)共聚反应和共聚物的类型:按不同重复结构单元在聚合物连中的排列情况,共聚物可分为无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物和接枝共聚物,共聚反应也相应地进行分类。
2)共聚组成方程和共聚曲线:描述共聚物组成与单体浓度、转化率之间的关系,共聚组成方程的微分式给出了某个时刻生成的共聚物的组成与该时刻单体组成的定量关系,共聚组成方程的积分式给出了在某个时期形成共聚物的平均组成与起始的单体组成和单体总转化率之间的关系。
共聚曲线则是共聚组成方程微分式的图形化。
3)竞聚率和共聚类型:竞聚率为自增长反应速率常数和交叉增长速率常数的比值,反映了单体共聚能力的强弱;依据共聚单体对竞聚率的乘积,共聚可分为理想共聚、无规共聚、交替共聚、非理想共聚和“嵌段”共聚等类型,它们的共聚曲线具有不同的特征。
4)共聚物的序列分布:是共聚物组成不均一性的必然体现,描述了不同长度的同种结构单元的序列在共聚物中所占的比例,包括序列的数量分布和质量分布。
5)自由基共聚:通过自由基共聚竞聚率的研究可以确定结构对单体和自由基活性的影响,这些结构因素主要包括极性效应和共轭效应,其中共轭效应的作用更为显著;由Q-e方程可建立起结构因素和竞聚率之间的半定量关系,可用于竞聚率的估算和共聚类型的推断。
自由基聚合的竞聚率基本不受反应条件的影响。
6)离子共聚:离子共聚基本属于理想共聚,共聚单体的竞聚率受引发剂类型、温度、溶剂和其它聚合条件影响。
本章难点:1)理想共聚模型:活性中心等活性假定、稳态假定、无解聚和聚合物具有很高分子量是理想共聚模型的基本点;活性中心等活性指的是活性中心只与增长链末端单元相关,与增长链的聚合物和其它结构单元无关。
2)共聚组成方程的成立条件和使用范围:共聚组成方程适用于活性中心等活性和无解聚的共聚。
共聚组成方程的微分形式是瞬时状态方程,描述某个时刻共聚物组成与单体组成的关系。
对于某阶段生成的共聚物组成,如果单体浓度变化不显著,则可以共聚组成方程的微分形式进行简化处理,否则需用共聚组成方程的积分式进行处理。
知识目标 樉学习掌握自由基共聚合反应的基本概念、基本计算; 樉学习掌握自由基共聚合反应的机理、影响因素。
能力目标 樉能初步运用自由基共聚合的原理对高聚物进行改性; 樉能初步运用自由基共聚合的规律指导双组分共聚物的合成。
第一节 自由基共聚合反应的意义与类型一、自由基共聚合反应的意义 由两种或多种单体共同参加的自由基聚合反应称为自由基共聚合反应,简称共聚反应。
其产物中含有两种或两种以上不同单体链节的聚合物称为共聚物。
如nM1+mM2→~M1M2M2M1M2M2M2M1M1M2M2M1~ 通过自由基共聚合反应,可以改变均聚物的组成和结构,进而改变均聚物的使用性能。
如聚苯乙烯是抗冲击强度和抗溶剂性能都很差的易碎性塑料,因此实际使用受到很大限制。
而将苯乙烯与少量丁二烯共聚,就可以得到高抗冲击聚苯乙烯;将苯乙烯与丙烯腈、丁二烯共聚,就可得到广泛应用的ABS工程塑料;又如通过共聚改善材料的染色性能,黏合性能等。
通过自由基共聚合反应,还可以使本身不能均聚的单体如顺丁烯二酸酐、反丁烯二酸酐、顺丁烯二酸酯、1,2二苯基乙烯等参加共聚反应,扩大了单体范围。
通过自由基共聚合反应,能够测定单体和自由基的相对活性,设计、预测共聚物的性能、组成与结构。
自由基共聚合反应应用非常广泛,产品非常多。
如丁苯橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、丙烯酸酯类共聚物、ABS树脂、含氟共聚物塑料、氯乙烯乙烯醋酸乙烯酯三元共聚物等等,都是由自由基共聚合反应合成的。
二、共聚反应的类型 根据参加共聚反应单体的种类多少可以分为:只有两种单体共同参加的二元共聚反应和两种以上单体共同参加的多元共聚反应。
如果按聚合反应的活性中心不同,可以分为自由基型共聚和离子型共聚。
由于多元共聚反应非常复杂,这里着重介绍自由基型二元共聚反应。
离子型共聚在其他章节介绍。
三、共聚物的类型 由二种单体共同参加共聚反应所形成的共聚物,根据两种结构单元在共聚物大分子链的排列方式不同,可以分为以下四种类型。