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第二章 缩聚和逐步聚合. 高分子化学. 一 . 引言 (introduction). 自由基. 连锁 聚合. 阴离子. 阳离子. 机 理. 缩 聚. 逐 步 聚 合. 聚加成. 氧化-偶合. 开 环. 高分子化学. 逐步聚合反应特点:. 官能团间的反应,无特定的活性中心;无所谓的引发、增长、终止等基元反应;反应逐步进行,每一步的反应速率和活化能大致相同; 体系由单体和分子量递增的一系列中间产物组成; 分子量随着反应的进行缓慢增加,而转化率在短期内很高。. 自由基聚合:延长反应时间主要是提高转化率,对分子量影响较小。. 高分子化学. - PowerPoint PPT Presentation
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1
第二章 缩聚和逐步聚合
高分子化学
2
机理
连锁聚合
自由基
阳离子 阴离子
逐步聚合
缩 聚
聚加成
开 环
氧化-偶合
一 引言 (introduction)
高分子化学
4
官能团间的反应无特定的活性中心无所谓的引发增长终止等基元反应反应逐步进行每一步的反应速率和活化能大致相同
体系由单体和分子量递增的一系列中间产物组成
分子量随着反应的进行缓慢增加而转化率在短期内很高
自由基聚合延长反应时间主要是提高转化率对分子量影响较小
逐步聚合反应特点
高分子化学
5
官能团间经多次缩合形成聚合物的反应nH2N(CH2)6NH2+nHOOC(CH2)4COOH
(2n-1)H2OH OH[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n +
缩聚物有特征结构官能团
有低分子副产物( byproduct)
缩聚物和单体分子量不成整数倍
二 缩聚反应(polycondensation)
特点
1定义
高分子化学
6
官能度 (functionality)反应物分子中能参加反应的官能团数
1-1官能度体系醋酸与乙醇反应体系醋酸和乙醇均为单官能团物质
1-2官能度体系丁醇(官能度为 1 )与邻苯二甲酸酐(官能度为 2 )反应的体系
2 缩聚反应的体系
体系中若有一种原料属单官能度缩合后只能得到低分子化合物
高分子化学
7
2-2 官能度体系如二元酸和二元醇生成线形缩聚物通式如下
abnbABanbBbnaAa n )12(][
abnRanaRb n )1(][
2 官能度体系单体有能相互反应的官能团 A B
( 如氨基酸羟基酸等 ) 可经自身缩聚形成类似的线形缩聚物通式如下
2-2或 2 官能度体系的单体进行缩聚形成线形缩聚物
高分子化学
9
线形缩聚 (linear polycondensation)
单体含有两个官能团形成的大分子向两个方向增长得到线形缩聚物的反应如涤纶尼龙聚碳酸酯等
体形缩聚 (tridimensional polycondensation)
至少有一单体含两个以上的官能团形成的大分子向三个方向增长得到体形结构缩聚物的反应如酚醛树脂环氧树脂等
3 缩聚反应的分类
31 按聚合物的结构分类
高分子化学
10
- COOR -CONH- -SO2 -
NHCOO-
( 聚酯) (聚酰胺) (聚砜) (聚氨酯)
32按参加反应的单体数分
均缩聚只有一个单体参加的反应 2 官能度体系 aRb杂缩聚两种单体参加的反应
2 - 2 官能度体系aAa+bBb共缩聚两种以上单体参加的反应
aAa+bBb+aArsquoa(改性)3 3 按聚合物的特征基团分
3 4 按聚合方法分
溶液熔融界面缩聚高分子化学
11
条件 1 )必须是 2 - 2 2 官能度体系
2 )反应单体要不易成环
3 )少副反应保证一定的分子量
(副反应包括成环反应链交换降解等反应等)
三 线形缩聚反应机理
1 线形缩聚单体
高分子化学
13
水聚体聚体聚体 )( mnmn
abaABbbBbaAa
abbBABbaABAabBbaAaaABb )()(
abbABABabABabABa )()()(
反应是官能团间的反应无明显的引发增长终止反应是一步步增长的具有逐步性且每一步是可逆反应
3 线形缩聚机理mdashmdash逐步与平衡
31 机理
逐步的可逆平衡反应高分子化学
15
00
0 1N
N
N
NNp
N0 体系中起始的官能团数(羧基或羟基数) N 反应到 t 时体系中残留的官能团数
平均聚合度大分子链的平均总单体数(或结构单元数)
N
NX n
0
以等当量的二元酸和二元醇或羟基酸
反应程度 p 参加反应的官能团数占起始官能团数的分率
pX n
1
1
N
NDP 2
0
4 聚合度与反应程度 p 的关系
高分子化学
16
1mol二元酸与 1mol二元醇反应体系中的羟基数或羧基数为
反应若干时间后体系中残存的羧基数
05mol(N)
大分子数
12=2mol(N0)
05mol(有一个羧基就有一条大分子)
7502
501p 4
50
2X n
高分子化学
17
pX n
1
1 聚合度将随反应程度而增加
符合此式须满足的条件官能团数等当量
P=09 10nX
P=09995
200nX
高分子化学
18
多数缩聚反应属可逆平衡反应
根据 K 值大小大致分三类
( 1 ) K 较小的反应如聚酯化反应( Kasymp4)低分子 副产物的存在对分子量影响较大可逆反应
( 2 ) K 中等的反应如聚酰胺反应 Kasymp300~500低分子副产物对分子量有所影响
( 3 ) K 很大的反应可看作不可逆反应如酚醛树脂聚碳酸酯等反应
5 缩聚反应平衡常数
高分子化学
20
ldquo官能团等活性rdquo假定任何反应阶段不论单体二聚体多聚体或高聚物其两端官能团的反应能力不随分子链的增长而变化那么每一步有反应的平衡常数必然相同
等活性的概念将有利于动力学的简化处理
四 线形缩聚动力学
高分子化学
21
体系不断排出低分子副产物符合不可逆条件
减压脱水使平衡向聚合物方向移动视为不可逆
]][][[][
HOHCOOHk
dt
COOHdRp
聚酯化是酸催化反应反应速率用羧基消失速率表示
~ COOH + ~ OH ~ OCO ~ + H2O
k1
k-1
1 线形缩聚动力学
11不可逆的缩聚动力学
以聚酯反应为例
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
2
机理
连锁聚合
自由基
阳离子 阴离子
逐步聚合
缩 聚
聚加成
开 环
氧化-偶合
一 引言 (introduction)
高分子化学
4
官能团间的反应无特定的活性中心无所谓的引发增长终止等基元反应反应逐步进行每一步的反应速率和活化能大致相同
体系由单体和分子量递增的一系列中间产物组成
分子量随着反应的进行缓慢增加而转化率在短期内很高
自由基聚合延长反应时间主要是提高转化率对分子量影响较小
逐步聚合反应特点
高分子化学
5
官能团间经多次缩合形成聚合物的反应nH2N(CH2)6NH2+nHOOC(CH2)4COOH
(2n-1)H2OH OH[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n +
缩聚物有特征结构官能团
有低分子副产物( byproduct)
缩聚物和单体分子量不成整数倍
二 缩聚反应(polycondensation)
特点
1定义
高分子化学
6
官能度 (functionality)反应物分子中能参加反应的官能团数
1-1官能度体系醋酸与乙醇反应体系醋酸和乙醇均为单官能团物质
1-2官能度体系丁醇(官能度为 1 )与邻苯二甲酸酐(官能度为 2 )反应的体系
2 缩聚反应的体系
体系中若有一种原料属单官能度缩合后只能得到低分子化合物
高分子化学
7
2-2 官能度体系如二元酸和二元醇生成线形缩聚物通式如下
abnbABanbBbnaAa n )12(][
abnRanaRb n )1(][
2 官能度体系单体有能相互反应的官能团 A B
( 如氨基酸羟基酸等 ) 可经自身缩聚形成类似的线形缩聚物通式如下
2-2或 2 官能度体系的单体进行缩聚形成线形缩聚物
高分子化学
9
线形缩聚 (linear polycondensation)
