第七章 逐步聚合7.68 体型逐步聚合 逐步共聚反应 逐步聚合实施方法.ppt
第七章逐步聚合精选精品文档
个别单体,其 官能度取决于 反应条件,如:
4
2)对于不同的官能度体系,其产物结构不同 (1) 1-n官能度体系 一种单体的官能度为 1,另一种单体的官能度大于 1,即 1-1、1-2、1-3、1-4体系,只能得到低 分子化合物,属缩合反应。 (2) 2-2官能度体系 每个单体都有两个相同的官能团,可得到线形聚合物:
7
环的稳定性越大,反应中越易成环,五元环、 六元环最稳定,故易形成,如:
8
环的稳定性与环上取代基或元素有关
八元环不稳定,取代 基或元素改变,稳定 性增加, 如,二甲基 二氯硅烷水解缩聚制 备聚硅氧烷,在酸性 条件下,生成稳定的 八元环,通过本方法, 可纯化单体。
9
2. 缩聚反应分类 (1) 按反应热力学的特征分类:
+ H2O
14
根据平衡常数K的大小,可将线型缩聚大致分为三类:
a).K值小, 如聚酯化反应, k4, 副产物水对 分子量影响很大.
b).K值中等,如聚酰胺化反应,k300500,水对 分子量有所影响.
c).K值很大,在几千以上,如聚碳酸酯、聚砜, 可看成不可逆缩聚.
对所有缩聚反应来说,逐步特性是共有的, 而可逆平衡的程度可以有很大的差别.
(c)工业生产总是以外加酸作催化剂来加 速反应.
34
2)平衡缩聚动力学
聚酯化反应在小分子副产物不能及时排出时,逆 反应不能忽视. 令羟基和羧基等当量,起始浓度为1,t时浓度为c
起始
1
1
t时水未排出
C
C
水部分排出
C
C
0 1-C 1-C
逐步聚合实施方法
三、 界面缩聚 ⒈ 基本概念
将两种单体分别溶于两种互不相溶的溶剂中 形成两种单 将两种单体分别溶于两种互不相溶的溶剂中,形成两种单 在两种溶液的界面处进行缩聚反应, 体溶液 ,在两种溶液的界面处进行缩聚反应,并很快形成聚 合物的这种缩聚称为界面缩聚。 合物的这种缩聚称为界面缩聚。 在实验室中把己二酰氯溶于三氯甲烷中, 在实验室中把己二酰氯溶于三氯甲烷中 把己二胺溶于水中(水呈碱性 以吸收反应中生成的氯化氢 把己二胺溶于水中 水呈碱性,以吸收反应中生成的氯化氢 水呈碱性 以吸收反应中生成的氯化氢),
苯核和羰基对分子刚性的影响超过醚键对分子柔性的影 苯核和羰基对分子刚性的影响超过醚键对分子柔性的影 因而PC分子的刚性还是相当大的 致使PC的玻璃化温度较 响,因而 分子的刚性还是相当大的 致使 的玻璃化温度较 因而 分子的刚性还是相当大的,致使 分子间的作用力很大。 高,Tg=145℃~150℃,PC分子间的作用力很大。 ℃ ℃ 分子间的作用力很大 刚性分子链彼此缠绕,不易解除 不易解除,使分子间相对滑移比较 刚性分子链彼此缠绕 不易解除 使分子间相对滑移比较 困难,因此 的熔点也较高, 因此PC的熔点也较高 困难 因此 的熔点也较高 Tm=220℃~230℃。 ℃ ℃ 异丙撑基使PC形成稳定的二次结构 形成稳定的二次结构——原纤维状结构 异丙撑基使 形成稳定的二次结构 原纤维状结构 (完全伸展的分子链组成的纤维状晶体 。 完全伸展的分子链组成的纤维状晶体)。 完全伸展的分子链组成的纤维状晶体 原纤维状结构混乱交错在一起组成疏松的网络,使高聚物 原纤维状结构混乱交错在一起组成疏松的网络 使高聚物 中存在着大量的微空隙, 从而具有很高的冲击韧性。 中存在着大量的微空隙 从而具有很高的冲击韧性。 聚碳酸酯的性能可归纳为下列几点。 聚碳酸酯的性能可归纳为下列几点。 外观:由于合成PC时催化剂不同 时催化剂不同,PC显示不同的颜色。 显示不同的颜色。 外观:由于合成 时催化剂不同 显示不同的颜色 用三乙胺做催化剂时产品为白色透明的树脂(或略带微 用三乙胺做催化剂时产品为白色透明的树脂 或略带微 黄色); 黄色 ; 用苯甲酸做催化剂时,产品为浅红色 产品为浅红色; 用苯甲酸做催化剂时 产品为浅红色;用醋酸锂作催化剂 产品为浅紫色; 产品为暗紫色。 时,产品为浅紫色;用醋酸钴作催化剂时 产品为暗紫色。 产品为浅紫色 用醋酸钴作催化剂时,产品为暗紫色
