高分子化学(第五版)第5章课件PPT.ppt

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1、,第五章,聚合方法,Polymerization Methods1,国家级精品课程高分子化学,)I M,=2 2+CM I,+C,2,fkd 1 2 12kt,Rp=k p(,1,r1 f12+f1 f 2r f12+2 f1 f 2+r2 f 22,F1=,S M,I M,2kt R pk p M,1X n,+CS,=,Rt+RtrRp,聚合速率方程,共聚物组成方程数均聚合度方程,5.1 聚合方法概述前几章我们已定量描述了聚合反应规律，例如自由基聚合：,3,浓度不随时间变化。,实质：聚合体系需呈均相，且达到分子级混合（微观最大混合）,建立这些方程应用了哪些假定？长链原理：链引发反应所消耗的单

2、体可忽略不计；双基终止；等活性原理：链自由基的活性与链长无关；稳态假定：链引发速度与链终止速度相等，自由基,满足后两个假定的通常是：低转化率的聚合体系；高转化率的稀溶液聚合体系。,4,溶剂回收麻烦，能耗大,工业聚合反应，不可能只进行到很低的转化率，也很少在稀溶液体系中进行。这是因为：聚合速率慢，设备利用率低易发生向溶剂的链转移，聚合物分子量偏低,胶粘剂等。,单体和引发剂溶于适当溶,剂中的聚合称溶液聚合。工业上，溶液聚合多用于聚合物溶液直接使用的场合，如：合成纤维纺丝液、涂料、,5,易于撤热控温,有可能消除聚合过程中的自加速现象,（凝胶效应，Gel Effect）,优点：可以消除聚合体系粘度过高

3、所造成的影响,根据物料起始状态称,溶液聚合（Solution Polymerization）本体聚合（Bulk Polymerization）悬浮聚合（Suspension Polymerization）乳液聚合（Emulsion Polymerization）进一步考虑聚合后体系的状态，本体和溶液聚合还包括：沉淀聚合（Precipitation Polymerization）分散聚合（Dispersion Polymerization）6,如何克服溶液聚合的缺点？自由基聚合,7,离子和配位聚合,逐步聚合方法,溶液聚合,均相溶液聚合、淤浆聚合（Slurry Polymerization）,本体

4、聚合,气相聚合（Gas Phase Polymerization）,溶液缩聚（Solution Polycondensation）熔融缩聚（Melt Polycondensation）,界面缩聚（Interfacial Polycondensation）固相缩聚（Solid Phase Polycondensation),8,扩散、混合与传质问题传热问题,残留单体脱除问题,聚合过程中分散体系的稳定性问题均相催化剂的负载化问题聚合产物颗粒形态问题,聚合反应器防粘壁问题聚合过程的连续化问题,（流混模式问题、非稳定态问题等）,这些聚合方法各有其优点，但也存在着许多工程问题：,聚合速率聚合物分子量及其

5、分布共聚组成及其分布,化学的角度更关心其中的科学问题：均相高粘体系的聚合过程规律各种非均相聚合过程规律悬浮聚合乳液聚合沉淀聚合,分散聚合淤浆聚合气相聚合,界面缩聚9,聚合场所：本体内10,单,体：包括气态、液态和固态单体,引发剂：一般为油溶性,助,剂：增塑剂、润滑剂、抗氧剂、色料等,5.2 本体聚合自由基本体聚合（Bulk Polymerization）：不加其它介质，只有单体本身，在引发剂、热、光等作用下进行的聚合反应。基本组分,11,优点：,产品纯净，尤其适用于制透明板材、型材；,聚合设备相对简单，可连续生产。,缺点：体系很粘,聚合热不易扩散，轻则造成局部过热（聚合物分子量分布变宽），重则

6、聚合温度失调，引起爆聚。,产生凝胶效应（Gel Effect），出现自动加速现象，,更易使聚合反应失控。,Conversion,40 C,50 C,60 C,70 C,Gel Effect,自动加速现象,0,120,240,360,670,0.0,0.60.40.2,1.00.8,oooo,t/min,x,Rp,无凝胶,效应R p=k p R M=k p R M 0(1 x)聚合过程中，如 k p R 不变，则因 x 增大 R p 呈线性下降。12,2kt R,13,k p M 2kt R,k p RM 2,R pRt,=,=,X n=,实际情况并非如此，这表明：,k p R,聚合过程中，k