单体含有两个官能团形成的大分子向两个方向增长得到线形缩聚物的反应如涤纶尼龙聚碳酸酯等
体形缩聚 (tridimensional polycondensation)
至少有一单体含两个以上的官能团形成的大分子向三个方向增长得到体形结构缩聚物的反应如酚醛树脂环氧树脂等
3 缩聚反应的分类
31 按聚合物的结构分类
高分子化学
10
- COOR -CONH- -SO2 -
NHCOO-
( 聚酯) (聚酰胺) (聚砜) (聚氨酯)
32按参加反应的单体数分
均缩聚只有一个单体参加的反应 2 官能度体系 aRb杂缩聚两种单体参加的反应
2 - 2 官能度体系aAa+bBb共缩聚两种以上单体参加的反应
aAa+bBb+aArsquoa(改性)3 3 按聚合物的特征基团分
3 4 按聚合方法分
溶液熔融界面缩聚高分子化学
11
条件 1 )必须是 2 - 2 2 官能度体系
2 )反应单体要不易成环
3 )少副反应保证一定的分子量
(副反应包括成环反应链交换降解等反应等)
三 线形缩聚反应机理
1 线形缩聚单体
高分子化学
13
水聚体聚体聚体 )( mnmn
abaABbbBbaAa
abbBABbaABAabBbaAaaABb )()(
abbABABabABabABa )()()(
反应是官能团间的反应无明显的引发增长终止反应是一步步增长的具有逐步性且每一步是可逆反应
3 线形缩聚机理mdashmdash逐步与平衡
31 机理
逐步的可逆平衡反应高分子化学
15
00
0 1N
N
N
NNp
N0 体系中起始的官能团数(羧基或羟基数) N 反应到 t 时体系中残留的官能团数
平均聚合度大分子链的平均总单体数(或结构单元数)
N
NX n
0
以等当量的二元酸和二元醇或羟基酸
反应程度 p 参加反应的官能团数占起始官能团数的分率
pX n
1
1
N
NDP 2
0
4 聚合度与反应程度 p 的关系
高分子化学
16
1mol二元酸与 1mol二元醇反应体系中的羟基数或羧基数为
反应若干时间后体系中残存的羧基数
05mol(N)
大分子数
12=2mol(N0)
05mol(有一个羧基就有一条大分子)
7502
501p 4
50
2X n
高分子化学
17
pX n
1
1 聚合度将随反应程度而增加
符合此式须满足的条件官能团数等当量
P=09 10nX
P=09995
200nX
高分子化学
18
多数缩聚反应属可逆平衡反应
根据 K 值大小大致分三类
( 1 ) K 较小的反应如聚酯化反应( Kasymp4)低分子 副产物的存在对分子量影响较大可逆反应
( 2 ) K 中等的反应如聚酰胺反应 Kasymp300~500低分子副产物对分子量有所影响
( 3 ) K 很大的反应可看作不可逆反应如酚醛树脂聚碳酸酯等反应
5 缩聚反应平衡常数
高分子化学
20
ldquo官能团等活性rdquo假定任何反应阶段不论单体二聚体多聚体或高聚物其两端官能团的反应能力不随分子链的增长而变化那么每一步有反应的平衡常数必然相同
等活性的概念将有利于动力学的简化处理
四 线形缩聚动力学
高分子化学
21
体系不断排出低分子副产物符合不可逆条件
减压脱水使平衡向聚合物方向移动视为不可逆
]][][[][
HOHCOOHk
dt
COOHdRp
聚酯化是酸催化反应反应速率用羧基消失速率表示
~ COOH + ~ OH ~ OCO ~ + H2O
k1
k-1
1 线形缩聚动力学
11不可逆的缩聚动力学
以聚酯反应为例
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
4
官能团间的反应无特定的活性中心无所谓的引发增长终止等基元反应反应逐步进行每一步的反应速率和活化能大致相同
体系由单体和分子量递增的一系列中间产物组成
分子量随着反应的进行缓慢增加而转化率在短期内很高
自由基聚合延长反应时间主要是提高转化率对分子量影响较小
逐步聚合反应特点
高分子化学
5
官能团间经多次缩合形成聚合物的反应nH2N(CH2)6NH2+nHOOC(CH2)4COOH
(2n-1)H2OH OH[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n +
缩聚物有特征结构官能团
有低分子副产物( byproduct)
缩聚物和单体分子量不成整数倍
二 缩聚反应(polycondensation)
特点
1定义
高分子化学
6
官能度 (functionality)反应物分子中能参加反应的官能团数
1-1官能度体系醋酸与乙醇反应体系醋酸和乙醇均为单官能团物质
1-2官能度体系丁醇(官能度为 1 )与邻苯二甲酸酐(官能度为 2 )反应的体系
2 缩聚反应的体系
体系中若有一种原料属单官能度缩合后只能得到低分子化合物
高分子化学
7
2-2 官能度体系如二元酸和二元醇生成线形缩聚物通式如下
abnbABanbBbnaAa n )12(][
abnRanaRb n )1(][
2 官能度体系单体有能相互反应的官能团 A B
( 如氨基酸羟基酸等 ) 可经自身缩聚形成类似的线形缩聚物通式如下
2-2或 2 官能度体系的单体进行缩聚形成线形缩聚物
高分子化学
9
线形缩聚 (linear polycondensation)
单体含有两个官能团形成的大分子向两个方向增长得到线形缩聚物的反应如涤纶尼龙聚碳酸酯等
体形缩聚 (tridimensional polycondensation)
至少有一单体含两个以上的官能团形成的大分子向三个方向增长得到体形结构缩聚物的反应如酚醛树脂环氧树脂等
3 缩聚反应的分类
31 按聚合物的结构分类
高分子化学
10
- COOR -CONH- -SO2 -
NHCOO-
( 聚酯) (聚酰胺) (聚砜) (聚氨酯)
32按参加反应的单体数分
均缩聚只有一个单体参加的反应 2 官能度体系 aRb杂缩聚两种单体参加的反应
2 - 2 官能度体系aAa+bBb共缩聚两种以上单体参加的反应
aAa+bBb+aArsquoa(改性)3 3 按聚合物的特征基团分
3 4 按聚合方法分
溶液熔融界面缩聚高分子化学
11
条件 1 )必须是 2 - 2 2 官能度体系
2 )反应单体要不易成环
3 )少副反应保证一定的分子量
(副反应包括成环反应链交换降解等反应等)
三 线形缩聚反应机理
1 线形缩聚单体
高分子化学
13
水聚体聚体聚体 )( mnmn
abaABbbBbaAa
abbBABbaABAabBbaAaaABb )()(
abbABABabABabABa )()()(
反应是官能团间的反应无明显的引发增长终止反应是一步步增长的具有逐步性且每一步是可逆反应
3 线形缩聚机理mdashmdash逐步与平衡
31 机理
逐步的可逆平衡反应高分子化学
15
00
0 1N
N
N
NNp
N0 体系中起始的官能团数(羧基或羟基数) N 反应到 t 时体系中残留的官能团数
平均聚合度大分子链的平均总单体数(或结构单元数)
N
NX n
0
以等当量的二元酸和二元醇或羟基酸
反应程度 p 参加反应的官能团数占起始官能团数的分率
pX n
1
1
N
NDP 2
0
4 聚合度与反应程度 p 的关系
高分子化学
16
1mol二元酸与 1mol二元醇反应体系中的羟基数或羧基数为
反应若干时间后体系中残存的羧基数
05mol(N)
大分子数
12=2mol(N0)
05mol(有一个羧基就有一条大分子)
7502
501p 4
50
2X n
高分子化学
17
pX n
1
1 聚合度将随反应程度而增加
符合此式须满足的条件官能团数等当量
P=09 10nX
P=09995
200nX
高分子化学
18
多数缩聚反应属可逆平衡反应
根据 K 值大小大致分三类
( 1 ) K 较小的反应如聚酯化反应( Kasymp4)低分子 副产物的存在对分子量影响较大可逆反应
( 2 ) K 中等的反应如聚酰胺反应 Kasymp300~500低分子副产物对分子量有所影响
( 3 ) K 很大的反应可看作不可逆反应如酚醛树脂聚碳酸酯等反应
5 缩聚反应平衡常数
高分子化学
20
ldquo官能团等活性rdquo假定任何反应阶段不论单体二聚体多聚体或高聚物其两端官能团的反应能力不随分子链的增长而变化那么每一步有反应的平衡常数必然相同