第七章_逐步聚合反应
溶液缩聚的特点:
聚合温度低,常需活性高的单体,如二元酰 氯、二异氰酸酯 反应和缓平稳,有利于热交换,避免了局部 过热,副产物能与溶剂形成恒沸物被带走
反应不需要高真空,生产设备简单
制得的聚合物溶液,可直接用作清漆、胶粘 剂等
溶剂的使用,增加了回收工序及成本
聚酰亚胺及耐高温聚合物
nO O C C O HO
250x250 18k jpg
O C C O O C
O + n H2 N_
_
CH2
_
_
NH2 较低温度
[
O _ C HN C OH O O C N_ C O
CH2
NH
]
n
H
高温闭环
HO C O
N
O C C O
_
CH2
_ n
聚砜的合成
CH3 Na O ONa
C
CH3
+
-NaCl
Cl
Cl
SOຫໍສະໝຸດ CH3 O7.2 逐步聚合实施方法
熔融缩聚
含义:是单体和聚合产物均处于熔融状态下的聚合反 应。 是最简单的缩聚方法。只有单体和少量催化剂。 优点: 产物纯净,分离简单 通常以釜式聚合,生产设备简单 是工业上和实验室常用的方法 熔融缩聚在工艺上有以下特点:
反应温度高
一般在200-300 ℃之间,比生成的聚合物的熔点高 10-20 ℃ 一般不适合生产高熔点的聚合物
O O
C
CH3
S
O
n
电子电气目前是PSF的消费大户: 各种接触器、接触件、变压器绝缘件、可控硅帽、绝缘套管、线圈 骨架、接线柱和电环等电气零件、印刷电路板、轴套、罩、影视系 统零件、电容器薄膜、电刷座、碱性蓄电池盒 飞机内部配件和飞机外部零件、宇航器外部防护罩防护罩元件、电 动齿轮、蓄电池盖、雷管、电子发火装置元件
《逐步聚合反应》课件
逐步聚合反应的热力学机理
逐步聚合反应的热力学机理涉及聚合 过程中自由能的变化。
自由能的变化与单体分子之间的相互 作用、聚合产物的分子结构和分子量 等因素有关。
在聚合过程中,自由能的变化决定了 聚合反应是否能够自发进行。当聚合 产物的自由能低于单体分子时,聚合 反应自发进行。
逐步聚合反应通常需要在一定的温度 下进行,以提供足够的能量使单体分 子活化并形成聚合物链。
逐步聚合反应
目录
• 逐步聚合反应概述 • 逐步聚合反应的机理 • 逐步聚合反应的条件与影响因素 • 逐步聚合反应的实例 • 逐步聚合反应的挑战与解决方案 • 逐步聚合反应的发展趋势与展望
01 逐步聚合反应概述
定义与特点
定义
逐步聚合反应是一种化学反应,涉及 低分子量单体或预聚物通过逐步增长 的方式形成高分子量聚合物。
逐步聚合反应的动力学机理
逐步聚合反应的动力学机理涉及 聚合速率的变化,通常表现为随 着聚合度的增加,聚合速率逐渐
降低。
在聚合初期,活性中心浓度较高, 聚合速率较快。随着聚合度的增 加,活性中心浓度降低,聚合速
率逐渐减缓。
聚合速率的快慢与单体分子的结 构、引发剂或催化剂的种类和浓
度、反应温度等因素有关。
高压可以促进某些单体的均聚反应, 而对共聚反应的影响较小。因此,压 力的选择应根据具体的聚合体系而定 。
溶剂的影响
溶剂的极性和介电常数对逐步聚合反应有重要影响。极性溶 剂有利于增加聚合物与单体之间的相互作用力,从而提高聚 合速率和产物分子量。
溶剂的纯度和残留杂质也可能影响聚合反应的进行,因此应 选择高质量的溶剂。
催化剂的影响
催化剂可以显著降低聚合活化能,提高聚合速率。不同类 型的催化剂对聚合反应的影响不同,选择合适的催化剂是 获得所需聚合物的重要因素。
逐步聚合实施方法PPT资料(正式版)
图 6-1
图 6-2
❖ ⒉ 界面缩聚的特点 ❖ 与熔融缩聚相比,界面缩聚的特点可归纳为下列几点。 ❖ ⑴ 界面缩聚是不平衡缩聚,需采用高反应活性的单体,反
二、 溶液缩聚
