高分子化学共聚.ppt
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1、第三章 自由基共聚(Free Radical Copolymerization),本章要点:了解共聚物的类型及命名;掌握二元共聚物的组成及其共聚行为类型;掌握单体和自由基活性的判断方法;了解Q-e概念。,根据参加反应单体的单元数,共聚反应可分为:二元共聚 两种单体三元共聚 三种单体 共同进行反应多元共聚 3种以上单体,3.1 引言 Introduction,均聚反应:只有一种单体参加的聚合反应共聚反应:两种或两种以上单体共同参与的聚合反应。,聚合,共聚合,一共聚物类型 Types of Copolymers,无规共聚物(random copolymer)大分子链中两单体M1、M2无规则排列(M
2、1)a(M2)b(M3)c(M1)x abcx(1几10)VC VAC等,共聚物按大分子链中单体链节的排列方式可分为:,交替共聚物(alternating copolymer)大分子链中两单体M1、M2有规则的严格交替排列 M1M2M1M2 M1M2M1M2,如SBS橡胶:苯乙烯(St)-丁二烯(Bd)-苯乙烯(St)三嵌段共聚物。,嵌段共聚物(block copolymer),由较长的M1链段和较长的M2链段构成的大分子,每个链段的长度为几百个单体单元以上。,根据两种链段在分子链中出现的情况,又有 AB型 ABA型(AB)n型,共聚物主链为单体M1组成,支链由单M2组成。,接枝共聚物(gra
3、ft copolymer),如:淀粉接枝改性制备高吸水性树脂、可降解塑料等,alternating copolymer,random copolymer,block copolymer,graft copolymer,聚 两单体名称以短线相连,前面加“聚”字 如聚丁二烯苯乙烯 共聚物 两单体名称以短线相连,后面加“共聚物”如乙烯丙烯 共聚物、氯乙烯醋酸乙烯共聚物在两单体间插入符号表明共聚物的类型 co copolymer 无规 alt alternating 交替,二.共聚物的命名,b block 嵌段 g graft 接枝 此外:无规共聚物名称中,放在前面的单体为主单体,后为第二单体嵌段共聚
4、物名称中的前后单体代表聚合的次序接枝共聚物名称中,前面的单体为主链,后面的单体为支链 如:氯乙烯co醋酸乙烯酯共聚物 聚丙烯g丙烯酸,研究共聚反应的意义,2实际应用上1)扩大单体应用范围2)增加品种3)改性,可以研究反应机理;可以测定单体、自由基的活性;控制共聚物的组成与结构,设计合成新的聚合物。,1.在理论上,单体结构不同,活性不同,3.2二元共聚物组成(Copolymer Composition),共聚物组成与单体配料组成不同,共聚物组成随转化率(C)而变,组成分布和平均组成,瞬时组成,平均组成,序列分布,共聚物组成,1944年,由Mayo和Lewis推导出共聚物组成与单体组成的定量关系式
5、推导作出如下假定:,自由基活性与链长无关(等活性理论)自由基活性仅决定于末端单体单元结构(前末端效应),一共聚物组成方程 Copolymer Composition Equation,共聚物的聚合度很大,其组成由链增长反应所决定,引发和终止对共聚物组成无影响稳态假设。引发和终止速率相等,自由基总浓度不变;两种链自由基(M1和M2)相互转变速率相等,两种自由基浓度不变无解聚反应,即不可逆聚合,共聚物组成方程的推导 链引发,R+M1,ki1,RM1,Ri1,R+M2,RM2,Ri2,ki2,链引发速率,链增长,反应和消耗单体M1 反应和消耗单体M2反应和 是共聚,是希望的两步反应应用了假定1,2和
6、5,M1+M1,k11,M1,R11=k11M1 M1,M1+M2,k12,M2,R12=k12M1 M2,M2+M1,k21,M1,R21=k21M2 M1,M2+M2,k22,M2,R22=k22M2 M2,链增长速率,链终止(主要是双基终止),根据假定3,引发消耗的单体很少,可忽略不计 M1、M2的消失速率或进入共聚物的速率由链增长速率决定,M1+M1,k t11,P,R t11,M1+M2,k t12,P,R t12,M2+M2,k t22,P,R t22,链终止速率,两单体消耗速率之比等于某一瞬间进入共聚物中两单体单元之比,根据假定4:,某一瞬间进入共聚物中的M1单体单元,某一瞬间进