等活性的概念将有利于动力学的简化处理
四 线形缩聚动力学
高分子化学
21
体系不断排出低分子副产物符合不可逆条件
减压脱水使平衡向聚合物方向移动视为不可逆
]][][[][
HOHCOOHk
dt
COOHdRp
聚酯化是酸催化反应反应速率用羧基消失速率表示
~ COOH + ~ OH ~ OCO ~ + H2O
k1
k-1
1 线形缩聚动力学
11不可逆的缩聚动力学
以聚酯反应为例
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
5
官能团间经多次缩合形成聚合物的反应nH2N(CH2)6NH2+nHOOC(CH2)4COOH
(2n-1)H2OH OH[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n +
缩聚物有特征结构官能团
有低分子副产物( byproduct)
缩聚物和单体分子量不成整数倍
二 缩聚反应(polycondensation)
特点
1定义
高分子化学
6
官能度 (functionality)反应物分子中能参加反应的官能团数
1-1官能度体系醋酸与乙醇反应体系醋酸和乙醇均为单官能团物质
1-2官能度体系丁醇(官能度为 1 )与邻苯二甲酸酐(官能度为 2 )反应的体系
2 缩聚反应的体系
体系中若有一种原料属单官能度缩合后只能得到低分子化合物
高分子化学
7
2-2 官能度体系如二元酸和二元醇生成线形缩聚物通式如下
abnbABanbBbnaAa n )12(][
abnRanaRb n )1(][
2 官能度体系单体有能相互反应的官能团 A B
( 如氨基酸羟基酸等 ) 可经自身缩聚形成类似的线形缩聚物通式如下
2-2或 2 官能度体系的单体进行缩聚形成线形缩聚物
高分子化学
9
线形缩聚 (linear polycondensation)
单体含有两个官能团形成的大分子向两个方向增长得到线形缩聚物的反应如涤纶尼龙聚碳酸酯等
体形缩聚 (tridimensional polycondensation)
至少有一单体含两个以上的官能团形成的大分子向三个方向增长得到体形结构缩聚物的反应如酚醛树脂环氧树脂等
3 缩聚反应的分类
31 按聚合物的结构分类
高分子化学
10
- COOR -CONH- -SO2 -
NHCOO-
( 聚酯) (聚酰胺) (聚砜) (聚氨酯)
32按参加反应的单体数分
均缩聚只有一个单体参加的反应 2 官能度体系 aRb杂缩聚两种单体参加的反应
2 - 2 官能度体系aAa+bBb共缩聚两种以上单体参加的反应
aAa+bBb+aArsquoa(改性)3 3 按聚合物的特征基团分
3 4 按聚合方法分
溶液熔融界面缩聚高分子化学
11
条件 1 )必须是 2 - 2 2 官能度体系
2 )反应单体要不易成环
3 )少副反应保证一定的分子量
(副反应包括成环反应链交换降解等反应等)
三 线形缩聚反应机理
1 线形缩聚单体
高分子化学
13
水聚体聚体聚体 )( mnmn
abaABbbBbaAa
abbBABbaABAabBbaAaaABb )()(
abbABABabABabABa )()()(
反应是官能团间的反应无明显的引发增长终止反应是一步步增长的具有逐步性且每一步是可逆反应
3 线形缩聚机理mdashmdash逐步与平衡
31 机理
逐步的可逆平衡反应高分子化学
15
00
0 1N
N
N
NNp
N0 体系中起始的官能团数(羧基或羟基数) N 反应到 t 时体系中残留的官能团数
平均聚合度大分子链的平均总单体数(或结构单元数)
N
NX n
0
以等当量的二元酸和二元醇或羟基酸
反应程度 p 参加反应的官能团数占起始官能团数的分率
pX n
1
1
N
NDP 2
0
4 聚合度与反应程度 p 的关系
高分子化学
16
1mol二元酸与 1mol二元醇反应体系中的羟基数或羧基数为
反应若干时间后体系中残存的羧基数
05mol(N)
大分子数
12=2mol(N0)
05mol(有一个羧基就有一条大分子)
7502
501p 4
50
2X n
高分子化学
17
pX n
1
1 聚合度将随反应程度而增加
符合此式须满足的条件官能团数等当量
P=09 10nX
P=09995
200nX
高分子化学
18
多数缩聚反应属可逆平衡反应
根据 K 值大小大致分三类
( 1 ) K 较小的反应如聚酯化反应( Kasymp4)低分子 副产物的存在对分子量影响较大可逆反应
( 2 ) K 中等的反应如聚酰胺反应 Kasymp300~500低分子副产物对分子量有所影响
( 3 ) K 很大的反应可看作不可逆反应如酚醛树脂聚碳酸酯等反应
5 缩聚反应平衡常数
高分子化学
20
ldquo官能团等活性rdquo假定任何反应阶段不论单体二聚体多聚体或高聚物其两端官能团的反应能力不随分子链的增长而变化那么每一步有反应的平衡常数必然相同
等活性的概念将有利于动力学的简化处理
四 线形缩聚动力学
高分子化学
21
体系不断排出低分子副产物符合不可逆条件
减压脱水使平衡向聚合物方向移动视为不可逆
]][][[][
HOHCOOHk
dt
COOHdRp
聚酯化是酸催化反应反应速率用羧基消失速率表示
~ COOH + ~ OH ~ OCO ~ + H2O
k1
k-1
1 线形缩聚动力学
11不可逆的缩聚动力学
以聚酯反应为例
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
6
官能度 (functionality)反应物分子中能参加反应的官能团数
1-1官能度体系醋酸与乙醇反应体系醋酸和乙醇均为单官能团物质
1-2官能度体系丁醇(官能度为 1 )与邻苯二甲酸酐(官能度为 2 )反应的体系
2 缩聚反应的体系
体系中若有一种原料属单官能度缩合后只能得到低分子化合物
高分子化学
7
2-2 官能度体系如二元酸和二元醇生成线形缩聚物通式如下
abnbABanbBbnaAa n )12(][
abnRanaRb n )1(][
2 官能度体系单体有能相互反应的官能团 A B
( 如氨基酸羟基酸等 ) 可经自身缩聚形成类似的线形缩聚物通式如下
2-2或 2 官能度体系的单体进行缩聚形成线形缩聚物
高分子化学
9
线形缩聚 (linear polycondensation)
单体含有两个官能团形成的大分子向两个方向增长得到线形缩聚物的反应如涤纶尼龙聚碳酸酯等
体形缩聚 (tridimensional polycondensation)
至少有一单体含两个以上的官能团形成的大分子向三个方向增长得到体形结构缩聚物的反应如酚醛树脂环氧树脂等
3 缩聚反应的分类
31 按聚合物的结构分类
高分子化学
10
- COOR -CONH- -SO2 -
NHCOO-
( 聚酯) (聚酰胺) (聚砜) (聚氨酯)
32按参加反应的单体数分
均缩聚只有一个单体参加的反应 2 官能度体系 aRb杂缩聚两种单体参加的反应
2 - 2 官能度体系aAa+bBb共缩聚两种以上单体参加的反应
aAa+bBb+aArsquoa(改性)3 3 按聚合物的特征基团分
3 4 按聚合方法分
溶液熔融界面缩聚高分子化学
11
条件 1 )必须是 2 - 2 2 官能度体系
2 )反应单体要不易成环
3 )少副反应保证一定的分子量
(副反应包括成环反应链交换降解等反应等)
三 线形缩聚反应机理
1 线形缩聚单体
高分子化学
13
水聚体聚体聚体 )( mnmn
abaABbbBbaAa
abbBABbaABAabBbaAaaABb )()(
abbABABabABabABa )()()(
反应是官能团间的反应无明显的引发增长终止反应是一步步增长的具有逐步性且每一步是可逆反应
3 线形缩聚机理mdashmdash逐步与平衡
31 机理
逐步的可逆平衡反应高分子化学
15
00
0 1N
N
N
NNp
N0 体系中起始的官能团数(羧基或羟基数) N 反应到 t 时体系中残留的官能团数
平均聚合度大分子链的平均总单体数(或结构单元数)
N
NX n
0
以等当量的二元酸和二元醇或羟基酸
反应程度 p 参加反应的官能团数占起始官能团数的分率
pX n
1
1
N
NDP 2
0
