3高分子化学 第三章 自由基聚合2解读

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高分子化学(第五版)潘祖仁版课后习题答案 (2)讲解

高分子化学(第五版)潘祖仁版课后习题答案 (2)讲解

第一章绪论思考题1. 举例说明单体、单体单元、结构单元、重复单元、链节等名词的含义,以及它们之间的相互关系和区别。

答:合成聚合物的原料称做单体,如加聚中的乙烯、氯乙烯、苯乙烯,缩聚中的己二胺和己二酸、乙二醇和对苯二甲酸等。

在聚合过程中,单体往往转变成结构单元的形式,进入大分子链,高分子由许多结构单元重复键接而成。

在烯类加聚物中,单体单元、结构单元、重复单元相同,与单体的元素组成也相同,但电子结构却有变化。

在缩聚物中,不采用单体单元术语,因为缩聚时部分原子缩合成低分子副产物析出,结构单元的元素组成不再与单体相同。

如果用2种单体缩聚成缩聚物,则由2种结构单元构成重复单元。

聚合物是指由许多简单的结构单元通过共价键重复键接而成的分子量高达104-106的同系物的混合物。

聚合度是衡量聚合物分子大小的指标。

以重复单元数为基准,即聚合物大分子链上所含重复单元数目的平X表示。

均值,以DP表示;以结构单元数为基准,即聚合物大分子链上所含结构单元数目的平均值,以n2. 举例说明低聚物、齐聚物、聚合物、高聚物、高分子、大分子诸名词的的含义,以及它们之间的关系和区别。

答:合成高分子多半是由许多结构单元重复键接而成的聚合物。

聚合物(polymer)可以看作是高分子(macromolecule)的同义词,也曾使用large or big molecule的术语。

从另一角度考虑,大分子可以看作1条大分子链,而聚合物则是许多大分子的聚集体。

根据分子量或聚合度大小的不同,聚合物中又有低聚物和高聚物之分,但两者并无严格的界限,一般低聚物的分子量在几千以下,而高聚物的分子量总要在万以上。

多数场合,聚合物就代表高聚物,不再标明“高”字。

齐聚物指聚合度只有几~几十的聚合物,属于低聚物的范畴。

低聚物的含义更广泛一些。

3. 写出聚氯乙烯、聚苯乙烯、涤纶、尼龙-66、聚丁二烯和天然橡胶的结构式(重复单元)。

选择其常用4. 举例说明和区别:缩聚、聚加成和逐步聚合,加聚、开环聚合和连锁聚合。

高分子化学导论第3章_自由基聚合机理及分子量链转移

高分子化学导论第3章_自由基聚合机理及分子量链转移

链转移与链终止反应
链转移 自由基与其他非自由基分子的反应
链终止 自由基与自由基的反应
引发 增长
E (kJ/mol)
k
特点
Ed:105~150 Ei: 21~34
Ep=20~34
kd: 10- 4~10- 6s-1 慢引发 kp=102~104l/mol·s 快增长
终止 Et=8~21
kt=106~108l/mol·s 速终止
如:过氧化乙酰环己烷磺酰(ACSP)
2) 无机过氧化物——过硫酸盐 过硫酸钾,过硫酸铵
O
O
KO S O O S OK
O
O
O 2 KO S O
O
K2S2O8
2KSO4
水溶性引发剂
可单独使用,还可与适当的还原剂构成氧化 还原体系,在室温或更低温度下引发聚合
3. 氧化-还原体系引发剂
由氧化剂与还原剂组合在一起,通过电子转移 反应(氧化-还原反应),产生自由基而引发单 体进行聚合 特点: 活化能低,可在室温或更低温度下引发聚合 引发速率快,即活性大 种类多
歧化终止的结果:
Xn与链自由基中的单体单元数相同。
每个大分子只有一端为引发剂残基,
另一端为饱和或不饱和(两者各半)。
终止方式与单体种类、聚合条件有关 St:偶合终止为主 MMA:>60℃歧化终止为主
< 60℃两种终止方式均有
链终止的特点: Et(终止活化能)很低,8-21KJ/mol Rt(终止速率)极高 双基终止受扩散控制
均裂(homolysis) 共价键上一对电子分属两个基团,带独 电子的基团呈中性,称为自由基
RR
2R
异裂(heterolysis) 共价键上一对电子全部归属于某一基团, 形成阴离子,另一缺电子的基团,称做阳 离子

