第八章--聚合方法
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第八章聚合物的化学反应一、课程主要内容本章研究聚合物化学反应的意义和聚合物的化学反应。
聚合物的化学反应包括:聚合度相似的化学反应;聚合度变大的化学反应和聚合度变小的化学反应。
通过学习第八章,掌握聚合物可能发生的聚合反应,以便对聚合物进行改性;了解聚合物老化的原因和防止聚合物老化的方法。
二、试题与答案本章有基本概念题、填空题、选择填空题和简答题。
㈠基本概念题1.聚合物的化学反应:天然聚合物或由单体经聚合反应合成的聚合物为一级聚合物,若其侧基或端基为反应性基团,则在适当的条件下可发生化学反应,从而形成新的聚合物(为二级聚合物),由一级聚合物变为二级聚合物的化学反应,谓之。
2.聚合度相似的化学反应:如果聚合物的化学反应是发生在侧基官能团上,很显然这种化学反应不涉及聚合物的聚合度,反应前后聚合度不变(或相似),将这种聚合物的化学反应称为聚合度相似的化学反应。
3.聚合度变大的化学反应:如果聚合物的化学反应是交联、嵌段或接枝等,使聚合物的聚合度变大,将这种聚合物的化学反应称为聚合度变大的化学反应。
4.聚合度变小的化学反应:如果聚合物的化学反应是降解(热降解、化学降解等)很显然这种化学反应使聚合物的聚合度变小,将这种聚合物的化学反应称为聚合度变小的化学反应。
5.聚合物的老化:聚合物在使用或贮存过程中,由于环境的影响,性能变坏、强度和弹性降低、颜色变暗、发脆或发粘等现象叫聚合物的老化。
6.聚合物的无规降解:聚合物在热的作用下,大分子链发生任意断裂,使聚合度降低,形成低聚体,但单体收率很低(一般小于3%),这种热降解称为无规降解。
7.聚合物的解聚:聚合物在热的作用下发生热降解,但降解反应是从链的末端开始,降解结果变为单体,单体收率可达90%~100%,这种热降解叫解聚。
8.聚合物的侧链断裂:聚氯乙烯和聚偏二氯乙烯加热时易着色,起初变黄,然后变棕,最后变为暗棕或黑色,同时有氯化氢放出。
这一过程是链锁反应,连续脱氯化氢的结果使分子链形成大n键或交联,这种热降解称为侧链断裂。
第八章聚合方法聚合方法是一种常用的数据分析方法,可以将多个数据集合并成一个更大的数据集。
这种方法广泛应用于各个领域,例如商业、金融、医疗等。
在数据分析中,聚合方法可以帮助我们更好地理解数据,发现数据中的规律和趋势,从而做出更准确的决策。
聚合方法有多种形式,下面将介绍其中的几种常见方法。
首先是求和方法。
这种方法将数据集中的数据进行求和操作,得到一个综合的结果。
例如,我们可以将销售数据按照日期和地区进行求和,得到每个日期和地区的总销售额。
这样做可以帮助我们了解销售额的分布情况,找出销售额最高和最低的日期和地区。
其次是平均方法。
这种方法将数据集中的数据进行平均操作,得到一个平均值。
例如,我们可以将学生成绩按照科目进行平均,得到每个科目的平均成绩。
通过比较不同科目的平均成绩,我们可以评估学生在各个科目上的表现和优劣。
另一种常见的聚合方法是计数方法。
这种方法用于计算一些特定值在数据集中出现的次数。
例如,我们可以计算一个购物网站上一些商品的销量,以及该商品被加入购物车的次数。
通过计数方法,我们可以了解商品的受欢迎程度和用户对于该商品的兴趣程度。
还有一种重要的聚合方法是分组方法。
这种方法将数据集按照一些特定的属性进行分组,然后对每个组进行统计分析。
例如,我们可以按照客户的地理位置将销售数据进行分组,然后分别计算每个地区的销售额和销售量。
通过分组方法,我们可以探索不同地区的销售情况,找出不同地区的特点和差异。