4 聚合度与反应程度 p 的关系
高分子化学
16
1mol二元酸与 1mol二元醇反应体系中的羟基数或羧基数为
反应若干时间后体系中残存的羧基数
05mol(N)
大分子数
12=2mol(N0)
05mol(有一个羧基就有一条大分子)
7502
501p 4
50
2X n
高分子化学
17
pX n
1
1 聚合度将随反应程度而增加
符合此式须满足的条件官能团数等当量
P=09 10nX
P=09995
200nX
高分子化学
18
多数缩聚反应属可逆平衡反应
根据 K 值大小大致分三类
( 1 ) K 较小的反应如聚酯化反应( Kasymp4)低分子 副产物的存在对分子量影响较大可逆反应
( 2 ) K 中等的反应如聚酰胺反应 Kasymp300~500低分子副产物对分子量有所影响
( 3 ) K 很大的反应可看作不可逆反应如酚醛树脂聚碳酸酯等反应
5 缩聚反应平衡常数
高分子化学
20
ldquo官能团等活性rdquo假定任何反应阶段不论单体二聚体多聚体或高聚物其两端官能团的反应能力不随分子链的增长而变化那么每一步有反应的平衡常数必然相同
等活性的概念将有利于动力学的简化处理
四 线形缩聚动力学
高分子化学
21
体系不断排出低分子副产物符合不可逆条件
减压脱水使平衡向聚合物方向移动视为不可逆
]][][[][
HOHCOOHk
dt
COOHdRp
聚酯化是酸催化反应反应速率用羧基消失速率表示
~ COOH + ~ OH ~ OCO ~ + H2O
k1
k-1
1 线形缩聚动力学
11不可逆的缩聚动力学
以聚酯反应为例
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
7
2-2 官能度体系如二元酸和二元醇生成线形缩聚物通式如下
abnbABanbBbnaAa n )12(][
abnRanaRb n )1(][
2 官能度体系单体有能相互反应的官能团 A B
( 如氨基酸羟基酸等 ) 可经自身缩聚形成类似的线形缩聚物通式如下
2-2或 2 官能度体系的单体进行缩聚形成线形缩聚物
高分子化学
9
线形缩聚 (linear polycondensation)
单体含有两个官能团形成的大分子向两个方向增长得到线形缩聚物的反应如涤纶尼龙聚碳酸酯等
体形缩聚 (tridimensional polycondensation)
至少有一单体含两个以上的官能团形成的大分子向三个方向增长得到体形结构缩聚物的反应如酚醛树脂环氧树脂等
3 缩聚反应的分类
31 按聚合物的结构分类
高分子化学
10
- COOR -CONH- -SO2 -
NHCOO-
( 聚酯) (聚酰胺) (聚砜) (聚氨酯)
32按参加反应的单体数分
均缩聚只有一个单体参加的反应 2 官能度体系 aRb杂缩聚两种单体参加的反应
2 - 2 官能度体系aAa+bBb共缩聚两种以上单体参加的反应
aAa+bBb+aArsquoa(改性)3 3 按聚合物的特征基团分
3 4 按聚合方法分
溶液熔融界面缩聚高分子化学
11
条件 1 )必须是 2 - 2 2 官能度体系
2 )反应单体要不易成环
3 )少副反应保证一定的分子量
(副反应包括成环反应链交换降解等反应等)
三 线形缩聚反应机理
1 线形缩聚单体
高分子化学
13
水聚体聚体聚体 )( mnmn
abaABbbBbaAa
abbBABbaABAabBbaAaaABb )()(
abbABABabABabABa )()()(
反应是官能团间的反应无明显的引发增长终止反应是一步步增长的具有逐步性且每一步是可逆反应
3 线形缩聚机理mdashmdash逐步与平衡
31 机理
逐步的可逆平衡反应高分子化学
15
00
0 1N
N
N
NNp
N0 体系中起始的官能团数(羧基或羟基数) N 反应到 t 时体系中残留的官能团数
平均聚合度大分子链的平均总单体数(或结构单元数)
N
NX n
0
以等当量的二元酸和二元醇或羟基酸
反应程度 p 参加反应的官能团数占起始官能团数的分率
pX n
1
1
N
NDP 2
0
4 聚合度与反应程度 p 的关系
高分子化学
16
1mol二元酸与 1mol二元醇反应体系中的羟基数或羧基数为
反应若干时间后体系中残存的羧基数
05mol(N)
大分子数
12=2mol(N0)
05mol(有一个羧基就有一条大分子)
7502
501p 4
50
2X n
高分子化学
17
pX n
1
1 聚合度将随反应程度而增加
符合此式须满足的条件官能团数等当量
P=09 10nX
P=09995
200nX
高分子化学
18
多数缩聚反应属可逆平衡反应
根据 K 值大小大致分三类
( 1 ) K 较小的反应如聚酯化反应( Kasymp4)低分子 副产物的存在对分子量影响较大可逆反应
( 2 ) K 中等的反应如聚酰胺反应 Kasymp300~500低分子副产物对分子量有所影响
( 3 ) K 很大的反应可看作不可逆反应如酚醛树脂聚碳酸酯等反应
5 缩聚反应平衡常数
高分子化学
20
ldquo官能团等活性rdquo假定任何反应阶段不论单体二聚体多聚体或高聚物其两端官能团的反应能力不随分子链的增长而变化那么每一步有反应的平衡常数必然相同
等活性的概念将有利于动力学的简化处理
四 线形缩聚动力学
高分子化学
21
体系不断排出低分子副产物符合不可逆条件
减压脱水使平衡向聚合物方向移动视为不可逆
]][][[][
HOHCOOHk
dt
COOHdRp
聚酯化是酸催化反应反应速率用羧基消失速率表示
~ COOH + ~ OH ~ OCO ~ + H2O
k1
k-1
1 线形缩聚动力学
11不可逆的缩聚动力学
以聚酯反应为例
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
9
线形缩聚 (linear polycondensation)
单体含有两个官能团形成的大分子向两个方向增长得到线形缩聚物的反应如涤纶尼龙聚碳酸酯等
体形缩聚 (tridimensional polycondensation)
至少有一单体含两个以上的官能团形成的大分子向三个方向增长得到体形结构缩聚物的反应如酚醛树脂环氧树脂等
3 缩聚反应的分类
31 按聚合物的结构分类
高分子化学
10
- COOR -CONH- -SO2 -
NHCOO-
( 聚酯) (聚酰胺) (聚砜) (聚氨酯)
32按参加反应的单体数分
均缩聚只有一个单体参加的反应 2 官能度体系 aRb杂缩聚两种单体参加的反应
2 - 2 官能度体系aAa+bBb共缩聚两种以上单体参加的反应
aAa+bBb+aArsquoa(改性)3 3 按聚合物的特征基团分
3 4 按聚合方法分
溶液熔融界面缩聚高分子化学
11
条件 1 )必须是 2 - 2 2 官能度体系
2 )反应单体要不易成环
3 )少副反应保证一定的分子量
(副反应包括成环反应链交换降解等反应等)
三 线形缩聚反应机理
1 线形缩聚单体
高分子化学
13
水聚体聚体聚体 )( mnmn
abaABbbBbaAa
abbBABbaABAabBbaAaaABb )()(
abbABABabABabABa )()()(
反应是官能团间的反应无明显的引发增长终止反应是一步步增长的具有逐步性且每一步是可逆反应
3 线形缩聚机理mdashmdash逐步与平衡
31 机理
逐步的可逆平衡反应高分子化学
15
00
0 1N
N
N
NNp
N0 体系中起始的官能团数(羧基或羟基数) N 反应到 t 时体系中残留的官能团数
平均聚合度大分子链的平均总单体数(或结构单元数)
N
NX n
0
以等当量的二元酸和二元醇或羟基酸
反应程度 p 参加反应的官能团数占起始官能团数的分率
pX n
1
1
N
NDP 2
0
4 聚合度与反应程度 p 的关系
高分子化学
16
1mol二元酸与 1mol二元醇反应体系中的羟基数或羧基数为
反应若干时间后体系中残存的羧基数
05mol(N)
大分子数
12=2mol(N0)
05mol(有一个羧基就有一条大分子)
7502
501p 4
50
2X n
高分子化学
17
pX n
1
1 聚合度将随反应程度而增加
符合此式须满足的条件官能团数等当量
P=09 10nX
P=09995
200nX
