第四章自由基共聚
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第四章自由基共聚本章学习指导1.本章学习目的通过本章学习,掌握自由基共聚合基本概念与机理、竟聚率、二元共聚物组成,利用竟聚率判断共聚行为类型。
2.本章应掌握的内容(1)共聚物命名(2)自由基共聚基元反应与动力学。
(3)二元共聚物组成微分方程和共聚行为类型(4)竟聚率及影响因素(5)单体和自由基活性(6)Q-e概念3.熟悉内容和了解内容(1)二元共聚物微结构和链段序列分布(2)竟聚率的测定4.本章学习中应注意的问题(1)共聚行为类型(2)区分瞬时单体曲线与共聚物组成曲线;瞬时共聚物组成曲线与平均共聚物组成曲线;瞬时共聚物组成与总转化率曲线与瞬时共聚物组成曲线本章学习要点一、基本概念1.共聚合与共聚物:两种或两种以上单体共同参与聚合的反应称为共聚合,产物称为共聚物。
共聚物中各种单体的含量称为共聚组成。
2.序列结构:不同单体在大分子链上的相互连接情况称为序列结构。
3.无规共聚物:单体M1、M2在大分子链上无规排列,两单体在主链上呈随机分布,没有一种单体能在分子链上形成单独的较长链段。
4.交替共聚物:两种单体在大分子链上严格相间排列。
5.嵌段共聚物:由较长的M1链段和较长的M2链段间隔排列形成大分子链。
6.接枝共聚物:主链由一种单体组成,支链则由另一种单体组成。
7.单体竞聚率:为单体均聚和共聚链增长反应速率之比,表征两单体进行共聚的相对活性大小。
8.理想共聚:r1r2 =1的共聚状态。
9.理想恒比共聚:两种链自由基均聚和共聚的几率相等,反应任一瞬间生成共聚物的组成与当时体系中单体组成相同。
10.非理想共聚:r1r2 ≠1的共聚状态。
二、共聚物的命名1.共聚物的命名是将两种单体的名称以短线相连,前面冠以“聚”字,如聚乙烯-醋酸乙烯;或在后面加“共聚物”,如乙烯-丙烯共聚物。
2.为进一步表明共聚物特点,也可将序列结构写入,如丁二烯-苯乙烯无规共聚物。
国际上常在两单体名之间插入-co-、-alt-、-b-、-g-,以区别无规、交替、嵌段和接枝。
2.解:(1)k
=k11/r1 = 49/0.64=76.56 L/(mo l·s),
12
k21=k22/r2 =25.1/1.38=18.19L/(mo l·s)
(2)1/ r1为丁二烯单体的相对活性、1/r2为苯乙烯单体的相对活性。
1/
r1=1.56>1/
r2=0.725说明丁二烯单体活性较苯乙烯单体活性大,又因为k12>k22说明
丁二烯自由基活性较苯乙烯自由基活性小。
(3)两种单体共聚属无恒比点的非理想共聚,共聚物组成方程为F1=( r1f12+f1f2)/(r1f12+2f1f2+r2f22),代入r1和r2值,作图如下
(4)欲得组成均匀的共聚物,可按组成要求计算投料比,且在反应过程中不断补加丁二烯单体,以保证原配比基本保持恒定。
2. 假定一:链自由基的活性与链长无关。
假定二:链自由基的活性只取决于末端单体单元的结构,与前末端单元的结构无关。
假定三:聚合反应是不可逆的,无解聚反应;
假定四:共聚物的聚合度很大,单体主要消耗在链增长反应过程中,而消耗在链引发中的单体数可忽略不计,Rp >>Ri。
假定五:聚合过程为稳态反应,即体系中总自由基浓度及两种自由基浓度都保持不变。
3. 均聚和共聚链增长速率常数之比定义为竞聚率。
它表征两种单体的相对活性,
反映了单体自身增长(均聚)和交叉增长(共聚)的快慢。
r1= k11/k12,r2= k22/k21
当r1 r2=1时,可进行理想共聚;
当r1<1且r2<1时,可进行有恒比点的共聚;
当r1<<1,r2<<1,r1→0,r2→0或r1= r2=0时发生交替共聚。
4 自由基共聚合4.1 课程的知识要点重点介绍共聚合反应的类型、无规共聚、交替共聚、恒比共聚和嵌段共聚及共聚物组成曲线、竞聚率和单体的活性。
4.2 本章习题1、氯乙烯-醋酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯两对单体共聚,若两体系中醋酸乙烯酯和苯乙烯的浓度均为15%(质量分数),根据文献报道的,试求共聚物起始组成。
