高分子化学复习.ppt
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1、高分子化学总复习,第1章 绪论第2章 逐步聚合 第3章 自由基聚合第4章 共聚合反应第5章 离子、开环及配位聚合反应第6章 聚合物的化学反应,第一章 绪论,一、几个基本概念:二、聚合物的命名 1、根据来源或制法 2、根据结构特证 3、根据商品来源 4、IUPAC系统命名三、聚合物制备反应类型 1.加成聚合反应 2.缩合聚合反应 3.开环聚合反应 4.聚合物转化反应四、聚合物的分子量和分子量分布,第一章 绪论,一、几个基本概念:单体:通过反应能制备高分子化合物的物质称做单体 结构单元,重复单元,单体单元,链节,几个基本概念,聚合物:高分子量的聚合产物,又称做高聚物、高分子、大分子。常用聚合物的分
2、子量高达104-106,甚至更高。齐聚物:低分子量的聚合产物,例如二聚体、三聚体、四聚体、五聚体无论是环状的,还是线形的统称齐聚物。线型高分子:支化高分子:交联高分子:高分子共混物:,几个基本概念:,聚合度 DP,X,Xn;n加聚物 DP=n 缩聚物 DP=2n;Xn=2n=DP均聚物 共聚物 M=nM0=n(M1+M2),二、聚合物的命名,1、根据来源或制法命名 2、根据结构特证命名 3、根据商品来源命名 4、IUPAC系统命名,1 根据单体来源或制法命名,很多聚合物的名称是由单体或假想单体名称前加一个“聚”字而来,例如,聚乙烯、,聚丙烯、,聚氯乙烯、,聚甲基丙烯酸甲酯等,2 根据聚合物的结
3、构特征命名,很多缩聚物是两种单体通过官能团间缩合反应制备的。在结构上与单体有差别。可根据结构单元的结构来命名,前面冠以“聚”字。例如对苯二甲酸和乙二醇制备的聚合物叫聚(对苯二甲酸乙二酯),由己二胺和己二酸反应制备的叫聚己二酰已二胺等等。有一些聚合物结构中已看不出单体来源了。更需要由聚合物的结构特征命名,,3 根据商品命名,有机化合物的命名很复杂,聚合物就更复杂了。在商业生产和流通中,人们仍习惯用简单明了的 称呼,并能与应用联系在一起。例如:聚甲基丙烯酸甲酯-有机玻璃,塑料类聚合物-酚醛树脂,脲醛树脂,醇酸树脂。有时也将聚氯乙烯-俗称氯乙烯树脂。将橡胶类聚合物-加上后缀“橡胶”,例如:丁二烯和苯
4、乙烯共聚物-丁苯橡胶,丁二烯和丙烯腈共聚物-丁腈橡胶,乙烯和丙烯共聚物-乙丙橡胶等等。,3 根据商品命名,将纤维类的,在我国是用“纶”作后缀的例如:聚对苯二甲酸乙二酯-涤纶,聚一已内酰胺-锦纶,聚氯乙烯-氯纶,聚乙烯醇缩醛-维尼纶,聚丙烯腈-腈纶,聚丙烯-丙纶。还有直接引用的国外商品名称音译,例如:聚酰胺又称尼龙(Nylon),聚已二酰己二胺-尼龙一66(nylon-66),聚癸二酰癸二胺-尼龙一1010,,4 IUPAC 的系统命名法(了解),为避免聚合物命名中的多名或不确切,国际纯化学和应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chem
5、istry)提出了以结构为基础的系统命名法,(1)确定聚合物的最小重复单元。(2)排好重复单元中次级单元的次序。(3)按小分子有机化合物的IUPAC命名法则 来命名这个重复单元。(4)在此重复单元命名前加一个“聚”字。,IUPAC系统命名法的实例,聚环氧乙烷、-CH2-CH2-On-。聚乙二醇、-CH2-O-CH2n-。聚氯乙醇,-O-CH2-CH2n-。按原则 2 所排的次级单元为-O-CH2-CH2n-,按原则 3 命名为氧化乙烯,IUPAC命名,应叫聚氧化乙烯(Polyoxyethylene)。聚丁二烯,-CH=CH-CH2-CH2n-,聚(1-次丁烯基)聚氯乙烯,-CHCl-CH2-,