高分子化学 自由基聚合讲解

高分子化学 自由基聚合讲解
10
高分子化学
3.1 连锁聚合反应
3.1.2 连锁聚合反应分类
活性中心(reactive center)
可以是自由基、阳离子和阴离子,它进攻单体的双键,使单 体的π键打开,与之加成,形成单体活性种,而后进一步与单体 加成,促使链增长。
自由基聚合
连锁聚合反应
依据活性种的不同
阳离子聚合
阴离子聚合
11
高分子化学
30
高分子化学
3.2
自由基聚合的基元反应
自由基聚合机理

链引发 链增长 链终止 链转移反应
自由基聚合属于一
种链锁聚合反应,符 合一般连锁反应特征
3.2.1 链引发反应 initiation reaction
实现自由基聚合反应的首要条件是在聚合体系中产生自由 基。链引发反应是形成单体自由基活性种的反应。
2.转移反应 3.偶合反应 4.歧化反应
R·+ R'H R· + R'·
R-H + R'· R-R'
5.氧化反应
HO· + Fe2+
HO―+ Fe3+
27
高分子化学
3.2
自由基聚合机理
三.自由基的稳定性
说明:①共轭效应使自由基稳定;和空间效应。
②斥电子诱导效应使自由基稳定性降低; ③共轭效应和诱导效应矛盾时,共轭效应为主; ④空间位阻大,自由基稳定性高。 ⑤电性效应和空间效应矛盾时,空间效应为主。
3.1 连锁聚合反应
三种自由基聚合示例
R
+CH2 CH
X
R
CH2
CH X
n CH
2CHຫໍສະໝຸດ XRCH2

高分子化学第三章 自由基聚合

高分子化学第三章 自由基聚合

• 链转移反应前后,自由基的数目未变。
35
1. 向单体转移
· ~~CH2-CH + CH2=CH Cl Cl
· ~~CH=CH + CH3-CH Cl Cl
• 注意CH2=CHCl单体
36
2. 向溶剂或链转移剂转移
X ~~CH2CH · + YS X ~~CH2CHY + S ·
• 溶剂:
• 链转移剂:有较强的链转移能力的化合
1 2
[I ]
1
2
[M ] (3—35式)
注意本方程的适用范围
73
二、温度对聚合速率的影响
• 阿累尼乌斯公式:K=Ae–Ea/RT
其中:K=kp(kd/kt)½ 则:Ea=Ep+Ed/2–Et/2
74
一般情况下: Ep≈29kJ•mol–1, Ed≈126kJ•mol–1 Et≈17kJ•mol–1
10
一、 聚合的可能性
• 主要取决于双键上取代基的空间 效应
11
1.烯类单体: CXY=CMN
(1)一取代( CH2=CHX)
可均聚合
12
(2)二取代
(CH2=CXY、CHX=CHY) (a)1,1——二取代:一般不考虑空 间位阻效应,可均聚合。
注意:CH2=C(Ar)2只能形成二聚体
13
(b)1,2——二取代
54
2.半衰期
[I] ln = Kd t [I0]
• 60℃
ln2 t½ = K d
(3—17)
t½ >6h,低活性引发剂 1h< t½ <6h,中活性引发剂 t½ <1h,高活性引发剂
55
3. 引发效率

武汉大学高分子化学 第三章自由基链式聚合反应2

武汉大学高分子化学 第三章自由基链式聚合反应2
kp1 RM1 . kp2 R RM2 .
I CH2 CH + H2C CH X X M kp3 RM3 . R
...
kpn R
RMn. ( CH2 CH ) X
Rp = -d[M]/dt =kp1[M][M1•]+ kp2[M][RM1•] + kp3[M][RM2•] + • • •+ kpn[M][RMn•]
偶氮二异丁腈(AIBN)引发剂优点: 50~80℃均匀分解,分解速度受溶剂影响小;
只形成一种自由基; 便于制造、运输和储存,使用安全,成本不高。
8
3.4.2 过氧化物引发剂
常用的过氧化物包括无机过氧化物和有机过氧化物。 无机过氧化物由于分解活化能高,较少单独使用。 常用的有机过氧化物引发剂有:
[M]*
[M]* +Z
R1• + R2•
常用的光敏剂有二苯甲酮和各种染料。
30
3.5 聚 合 速 率
3.5.1 聚合反应速率方程
链引发
I I kd 2I ki I CH2 CH X M
+ H2C CH X
速率控制反应:引发剂分解 Ri = d[M•] / dt = 2fkd[I]
31
(2)链增长
32
自由基等活性假定:
链自由基的活性与链的长短无关,即各步链增长速率
常数相等。 Rp = -d[M]/dt =kp [M]([RM1•]+ [RM2•]+ [RM3•] + • • • +[RMn•])= kp [M] [M•]
33
(3)链终止
ktc
偶合: 2
CH2 CH X CH2 CH X
CH2 CH CH CH2 X X CH2 CH2 X CH CH X