7、p 和 M 都下降，R 增大，而 kt，故X n 增大。,k p,kt,扩散控制,对于等温反应，k p不可能增大，只有长链自由基受扩散控制而减小的可能。因而唯一的可能是 R增大。另一个事实是，高转化率时聚合物的分子量往往较大。,14,问：如是本体活性自由基聚合（即不存在双基终,止），则高转化率时聚合速率如何变化？,但必须注意到 k t 的原因是双基终止。,R p=k p R M=k p R M 0(1 x),聚合速率下降！,概念1：扩散控制不一定导致聚合速率的自动加速。概念2：即使有自动加速现象，自动加速的起点也往往,不同于扩散控制的起点。,15,x,Rp,自动加速的起点,转化率的关系。,自由

8、体积理论蛇行理论,希望以此定量地描述高转化本体聚合的规律。,k,20世纪八十年代：致力于建模，定量地描述 k p、t 与,)I M,=2 2+CM I,+C,fkd 1 2 12kt,Rp=k p(,S M,I M,2kt Rpk p M,1X n,+CS,=,Rt+RtrRp,但仍然存在着问题。因为：,仍应用了稳态假定！事实上，我们可以不用稳态假定，导出聚合速率方程。16,0 自由基积聚,=k p RM,=,17,0 诱导期,=Ri Rt 0,d Rdt,设：,以热引发为例：,d Rdt,=ki M 2 kt R2,上式除以：,dM dt,d RdM,ki M 2 kt R2k p M R,

9、得：,R=()M 1(,M 2 r 2,R p p()M(1+,=k,)1(,M 2 r 2 1 2,=,18,),2,1,M 0,1r 1,ki 1 2 2kt,k,k,若考虑 k p、t 变，则数值法求解,d RdM,ki M 2 kt R2k p M R,因而得：,2,1,2,)M 0,kt k p,ki 1,若 k p、t 不变，则令 r=k t/k p 起始条件：M=M0 时 R=0将上式积分得：,19,LDPE,Rp,宏观动力学建模的主要作用：,确定自动加速的起点,确定最高聚合速率及其对应的转化率x如有机玻璃的生产：在反应釜中较高温度下预聚，至一定粘度（转化率1040）时降温，并转

10、移到模板中升温聚合至完全。其他工业实例：GPPS、HIPS、SAN、SMA,20,强化传热的反应器设计：,多釜串联或釜塔串联,螺杆导流筒反应器,釜顶回流冷凝,釜外循环,本体聚合如传热问题得以解决，凝胶效应还能被用来制备超高分子量聚合物（UHMW Polymer）。,聚乙烯醇聚丙烯酸钠SMAA共聚物明胶纤维素类淀粉,碳酸盐硫酸盐滑石粉高岭土,吸附在液滴表面，形成一层保护膜,吸附在液滴表面，起机械隔离作用21,不溶于水的无机物,一类能将油溶性单体分散在水中形成稳定悬浮液的物质。,5.3 悬浮聚合悬浮聚合（Suspension Polymerization）是将不溶于水的单体,以小液滴状悬浮在水中聚

11、合，这是自由基聚合特有的聚合方法。,水溶性高分子物质,基本组分单体引发剂水悬浮剂,22,分散剂种类和浓度水与单体比例（水油比）聚合温度引发剂种类和用量单体种类,颗粒形态的影响因素,除聚合动力学外，还存在着聚合物颗粒形态等科学问题。颗粒形态：指聚合物粒子的外观形状和内部结构状况,形状：呈粉粒状（粒径:0.01 mm）或珠状（粒径:1mm）,内部结构：呈紧密型或疏松型紧密型：聚合浆液粘度较低，但增塑剂吸收困难疏松型：聚合浆液粘度较高，但增塑剂吸收容易搅拌强度（一般强度愈大，颗粒愈细）,剪切力剪 切 力：使单体液层分散成液滴界面张力：使微小液滴聚集,界面张力搅拌（Agitation）即施以剪切力，加

12、分散剂（Dispersant）一定程度上降低界面张力。,在一定搅拌剪切力和界面张力的共同下，液滴通过一系列分散、合并过程（合一再分散过程），构成动平衡，最后达到一定的粒径及其分布。23,24,悬浮聚合可以看做是改善本体聚合传热能力的一种,特殊的方法。但也带来一些缺点：,聚合产物中有较多量的分散剂，影响了其性能,难以实现连续化,目前主要用于PVC、PVDC的生产，也有少量的用,于PS的生产。,25,乳化剂,5.4 乳液聚合（Emulsion Polymerization）乳液聚合为单体在乳化剂和搅拌作用下，在水中分散成乳液状进行的聚合反应。基本组分单体：一般为油溶性单体，在水中形成水包油（O/W