⒈ 基本概念
单体在适当溶剂中进行缩聚反应制备高聚物的过程称为溶 液缩聚。目前溶液缩聚有很大发展,仅次于熔融缩聚。
一些新型的耐高温缩聚物,如聚砜、聚苯醚和聚酰亚胺等都是 界面缩聚一般光气过量以弥补其水解损失,可加入少量单官能团物质如苯酚进行官能团封锁以控制聚碳酸酯的相对分子质量。
② 双酚A钠盐与光气缩聚合成聚碳酸酯
+ 2 H C l
熔融缩聚合成PC
(n+1 )
O OCO
O OC[O
+nH O
C H 3 C
C H 3
CH 3 C CH 3
O OC]nO
O H
+ 2n
OH
⑶ PC的结构、性能和用途 ① PC的结构 PC大分子主链中含有醚键-O-、苯核、羰基、酯基还有异 丙撑基。 ② PC的性能 PC的性能由其含的基团性能所决定。 醚键-O-的作用是增大链的柔曲性,使链段容易绕醚键两端 的单键发生内旋转,并增大聚合物的韧性,同时也增加了聚合物在 溶剂中的溶解性和吸水性。 苯核的作用是增加分子链的刚性,减少分子链的柔性和在溶 剂中的溶解性能和吸水性。 羰基极性较大,可增加分子间的作用力,使大分子之间靠得紧 些,但同时又使空间障碍加强,从而使分子刚性加强。 酯基是极性基团,其作用是使聚合物极性加强,使PC较易溶于 极性有机溶剂中,因而PC的电绝缘性能不及非极性的PE, 它较易 水解。
第7章 逐步聚合
7.3 线形缩聚反应的机理
二元胺可进行分子内或分子间的脱氨反应,进一步
可导致支链或交联的发生。
CH2 2 (CH2)n 2 H2N(CH2)nNH2 H2N(CH2)nNH(CH2)nNH2 + NH3 NH + 2 NH3
7.3 线形缩聚反应的机理
2)化学降解
缩聚反应是可逆反应,单体往往是聚合物的降解剂。结 果是分子量降低和分子量分布变宽。
7.1 引言
逐步反应分类(P17,表2-1)
反应逐步进行,分子量逐步增大 1. 缩聚反应:
由带有两个或两个以上官能团的单体之间连续、重复进行的 缩合反应称作缩合聚合反应,简称缩聚反应。 naAa + nbBb →a-(- A-B-)n-b + (2n-1)ab
聚酯反应:二元醇与二元羧酸、二元酯、二元酰氯等 之间的反应。
n H2N-R-NH2 + n ClOC-R’-COCl + (2n-1) HCl H-(HNRNH-OCR’CO)n-Cl
缩聚反应共同特点:在生成聚合物分子的同时,伴随有小分子 副产物的生成,如H2O, HCl, ROH等。
7.1 引言
2. 聚加成:形式上是加成反应,但反应机理是逐步反 应。如聚氨酯的合成。含活泼氢功能基的亲核化合物 与含亲电不饱和功能基的亲电化合物间的聚合
2-2官能度体系:
如二元酸和二元醇反应,缩合反应变成缩聚反应,生成 线形高分子量聚酯。通式如下:
naAa nbBb a[ AB]n b (2n 1)ab
2官能度体系:
单体有能相互反应的官能团A、B(如氨基酸、羟基酸等), 可经自身缩聚,形成类似的线形缩聚物。通式如下:
naRb a[ R]n (n 1)ab
第七章 逐步聚合答辩
Na-NaP+Nc
体系中的结构单元数(即单体数) Na+Nc
Na+Nc
1
1+ q
Xn = Na-NaP+Nc = 1-rP = 1 + q-P
高分子化学与物理
7.5 逐步聚合的实施方法
7.7.2 逐步聚合实施方法 欲使逐步聚合成功,必须要考虑下列原则和措施: ①原料要尽可能纯净 ②反应物应按化学计量或等基团数比配制,分子量可用
nHO(CH2)5COOH
H[-O(CH2)5CO]n-OH+(n-1)H2O
由实验测定残余-COOH数为N,起始-COOH数为N0 反应程度P为参加反应的官能团占初始官能团数的
百分比,所以
P N0 N 1 N
N0
N0
高分子化学与物理
7.3 缩聚反应平衡
定义大分子中结构单元数为聚合度Xn,则:
