第四章 自由基共聚合

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* k11[M* 1 ][M1] + k21[M2 ][M1] * k12[M* 1 ][M2] + k22[M2 ][M2]
(3)稳态假设,即共聚反应是稳态条件下进行的,体系中两种 链增长活性中心的浓度不变。 为了使M1*和M2*保持恒定,M1*和M2*的消耗速率等于M1*和
M2*的生成速率:
并定义r1和r2 每种单体同系(均聚)链增长速率常数与交叉 (共聚)链增长速率常数之比为竞聚率:
可按实际情况选用两种形式的共聚方程式。
4.2.1.2 共聚方程应用条件
在以上共聚方程的推导过程中,没有涉及到链引发、链终止和
链转移反应,所得到的共聚方程不包括链引发、链终止和链引发 速率常数。因此共聚物组成与链引发、链终止无关,也与是否添 加阻聚剂和链转移无关。 对于同一单体对,因连锁聚合反应类型不同,如是自由基、阴 离子还是阳离子聚合, r1 和 r2 会有很大的差别,共聚方程就有所 不同。但只要是聚合类型相同,共聚方程就相同。例如自由基共
共聚物的命名
在两单体名称之间以横线相连,并在前面冠以“聚”字, 或在后面冠以“共聚物” ,例如: 聚苯乙烯-丁二烯 或 苯乙烯-丁二烯共聚物
无规、交替、嵌段、接枝共聚物可以在两单体名称之间, 分别用-co-、-alt-、-b- 和 -g- 来区别,如: 聚(苯乙烯-co-甲基丙烯酸甲酯) 或 苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯无规共聚物
(2) 交替共聚物(alternative copolymer)
M1和M2两种单体单元有规则的交替分布:
(3) 嵌段共聚物(block copolymer)
M1和M2两种单体单元各自组成长序列链段相互连结而成
(4) 接枝共聚物(graft copolymer) 以一种单体形成的分子链为主链,在主链上连接一条或多条 另一单体形成的支链
(3)扩展了可聚合单体的范围 增加聚合物的种类,如,顺丁 烯二酸酐、1,2-二苯乙烯等1,2-二取代单体因空间障碍无法均聚, 但却能与苯乙烯等共聚生成交替共聚物。
4.2. 二元共聚物的组成
4.2.1. 共聚物组成微分方程及竞聚率 共聚物性能
密切相关
共聚物组成
不相等 但相关 共同决定
单体组成 单体相对活性
第四章
自由基共聚合
(竞聚率) 单体相对活性 单体组成 瞬时组成
(竞聚率) 单体相对活性 单体组成 瞬时组成
有多种排列情况:概率
组成分布
序列分布
4.1 引言
在连锁加聚中,由一种单体参与的聚合,称为均聚合反应, 形成的聚合物称为均聚物。由两种或多种单体同时参与的聚合反 应则称为共聚合反应,所形成的聚合物称为共聚物。 共聚合反应类型:
共聚物中单体单元 含量与连接方式
共聚方程描述二元共聚产物的组成(单体单元的含量)与 单体组成及单体相对活性(竞聚率)之间的关系。
4.2.1.1. 共聚方程推导 动力学推导时,与均聚反应做相似的假设: (1)活性中心的反应活性与链的长短无关,也与前末端单体
单元无关,仅取决于末端单体单元.