高分子化学
18
多数缩聚反应属可逆平衡反应
根据 K 值大小大致分三类
( 1 ) K 较小的反应如聚酯化反应( Kasymp4)低分子 副产物的存在对分子量影响较大可逆反应
( 2 ) K 中等的反应如聚酰胺反应 Kasymp300~500低分子副产物对分子量有所影响
( 3 ) K 很大的反应可看作不可逆反应如酚醛树脂聚碳酸酯等反应
5 缩聚反应平衡常数
高分子化学
20
ldquo官能团等活性rdquo假定任何反应阶段不论单体二聚体多聚体或高聚物其两端官能团的反应能力不随分子链的增长而变化那么每一步有反应的平衡常数必然相同
等活性的概念将有利于动力学的简化处理
四 线形缩聚动力学
高分子化学
21
体系不断排出低分子副产物符合不可逆条件
减压脱水使平衡向聚合物方向移动视为不可逆
]][][[][
HOHCOOHk
dt
COOHdRp
聚酯化是酸催化反应反应速率用羧基消失速率表示
~ COOH + ~ OH ~ OCO ~ + H2O
k1
k-1
1 线形缩聚动力学
11不可逆的缩聚动力学
以聚酯反应为例
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
10
- COOR -CONH- -SO2 -
NHCOO-
( 聚酯) (聚酰胺) (聚砜) (聚氨酯)
32按参加反应的单体数分
均缩聚只有一个单体参加的反应 2 官能度体系 aRb杂缩聚两种单体参加的反应
2 - 2 官能度体系aAa+bBb共缩聚两种以上单体参加的反应
aAa+bBb+aArsquoa(改性)3 3 按聚合物的特征基团分
3 4 按聚合方法分
溶液熔融界面缩聚高分子化学
11
条件 1 )必须是 2 - 2 2 官能度体系
2 )反应单体要不易成环
3 )少副反应保证一定的分子量
(副反应包括成环反应链交换降解等反应等)
三 线形缩聚反应机理
1 线形缩聚单体
高分子化学
13
水聚体聚体聚体 )( mnmn
abaABbbBbaAa
abbBABbaABAabBbaAaaABb )()(
abbABABabABabABa )()()(
反应是官能团间的反应无明显的引发增长终止反应是一步步增长的具有逐步性且每一步是可逆反应
3 线形缩聚机理mdashmdash逐步与平衡
31 机理
逐步的可逆平衡反应高分子化学
15
00
0 1N
N
N
NNp
N0 体系中起始的官能团数(羧基或羟基数) N 反应到 t 时体系中残留的官能团数
平均聚合度大分子链的平均总单体数(或结构单元数)
N
NX n
0
以等当量的二元酸和二元醇或羟基酸
反应程度 p 参加反应的官能团数占起始官能团数的分率
pX n
1
1
N
NDP 2
0
4 聚合度与反应程度 p 的关系
高分子化学
16
1mol二元酸与 1mol二元醇反应体系中的羟基数或羧基数为
反应若干时间后体系中残存的羧基数
05mol(N)
大分子数
12=2mol(N0)
05mol(有一个羧基就有一条大分子)
7502
501p 4
50
2X n
高分子化学
17
pX n
1
1 聚合度将随反应程度而增加
符合此式须满足的条件官能团数等当量
P=09 10nX
P=09995
200nX
高分子化学
18
多数缩聚反应属可逆平衡反应
根据 K 值大小大致分三类
( 1 ) K 较小的反应如聚酯化反应( Kasymp4)低分子 副产物的存在对分子量影响较大可逆反应
( 2 ) K 中等的反应如聚酰胺反应 Kasymp300~500低分子副产物对分子量有所影响
( 3 ) K 很大的反应可看作不可逆反应如酚醛树脂聚碳酸酯等反应
5 缩聚反应平衡常数
高分子化学
20
ldquo官能团等活性rdquo假定任何反应阶段不论单体二聚体多聚体或高聚物其两端官能团的反应能力不随分子链的增长而变化那么每一步有反应的平衡常数必然相同
等活性的概念将有利于动力学的简化处理
四 线形缩聚动力学
高分子化学
21
体系不断排出低分子副产物符合不可逆条件
减压脱水使平衡向聚合物方向移动视为不可逆
]][][[][
HOHCOOHk
dt
COOHdRp
聚酯化是酸催化反应反应速率用羧基消失速率表示
~ COOH + ~ OH ~ OCO ~ + H2O
k1
k-1
1 线形缩聚动力学
11不可逆的缩聚动力学
以聚酯反应为例
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
11
条件 1 )必须是 2 - 2 2 官能度体系
2 )反应单体要不易成环
3 )少副反应保证一定的分子量
(副反应包括成环反应链交换降解等反应等)
三 线形缩聚反应机理
1 线形缩聚单体
高分子化学
13
水聚体聚体聚体 )( mnmn
abaABbbBbaAa
abbBABbaABAabBbaAaaABb )()(
abbABABabABabABa )()()(
反应是官能团间的反应无明显的引发增长终止反应是一步步增长的具有逐步性且每一步是可逆反应
3 线形缩聚机理mdashmdash逐步与平衡
31 机理
逐步的可逆平衡反应高分子化学
15
00
0 1N
N
N
NNp
N0 体系中起始的官能团数(羧基或羟基数) N 反应到 t 时体系中残留的官能团数
平均聚合度大分子链的平均总单体数(或结构单元数)
N
NX n
0
以等当量的二元酸和二元醇或羟基酸
反应程度 p 参加反应的官能团数占起始官能团数的分率
pX n
1
1
N
NDP 2
0
4 聚合度与反应程度 p 的关系
高分子化学
16
1mol二元酸与 1mol二元醇反应体系中的羟基数或羧基数为
反应若干时间后体系中残存的羧基数
05mol(N)
大分子数
12=2mol(N0)
05mol(有一个羧基就有一条大分子)
7502
501p 4
50
2X n
高分子化学
17
pX n
1
1 聚合度将随反应程度而增加
符合此式须满足的条件官能团数等当量
P=09 10nX
P=09995
200nX
高分子化学
18
多数缩聚反应属可逆平衡反应
根据 K 值大小大致分三类
( 1 ) K 较小的反应如聚酯化反应( Kasymp4)低分子 副产物的存在对分子量影响较大可逆反应
( 2 ) K 中等的反应如聚酰胺反应 Kasymp300~500低分子副产物对分子量有所影响
( 3 ) K 很大的反应可看作不可逆反应如酚醛树脂聚碳酸酯等反应
5 缩聚反应平衡常数
高分子化学
20
ldquo官能团等活性rdquo假定任何反应阶段不论单体二聚体多聚体或高聚物其两端官能团的反应能力不随分子链的增长而变化那么每一步有反应的平衡常数必然相同
等活性的概念将有利于动力学的简化处理
四 线形缩聚动力学
高分子化学
21
体系不断排出低分子副产物符合不可逆条件
减压脱水使平衡向聚合物方向移动视为不可逆
]][][[][
HOHCOOHk
dt
COOHdRp
聚酯化是酸催化反应反应速率用羧基消失速率表示
~ COOH + ~ OH ~ OCO ~ + H2O
k1
k-1
1 线形缩聚动力学
11不可逆的缩聚动力学
以聚酯反应为例
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
13
水聚体聚体聚体 )( mnmn
abaABbbBbaAa
abbBABbaABAabBbaAaaABb )()(
abbABABabABabABa )()()(
反应是官能团间的反应无明显的引发增长终止反应是一步步增长的具有逐步性且每一步是可逆反应
3 线形缩聚机理mdashmdash逐步与平衡
31 机理
逐步的可逆平衡反应高分子化学
15
00
0 1N
N
N
NNp
N0 体系中起始的官能团数(羧基或羟基数) N 反应到 t 时体系中残留的官能团数
平均聚合度大分子链的平均总单体数(或结构单元数)
N
NX n
0
以等当量的二元酸和二元醇或羟基酸
反应程度 p 参加反应的官能团数占起始官能团数的分率
pX n
1
1
N
NDP 2
0
4 聚合度与反应程度 p 的关系
高分子化学
16
1mol二元酸与 1mol二元醇反应体系中的羟基数或羧基数为
反应若干时间后体系中残存的羧基数
05mol(N)
大分子数
12=2mol(N0)
05mol(有一个羧基就有一条大分子)