a官能团的残留数为 Na-NaP b官能团的残留数为 Nb-NaP a、b官能团的残留总数为 Na+Nb-2NaP 残留的官能团总数分布在大分子的两端,而每个大分子有两个官能 团 则,体系中大分子总数是端基官能团数的一半
( Na+Nb-2NaP)/ 2 体系中结构单元数等于单体分子数( Na+Nb)/ 2
途广。
醇酸树脂(alkyd resin) • 邻苯二甲酸酐(f=2)和甘油(f=3)缩聚可制得醇酸树脂。 • 主要用作涂料,在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸,
以降低体形结构的交联密度,使其具有一定的柔软度。
高分子化学与物理
7.7 体形缩聚
脲醛树脂
O H2C OH
O + HC OH
H2C Oh O
Xn
结构单元总数 大分子数
第七章 逐步聚合反应
0.98
0.99
0.995
20
50
100
200
P21
图2-1表明,反应程度达0.9,聚合度还只有10, 远末满足材料的要求。这时残留单体已少于10%, 转化率已达90%。 按表7-3,合成纤维和工程塑料的聚合度一般要在 100~200以上。就应将反应程度提高到 0.99~0.995以上。但有许多因素阻碍着反应程 度的提高,如非等当量比、可逆反应等。
第七章
逐步聚合反应
逐步聚合反应的类型
一、典型的逐步聚合反应(大多数缩聚反应)
1、大多数杂链聚合物的合成 例如:见P4表1-2 尼龙-66 、PET 2、许多带芳环的耐高温聚合物的合成 例如:聚酰亚胺,以及梯形聚合物也由缩聚而成
3、有机硅树脂的合成
是硅醇的缩聚物
4、硅酸盐玻璃和聚磷酸盐的合成
可以看作无机缩聚物
线形缩聚与成环倾向
环的稳定性大致次序如下: 3,4,8~11<7,12<5,6
(与开环聚合开环趋势相反)
7.3.2
线形缩聚机理
线形缩聚机理有两个特征: 逐步、可逆。
1
逐步特征
(1) 缩聚早期,单体很快消失,单体转
化率很高,转变成二聚体、三聚体、四 聚体等低聚物, (2)然后低聚物之间进行缩聚, (3)分子量分布也较宽。
1)反应程度 定义:
p
是参加反应的官能团数(N。—N)占起始官 能团数N。的分率。
N。——体系中起始羧基数或羟基数 N ——t时刻羧基数或羟基数
2)聚合度Xn
大分子中结构单元数定义为聚合度Xn
(7-3)表明聚合度随反应程度而增加
聚合度与反应程度的关系
p Xn 0.5 2 0.8 3 0.9 10
《缩聚和逐步聚合》课件
聚合过程中单体分子在聚合物链附近的扩散和碰撞是控制步骤。
反应控制机理
聚合过程中单体分子之间的化学反应是控制步骤。
逐步聚合反应的原理 逐步聚合反应的类型
温度
通常需要在一定温度下进行聚合,以促进单体分子之间的化学反应。
压力
通常需要在一定压力下进行聚合,以促进单体分子之间的碰撞和扩散。
逐步聚合反应的原理 逐步聚合反应的类型
02
逐步聚合的特点是反应速度较慢,产物高分子量较高,反应条件较为温和,但 在反应过程中可能会产生气泡和低分子量副产物。
03
在应用方面,缩聚反应在合成高分子材料方面应用广泛,尤其在合成高性能纤 维和工程塑料方面具有优势;而逐步聚合在合成涂料和粘合剂方面应用较多, 尤其是在建筑和家具行业。
CHAPTER 05
催化剂
某些逐步聚合反应需要使用催化剂来加速聚合过程。
溶剂
某些逐步聚合反应需要在溶剂中进行,以降低聚合物的粘度并促进聚合过程中的传质和 传热。
CHAPTER 04
缩聚和逐步合成高分子材料
缩聚反应可以合成各种高分子材料,如聚酯、聚 酰胺、聚氨酯等,广泛应用于塑料、纤维、橡胶 等领域。
缩聚和逐步聚合的未来展望
新材料与新技术的应用
随着科技的发展,将会有更多的新材料和新技术应用于缩 聚和逐步聚合领域,推动聚合物的不断创新和发展。
可持续发展与环保
未来的缩聚和逐步聚合将更加注重可持续发展和环保,采 用更加环保的原料和催化剂,降低能耗和污染,实现聚合 物的绿色合成。