聚合方法在实际应用中具有广泛的用途,例如在商业决策中可以通过聚合方法来分析销售数据,了解销售趋势和客户需求;在金融领域可以使用聚合方法来计算投资组合的风险和收益;在医疗领域可以使用聚合方法来分析患者的病例数据,了解患者的病情和治疗效果。
总之,聚合方法是一种强大的数据分析工具,可以帮助我们从大量的数据中提取有用的信息,发现数据中的规律和趋势。
通过聚合方法,我们可以更好地了解数据,做出更准确的决策,推动业务的发展和创新。
第八章--聚合方法第八章聚合方法习题参考答案1.解释下列名词:(1)聚合反应与聚合方法(2)本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合、乳液聚合(3)熔融缩聚、溶液缩聚、界面缩聚、固相缩聚解答:(1)聚合反应:主要是指单体到聚合物的合成反应,主要涉及聚合反应机理、反应条件—如引发剂、溶剂、温度、压力、反应时间等。
聚合方法:主要是指完成一个聚合反应所采用的方法。
主要涉及聚合工艺、配方、原料精制、产物分离及后处理等。
(2)本体聚合:不加其它介质,单体在引发剂、或催化剂、或热、光、辐射等其它引发方法作用下进行的聚合。
溶液聚合:单体和引发剂或催化剂溶于适当的溶剂中的聚合。
悬浮聚合:单体以小液滴状悬浮在分散介质中的聚合。
乳液聚合:单体在水介质中,由乳化剂分散成乳液状态进行的聚合。
(3)熔融缩聚:在体系中只有单体和少量催化剂,在单体和聚合物熔点以上(一般高于熔点10~25O C)进行的缩聚。
溶液缩聚:单体、催化剂在溶剂中进行的缩聚。
界面缩聚:单体处于不同的相态中,在相界面处发生的缩聚。
固相缩聚:在原料(单体及聚合物)熔点或软化点以下进行的缩聚。
2.比较本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合和乳液聚合的基本组分和优缺点。
解答:(1)本体聚合:体系主要由单体和引发剂或催化剂组成,其它有相对分子质量调节剂、润滑剂等。
优点是体系组成简单,因而产物纯净,特别适用于生产板材、型材等透明制品。
不足是反应热不易排除。
(2)溶液聚合:体系主要由单体、引发剂或催化剂和溶剂组成。
优点是溶剂的加入形成一均相聚合体系,有利于导出聚合热,同时利于降低体系粘度,减弱凝胶效应。
不足是加入溶剂后容易引起副反应;溶剂的回收、精制增加了设备及成本,并加大了工艺控制难度;降低了单体及引发剂的浓度,致使溶液聚合的反应速率比本体聚合要低;降低了反应装置的利用率。
(3)悬浮聚合:体系主要由单体、引发剂、悬浮剂和分散介质组成。
优点是体系粘度低,聚合热容易导出,散热和温度控制比本体聚合、溶液聚合容易得多;产品相对分子质量及分布比较稳定,聚合速率及相对分子质量比溶液聚合要高一些。
杂质含量比乳液聚合低;后处理比溶液聚合和乳液聚合简单,生产成本较低,三废较少;产物可直接用于加工。
不足是聚合物中附有少量悬浮剂残余物,影响了制品的透明性和电绝缘性。
(4)乳液聚合:体系主要由单体、引发剂、乳化剂和分散介质组成。
优点是可以通过增加乳胶粒的方法同时提高聚合反应速率和聚合度,聚合反应速率快、聚合度高是乳液聚合不同于其它聚合方法的一个显著特征。
不足是聚合物中附有乳化剂残余,影响了制品的透明性和电绝缘性;后处理工艺复杂等。
3.甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯的本体聚合均采用了二段法聚合工艺(表8-2),简述理由。
解答:本体聚合的最大不足是反应热不易排除。
烯类单体聚合为放热反应,聚合热约为55~95 kJ/mol。