7、入共聚物中的M2单体单元,=,d M1/d t,d M2/d t,=,d M1,d M2,=,k11 M1 M1+k21 M2 M1,k12 M1 M2+k22 M2 M2,d M1,d t,=Ri1+k21M2 M1k12 M1 M2 R t 12R t 11=0,形成M1 链自由基的速率,消耗M1 链自由基的速率,代入式,化简,d M2,=Ri2+k12M1 M2k2 1 M2 M1 R t21R t22=0,d t,Ri1=R t12+R t11 生成M1 的速率等于其消失速率,k21M2 M1=k12 M1 M2,M1=,k21M2 M1,k12 M2,d M1,d M2,=,k11
8、M1 M1+k21 M2 M1,k12 M1 M2+k22 M2 M2,=,M1,M2,k11/k12 M1+M2,M1+k22/k21 M2,d M1,d M2,为同一种链自由基均聚和共聚增长速率常数之比,称为竞聚率。竞聚率表征了两种单体的相对活性 代入上述方程:,此式称为共聚物组成摩尔比微分方程也称为Mayo-Lewis方程,令:r1=k11/k12;r2=k22/k21,=,M1,M2,r1 M1+M2,M1+r2 M2,d M1,d M2,共聚物组成方程的其它表示式,共聚物组成摩尔分率微分方程 令f1代表某一瞬间单体M1占单体混合物的摩尔分率 F1代表某一瞬间单元M1占共聚物的摩尔分率
9、,f1=,M1+M2,M1,f2=,M1+M2,M2,f1+f2=1,F1=,dM1+dM2,dM1,F2=,dM1+dM2,dM2,F1+F2=1,代入共聚物组成摩尔比微分方程方程,经整理得,F1=,r1 f12+2 f1f2+r2 f22,r1 f12+f1f2,想想如何推导?,讨论共聚物组成与链引发、链终止无关共聚物组成通常不等于原料单体组成,特殊情况例外共聚物组成微分方程只适用于低转化率(5)引入一个重要参数,竞聚率 r1=k11/k12;r2=k22/k21 同一种链自由基与单体均聚和共聚反应速率参数之比 表示两种单体与同一种链自由基反应时的相对活性,对共聚物组成有决定性的影响,二.
10、共聚行为类型共聚物组成曲线 Types of copolymn.BehaviorCopolymer Composition Curve,共聚合行为?由于竞聚率(r)的不同,引起M1与M2的共聚、均聚的倾向能力,使体系反应按什么聚合类型进行。这称为共聚合行为。共聚物组成曲线?以F1 f1作成的正方形框图,图中的曲线称为共聚物组成曲线。,为什么要讲类型?r1、r2不同,共聚物组成曲线形状不同 曲线形状不同,F1 f1 关系不同 曲线形状不同,说明组成随转化率而变 F1是 f1、r1、r2的函数.,r1=0 k110,只能共聚,活性端基只能加上异种单体r1=1,k11=k12,表示均聚与共聚的几率相
11、等 r1=k11k12,只能均聚,实际并无此特况 r11 k11k12,单体更易均聚,r与共聚行为的关系:,1.r1r2=1理想共聚 是指r1r2=1的共聚反应,分为两种情况:r1=r2=1,即 k11/k12=k22/k21=1 k11=k12=k22=k21是一种极端的情况,表明两链自由基均聚和共聚增长几率完全相等 将r1=r2=1代入共聚物组成方程,=,M1,M2,d M1,d M2,F1=,f12+2 f1f2+f22,f12+f1f2,=f1,0,1.0,f1,F1,1.0,此时表明,不论原料单体组成和转化率如何,共聚物组成总是与单体组成相同 这种共聚称为理想恒比共聚,对角线称为恒比