跨学科合作与交叉融合
随着各学科之间的交叉融合,未来的缩聚和逐步聚合将更 加注重与其他领域的合作与交流,如化学、物理、生物医 学等,推动聚合物的多元化和智能化发展。
《高分子化学》张形欣主编,第七章逐步聚合
n
OH CH3
Cu O
O CH3
n
(2) -OCO- 聚酯,例:PET:
n HOCH2CH2OH + HOOC
COOH
H
OCH2CH2 (2n-1) H2O
(3) -NH-CO-
聚酰胺,例:尼龙-6,6: nHOOC(CH 2) 4 COOH + nH 2N(CH 2) 6NH 2 → HO-[-OC(CH 2) 4COHN(CH 2) 6NH -] n-H + (2n-1)H2 O
n
OR'OH
(3) Diels-Alder 反应,可溶性梯形聚合物合成:
O
O
O
+
O
O
O
n
(4) 氧化偶联反应,聚苯醚合成:
CH3 CH3
n
OH CH3
Cu O
O CH3
n
(5) 加成缩合反应,酚醛合成:
OH OH
+ CH 2O
CH 2OH
(加成)
OH OH OH OH
CH2OH +
CH2
(缩合) (6) 分解缩聚,聚甲撑合成: BF3
n HOCH2CH2OH + HOOC
COOH
H
OCH2CH2OOC
CO
n
O CH2CH2OH + (2n-1) H2O
(2) 逐步加聚反应(聚加成反应) ,聚氨酯合成:
n O C N R N C O + n HO R' OH O C N R N C H O OR'O C N R N C H H O O
n CH2=N2
物:
-[-CH7-]n- + n N2
chapter 7 逐步聚合
自由基聚合与线形缩聚特征的比较
四. 线形缩聚动力学
1. 官能团等活性概念 “ 官能团等活性 ”假定: 任何反应阶段,不论单体、低聚 体、多聚体或高聚物,其两端官能团的反应能力不随分子 链的增长而变化,每一步反应的平衡常数相同。 2. 线形缩聚动力学 1)不可逆的缩聚动力学
若 将体 系中 的低 分子 副产 物不断排出,则反应不可逆地向正方向
1. 定义
官能团间经多次缩合形成聚合物的反应。
nH 2N(CH 2)6NH 2+nHOOC(CH 2)4COOH H [NH(CH 2)6NH CO(CH 2)4CO] n OH + (2n-1)H 2O
特点: 缩聚物有特征结构官能团 有低分子副产物( byproduct) 缩聚物和单体分子量 不成整数倍
31
[N H (C H 2 ) 6 N H 结 构 单 元
C O (C H 2 ) 4 C O ]n 结 构 单 元
重 复 单 元
设官能团 a 的反应程度为 p, a、 b 的反应数均为 Nap a 的残留数为 Na-Nap, b的残留数为 Nb-Nap
(a+b)的残留总数(即大分子链的端基数) : Na+Nb-2Nap
0.5 p = 1 = 0.75 2
2 1 =4 Xn= = 0.75 0.5 1
14
300
1 Xn= 1 p
符合此式须满足官能团数等 当量的条件。 聚合度将随反应程度而增加
p=0.9 p=0.9995
250 200
Xn150
100 50 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
2. 缩聚平衡对聚合度的影响
若反应体系封闭
p2 dp = k1C 0 [(1 p) ] dt K
第7章逐步聚合产品及其合成.ppt
工业上又两种聚合方法:
⑴直接酯化法(PTA路线)
由对苯二甲酸(PTA)和乙二醇(EG)经缩聚反 应先合成对苯二甲酸双羟乙酯,再经均缩聚反应得 到PET。
⑴尼龙的熔点随酰胺键之间碳原子数增加,呈下 降趋势。再氨基酸类尼龙中奇数碳原子的熔点高于 相临双数碳原子的熔点。
⑵吸水性随酰胺键之间碳原子数增加而减少。
⑶密度也是随酰胺键之间碳原子数增加而减少