6、聚(1氯代乙烯)。,三、聚合物制备反应类型,1.加成聚合反应 2.缩合聚合反应 3.开环聚合反应 4.聚合物转化反应,1 加聚反应,一些烯类,炔类,醛类等化合物具有不饱和键的单体,能进行加成反应生成加聚物。可以用下面的反应通式来说明:,侧基X-不同,聚合物的性质也非常不同,当 X 为 H、Cl、C6H5、CH3、CH3OCO、CN时,则制得非常有用的大品种聚合物聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯腈等等。,2缩聚反应,具有官能团的单体,通过缩合反应,消除小分子副产物,彼此连接在一起,生成长链高分子的反应称缩聚反应。用这类反应能制备很多品种的高分子材料例如尼龙,聚酯,酚醛树脂
7、,脉醛树脂等。尼龙是二元胺和二元酸的缩聚物,其中尼龙一66则是己二胺和己二酸的缩聚产物:,3 开环聚合反应,某些环状化合物在催化剂存在下,开环聚合生成高分子量的线型聚合物。例如,聚甲醛是通过三氧六环单体开环聚合制备的,已内酰胺聚合生成尼龙6,环氧化物开环生成聚醚等等:,4 高分子转化反应,高分子转化反应-使一种高分子化合物 变成性质各异的另一种高分子化合物(1)利用和改性天然高分子。(2)合成高分子中最为典型的则是维尼纶的制备。,四、聚合物的分子量和分子量分布,数均分子量质均分子量粘均分子量,四、聚合物的分子量和分子量分布,分子量均一 分子量不均一 分子量分布指数,第二章 逐步聚合反应,引言线
8、型缩聚动力学逐步聚合反应平衡分子量和分子量分布体型缩聚反应,一.引言,基本原理:官能团等活性原则 例如:聚酯:COOH OH OCO H2O聚酰胺:COOH NH2 CONH H2O 线型缩聚 体型缩聚,二 线型缩聚动力学,聚酯反应平衡常数K小,为可逆平衡反应,为获得,不加外酸时,构成自催化体系 三级反应(二级半)若使用外加酸时,构成外加酸催化体系 二级反应,高的产物,通过不断除去副产物水。因此可视作不可逆体系:常用酸作催化剂,其速率式:,1 自催化体系,通式 R=,羧基既是反应官能团,又是催化剂,设开始时C=COOH=OH,记C0为 t=0 的羧基或羟基浓度(C为 t 时刻的),C=C0(1
9、-P);Xn=C0/C,积分,2 外加酸催化体系,通式,外加强酸催化剂,H+不变,二级反应,将其积分可得,1/C 1/C0=k2t;C0/C 1=k2C0t;C=C0(1-P);Xn=C0/C Xn=1/(1-P)=k2C0t+1,三、逐步聚合反应平衡,1、反应程度与聚合度的关系,N,2、平衡常数与聚合度的关系,-COOH+-OH K-OCO-+H2O(1).封闭体系:Xn=+1(2).开放体系:Xn=,等物质量比线型缩聚物的分子量,1.催化体系对 的影响 自催化体系:外催化体系:Xn=2.反应程度对 的影响3.平衡特征对 的影响 封闭体系:Xn=+1 非封闭体系:Xn=,四、分子量和分子量分
10、布,1 分子量的控制,原料单体非等当量比,过量单体,结构单元总数,当 p=1时,Na 全反应,2、单官能团封端剂,3、分子量分布,成键几率:p不成键几率:1-pX 聚体生成几率,3、分子量分布,1).数均聚合度 Xn=1/(1-p),Mn=M0Xn=M0/(1-p)2).质均聚合度 Xw=(1+p)/(1-p),Mw=M0(1+p)/(1-p)3).分子量分布指数,(宽度),多分散系数 D=Xw/Xn=1+p 2,五、体型缩聚反应,能形成三维体型(网状)结构聚合物的缩聚反应首要条件:必须有官能度大于2的 单体参加(f=3,4)不熔不溶,尺寸稳定性好,耐腐蚀,耐热性好不溶、不熔的体型聚合物称为热
11、固性聚合物,体型缩聚反应计算,平均官能度1、凝胶点计算 a、Carother 方程 等当量:,聚合度,Carother 方程,不等当量,b、Flory统计计算,f 为多官能团支化单元 2、测定值与理论值偏差的原因,第三章 自由基聚合,一、自由基聚合机理二、引发反应三、自由基聚合速率方程四、分子量及链转移反应五、自由基聚合热力学六、聚合方法,第三章 自由基聚合,一、自由基聚合机理 1.单体结构对链式聚合类型的选择性氯乙烯只能进行自由基聚合 异丁烯只能进行阳离子聚合甲基丙烯酸甲酯可进行自由基和阴离子聚合 苯乙烯却可进行自由基、阴离子、阳离子聚合,和配位聚合等 上述差异,主要取决于碳碳双键上取代基的