12、共聚线r1r2=1,或 r1=1/r2,为一般理想共聚 即 k11/k12=k21/k22 表明不论何种链自由基与单体M1及M2反应时,反应的倾向完全相同 即两种链自由基已失去了它们本身的选择特性 将r2=1/r1代入摩尔比、摩尔分率微分方程,理想共聚的共聚物组成曲线处于对角线的上方或下方,视竞聚率而不同,与另一对角线成对称,=,M1,M2,d M1,d M2,r1,F1=,r1f1+f2,r1f1,F2=1 F1=,r1f1+f2,f2,f2,f1,F2,F1,=,r1,0,1.0,f1,F1,1.0,2,0.5,r1=2r2=0.5,交替共聚,r1=r20 k11=0 只能共聚 r10,r
13、20,r1r20 k110 组成方程,图2 交替共聚曲线,曲线上数值为r1/r2,组成曲线:水平线或近似水平曲线(图2)特点:共聚物组成1:1,组成均一,2.r10,r20,r1r20,更普遍的情况是r10,r2=0。这时共聚物组成方程可转变为:当体系中M2过量很多,M2M1,则,因此只有在M2过量很多的情况下才能得到交替共聚物。当M2消耗完后,聚合反应即告结束。苯乙烯马来酸酐体系在60时的共聚属于此类(r1=0.01,r2=0)。,有恒比点的非理想共聚,r11,k11k12,r21,k22.k21,易共聚,组成曲线 与恒比对角线有一交点的曲线(图3),图3 非理想恒比共聚曲线,3.r11,r
14、21,恒比点的共聚组成与单体组成相同,在恒比点需满足,组成方程,非理想共聚(Non-ideal copolymerization),图 4 非理想非恒比共聚曲线 1氯乙烯(r1=1.68)-醋酸乙烯酯(r2=0.23)2苯乙烯(r1=55)-醋酸乙烯酯r2=0.01),Vc-VAc,4r11,r21,r1r2 1,r11,r21,r1r2 1 M2易均聚,M1易共聚 组成曲线处于对角线的下方,嵌段共聚(Block copolymerzition)r11,r21 k11k12,k22k21 两单体均易均聚。,5 r11,r2 1,单体均易均聚,均聚链段的长短取决于r1、r2的大小:r1 1,r2
15、 1,链段较长 r1、r2 比1大不很多,链段较短 链段总的都不长,与真正的嵌段共聚物差很远 共聚物组成曲线也有恒比点,位置和曲线形状与竞聚率都小于1的情况相反,r1r21 理想共聚,组成曲线为一对称曲线。r11时,共聚物组成曲线在恒比对角线的上方,r21时,共聚物组成曲线在恒比对角线的下方。r1r21,恒比共聚,共聚物组成曲线是对角线 r1r20 交替共聚 r1r20组成曲线是水平线。r1r20 与水平线有交点的曲线 r1r21,r11,r21 恒比点共聚 r11,r21或 r21,r11 非理想共聚 r1r21 嵌段共聚,小 结,r1、r2愈接近于零,交替倾向愈深,愈接近于1,愈接近于理想
16、共聚。,三共聚物组成与转化率的关系Relation for Copolymer Composition with Conversion,由上可见,在不同的共聚合行为下,所形成的共聚物组成与C的关系不一。共聚物的组成对聚合物的性能有影响。共聚物组成是根据产物的性能要求而定的,如:VC-VAc:VC含量95 97 薄膜 VC含量8587%唱片,BD-St:St 30%橡胶,70 塑料,共聚物组成在共聚反应是一个重要问题,关系到聚合物的应用性能,是生产中控制的指标。,交替共聚,恒比共聚,组成与转化率无关,其它共聚合行为组成都随转化率而变。要控制组成,必须了解组成与转化率的关系。,r11,r2 f1,
17、曲线在恒比线上方,图5 共聚物瞬时组成的变化,r11,r21 恒比点共聚,在恒比点,C%对 F 没有影响,当 恒比点,组成曲线在对角线上方,,当 恒比点,组成曲线在对角线下方,,r21,r1 1;r1r2 1,C%f1,F1 F1 f1,曲线在恒比线下方,1.定性描述,C%f1,F1,C%f1,F1,随共聚转化率的提高,共聚物组成逐渐变化的情况,一般可用Skeist方程表示。设在某一时刻全部单体的浓度为M,单体M1 的摩尔分数为f1,在此瞬间形成的共聚物中M1 单体链节的摩尔分数为F1;随共聚反应稍进行,总的单体浓度变化为dM,则相应有dM 共聚物生成,并以df1表示f1的变化。f1=M1/M
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