高分子化学第四版3-自由基聚合

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第三章
自由基聚合
第一节 加聚和连锁聚合概述
烯类单体中的π键可以看作活性基团,断裂后可通过加
聚反应,形成加聚物。
第二节 烯类单体对聚合机理的选择性
A. 乙烯基单体:如苯乙烯,氯乙烯等 C=C双键既可以均裂也可异裂,因此可以 进行自由基聚合或离子聚合。

无取代基:乙烯

供电取代基:
混合物仅由单体和聚合物组成。前后生成的聚
合物聚合度变化较小。
3. 在聚合过程中,单体浓度逐步降低,聚合物浓度相应提高,
延长聚合时间主要是提高转化率,对分子量影响较小,随 着聚合的进行粘度增加,聚合速率增加。 4. 少量(0.01~0.1%)阻聚剂足以使自由基聚合反应终止。
第五节 引发剂
1. 引发剂的种类
诱导分解:
诱导分解实际上是自由基向引发剂转移的反应。
转移的结果使自由基终止,产生新自由基,自由基数目
无增减,但消耗一分子引发剂,使引发剂效率降低。 f :一般为0.5~0.8
AIBN 一般无诱导分解,氢过氧化物容易进行诱导分 解或双分子反应。
诱导分解的影响因素:

引发剂种类:AIBN无诱导分解,而ROOH特别容易 诱导分解;������
阶段称为聚合初期。
3. 聚合中期:随聚合速率的增加,出现自动加速现象。转化率为50%
链增长和解聚的速率方 程: R k M 平衡时,两速率相等: k M M k M
M Rp k p M n dp dp n 1 p n dp n 1
平衡常数和平衡单体浓 度互为倒数: kp 1 Ke k dp M e
由于平衡态时, G G0 RT ln K e 0

根据聚合方法选择引发剂类型
a. 偶氮类和过氧类油溶性引发剂:适用于本体、悬 浮和溶液聚合。 b. 过硫酸盐一类水溶性引发剂或氧化—还原引发体 系;适用于乳液聚合和水溶液聚合。

根据聚合温度选择引发剂
选择活化能或半衰期适当的引发剂,一般选择半衰期 与聚合时间同数量级或相当的引发剂。
聚合温度高,选用低活性或中等活性的引发剂。

引发剂浓度:浓度大易诱导分解;������
单体的相对活性: AN、St 等活性较高的单体,能迅速与引发剂作用引 发增长,引发效率高。 VAc 等低活性的单体,对自由基的捕捉能力较弱,


使引发效率降低。
笼蔽效应:
在聚合体系中,引发剂的浓度相对很低,引发剂分子 处于单体或溶剂的笼子包围中,初级自由基形成后, 像处在笼子中一样,而自由基在笼子内的平均寿命
H 0 TC S 0
四、压力对聚合-解聚平衡和热力学 参数的影响
在聚合过程中,加压有利于聚合,聚合 上限温度随压力增加而线性增加。
第四节 自由基聚合机理
一、自由基的活性
共轭效应和位阻效应影响自由基的活性。
二、自由基聚合机理
自由基聚合反应一般由链引发、链增长、链终
止、链转移等基元反应组成:



聚合热的影响因素:
①位阻效应:取代基的位阻效应将使聚合热降低
②共振能和共轭效应:共振使内能降低,从而使聚
合热降低
③强电负性取代基的影响:F、Cl、NO2等强电负
性基团将使聚合热增加 ④氢键和溶剂化的影响:氢键会使聚合热降低
三、聚合上限温度和平衡单体浓度
链增长和解聚是一对可 逆反应:
Mn M Mn 1