2、甲基丙烯酸甲酯(M1)浓度=5mol/L,5-乙基-2-乙烯基吡啶浓度=1mol/L,竞聚率:r1=0.40,r2=0.69;a、计算聚合共聚物起始组成(以摩尔分数计),b、求共聚物组成与单体组成相同时两单体摩尔配比。
3、氯乙烯(r1=1.67)与醋酸乙烯酯(r2=0.23)共聚,希望获得初始共聚物瞬时组成和85%转化率时共聚物平均组成为5%(摩尔分数)醋酸乙烯酯,分别求两单体的初始配比。
4、两单体竞聚率为r1=0.9,r2=0.083,摩尔配比=50:50,对下列关系进行计算和作图:a、残余单体组成和转化率; b、瞬时共聚物组成与转化率; c、平均共聚物组成与转化率;d、共聚物组成分布。
5、0.3mol甲基丙烯腈和0.7mol苯乙烯进行自由基共聚,求共聚物中每种单元的链段长。
6、0.75mol丙烯腈(M1,r1=0.9)和0.25mol偏二氯乙烯(M2,r1=0.4)进行共聚。
a. 求共聚物中含3个或3个以上单元丙烯腈链段的分数。
b. 要求共聚物组成不随转化率而变,求配方中两单体组成。
7、0.414mol甲基丙烯腈MAN(M1)、0.424mol苯乙烯S(M2)、0.162molα-甲基苯乙烯α-MS(M3)三元共聚,计算起始三元共聚物组成(以摩尔分数计)。
竞聚率如下:MAN/S: r12=0.44, r21=0.37MAN/α-MS: r13=0.38 , r31=0.53S/α-MS: r23=1.124 ,r32=0.6279、根据下列Q、e值,计算竞聚率,与文献实验值比较。
讨论这些单体Q、e4.3 模拟考试题1、氯乙烯-醋酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯两对单体共聚,若两体系中醋酸乙烯酯和苯乙烯的浓度均为15%(质量分数),根据文献报道的,试求共聚物起始组成。
2、甲基丙烯酸甲酯(M1)浓度=5mol/L,5-乙基-2-乙烯基吡啶浓度=1mol/L,竞聚率:r1=0.40,r2=0.69;a、计算聚合共聚物起始组成(以摩尔分数计),b、求共聚物组成与单体组成相同时两单体摩尔配比。
3、氯乙烯(r1=1.67)与醋酸乙烯酯(r2=0.23)共聚,希望获得初始共聚物瞬时组成和85%转化率时共聚物平均组成为5%(摩尔分数)醋酸乙烯酯,分别求两单体的初始配比。
4、两单体竞聚率为r1=0.9,r2=0.083,摩尔配比=50:50,对下列关系进行计算和作图:a、残余单体组成和转化率;b、瞬时共聚物组成与转化率;c、平均共聚物组成与转化率;d、共聚物组成分布。
5、丙烯酸和丙烯腈进行共聚,实验数据如下,试用斜率截距法求竞聚率。
6、根据下列Q、e值,计算竞聚率,与文献实验值比较。
讨论这些单体Q、e 方案的优点。
4.4 模拟考试题答案1、 氯乙烯-醋酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯两对单体共聚,若两体系中醋酸乙烯酯和苯乙烯的浓度均为15%(质量分数),根据文献报道的,试求共聚物起始组成。
解:(1)氯乙烯—醋酸乙烯酯 r 1=1.68 r 2=0.23 m 2=15%89.08615.05.6285.05.6285.02211111=+=+=M m M m M m f 11.02=f93.011.023.011.089.0289.068.111.089.089.068.1222222221211212111=⨯+⨯⨯+⨯⨯+⨯=+++=f r f f f r f f f r F (2)甲基丙烯酸甲酯—苯乙烯 r 1=0.52 r 2=0.46 m 1=15%同理可得f 1=0.145, F 1=0.227 2、甲基丙烯酸甲酯(M 1)浓度=5mol/L ,5-乙基-2-乙烯基吡啶浓度=1mol/L ,竞聚率:r 1=0.40,r 2=0.69;a 、计算聚合共聚物起始组成(以摩尔分数计),b 、求共聚物组成与单体组成相同时两单体摩尔配比。
解:甲基丙烯酸甲酯(M 1)浓度为5mol/L ,5-乙基-2-乙烯基吡啶浓度为1mol/L ,所以001251,66f f ==()()()20001112012200001112220.7252r f f f F r ff f r f+==++即起始共聚物中,甲基丙烯酸甲酯的摩尔含量为72.5%。