聚合初期体系粘度不大,反应热可由小分子单体导出。
转化率提高后,体系粘度增大,出现自动加速效应,仅靠单体已不能有效地导出反应热,这时体系容易出现局部过热,使副反应加剧,导致相对分子质量分布变宽、支化度加大、局部交联等;严重时会导致聚合反应失控,引起爆聚。
针对本体聚合的这一特点,PMMA和PS的工业生产中采用了分段聚合法。
第一段保持较低的转化率,一般在自动加速出现之前,如10~40%。
此时体系粘度不大,散热不是很困难,可在正常的装置中进行反应。
第二段体系粘度明显加大,反应进入自动加速,为解决散热问题和成型问题,可采用薄层聚合、注模聚合等;在反应后期可进一步实施高温聚合,使转化率尽快达100%。
4.表8-3中给出丙烯腈、醋酸乙烯和丁二烯溶液聚合常用的溶剂,简述理由。
解答:PAN的溶液聚合选用AIBN为引发剂,硫氰化钠水溶液为溶剂,AIBN为油溶性,PAN的溶度参数为30,水为47.3,硫氰化钠水溶液可有效构成均相聚合体系,反应完后聚合溶液可直接进行纺丝。
PVAc的溶液聚合选用AIBN为引发剂,甲醇为溶剂。
从溶解性看,PVAc的溶度参数为19.2,AIBN为油溶性,甲醇的溶度参数为29.7,对单体、聚合物和引发剂均有一定的溶解性;另一作用是甲醇有一定的链转移作用,可保证产物聚合度。
BR的溶液聚合选用Z-N催化剂,正己烷为溶剂,从溶解性看,BR的溶度参数为17,己烷的溶度参数为15,可形成均相聚合体系,己烷的链转移小,可保证BR对高相对分子质量的要求。
5.悬浮聚合与乳液聚合的根本差别是什么?悬浮剂与乳化剂有何差别?解答:(1)两者的主要区别在引发剂、单体所处的位置和聚合场所。
悬浮聚合:引发剂和单体互溶,处于一相单体液滴内;聚合也发生在单体液滴内。
乳液聚合:引发剂和单体不在一相,引发剂在分散相,单体在单体液滴、增溶胶束和乳胶粒内;引发剂在分散相形成活性中心,活性中心再扩散进乳胶粒内引发聚合,聚合场所为乳胶粒。
(2)乳化剂比悬浮剂表面活化作用更强,可形成更小、更稳定的胶束。
6.简述乳液聚合机理。
单体、乳化剂和引发剂所在场所。
引发、增长和终止的情况和场所。
在聚合过程中胶束、乳胶粒和单体液滴的变化情况。
解答:(1)聚合机理:单体为乳化剂分散为增溶胶束和单体液滴,溶于分散介质中的引发剂形成活性中心后扩散进入增溶胶束进行引发增长,形成聚合物。
(2)单体:微量溶于分散介质,部分形成增溶胶束,多数形成单体液滴。
乳化剂:CMC以下溶于分散介质中,大部分形成胶束和增溶胶束,少量在单体液滴外部。
引发剂:溶于分散介质中,形成活性中心后扩散进增溶胶束,或吸附单体、乳化剂成核。
(3) 引发:溶于分散介质中,形成活性中心后扩散进增溶胶束引发聚合。
增长:在乳胶粒(扩散进活性中心的增溶胶束)中进行终止:第二个活性中心扩散进行乳胶粒后和乳胶粒内的活性中心发生双基终止。
(4) 胶束:随反应进行,因不断补充到数量和体积加大的乳胶粒上而不断减少。
乳胶粒:在引发阶段,数目不断增多,在恒速阶段数目不变但体积加大。
单体液滴:因不断向主要聚合场所乳胶粒补充单体,体积不断减小,最后消失。
7.采用乳液聚合,为什么可以同时提高聚合反应速率和相对分子质量?解答:对乳液聚合而言,存在:A 3p p p 2N 10[M]N k ][M][M k R ⨯=⋅= i p n R [M]Nk X =二者均与乳胶粒数目:N 成正比,故采用乳液聚合,可同时提高聚合反应速率和相对分子质量。
8.乳液聚合理想配方如下:苯乙烯100克,水200克,过硫酸钾0.3克,硬酯酸钠5克。
试计算:(1)溶于水中的苯乙烯分子数(分子/ml)。