穿透力强,可进行固相聚合。
第七节 聚合速率
一、概述
聚合过程速率的变化常用 转化率一时间曲线表示。 1. 诱导期:聚合速率为零。初级自由基为阻聚杂质所终止,无聚合物形成。 2. 聚合初期:单体开始正常聚合。 聚合动力学研究常在转化率为5%
~10%以下的聚合初期进行,工业上常将转化率为10%~20%以下的
三、自由基聚合和逐步缩聚机 理特征的比较
自由基聚合的特征:
1. 自由基聚合反应可以分成链引发、增长、
终止、转移等基元反应。其中引发速率最
小,是控制总聚合速率的关键。可以概括
为慢引发、快增长,速终止。
2.只有链增长反应才能使聚合度增加。一个单体
分子从引发、经增长和终止,转变成大分子,
时间极短,不能停留在中间聚合度阶段,反应
约为10-11~10-9s,若不能及时扩散出来,就可能发生
副反应而形成稳定分子,使引发剂效率降低。把这 一现象称之为笼蔽效应。 大多数引发剂均可观察到这些现象,偶氮类引发剂易 发生。
笼蔽效应伴随副反应。
例如:AIBN 和 BPO 的分解。
引发剂效率与单体、溶剂、引发剂、温度、体
系粘度等因素有关。
5. 引发剂的选择
如烷基、苯基、乙烯基
4.卤原子取代的乙烯基单体:卤原子的诱导效应 是吸电子的,而供轭效应有供电性,因此,氯 乙烯既不能阴离子聚合,也不能阳离子聚合, 只能自由基聚合。
5.带有供轭体系的烯类单体:电子流动性大,易 诱导极化,能按三种机理进行。
对自由基聚合中间体 的稳定作用:
单取代乙烯基单体 CH2=CHX 聚合倾向:
引发剂分解速率常数,与温度的关系遵循
Arrhenius 经验公式,以 lnkd 对1/T 做图,
可以求出 Ad 和 Ed。
kd Ad e 或
Ed RT
ln kd ln Ad Ed RT
半衰期与温度有相应的关联式:
lg t1 2
A B T
4. 引发剂效率
引发剂效率:引发剂分解后,只有一部分用来 引发单体聚合,还有一部分引发剂伴随诱导 分解、笼蔽效应等副反应而损耗。引发聚合 部分的引发剂占引发剂分解或消耗总量的分 率称引发剂效率,以f 表示。

1,2-双取代的烯类单体,不能均聚,但可与其它单体共聚。 三取代和四取代乙烯一般都不能聚合,但氟代乙烯例外。
第三节 聚合热力学和聚合解聚平衡
一、热力学的基本概念
热力学讨论范围:反应的可能性、反应进行的方向以及平衡方
面的问题。 研究聚合热力学的主要目的:从单体结构来判断聚合可能性, 这对探索新聚合物的合成很重要。
2. 光引发剂引发:光引发剂吸收光后,分 解成自由基,而后引发烯类单体聚合。
例如:AIBN、BPO
3. 光敏剂间接引发:光敏剂吸收光能后,
将光能传递给单体或引发剂,而后引发
聚合。
光引发聚合的特点:

选择性强,某一物质只吸收一定波长范围的光;

光照时产生自由基,光灭时停止产生,因此易控制,
重现性好;可利用光照、光灭使自由基及时生灭来测
1. 链引发:
(吸热反应,活化能高,慢)
(放热反应,活化能低,快)
2. 链增长:
链增长反应的特征: 强放热,活化能低,增长极快,随 机终止。
链增长存在微结构问题:
一个增长链自由基对单取代(或1,1–取代)单体的进
攻,有两种可能:
结构单元的键接方式受电子效应和位阻效应的影响, 以“头-尾”键接为主,间有“头-头”( 或“尾尾” )键接。 由于链增长自由基可绕单键自由旋转,因此,自由基聚 合的聚合物多呈无规立构。
因此,正常情况下,要保证 G < 0,必须要求:
二、聚合热(焓)和自由能 大部分烯类单体的都有可能聚合。
聚合熵: 100 ~ 120 J m ol1 K 1 聚合焓: H 40 kJ m ol1 聚合温度: T 50 ~ 60℃



而: TS 30 ~ 42 kJ m ol1
3. 链终止(双基终止):
偶合终止:
歧化终止:
终止方式与单体的种类和聚合条件有关。终止方式 不同,大分子链的末端结构也不同。
4.链转移
阻聚
阻聚作用:自由基向某物质转移后,形成稳
定的自由基,不能再引发单体聚合,最后
只能与其它自由基双基终止。结果,初期
无聚合物形成,出现了“诱导期”。这种 现象称做阻聚作用。
X – 射线 波长为 100 ~ 0.001 Å 的电磁波
– 射线 电子流 – 射线 快速氦核流
中子射线
是一种质量和质子相同而不带电的粒子流
辐射引发聚合的特点:

能量比光量子大得多,分子吸收辐射能后往往脱去 一个电子成为离子自由基,因此也称离子辐射;