《材化高分子化学》第3章 自由基聚合

《材化高分子化学》第3章 自由基聚合

E = 105~150 kJ/mol (3—1)
kd = 10-4~10-6 s-1
(3—2)
19
第三章 自由基聚合
b. 单体自由基的形成
R + CH2 CH X
RCH2 CH X
由初级自由基与单体加成产生,为放热反应, 活
化能低,反应速度快。
E = 20 ~ 34 kJ/mol
(3—3)
20
第三章 自由基聚合
(CH3)2C N N C (CH3)2
2 (CH3)2C + N2
CN
CN
CN
优点:
(1)分解只形成一种自由基,无诱导分解。 (2)常温下稳定。80℃以上剧烈分解。
35
第三章 自由基聚合
(2)有机过氧化类引发剂
最简单的过氧化物:过氧化氢。活化能较高, 220kJ/mol,一般不单独用作引发剂。
HO OH 2HO
7
第三章 自由基聚合
分子中含有推电子基团,如烷基、烷氧基、苯基、乙 烯基等,碳=碳双键上电子云增加,有利于阳离子聚合进 行。
δ
CH2 CH Y
注意:丙烯分子上有一个甲基,具有推电子性和超共轭双 重效应,但都较弱,不足以引起阳离子聚合,也不能进行 自由基聚合。只能在配位聚合引发体系引发下进行配位聚 合。
30
第三章 自由基聚合
3.4.2 自由基聚合反应的特征
(1)可分为链引发、链增长、链终止等基元反应。 各基元反应活化能相差很大。其中链引发反应速率 最小,是控制聚合过程的关键。
慢引发、快增长、有转移,速终止。
与逐步缩聚机理特征比较见p75表3-6。
31
第三章 自由基聚合
(2)只有链增长反应使聚合度增加。从单体转化为 大分子的时间极短,瞬间完成。体系中不存在聚合 度递增的中间状态(p75图3-2)。聚合度与聚合时间 基本无关。

高分子化学课件-自由基聚合2

高分子化学课件-自由基聚合2

如AIBN分解产生的异丁腈自由基的再结合反应:
又如BPO两步分解反应产生的自由基的再结合反应:
笼蔽效应所引起的引发剂效率降低的程度取决于自由基的 扩散、引发、副反应三者的相对速率。
3、引发剂的合理选择 (1)根据聚合方法选择
本体、悬浮和溶液聚合:选用偶氮类和过 氧类油溶性有机引发剂;
乳液聚合和水溶液聚合:选用过硫酸盐一
类水溶性选择t1/2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。 聚合温度低,则选用高活性的引发剂。
引发剂使用温度范围
(3)在选用引发剂时,还需考虑 引发剂对聚合物有无影响 有无毒性 使用储存时是否安全等问题。
• 选择性强,某一物质只吸收一定波长范围的光; • 总活化能低(20kJ/mol),可以在较低的温
度下聚合。
3、辐射聚合(Radiation initiation)
以高能辐射线引发的单体聚合。
辐射引发聚合的特点: 可在较低温度下进行,温度对聚合速率影响较小, 聚合物中无引发剂残基 吸收无选择性,穿透力强,可以进行固相聚合。
引发剂用量的确定需经过大量的试验:
总的原则为:低活性用量多,高活性用量少, 一般为单体量的0.01~0.1%。
四、其它引发反应
1、热引发聚合(Thermal initiation)
不加引发剂,某些烯类单体在热的作用下发生的 自身聚合。
苯乙烯在加热时(120 ℃)或常温下会发生自身引发的聚 合反应。
(1)水溶性氧化-还原引发体系 氧化剂:过氧化氢、过硫酸盐、氢过氧化物等; 还原剂:无机还原剂(Fe2+、Cu+、NaHSO3、 NaS2O3等)和有机还原剂(醇、胺、草酸等)。 过氧化氢体系