因为,r 1<1,r 2<1,此共聚体系为有恒比共聚点的非理想共聚,在恒比共聚点上配料时,所得的共聚物组成与单体组成相同,有 2111210.342r F f r r -===--所以,两单体摩尔配比为:[][]1012200.34170.6633M f M f === 3、氯乙烯(r 1=1.67)与醋酸乙烯酯(r 2=0.23)共聚,希望获得初始共聚物瞬时组成和85%转化率时共聚物平均组成为5%(摩尔分数)醋酸乙烯酯,分别求两单体的初始配比。
解:(1)当共聚物中醋酸乙烯酯的初始含量为5%时,将001295%,5%F F ==带入下式:()()()20001112012200001112222r ff f F r f f f r f +=++, 010.92f =两单体的初始配比为[][]1012200.9211.50.08M f M f === (2)85%转化率时共聚物平均组成为5%(摩尔分数)醋酸乙烯酯, 则 20.05F = 10.95F =()0111185%,f C f C F C --==0110.150.8075f f -= ①2.530111110.6050.395,11f F f C f ⎛⎫-=+=- ⎪-⎝⎭2.5301110.151f f ⎛⎫-= ⎪-⎝⎭②解得:0110.868,0.938f f ==两单体的初始配比为[][]1012200.9384690.06231M f M f ====15.1 4、两单体竞聚率为r 1=0.9,r 2=0.083,摩尔配比=50:50,对下列关系进行计算和作图:a 、残余单体组成和转化率; b 、瞬时共聚物组成与转化率; c 、平均共聚物组成与转化率;d 、共聚物组成分布。
解:a 、残余单体组成和转化率:10.9r =,20.083r = 5.00021==f f21210.0905,911r rr r αβ====--,()()12212121110.0905,0.902112r r r r r r r γδ--====----100.09901211100121110.50.9110.50.50.9f f f f f C f f f f αβγδδ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤---⎡⎤⎡⎤=-=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦C-f 1的关系图见图4。
b 、瞬时共聚物组成与转化率:211121112122221211212111)1(083.0)1(29.0)1(9.02f f f f f f f f r f f f r f f f r F -+-+-+=+++= c 、平均共聚物组成与转化率:Cf C C f C f F 11011)1(5.0)1(--=--=d 、共聚物组成分布如下表C f 1 F F1 0 0 0.5 0.839 0.1 0.386 0.576 0.773 0.2 0.479 0.588 0.463 0.4 0.587 0.616 0.285 0.45 0.612 0.625 0.132 0.48 0.627 0.632 0.069 0.49 0.632 0.634 0.036 0.495 0.634 0.636 0.0070.4990.6360.637图4 C-f 1-F -F 关系曲线图解:利用R (1-ρ)/Ρ对R 2/ρ作图,斜率为r 1,截距为r 2,12(][][21M d M d =ρ ][][21M M R =) 6、根据下列Q 、e 值,计算竞聚率,与文献实验值比较。
讨论这些单体Q 、e 方案的优答:苯乙烯—丁二烯51.0)]8.005.1(8.0ex p[39.21)](ex p[211211=-⨯=--=e e e Q Q r 84.1)]05.18.0(05.1ex p[39.2)](ex p[122122=-⨯=--=e e e Q Q r 苯乙烯—甲基丙烯酸甲酯52.0)]4.08.0(8.0exp[74.011=+⨯-=r 46.0)]8.04.0(4.0ex p[74.01=+⨯-=r表中50℃ r 1=0.58 r 2=1.35 60℃ r 1=0.78 r 2=1.39 表中60℃ r 1=0.52 r 2=0.46。