7502
501p 4
50
2X n
高分子化学
17
pX n
1
1 聚合度将随反应程度而增加
符合此式须满足的条件官能团数等当量
P=09 10nX
P=09995
200nX
高分子化学
18
多数缩聚反应属可逆平衡反应
根据 K 值大小大致分三类
( 1 ) K 较小的反应如聚酯化反应( Kasymp4)低分子 副产物的存在对分子量影响较大可逆反应
( 2 ) K 中等的反应如聚酰胺反应 Kasymp300~500低分子副产物对分子量有所影响
( 3 ) K 很大的反应可看作不可逆反应如酚醛树脂聚碳酸酯等反应
5 缩聚反应平衡常数
高分子化学
20
ldquo官能团等活性rdquo假定任何反应阶段不论单体二聚体多聚体或高聚物其两端官能团的反应能力不随分子链的增长而变化那么每一步有反应的平衡常数必然相同
等活性的概念将有利于动力学的简化处理
四 线形缩聚动力学
高分子化学
21
体系不断排出低分子副产物符合不可逆条件
减压脱水使平衡向聚合物方向移动视为不可逆
]][][[][
HOHCOOHk
dt
COOHdRp
聚酯化是酸催化反应反应速率用羧基消失速率表示
~ COOH + ~ OH ~ OCO ~ + H2O
k1
k-1
1 线形缩聚动力学
11不可逆的缩聚动力学
以聚酯反应为例
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
15
00
0 1N
N
N
NNp
N0 体系中起始的官能团数(羧基或羟基数) N 反应到 t 时体系中残留的官能团数
平均聚合度大分子链的平均总单体数(或结构单元数)
N
NX n
0
以等当量的二元酸和二元醇或羟基酸
反应程度 p 参加反应的官能团数占起始官能团数的分率
pX n
1
1
N
NDP 2
0
4 聚合度与反应程度 p 的关系
高分子化学
16
1mol二元酸与 1mol二元醇反应体系中的羟基数或羧基数为
反应若干时间后体系中残存的羧基数
05mol(N)
大分子数
12=2mol(N0)
05mol(有一个羧基就有一条大分子)
7502
501p 4
50
2X n
高分子化学
17
pX n
1
1 聚合度将随反应程度而增加
符合此式须满足的条件官能团数等当量
P=09 10nX
P=09995
200nX
高分子化学
18
多数缩聚反应属可逆平衡反应
根据 K 值大小大致分三类
( 1 ) K 较小的反应如聚酯化反应( Kasymp4)低分子 副产物的存在对分子量影响较大可逆反应
( 2 ) K 中等的反应如聚酰胺反应 Kasymp300~500低分子副产物对分子量有所影响
( 3 ) K 很大的反应可看作不可逆反应如酚醛树脂聚碳酸酯等反应
5 缩聚反应平衡常数
高分子化学
20
ldquo官能团等活性rdquo假定任何反应阶段不论单体二聚体多聚体或高聚物其两端官能团的反应能力不随分子链的增长而变化那么每一步有反应的平衡常数必然相同
等活性的概念将有利于动力学的简化处理
四 线形缩聚动力学
高分子化学
21
体系不断排出低分子副产物符合不可逆条件
减压脱水使平衡向聚合物方向移动视为不可逆
]][][[][
HOHCOOHk
dt
COOHdRp
聚酯化是酸催化反应反应速率用羧基消失速率表示
~ COOH + ~ OH ~ OCO ~ + H2O
k1
k-1
1 线形缩聚动力学
11不可逆的缩聚动力学
以聚酯反应为例
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
16
1mol二元酸与 1mol二元醇反应体系中的羟基数或羧基数为
反应若干时间后体系中残存的羧基数
05mol(N)
大分子数
12=2mol(N0)
05mol(有一个羧基就有一条大分子)
7502
501p 4
50
2X n
高分子化学
17
pX n
1
1 聚合度将随反应程度而增加
符合此式须满足的条件官能团数等当量
P=09 10nX
P=09995
200nX
高分子化学
18
多数缩聚反应属可逆平衡反应
根据 K 值大小大致分三类
( 1 ) K 较小的反应如聚酯化反应( Kasymp4)低分子 副产物的存在对分子量影响较大可逆反应
( 2 ) K 中等的反应如聚酰胺反应 Kasymp300~500低分子副产物对分子量有所影响
( 3 ) K 很大的反应可看作不可逆反应如酚醛树脂聚碳酸酯等反应
5 缩聚反应平衡常数
高分子化学
20
ldquo官能团等活性rdquo假定任何反应阶段不论单体二聚体多聚体或高聚物其两端官能团的反应能力不随分子链的增长而变化那么每一步有反应的平衡常数必然相同
等活性的概念将有利于动力学的简化处理
四 线形缩聚动力学
高分子化学
21
体系不断排出低分子副产物符合不可逆条件
减压脱水使平衡向聚合物方向移动视为不可逆
]][][[][
HOHCOOHk
dt
COOHdRp
聚酯化是酸催化反应反应速率用羧基消失速率表示
~ COOH + ~ OH ~ OCO ~ + H2O
k1
k-1
1 线形缩聚动力学
11不可逆的缩聚动力学
以聚酯反应为例
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
17
pX n
1
1 聚合度将随反应程度而增加
符合此式须满足的条件官能团数等当量
P=09 10nX
P=09995
200nX
高分子化学
18
多数缩聚反应属可逆平衡反应
根据 K 值大小大致分三类
( 1 ) K 较小的反应如聚酯化反应( Kasymp4)低分子 副产物的存在对分子量影响较大可逆反应
( 2 ) K 中等的反应如聚酰胺反应 Kasymp300~500低分子副产物对分子量有所影响
( 3 ) K 很大的反应可看作不可逆反应如酚醛树脂聚碳酸酯等反应
5 缩聚反应平衡常数
高分子化学
20
ldquo官能团等活性rdquo假定任何反应阶段不论单体二聚体多聚体或高聚物其两端官能团的反应能力不随分子链的增长而变化那么每一步有反应的平衡常数必然相同
等活性的概念将有利于动力学的简化处理
四 线形缩聚动力学
高分子化学
21
体系不断排出低分子副产物符合不可逆条件
减压脱水使平衡向聚合物方向移动视为不可逆
]][][[][
HOHCOOHk
dt
COOHdRp
聚酯化是酸催化反应反应速率用羧基消失速率表示
~ COOH + ~ OH ~ OCO ~ + H2O
k1
k-1
1 线形缩聚动力学
11不可逆的缩聚动力学
以聚酯反应为例
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
18
多数缩聚反应属可逆平衡反应
根据 K 值大小大致分三类
( 1 ) K 较小的反应如聚酯化反应( Kasymp4)低分子 副产物的存在对分子量影响较大可逆反应
( 2 ) K 中等的反应如聚酰胺反应 Kasymp300~500低分子副产物对分子量有所影响
( 3 ) K 很大的反应可看作不可逆反应如酚醛树脂聚碳酸酯等反应
5 缩聚反应平衡常数
高分子化学
20
ldquo官能团等活性rdquo假定任何反应阶段不论单体二聚体多聚体或高聚物其两端官能团的反应能力不随分子链的增长而变化那么每一步有反应的平衡常数必然相同
等活性的概念将有利于动力学的简化处理
四 线形缩聚动力学
高分子化学
21
体系不断排出低分子副产物符合不可逆条件
减压脱水使平衡向聚合物方向移动视为不可逆
]][][[][
HOHCOOHk
dt
COOHdRp
聚酯化是酸催化反应反应速率用羧基消失速率表示
~ COOH + ~ OH ~ OCO ~ + H2O
k1
k-1
1 线形缩聚动力学
11不可逆的缩聚动力学
以聚酯反应为例
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
20
ldquo官能团等活性rdquo假定任何反应阶段不论单体二聚体多聚体或高聚物其两端官能团的反应能力不随分子链的增长而变化那么每一步有反应的平衡常数必然相同
等活性的概念将有利于动力学的简化处理
四 线形缩聚动力学
高分子化学
21
体系不断排出低分子副产物符合不可逆条件
减压脱水使平衡向聚合物方向移动视为不可逆
]][][[][
HOHCOOHk
dt