M2M1* = M1M2* = M1M1* M2M2* = = M1* M2*
共聚物中M1和M2单元的摩尔分数:
[M1 ] f1 1 f2 [M1 ] [M 2 ]
d [M1 ] F1 1 F2 d [M1 ] d[M 2 ]
则共聚方程式可以转化为以摩尔分数的形式 :
r1 f1 f1 f 2 F1 r1 f12 2 f1 f 2 r2 f 2 2
实际意义: (1)聚合物分子设计 能从有限的单体出发,根据实际需要进行 人工裁剪,选择不同的单体组合和配比以不同方式进行共聚,便 可得到种类繁多、性能各异的共聚物,以满足不同的使用要求。
(2)改进聚合物的诸多性能 如机械强度、弹性、塑性、柔软性、 耐溶剂性能、染色性能等。以聚苯乙烯为例,与丙烯腈共聚,增 加了抗冲强度和耐溶剂性;与丁二烯共聚,产物具有良好的弹性, 可作橡胶使用。而苯乙烯、丙烯腈、丁二烯三元共聚物则囊括了 上述所有优点,其产物便是综合性能极好的ABS树脂。
即体系中就只存在两种链增长活性中心,这样共聚合的链增 长反应就可简化为这两种活性中心分别与两种单体之间进行的四
个竞争反应。
其中活性链末端与同种单体之间的链增长反应称为同系链增 长反应(如反应I和IV);而与不同种单体之间的链增长反应称为 交叉链增长反应(如反应II和III)。
(2)聚合产物分子量很大时,可忽略链引发和链转移反应的单 体消耗,即单体仅消耗于链增长反应; M1仅消耗于反应(I)和(III):
例如在苯乙烯(M1)与反丁烯二腈(M2)的自由基共聚中,
前末端单元为反丁烯二腈的苯乙烯自由基和与前末端单元为苯乙 烯的苯乙烯自由基相比,前者与反丁烯二腈的加成反应活性显著
降低,主要原因是前末端反丁烯二腈单元存在着位阻和极性斥力:
当存在前末端效应时,二元共聚体系则会有4种活性不同的 链增长活性中心,将有8个增长反应:
聚(苯乙烯-alt-甲基丙烯酸甲酯)
或 苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯交替共聚物
聚苯乙烯-b-聚甲基丙烯酸甲酯 或 苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物
聚苯乙烯-g-聚甲基丙烯酸甲酯 或 苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯接枝共聚物
命名时两种单体的先后次序:
对无规共聚物而言则取决于它们的相对含量,一般含量多
的单体名称在前,含量少的单体名称在后. 嵌段共聚物,由于两种单体是在先后不同的聚合反应阶段 加入的,因此其名称中的前后单体则代表单体聚合的次序. 接枝共聚物,构成主链的单体名称放在前面,支链单体放 在后面。
F1-f1曲线特征:F1=0.5.
完全满足交替共聚的情况不多,更多的是某一竞聚率r1接近于
于零,另一单体竞聚率r2等于零;或者两种单体竞聚率都接近于 零。这时的共聚类型可称为“接近交替共聚”。如r2等于零:
d [M1 ] [M1 ] 1 r1 d [M 2 ] [M 2 ]
只要使单体M2(不能均聚而只能共聚)的浓度>>单体M1 (有一定均聚倾向)的浓度,上式的第二项就接近于零,即生 成接近交替组成的共聚物.
成)一旦确定,则反应过程中单体
组成不变,共聚物组成也不随转化 率的上升而改变,即得到的共聚物
组成非常均匀。
(2)r1 = r2= 0(交替共聚) r1 = r2 = 0,表明两种单体不能进行均聚而只能进行共聚。
因此,在生成的大分子链中两种单体单元交替连接,称为交 替共聚。 交替共聚产物的组成也不随转化率变化而改变,恒定为1。
相应也有4个竞聚率:
r1 k111 k112
r1 k211 k212
r2 k222 k221
r2 k122 k121
因此考ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ前末端效应,共聚物方程为:
d[M1 ] 1 r1 x(r1 x 1) / (r1 x 1) = d[M2 ] 1 r2 x(r2 x) / (r2 x)
根据不同的r1和r2,呈现五种典型的二元共聚物组成曲线 :
(1)r1=r2=1(恒比共聚) 将r1=r2=1代入共聚方程,共聚方程可简化成F1 = f1,即无论
单体配比如何,共聚组成恒等于单体组成,因此称为恒比共聚或
恒分共聚。其F1-f1曲线为一对角线。 由于共聚物组成与单体组成始 终相等,任何一具体配方(单体组
4.1.2. 研究共聚反应的意义 理论意义: 除了聚合机理、聚合速率、分子量等均聚反应所关心的问
题之外,共聚反应中,共聚物组成和序列分布为更重要的研究