尼龙为韧性、牛角状半透明或乳白色结晶性树脂, 作为工程塑料的尼龙分子量一般为1.5-3万。
尼龙具有很高的机械强度,软化点高,耐热(使 用温度-40~100℃,磨擦系数低,耐磨损,自润 滑性,吸震性和消音性,耐油,耐弱酸,耐碱和一 般溶剂,电绝缘性好,有自熄性,无毒,无臭,耐 候性好,染色性差。缺点是吸水性大,影响尺寸稳 定性和电性能,纤维增强可降低树脂吸水率,使其 能在高温、高湿下工作。尼龙与玻璃纤维亲合性十 分良好。
由对苯二甲酸二甲酯和丁二醇,酯交换法熔融 聚合得到。催化剂用钛酸正丁酯。
③聚对苯二甲酸丙二醇酯 PTT
是由对苯二甲酸(PTAຫໍສະໝຸດ 和1,3-丙二醇(PDO) 缩聚而成,熔点223-230℃。
纤维是Shell公司开发的一种性能优异的 聚酯类新型纤维,它PTT纤维综合了尼龙的柔 软性、腈纶的蓬松性、涤纶的抗污性,加上本 身固有的弹性,以及能常温染色等特点,把各种 纤维的优良服用性能集于一身,从而成为当前 国际上最新开发的热门高分子新材料之一。
由于PTT的优异性能,它可以广泛用于衣
料、产业、装饰和工程塑料等各个领域,特 别是在地毯领域将成为PA强有力的竞争对手。 据有关部门估计,PTT纤维的需求量大约55% 来自地毯领域,其余的45%为其他纺织品领 域。PTT的性能确定了它的广阔的应用领域, 目前PTT的市场价格偏高,因而限制它只能在 成本消化能力较强的产品和品种方面取得有 限的发展成果;一旦能降到合适的价位水平, PTT的市场开拓便将以人们所难以预料的态势 而顺利发展。
逐步聚合反应
第七章逐步聚合反应引言(Introduction)绝大多数天然高分子都是缩聚物,例如蛋白质是氨基酸通过酶催化的缩聚反应的生成物,淀粉和纤维素是单糖的缩聚物。
作为生命和物种延续物质基础的核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)也是某些蛋白质分子按照空间特定部位和特殊形态的要求通过缩合反应而生成的。
另一方面,目前广泛使用的许多塑料、化纤、涂料、胶粘剂等都是缩聚物,如聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、酚醛树脂等是缩聚物的典型代表。
1)逐步聚合反应最基本特征是单体转变成高分子是逐步进行的,即单体官能团间相互反应而逐步增长2)逐步聚合反应范围广泛,包括绝大多数的缩聚反应,如聚酯合成,以及非缩聚反应型逐步聚合:聚加成:形式上是加成反应,但反应机理是逐步反应,如聚氨酯的合成开环反应:部分开环反应为逐步反应,如水引发的己内酰胺的开环反应氧化-偶合:单体与氧气的缩合反应,如2,6 -二甲基苯酚和氧气形成聚苯撑氧,也称聚苯醚Diels-Aldel反应:如共轭双烯烃与另一个烯类化合物发生 1,4 加成反应形成聚合物的反应本章内容:缩聚反应单体及分类线形缩聚反应机理线型缩聚动力学影响线型缩聚物聚合度的因素和控制方法分子量分布逐步聚合方法体型缩聚与凝胶点的预测7.1 缩聚反应单体及分类缩聚反应(Polycondensation)定义:是由带有两个或两个以上官能团的单体之间连续、重复进行的缩合反应,是缩合聚合反应的简称。
缩聚反应单体常带有各种官能团:如1. 缩聚反应单体体系官能度(Functionality)定义:是指一个单体分子中能够参加反应的官能团的数目单体的官能度一般容易判断,如醋酸与乙醇的官能度都为1;己二酸与邻苯二甲酸酐的官能度均为2;甘油及季戊四醇的官能度分别为3和4个别单体,反应条件不同,官能度不同,如苯酚:官能度体系> 1-n官能度体系一种单体的官能度为1,另一种单体的官能度大于1,即 1-1、1-2、1-3、1-4体系,只能得到低分子化合物,属缩合反应。
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7.6.3 凝胶点的控制
一 Carothes方程