吸收无选择性;可在各种键上断裂,不具备通常光 引发的选择性,产生的初级自由基是多样的。
一般情况,对于聚合反应,过程的自由焓:
G H TS 当G 0 时,单体能转化成聚合 物; 当G 0 时,聚合物将分解成单 体; 当G 0 时,体系处于可逆平衡 态。
1. 放热反应(H < 0)
G H T S
H < 0,聚合过程的 S < 0,而聚合温度 T> 0
a. 水溶性氧化—还原引发体系:
氧化剂有:过氧化氢、过硫酸盐、氢过氧化物等。
还原剂有:无机还原剂(Fe2+, Cu+、NaHSO3、 Na2S2O3等)。
有机还原剂(醇、胺、草酸、葡萄糖等)。
一分子氧化剂可产生两个自由基:
亚硫酸盐和硫代硫酸盐常与过硫酸盐构成氧化还原 体系:
过硫酸盐与脂肪胺或二胺构成氧化还原体系:
偶氮化合物 过氧化合物 氧化—还原体系
①偶氮类引发剂:
偶氮二异丁氰(AIBN):使用温度45~80℃,无 诱导分解。 80~90℃剧烈分解。
②过氧类引发剂:
无机过氧类引发剂:
分解温度在60℃以上,酸性介质(pH<3)分解加速。
2. 氧化—还原引发体系
过氧化物引发剂加入适量还原剂,通过氧化还原反应, 生成自由基。 特点:活化能低,可以在室温或更低的温度下引发 聚合;引发速率快,即活性大。
引发剂的分解速率,决定聚合反应速率。
以 lnI I 0 对t 做图,由斜率可求得分解速率常数 kd 。
半衰期:对于一级反应,常用半衰期来衡量反应速率 的大小,其是指引发剂分解至起始浓度一半时所需 的时间,用t1/2 表示。
引发剂的半衰期愈短,其分解速率常数愈大,引发 剂的活性愈强。一般: t1/2>6 小时,为低活性引发剂; 1<t1/2<6 小时,为中活性引发剂; t1/2<1 小时,为高活性引发剂。
定和计算链增长和终止速率常数;

总活化能低,可以在较低温度下进行。可减少因温度 较高而产生的副反应。
重要应用:印刷制版、光固化油墨、光刻胶、集成电路、 光记录等。
率 的 苯 比 乙 较 烯 : 各 种 聚 合 方 法 速
三、辐射引发聚合
辐射聚合:以高能辐射引发单体聚合,称为辐
射聚合。
– 射线 波长为 0.5 ~ 0.001 Å 的电磁波
称做光引发聚合。光引发聚合要求
被单体吸收的能量要大于待分解的π
键的键能。
光引发聚合的依据:
光引发聚合有光直接引发,光引发剂引发和光敏剂间接 引发三种。
1. 直接光引发聚合:单体吸收一定波长的光量
子后,先形成激发态,而后分解成自由基,
来自百度文库引发聚合。
如丙烯酸甲酯:
能直接受光照发生聚合的单体一般是一些含有光敏基团 的单体,如丙烯酰胺、丙烯腈、丙烯酸(酯)、苯乙 烯等。
取代基的空间位阻效应:
取代基的体积、数量、位臵等所引起的空间位阻,不涉 及对不同活性种的选择性,但对聚合能力有很大影响。
取代基的电子效应仍然决定单体的聚合机理。

1,1-双取代的烯类单体:结构不对称,极化程度增加,比 单取代更易聚合,如偏二氯乙烯、偏二氟乙烯。若两个
取代基均体积较大(如1,1-2苯基乙烯),只能形成二聚体。
聚合温度低,则选用高活性的引发剂。
第六节 其它引发作用
一、热引发聚合
热聚合:指不加引发剂,有些烯类单体在热的作 用下,活化产生游离基并进行的聚合反应。
例如:苯乙烯的三分子机理如下:
(苯乙烯的热引发聚合已工业化,多在120 ℃以上进行。)
二、光引发聚合
光引发聚合:许多烯类单体在光的激 发下,能够形成自由基而聚合,这
G0 H 0 TS 0 RT ln K e RT lnM e H 0 则,平衡温度: Te S 0 R lnM e
或 lnM e 1 H 0 S 0 R Te
一般规定平衡单体浓度 [M]e = 1 mol / l 时的平衡 温度为聚合上限温度。
四价盐和醇、醛、酮胺也可以构成氧化还原体系:
b. 油溶性氧化—还原引发体系:
氧化剂有:氢过氧化物、过氧化二烷基、过氧化二酰基等。 还原剂有:叔胺、环氧酸盐、硫醇、有机金属化合物等。
例:过氧化二苯甲酰 N , N-二甲基苯胺体系:
萘酸亚铜与BPO所构成的油溶性氧化还原体系:
3.引发剂分解动力学
研究引发剂浓度与时间、 温度的定量关系
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