12、结构,取决于取代基的电子效应和位阻效应,强吸电子基团的单体倾向于阴离子聚合,而弱的适合于自由基聚合 介于两者之间的,则既可进行阴离子聚合,又可进行自由基聚合,2.自由基聚合各基元反应 1).链引发反应 2).链增长反应 3).链终止反应 4).链转移反应,3.自由基聚合反应的特征,1)链式反应2)活性中心寿命短,分子量与反应时间无关3)活性中心浓度低,单体或聚合物4)转化率随反应时间逐渐增加5)发热反应 6)支化交联,引发剂和引发分解反应,偶氮二异丁腈(AIBN),过氧化二苯甲酰,氧化还原引发体系,二、引发反应,1,引发剂和引发分解反应 AIBN,BPO,CHP,无机,氧化还原体系,2、引发效
13、率,笼蔽效应初基自由基自终止反应诱导分解引发剂的链转移反应3、其他引发反应热引发,光引发,辐射引发,自由基聚合各基元反应,1).链引发反应2).链增长反应3).链终止反应4).链转移反应,三、自由基聚合速率方程,1、稳态聚合的几个基本假定2、稳态聚合速率方程 基元反应和速率公式:I 2RRM+nM RMnM RMm+RMl 高分子,自由基聚合速率方程,链转移反应无影响等活性原理聚合度很大稳态假定,温度对聚合速率的影响,分解活化能 Ed 约为 125kJ/mol,增长活化能 EP 约为 29KJ/mol,链终止活化能 Et 约为 17kJ/mol,则总的聚合反应活化能 E 约为 83kJ/mol
14、,随温度升高,速率常数增大,总的聚合速率也提高,E 值愈大,温度对聚合速率影响愈显著,3.自动加速现象及原因,凝胶效应,不少自由基聚合体系,当达到一定转化率如(15-20)后,却常出现自动加速现象自加速现象主要是体系粘度增加所引起的,因此又称凝胶效应体系变粘后,链段重排受到阻碍,双基终止困难,终止速率常数kt显著下降 甲基丙烯酸甲酯,苯乙烯,氯乙烯,四、分子量及链转移反应,1、无链转移反应时的分子量 动力学链长-定义为每个活性中心从引发开始到终止所消耗的单体分子个数 无链转移时:(偶合),无链转移时:分子量,无链转移时:(歧化)温度对聚合度的影响,2、链转移反应对分子量的影响,RMn+XY R
15、MnX+Y,单体链转移氯乙烯,I 控制 Rp温度 控制 向溶剂转移分子量调节剂,向单体,向引发剂,向溶剂,向大分子链转移,3、阻聚剂和阻聚作用,阻聚和缓聚作用,烯丙基型自由基的自阻聚作用氧的作用铁盐的阻聚作用,五、自由基聚合热力学,热力学要讨论的是聚合热、聚合焓和极限温度等 1、聚合热热焓 单体(取代基)结构对H的影响 1.1 位阻效应-降低-H,聚合物 1.2 共轭效应-降低-H,单体 1.3 强电负性-增加-H,单体 聚合物 1.4 氢键或溶剂化的影响-降低-H,单体,2、聚合极限温度,-Mn+M-Mn+1 Rp=kpM M kdpM=0,kpMe kdp=0 K=kp/kdp=1/Me;
16、S=S0+R ln Me G=H-TS=H0 T(S0+R ln Me)=0,六、聚合方法-四种方法,本体聚合溶液聚合悬浮聚合乳液聚合,单体本身,加入(或不加)少量引发剂的聚合,将单体和引发剂溶于适当溶剂中进行的聚合,单体在水中以乳液状态进行的聚合,体系主要由单体、引发剂、水及乳化剂等组成,单体以液滴状悬浮于水中的聚合,体系主要由单体、引发剂、水和分散剂四组分组成,单体本身,加入(或不加)少量引发剂的聚合,将单体和引发剂溶于适当溶剂中进行的聚合,单体以液滴状悬浮于水中的聚合,体系主要由单体、引发剂、水和分散剂四组分组成,1、四种方法的特点、优缺点,2、乳液聚合,2.1 乳液聚合的组分及其作用
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