13、）型引发剂：呈水溶性或一组分呈水溶性过硫酸盐：K、Na、NH4氧化还原引发体系水：去离子水,26,优点缺点,分子量可同时提高。,重要特点：前三种聚合方法中，使聚合速率提高一些的因素往往使分子量降低。而乳液聚合中，聚合速率和,聚合场所：胶束内优缺点：水作分散介质，传热控温容易,可在低温下聚合Rp快，产物分子量高可直接用于聚合物乳胶的场合得到固体聚合物后处理麻烦，成本较高难以除尽乳化剂残留物,亲油的非极性基团亲水基（羧酸钠）,乳化剂分子通常由两部分组成如长链脂肪酸钠盐：,乳化剂（Emulsifier）：是一类可使互不相容的油和水转变成难以分层的乳液的物质，属于表面活性剂。亲水的极性基团,亲油基（烷

14、基）亲水亲油平衡值(HLB)：衡量亲水基和亲油基对乳化剂（表面活性剂）性质的贡献。HLB值越大，表明亲水性越大。HLB值不同，用途也不同。27,28,乳液聚合体系一般呈O/W，HLB值在 818范围内,乳化剂在水中的情况：,乳化剂浓度很低时，是以分子分散状态溶解在水中达到一定浓度时，乳化剂分子开始形成聚集体（约50,150个分子），称为胶束。,球状(低浓度时)直径 45 nm,棒状(高浓度时)直径100 300nm,形成胶束的最低乳化剂浓度，称为临界胶束浓度(CMC)，不同乳化剂的CMC不同，愈小，表示乳化能力愈强胶束的形状,胶束的大小和数目取决于乳化剂的用量；乳化剂用量多，胶束的粒子小，数目

15、多。29,相似相容，犹,如增加了单体在水,中的溶解度。这种,溶有单体的胶束称,为增溶胶束,极小部分单体以分子分散状态溶于水中相似相容，犹如增加了单体在水中的溶解度。这种溶有单体的胶束称为增溶胶束,大部分单体经搅拌形成细小的单体液滴粒径约为 1000 nm周围吸附了一层乳化剂分子，形成带电保护层，乳液得以稳定30,小部分单体可进入胶束的疏水层内粒径增至6 10 nm单体液滴,在形成胶束的水溶液中加入单体后,常用的阴离子乳化剂,烷基、烷基芳基的羧酸盐，如硬脂酸钠硫酸盐，如十二烷基硫酸钠磺酸盐，如十二、十四烷基磺酸钠31,疏水基,亲水基,乳化剂的分类：按乳化剂分子在水中离解后活性部分的状态分为阴离子

16、乳化剂（Anionic Emulsifier）：活性部分为阴离子,32,三相平衡点：指乳化剂处于处于分子溶解状态、胶束及,凝胶三相平衡时的温度。,高于此温度，溶解度突增，凝胶消失，乳化剂只以分子,溶解和胶束两种状态存在。,典型阴离子乳化剂的CMC值和三相平衡点见表58。,阴离子乳化剂体系在碱性溶液中较稳定，但遇酸、金属盐、硬水会失稳，且在三相平衡点以下将以凝胶析出，失去乳化能力。,33,疏水基,亲水基,疏水基,亲水基,阳离子乳化剂（Cationic Emulsifier）：活性部分为阳离子,极性基团为胺盐，乳化能力较弱两性乳化剂（Amphiprotic Emulsifier）：如内铵盐,34,

17、疏水基,亲水基,非离子乳化剂对pH变化不敏感，较稳定；但乳化能力仍不如阴离子型，一般不单独使用，常与阴离子型乳化剂合用（以改善纯阴离子乳化体系对pH 值、电解质等的敏感性。非离子乳化剂无三相平衡点，却有一个浊点（非离,子乳液体系随温度升高开始分相时的温度）。,非离子乳化剂（Non-ionic Emulsifier）活性部分呈分子状态，如环氧乙烷聚合物，或与环氧丙烷共聚物、PVA等。CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 O(CH 2 CH 2 O)n 1 CH 2 CH 2 OH,35,单体液滴,单体和乳化剂在聚合前,呈三种状态：,乳液聚合机理：,对于“理想体系”，即单体、乳化剂难溶于水，,引