第3章自由基聚合反应

第3章自由基聚合反应
tr,M
tr,I Mx I Mx R
k
Rtr,I ktr,I [M ][I]
Rtr,S ktr,S[M ][S]
Rp Rt Rtr Rp C ( D) Rt Rtr 2
tr,S Mx S Mx S
k
聚合度的表达式应是:
高分子化学
3.5 聚合中期聚合反应速率
聚合初期的恒速阶段一般可持续到转化率达10~15%。
fkd 1/2 Rp k p [M ] [I ] kt
1/2
自动加速效应(autoacceleration)——聚合反应速率 自动加快的现象称为自动加速现象。
一般单体的聚合体系都会存在自动加速现象,差别是 体系不同,出现的早晚和程度不同。 主要原因 3.5.3.1 凝胶效应 ——由于反应过程体系粘度的增加引起的自动加速现象称为 凝胶效应(gel effect)。
Rp k p [M ][M ]
Rt 2kt [M ]2
ktr , M ktr , I [ I ] ktr , S [ S ] ktr , P [ P ] 2 kt R p 1 C ( D ) 2 2 2 k p [M ] kp k p [M ] k p [M ] k p [M ] Xn
凝胶效应的主要原因在于链终止反应是受扩散控制的反应。
高分子化学
第3章 自由基聚合反应
3.5-3.9
对于正常的双基终止,链自由基双基终止过程可以分为 三步:链自由基质心的平移、链段重排(控制步骤)和双基 碰撞发生反应。体系黏度是影响的主要因素。
fk R p k p [ M ] d [ I ]1/2 kt