COOHdRp
聚酯化是酸催化反应反应速率用羧基消失速率表示
~ COOH + ~ OH ~ OCO ~ + H2O
k1
k-1
1 线形缩聚动力学
11不可逆的缩聚动力学
以聚酯反应为例
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
21
体系不断排出低分子副产物符合不可逆条件
减压脱水使平衡向聚合物方向移动视为不可逆
]][][[][
HOHCOOHk
dt
COOHdRp
聚酯化是酸催化反应反应速率用羧基消失速率表示
~ COOH + ~ OH ~ OCO ~ + H2O
k1
k-1
1 线形缩聚动力学
11不可逆的缩聚动力学
以聚酯反应为例
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
22
自催化缩聚
聚酯反应在无外加酸作催化剂时二元酸的羧基起催化作用这称为自催化作用
当醇和酸为等摩尔时速率方程可表示为
3kCdt
dC
ktCC
211
20
2
积分
]][][[][
COOHOHCOOHkdt
COOHdRp
C=[COOH] 三级反应
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
23
引入反应程度 p 并用羧基浓度代替羧基数N0 N
)1(0 pCC
12)1(
1 202
ktCp
C C0 时间 t
和起始时( t=0)的羧基或羟基的浓度
自催化作用下的聚酯化反应 1( 1-p) 2与 t 成线性关系
ktCC
211
20
2
0
1C
Cp
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
24
12)( 20
2 tkCX n
2)( nX 与 t 成线性关系即聚合度随 t 缓慢增加
12)1(
1 202
ktCpp
X n
1
1
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
25
外加酸催化缩聚
为了缩短到达平衡的时间往往加强酸作催化剂称外加催化缩聚速率方程式如下
2])[( CHkkCdt
dCa
kCHka ][ ][ Hkk a
2Ckdt
dC
一般
工业上总是采用外加酸
二级反应高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
26
积分并引入 p 得
11
10
tCkp
1 0 tCkX n
1( 1-p)或 与时间 t 成线性关系
nX
偏离原因1 )推导过程是在两原料官能度等摩尔的情况下实际上等摩尔是较困难的2 )不可逆必须将小分子彻底排除难以做到3 )反应温度高原料挥发等
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
27
聚酯化反应 K 值较小( K=4) 小分子副产物若不及时排除逆反应不能忽视
OHOCOOHCOOHkk 2 11
起始 1 1 0 0
t 时水未排除 C C 1-C 1-C
水部分排除 C C 1-C nw
12平衡条件下的缩聚动力学
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
28
水部分排出时
21
21 )1( CkCk
dt
dC wnCkCk
dt
dC)1(1
21
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
K=k1k-1
总反应速率与 p 低分子副产物含量及 K 有关 当 nw 值很小或 K 值很大时上式右边第二项可忽略即与外加酸催化的聚酯动力学相同(二级反应)
封闭体系
用 p 表示则得
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
29
小结p
X n
1
1
0
1N
Np
3kCdt
dC 2Ck
dt
dC
缩聚反应的动力学大多是符合可逆条件下的动力学关系所以要达到高分子量副产物要尽可能除尽工业上要采取强化即高温高真空
自催化缩聚外加酸催化缩聚
封闭体系 敞开体系
])1[(2
21 K
ppk
dt
dp ])1[( 2
1 K
pnpk
dt
dp w
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
30
1 反应程度对聚合度的影响
pX n
1
1
单体等摩尔或 aRb型的单体进行不可逆缩聚时(没有考虑平衡与否)聚合度将随反应程度的加深而增加
puarr Xnuarr
上式有局限性
五 线形缩聚物的聚合度
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
31
当正逆反应达到平衡时总聚合速率为零
两原料基团数相等时
0)1(2
2 K
pp
1
K
Kp
11
1
K
pX n
3nX
聚酯反应 K≌4在密闭系统内最高的 p 值 =23
21封闭体系
2 缩聚平衡对聚合度的影响
以聚酯反应为例
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
32
0)1( 2 K
pnp w
wwn n
K
pn
K
PX
1
1
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等
聚合度与 K 平方根成正比 与低分子副产物浓度平方根成反比
22非封闭体系
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
33
t=0 1 1 0 0t 时 封闭 C C P P 非封闭 C C P nw
OHOCOOHCOOHkk 2 11
封闭体系 非封闭体系])1[(
22
1 K
ppk
dt
dp
])1[( 21 K
pnpk
dt
dp w
1
K
Kp
1 KX nww
n n
K
pn
KX
缩聚平衡方程
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
34
K 01 1
nw 118 12610-5 2 12610-4
132 200 250 200在 K 相同的情况下聚合度主要由小分子的量决定
聚酯 K= 4 =100 P=099 nw= 004 聚酰胺 430 100 099 43酚醛 1000 反应可以在水溶液中进行
在同样的 P达到相同的聚合度 K 小的体系 nw 要小很多
低分子物可以不断除去可获得较高的反应程度和聚合度
减少逆反应的措施减压加热或通惰性气体等排除副产物
nX
nX
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
36
某一单体稍过量 ( 即非等摩尔比)使大分子链端带有相同的官能团
加一种单官能团物质使其与大分子端基反应起封端作用
3 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度
平衡条件聚合度的重要影响因素 不是控制手段
bRbCbnaRb n][
bABbBbBbnnaAa n][)1(
控制分子量的有效办法mdashmdash端基封锁法
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
37
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
OumlOslash microyenOcircordf
frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf frac12aacutesup1sup1 microyenOcircordf
bABanbBbnaAa n][
bRanaRb n][
DpnX n 22
DpnX n
31聚合度的定量关系式
2-2体系
2 体系
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
38
b
a
N
Nr 1
2
2)(
A
B
a
ab
N
N
N
NNq