(20O C苯乙烯溶解度0.02g/100g水。
N=6.023×A1023mol-1)(2)单体液滴数(个/ml水)。
条件:液谪直径1000nm,苯乙烯溶解和增溶量共2克,苯乙烯密度为0.9g/cm3。
(3)水中溶解的钠皂分子数(分子/ml)。
条件:硬酯酸钠的CMC为0.3克/L,相对分子质量为306.5。
(4)水中胶束数(个/ml)。
条件:每个胶束由100个钠皂分子组成。
(5)过硫酸钾在水中分子数(分子/ml)。
相对分子质量=270。
(分子/ml·s)。
(6)初级自由基形成速率r1=9.5×10-7s-1。
条件:50 O C,过硫酸钾的kd(7)乳胶粒数(个/ml)。
条件:乳胶粒直径100nm,无单体液滴存在。
苯乙烯相对密度0.9,聚苯乙烯相对密度1.05。
解答:(1)由:20O C苯乙烯溶解度0.02g/100g水。
=6.023×1023mol-1NA则:溶于水中的苯乙烯分子数 = {[(200×0.02÷100)÷104]×6.023×1023}÷200= 1.16×1018 分子/ml(2)由: 液谪直径1000nm,苯乙烯溶解和增溶量共2克,苯乙烯密度为0.9g/cm3= (3/4)πr3= (1/6)πd3= (1/6)则: V球π(10-4)3 = 5.23×10-18 ml一个单体液滴重:5.23×10-18×0.9 = 4.71×10-18 g单体液滴数 = [(100-2)÷4.71×10-18]÷200= 1.04×1012个/ml水(3)由:硬酯酸钠的CMC为0.3克/L,相对分子质量为306.5则:水中溶解的钠皂分子数 = [(0.13÷1000)×6.023×1023]÷306.5= 2.55×1017分子/ml(4)由:每个胶束由100个钠皂分子组成则:水中胶束数 = [(5÷200)-(0.13÷1000)]÷306.5×6.023×1023÷1000= 4.89×1017个/ml (5)由:过硫酸钾相对分子质量为270则:过硫酸钾在水中分子数 = (0.3÷270÷200)×6.023×1023= 3.346×1018分子/ml(6)由:过硫酸钾的kd=9.5×10-7s-1则:初级自由基形成速率r1 = 2kd[I] = 2×9.5×10-7×3.346×1018= 6.36×1012分子/ml·s(7)由:乳胶粒直径100nm,无单体液滴存在。
苯乙烯相对密度0.9,聚苯乙烯相对密度1.0则:可以形成乳胶粒的单体、聚合物总量(除去溶于水中的单体)为100-(0.02÷100×200) = 99.96 g其中聚合物为50g,单体为49.96 g总体积为:(50÷1.05)+(49.96÷0.9)=103.13 ml一个乳胶粒体积为:(1/6)π(103×10-8)3=5.23×10-16ml体系中乳胶粒数:103.13÷(5.23×10-16×200) = 9.86×1014个/ml 水9.计算苯乙烯乳液聚合速率和聚合度。
60 O C ,k p =176L/mol ·s ,[M]=5mol/L ,N=3.2×1014个/ml ,r 1 =1.1×1012个/ml ·s 。
解答:(1)由:Rp = kp[M][M ·] [M ·]=103N/2N A 则:Rp = 176×5.0×3.2×1014×103÷(2×6.023×1023)= 2.34×10-4Mol/L·s(2) 51214ip n1056.2101.10.5132.3176R [M]Nk X ⨯=⨯⨯⨯⨯==10.定量比较苯乙烯在60 O C 下本体聚合和乳液聚合的速率和聚合度。