18、发剂溶于水，聚合物溶于单体的情况,极少量单体和少量乳化剂以分子分散状态溶解在水中大部分乳化剂形成胶束，约4 5 nm，1017-18个/cm3大部分单体分散成液滴，约1000 nm，1010-12个/cm3,36,胶束成核：自由基由水相进入胶束引发增长的过程,成核机理,成核：形成聚合物乳胶粒的过程,均相成核：在水相沉淀出来的短链自由基，从水相和单体,液滴上吸附乳化剂而稳定，继而又有单体扩散进入形成聚合物乳胶粒的过程,聚合场所：,因增溶胶束具有比单体液滴更大比表面积，且内部单体浓,度很高，所以易被自由基侵入而引发聚合，因而成为聚合场所。液滴中的单体则通过水相进入胶束内，以补充聚合消耗。,M170

19、mmol/L，均相成核为主。,37,聚合过程,根据聚合物乳胶粒的数目和单体液滴是否存在，乳液聚合分为三个阶段：,38,阶段：乳胶粒生成期，从开始引发到胶束消失为止，Rp递增阶段：恒速期，从胶束消失到单体液滴消失为止，Rp恒定阶段：降速期，从单体液滴消失到聚合结束，Rp下降机理特征：水相中引发，胶束成核，在胶束或胶粒的隔离环境下增长，自由基寿命长，另一自由基进入胶粒后才终止；兼,具高速率和高分子量。,k=,R M Mp p,39,在乳液聚合中，M 表示乳胶粒中的单体浓度，mol/L,M与乳胶粒数有关,考虑1升的乳胶粒中的自由基浓度：,乳液聚合动力学,1）聚合速率,动力学研究多着重于第二阶段即恒速

20、阶段自由基聚合速率可表示为：,10 N n,10 N n k p M,40,3N A,M=,N A,3,R p=,式中，N：乳胶粒数，单位为个/cm3NA：阿佛伽德罗常数n：每个乳胶粒内的平均自由基数103 N/NA 是将粒子浓度化为mol/L乳液聚合恒速期的聚合速率表达式：,10 N k p M,假定：（1）乳胶粒中的自由基的解吸与吸收自由基的速率相比可忽略不计；（2）乳胶粒尺寸太小不能容纳一个以上自由基。,则,n=0.5,2 N A,3,R p=,苯乙烯的乳液聚合基本符合上述假定。41,对于第阶段：自由基不断进入胶束引发聚合，成核的乳胶粒数 N 从零不断增加。因此，Rp不断增加对于第阶段：

21、胶束已消失，不再有新的胶束成核，N恒定；单体液滴存在，不断通过水相向乳胶粒补充单体，使乳胶粒内单体浓度恒定。因此，Rp恒定对于第阶段：单体液滴消失，乳胶粒内单体浓度M不断下降。因此，Rp不断下降42,讨论:,103 N k p M 2 N A,Rp=,43,N,r i=,（自由基数/ml s）,乳液聚合速率正比于乳胶粒数 N，表观上与引发速率无关,N高达101315 个/cm3，M可达107 mol/L，比典型自由基聚合高一个数量级乳胶粒中单体浓度高达5 mol/L，故乳液聚合速率较快2）聚合度设：体系中的总引发速率，即单位时间生成的自由基个数（个/ml s）。则：一个乳胶粒中的引发速率（即单

22、位时间自由基进入乳胶粒的速率，也即单位时间乳胶粒吸收自由基的个数）为：,可见：,rpri,k p M N,X n=,=,表明：乳液聚合的平均聚合度与N、M的一次方成正比（与聚合速率一样），与引发速率成反比。44,因每个乳胶粒内只能容纳一个自由基，则一个乳胶粒中的聚合速率：rp=k p M 其所得聚合物的平均聚合度：,R p p,fk d,I 2 M,45,已知：,2/5,(as S)3/5,N=k u,103 N k p M 2 N A,R p=,因此，在恒定的引发速率下，增加乳化剂浓度（S）以增加 N，可同时提高 Rp 和 Xn。而对于其它自由基聚合方法，我们有：,1,2,1,kt,=k,M

23、 I 1/2,k p2(fkd kt)1/2,=,T、I,X n,46,聚合速率：,分子量：,R p,Rp I1/2,1Xn,I1/2,且因聚合活化能为正，T Rp,且因表观活化能为负，T Xn,所以，通常：,47,新型乳液聚合,种子聚合（Seeded Emulsion Polymerization）,核壳乳液聚合（Core-shell Emulsion Polymerization）无皂乳液聚合（Non-soap Emulsion Polymerization）微乳液聚合（Micro-emulsion Polymerization）细乳液聚合（Mini-emulsion Polymerization）,反相乳液聚合（(Inverse Emulsion Polymerization）,5.5 聚合方法新进展,Thanks！48,国家级精品课程高分子化学,