k p [M ] (2kt )1/2 Ri1/2
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高分子化学
3.4
自由基聚合机理
3.4.1 自由基的稳定性
自由基稳定性顺序由大到小
活泼自由基可引发单体进行自由基聚 合;稳定自由基为自由基聚合阻聚剂
O CH2 CH CH2
C
CH2
HO
带共轭取代基,稳定
①三苯甲烷
②苄基
③对苯二酚
④烯丙基
R CH COOR R CH CN ⑤烷基酯基 ⑥烷基睛基
R3 C R2 CH R CH2
12
第五节 引发剂
3.5.1 引发剂种类( initiator ) (1)偶氮类引发剂 代表品种:偶氮二异丁腈(azodiisobutyrN CN C (CH3)2 CN 2 (CH3)2C + N2 CN
13
(2)有机过氧化类引发剂
最简单的过氧化物:过氧化氢。活化能较高,220 kJ/mol,一般不单独用作引发剂。
8
自由基聚合机理
3.4.3 自由基聚合反应的特征 (1)可分为链引发、链增长、链终止等基元反应。 各基元反应活化能相差很大。其中链引发反应速率最小,是 控制聚合过程的关键。 慢引发、快增长、速终止。 (2)只有链增长反应使聚合度增加。从单体转化为 大分子的时间极短,瞬间完成。不存在聚合度递增的中间状 态(图3—1)。聚合度与聚合时间基本无关。
R
CH COR ⑦烷基酮基
CH3
带吸电子取代基,比较稳定
⑧三烷基 ⑨二烷基
带推电子取代基,活泼自由基 H 空间位阻提高稳定性, ⑩烷基 11苯基 12 甲基 13 氢原子
C6H5
3
第四节 自由基聚合机理
3.4.2 自由基聚合机理 1)链引发反应 引发剂引发时,由两步反应组成: a. 初级自由基的生成
I 2R
引发剂分解(均裂)形成自由基,为吸热反应, 活 化能高,反应速度慢。 b. 单体自由基的形成
R + CH2 CH X RCH2 CH X
由初级自由基与单体加成产生,为放热反应, 活化 能低,反应速度快。
4
自由基聚合机理
2)链增长反应 链引发反应产生的单体自由基具有继续打开其它单体π 键的能力,形成新的链自由基。
图3—1 自由基聚合中分子量与时间的关系
9
自由基聚合机理
(3)单体浓度随聚合时间逐步降低,聚合物浓度逐 步提高(图3—2) 。延长聚合时间是为了提高单体转化率。 (4)少量阻聚剂(0.01-0.1%)足以使自由基聚合 终止。
图3—2 自由基聚合中浓度与时间的关系
10
1.对于双基终止的自由基聚合反应,平均每一大分子含有
CH2CHCH2CH CH2 CH + CH2 X CH X X X or CHCH2 CH2CH X X
头-尾
CH2CHCHCH2 X X
尾-尾
头-头
原因: (1)头尾连接时,自由基上的独电子与取代基构成共 轭体系,使自由基稳定。 (2)以头-尾方式结合时,空间位阻要比头-头方式 6 结合时的小,故有利于头-尾结合。
HO RO OH + Fe2+ OH + Fe2+ + Fe2+ HO + HO + Fe3+ HO + RO + Fe3+ SO42 + SO4 + Fe3+
16
S2O82
链引发反应
(2)油溶性氧化—还原引发体系
最常用的油溶性氧化-还原引发体系:过氧化二苯甲酰(BPO)N,N-二甲基苯胺(DMBA)。可用作不饱和聚酯固化体系,引发甲 基丙烯酸甲酯共聚合,制备齿科自凝树脂和骨水泥。
O O OK O 2 KO S O O O 2 O S O + 2K O KO S O O S O O
15
3.5.2 氧化—还原引发体系
(1)水溶性氧化—还原引发体系
氧化剂:过氧化氢、过硫酸盐、氢过氧化物等。 还原剂:无机还原剂
(Fe2+、Cu+、NaHSO3、Na2SO3、Na2S2O3等)、
有机还原剂(醇、铵、草酸、葡萄糖等)。
回顾练习
下列烯类单体适于何种机理聚合?自由基聚合,阳离子聚 合还是阴离子聚合?并说明原因。 CH2=CHCl , CH2=CCl2 , CH2=CHCN ,
CH2=C(CN)2 , CH2=CHCH3 ,
CH2=CHC6H5 , CF2=CF2 , CH2=C(CN)COOR ,
CH2=C(CH3)-CH=CH2
自由基聚合机理
3)链终止反应 链自由基失去活性形成稳定聚合物的反应。可以分为偶合终 止和歧化终止。 偶合终止:两个链自由基头部的独电子相互结合成共价键, 生成饱和高分子的反应。
CH2 CH + CH CH2 X X CH2 CH X CH CH2 X
歧化终止:链自由基夺取另一个自由基上的氢原子或其他原 子而相互终止的反应。
RCH2 CH + CH2 X CH X RCH2CHCH2CH X X RCH2CH [ CH2 CH ]n CH2CH X X X
两个基本特征: (1)放热反应。 (2)链增长反应活化能低,反应速率极高。
5
自由基聚合机理
自由基聚合反应中,结构单元间的连接存在“头- 尾”、“头-头”(或“尾-尾”)两种可能的形式,一般 以头-尾结构为主。
CH2 CH + X CH X CH2 CH2 CH2 + CH X X CH2
终止方式与单体种类和聚合条件有关。
7
自由基聚合机理
4)链转移反应 链自由基从单体、溶剂、引发剂、大分子上夺取原 子而终止,而失去原子的分子成为自由基,继续新的增长, 使聚合反应继续进行的过程,称为“链转移反应”。
CH2 CH X + YS CH2 CHY + S X
HO OH
2 HO
过氧化类引发剂的典型代表:过氧化二苯甲酰(dibenzoyl peroxide , BPO)。 BPO的分解分两步,第一步分解成苯甲酰自由基,第 二步分解成苯基自由基,并放出CO2。
C O O C O O 2 C O O 2 + 2 CO2
14
(3)无机过氧化类引发剂 代表品种为过硫酸盐,如过硫酸钾(K2S2O8)和过硫 酸铵[(NH4)2S2O8]。水溶性引发剂,主要用于乳液聚合和水溶 液聚合。
1.30 个引发剂残基。假定无链转移反应,试计算歧化终止 与偶合终止的相对量。
解:设歧化终止的分率为x,歧化终止产生的 大分子中引发 剂残基含量为x,偶合终止的分率为1-x,偶合终止的产生的 大分子中引发剂残基含量为2(1-x),则有:
2(1-x)+x=1.30 x=0.7
• 作业2: • P117 4
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