内容,即理论研究的范围扩展了。 此外,通过共聚反应研究可了解不同单体和链活性种的 聚合活性大小、有关单体结构与聚合活性之间的关系、聚合反 应机理多方面的信息等,完善高分子化学理论体系。
式中,x = [M1]/[M2] 对于苯乙烯(M1)和反丁烯二腈(M2)体系,反丁烯二腈不 能自增长,r2=r2 =0 ,上式可简化成为
d [M1 ] 1 r1 x 1 d [M2 ] 1 1/ r1x
(2) 解聚效应 乙烯基单体在通常温度下共聚,逆反应倾向小,可以看作不 可逆聚合反应。但有些聚合上限温度较低的单体,如 a-甲基苯 乙烯(Tc=61℃),在通常共聚温度下,当 a-甲基苯乙烯单体浓 度低于平衡单体浓度[M]c时,则增长链端基发生解聚,结果共聚 物中a-甲基苯乙烯单体单元含量比预期的小。 而且聚合-解聚平衡与温度有关,因此共聚物组成与温度有关。 聚合温度从0℃升到100℃时,共聚物中a-甲基苯乙烯的含量逐步 降低。由此可见,共聚体系中有解聚倾向时,共聚情况比较复杂。
r1 k11 / k12
r2 k22 / k21
整理得二元共聚物组成微分方程,简称二元共聚合方程:
式中 r1和 r2分别为M1和M2的竞聚率。 共聚合方程表明某一瞬间所得共聚产物的组成对竞聚率及单 体组成的依赖关系,也叫做共聚物组成微分方程。
如令 f1 和 f2 分别为单体M1和M2的摩尔分数,F1 和 F2 分别为
4.2.2. 共聚物组成曲线
按照共聚方程,以F1 对 f1 作图,所得到的 F1-f1 曲线称为共
聚物组成曲线。共聚曲线能更直观地显示出两种单体瞬时组成所 对应的共聚物瞬时组成。 F1-f1曲线随竞聚率r1、r2的变化而呈现出不同的特征。 竞聚率的物理意义 按照竞聚率的定义r1 = k11/k12,它是同系链增长速率常数与交 叉链增长速率常数之比,也就是表示一种单体的均聚能力与共聚 能力之比。 竞聚率是对于某一具体的单体对而言,不能脱离具体的单体 对来讨论。
聚合反应机理:自由基共聚合、离子共聚合和配位共聚合。
其中自由基共聚合反应由于共聚单体对种类多,应用广,研 究最为系统深入,最为重要。 单体种类多少:两种单体参与的共聚合反应为二元共聚合、三
种单体参与的共聚合反应为三元共聚合等,依此类推。
4.1.1 共聚物的类型和命名 共聚物的分类 根据共聚物分子的微观结构,二元共聚物主要有四类。 (1)无规共聚物(random copolymer) 两种单体单元M1和M2呈无序排列,按几率分布:
-d[M1] / dt = k11[M1*][M1] + k21[M2*][M1] M2仅消耗于反应(II)和(IV): -d[M2] / dt = k12[M1*][M2] + k22[M2*][M2] 两种单体的消耗速率比等于两种单体进入共聚物的速率比, 共聚物组成d[M1]/d[M2]:
d [M1] = d [M2]
[M1 ] r2 1 1 r2 或 f1 [M 2 ] r1 1 2 r1 r2
(4)r1 > 1,r2 < 1 或 r1 < 1,r2 > 1(嵌均共聚) r1>1, r2<1 (或r1<1, r2>1) 表明共聚单体对中的一种单体的自聚 倾向大于共聚,另一种单体的共聚倾向则大于自聚倾向。
苯乙烯(M1)-顺丁烯二酸酐(M2)自由基共聚组成曲线 (r1 =0.01, r2 = 0)
(3)r1 < 1,r2 < 1(无序共聚) 两种单体的自聚倾向小于共聚倾向,共聚物分子链中不同单 体单元相互连接几率>相同单体单元连接几率,得到无规共聚物。
F1-f1曲线特征具有反S型特征:曲 线与对角线相交,交点处共聚物的组 成与原料单体投料比相同,称为恒分 (比)点。由共聚方程可求得恒分点 处的单体投料比:
r1 = 0,表示M1的均聚反应速率常数为0,不能进行自聚反 应,M1*只能与M2反应;
r1 > 1,表示M1*优先与M1反应发生链增长;
r1 < 1,表示M1*优先与M2反应发生链增长; r1 = 1,表示当两单体浓度相等时,M1*与M1和M2反应发生
链增长的几率相等;
r1 = ∞,表明M1*只会与M1发生均聚反应,不会发生共聚反 应。
聚,不管采用何种引发方式(引发剂、光、热、辐射等)以及何
种聚合方法(本体、溶液、乳液),却得到相同的共聚物组成。
共聚方程推导中,曾作了几方面的假设 , 其中不考虑前末端 单体单元(倒数第二个单体单元)效应、共聚反应是不可逆的假 设是针对共聚反应而提出的。由于有少数单体对或反应条件并不 符合这二个假设,因而造成与共聚方程产生一定的偏差。 (1) 前末端效应 即产生偏差的原因是由于链增长活性中心的活性受端基前一 个单体单元的影响不能忽略,这种效应在一些含有位阻大或强极 性取代基的单体对更为明显。
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