2 官能团非等当量
实例
2 未过量官能团数 f
N0
C. 二元体系: 1 mol丙三醇/ 5 mol邻苯二甲酸体系
nOH = 1×3 = 3 mol,nCOOH = 5×2 = 10 mol
f = 2∑NOH fOH /∑Ni = 2×(1×3) / (1 + 5) = 1
下进行,称热固化(Warm Hardening)。
O CH
CH +
O
OH
O
O O
COOH
CH O
O
CO O CH2
CH CH2 OH
H2C CH CH2 O
7.6.2 预聚物
1 环氧树脂
应用
二 结构预聚物
■性能:良好电性能,力学性能,突出的粘合力
■环氧树脂具有独特的黏附力,配制的粘合剂对多种材 料具有良好的粘接性能,常称“万能胶”。
nOH = 2×3 =6 mol,nCOOH = 2×2 + 2×1 = 6 mol
f =∑Ni fi /∑Ni = (2×3 + 2×2 + 2×1) / (2 + 2 + 2) = 2.0
7.6.3 凝胶点的控制
一 Carothes方程
1 官能团等当量
起始: 单体分子数为N0, 单体的平均功能度为f,
不能进一步反应生成 交联高分子。如:
BA BA BA A
AB
AB A A BA BA BA
A
BA BA BA
7.6.1 基本概念
一 体型逐步聚合
支化型 ABf
ABf生成超支化高分子(Hyperbranched Polymer)
B
AB2
A
B
B
A
B
BA
B
B
BA
A
B B
BA
B
B A
A
B
BA
B
B
B
B
A
B
7.6.1 基本概念
Chapter 7 Step Polymerization
控制Xn的计算
Xn(max)
开放 等当量 体系
X n(max)
K Co
P nw
封闭 体系
Pmax
K /( K 1)
X n(max) K 1
Xn
1 1 P
不等当量
Xn
1 r 1 r 2rP
q
q2 2(1
① f>2,才可能交联,适用等当量体系
f=2,不可能交联 ② Carothers法预测凝胶点较实验值偏高
假设Xn无限大( Xn )发生凝胶化。
f =∑Ni fi /∑Ni = (2×3 + 3×2) / (2 + 3) = 2.4 等摩尔的甘油与邻苯二甲酸反应,按式算得pc = 0.833 试验测得凝胶时反应程度为0.765,计算值高于实验值。
CH2
预聚物中不存在羟甲基,加热不会继续发生缩聚反应。但树脂中的苯
酚上存在未反应的活性点,因此通过加入固化剂使其交联固化。常用 的固化剂为六次甲基四胺(乌洛托品)
7.6.2 预聚物
5 聚硅氧烷
二 结构预聚物
合成
CH3 Cl Si Cl
CH3
H2O HCl
CH3 HO Si O n H
CH3
固化
O
碱性催化剂、 H3C Si ( O C CH3 ) 3
合成
OH
OH
H
H + CH2O NaOH
HOCH2
H + HOCH2
OH H
H
H
OH
OH
OH
HOCH2
CH2
CH2
H
H
CH2
CH2OH
CH2OH
甲阶
乙阶
H
CH2OH
OH
7.6.2 预聚物
一 无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂
固化 加热
CH2 O CH2
OH CH2
OH CH2
CH2 O CH2
H2C
应用 投料比
H2C
CH2 OH
CH2 OH
粘合剂,胶合板,纤维板,涂料
酚醛摩尔比:6:7或1:1
丙阶
7.6.2 预聚物
一 无规预聚物
2 醇酸树脂
O H2C OH
O + HC OH
H2C Oh O
O O CH2 CH CH2 O
O
O O+ O
OH OH + RCH CH R' COOH
OH 亚麻油酸,豆油,蓖麻油
7.6.3 凝胶点的控制
一 Carothes方程
理论基础: 凝胶化时理论上可以认为此时Xn ∞
1 官能团等当量
平均官能度
f Ni fi Ni
fi-i种单体参加反应的官能度 Ni- i种单体的物质的量
7.6.3 凝胶点的控制
一 Carothes方程
1 官能团等当量
实例
f Ni fi Ni
支化型 ABf
一 体型逐步聚合
当超支化高分子中所有的支化点的功能度相同,且所有支化 点间的链段长度相等时,叫树枝型高分子(Dendrimer)
7.6.1 基本概念
一 体型逐步聚合
交联型 AB+A3+BB
AB+A 3+BB
AB
AB A A BA BA BA B B A A B A A
A
A
A
BA BA BA
R NH2 + H2C CH CH2 O
R NH CH2 CH CH2 OH
该反应无需加热,可在室温下进行,叫冷固化(Cold Hardening) 根据环氧值和交联剂的官能度作计算。
7.6.2 预聚物
1 环氧树脂
二 结构预聚物
固化 多元羧酸或酸酐固化:
羧基与预聚体上仲羟基及环氧基之间的反应,需在加热条件
[ H2C O
H2C CH O
CH3
] OCH2 CH CH2 nO
CH3
OH
CH3
O CH2
CH3
HC CH2
O
掌握
■环氧值:100克树脂中含有环氧基团的摩尔数 ■ n值:0-30
7.6.2 预聚物
1 环氧树脂
二 结构预聚物
固化
固化剂种类很多,有多元胺、羧酸、酸酐等。 多元胺固化:
环氧基与氨基上的活性H 1:1定量反应
- CO2
+OCN P NCO OCN P NH2
OCN P NHCONH P NCO
+ H2O - CO2
OCN P NHCONH P NH2
b. 支化交联:
NH
NH + OCN P NCO + ...
CO
CO
NH + OCN P NCO + NH
P
P
NH
N CONH P NHCO
CO
CO
N CONH P NHCO N
掌握
7.6.2 预聚物
3 聚氨酯
合成 常用异氰酸酯:
二 结构预聚物
CH3 NCO OCN
CH3 NCO OCN
NCO TDI
H2 C
MDT
OCN NCO
H2
C
NCO
CH2
PAPI
NCO
7.6.2 预聚物
二 结构预聚物
3 聚氨酯
固化 (i) 水作固化剂 a. 分解扩链:
+ H2O OCN P NCO
凝胶点:出现凝胶化时的临界反应程度(Pc) (Gel Point)
开始交联的标志
7.6.1 基本概念
三 热固性树脂的合成
线型 可溶可熔
P
P<Pc 甲阶
部分支化 不溶可熔
PPc 乙阶
交联 不溶不熔
P>Pc 丙阶
I 预聚物的生产
线型或支链化, 反应釜中反应
II 成型固化
加热、加压或加固化剂, 在模具中交联
品可熔融
成品不熔融
溶解性
可溶解
不溶解
合成方式 连锁或线型缩聚 一步反应
体型缩聚 两步反应
具体例 PE,PP,尼龙,涤纶 酚醛树脂,环氧树脂
7.6.1 基本概念
三 热固性树脂的合成
P
线型 可溶可熔 可流动
部分支化
难溶可熔 半流动
热固性树脂
交联 不溶不熔 不流动
凝胶化现象:在交联型逐步聚合反应中,随反应的进行,体系 粘度突然增大,失去流动性,反应及搅拌所产生的气泡无法从 体系逸出,可看到有弹性的凝胶明显生成。
起始功能基总数为N0 f
某时刻: 大小分子总数为N, 则消耗的功能基数为2(N0-N)
2(N0-N) 2 2N
P= N0 f
=– f N0 f
Xn = N0/N
22
=–
f
f•Xn
凝胶化时理论上认为 Xn ∞
凝胶点
Pc
2 f
7.6.3 凝胶点的控制
一 Carothes方程
1 官能团等当量
公式讨论:
7.6.2 预聚物
3 聚氨酯
二 结构预聚物
合成
聚氨酯预聚体通常是由端羟基预聚体(包括二羟基聚醚、 二羟基聚酯及多羟基聚醚等)与二元或多异氰酸酯进行重 键加成聚合而成:
(n+1) HO OH + (n+2) OCN-R-NCO
O OCN R NH C (O
O
O