Na Nb 体系中官能团 a b 的起始基团数NA 分子数 = Na2 NB= Nb2rlt1 B 物质过量
基团 ( 摩尔 ) 系数 r(lt1)
过量分率 q
体系中两原料的起始不同官能团的基团(摩尔)数之比 未过量物质分子数
某物质的过量分子数q
1
1
q
r
qr的定义和关系
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
39
加单官能团物质
aAa 和 bBb cb
a
NN
Nr
2
A
C
a
C
N
N
N
Nq
2
aRb体系ca
a
NN
Nr
a
c
N
Nq
Nc加入的单官能团物质 Cb的基团数也是分子数加入 CB相当于 B 官能团过量
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
40
分子数 4 5
官能团数 8 10
求 r= q=
r= =NaNb=810=08
q=(Nb-Na)Na=(10-8)8=025
bRbCbnaRb n][ 官能团数 2 01
r =NaNb+Nc=22+01=095 q=(Nb-Na)Na=(21-2)2=005q=NcNa=012=05
1
1
q
r
bABbBbBbnnaAa n][)1(
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
41
bABbBbBbnnaAa n][)1( t=0 Na Nb
t 时 Na(1-P) Nb-NaP
设官能团 a 的反应程度是 p 则 a b 的反应均为 Nap
a 的残留数为 Na-Nap b 的残留数为 Nb-Nap
(a+b) 的残留官能团总数 N=Na+Nb-
2Nap
形成大分子总数 N=( Na+Nb-2Nap) 2( 每条大分子链端有 2 个官能团)
体系的重复单元总数为 Na2
聚合度和 qr的关系
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
42
)1(2
1
212)2(
2
pqrpr
r
pNNN
NDP
aba
a
重复单元数除以大分子总数
)1(2
2
21
1
2)2(
2)(
pq
q
rpr
r
pNNN
NNX
aba
ban
结构单元数除以大分子总数
2nXDP
聚合度和 qr 的关系式
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
43
r=1 或 q=0 p
DPX n
1
12
DPqqr
rX
qr
rDP
n 22
12
1
1
1
1
若 p=1
极限情况
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
44
当反应程度 P=0994时求 r 值
己二胺和己二酸的配料比
r99402r1
r1118
times+ -+
=
)P1(2q2q
Pr2r1
r1Xn
-++
-++
==根据根据
( )994012q2q
118-+
+=
9950r =
31005q -times=己二酸的分子过量分率己二酸的分子过量分率
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
45
小 结
影响因素
p K nw
分子量控制方法
端基封锁
原料非等摩尔或加单官能团
计算公式
)1(2
2
21
1
pq
qX
rpr
rX
n
n
b
a
N
Nr
1a
b
N
Nq
1
1
q
r
1A
B
N
Nq
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
46
Flory 应用统计方法根据官能团等活性概念曾推导得线形缩聚物的聚合度分布其结果与自由基聚合歧化终止时聚合度分布相同
P表示反应程度
)1(1 pNpN xx
21
0
)1( pxpN
xNW xx
X
X mdash 聚体的数量分布函数为
X mdash 聚体的重量分布函数为
六线性缩聚物的分子量分布
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
47
数均聚合度和重均聚合度
pX n
1
1
p
pX w
1
1
21 pX
X
n
w
分子量分布宽度为
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
48
支链 体形结构的缩聚
2-3 3-3 3-4 体系 必要条件至少一种单体 f gt 2
体形缩聚
七 体型缩聚和凝胶化作用
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
49
交联 连接两条支链的支化称为交联
凝胶化 当反应进行到一定程度时体系由线形转化为支链而交联使粘度将急剧增大形成具有弹性的凝胶状态的现象即为凝胶化( gelation )凝胶点 出现凝胶化时的临界反应程度 Pc
2 反应过程
预聚物(未交联前) 成型固化
控制在 PC 以前
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
50
根据 pc 分甲乙丙三阶段甲阶段 p lt pC 体系可溶可熔线形结构(预聚物)乙阶段 prarrpC 不溶可熔融支联型丙阶段 p gt pC 高度交联不溶不熔成体形结构
体型缩聚的特点
反应单体的 f gt2( 必要条件)
反应分为甲乙丙三阶段
出现为不溶不熔的体形分子
反应釜的反应只能进行到甲或乙阶段
丙阶段必须在加工后完成
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
51
1 Carothers 方程
理论基础凝胶点时的数均聚合度无穷大
即 rarrinfin求出此是时的反应程度 p 即为凝胶点nX
f
i
ii
N
fNf
Ni 官能度为 fi 的单体 i 的分子数
平均官能度 单体混合物中每一个分子平均带 有的官能团数
当两官能团等物质量
AA+BB+AAA 15 3 1( 分子数 )
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
52
两官能团非等物质量
以非过量组份的官能团数的两倍除以体系中分子总数来求取平均官能度
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
NA NB NC 单体 A B C 的分子数fA fB fC 单体 A B C 的官能度单体 A C 含有相同的官能团体系中 B 官能团数过量
AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
1 3 1( 分子数 )
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
53
反应程度 p 官能团参加反应部分的分率
NNX n 0
)1
1(222)(2
00
0
nXffN
N
ffN
NNp
fpc
2
Carothers 方程它联系了凝胶点与平均官能度的关系
rarrinfinnX
N0 体系中混合单体起始分子数
N t 时残留单体分子数
起始官能团数
凝胶点前的官能团反应数
Carothers 方程
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
54
配方 原料量
亚麻仁油酸 12
邻苯二甲酸酐 15
甘油 30
12-丙三醇 14
CBA
CCAA
NNN
fNfNf
)(2
判断是否形成凝胶f
pc2
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
55
Carothers 方程的不足之处
过高地估计了出现凝胶点时的反应程度使 pC 的计算值偏高
fpX n
2
2
nX可由平均官能度及反应程度求出
将上式重排得
Carothers 方程在线型缩聚中聚合度计算的应用
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
56
2 Flory统计法
用统计的方法系统地研究了多官能团单体缩聚反应的凝胶理论
根据官能团等活性的概念和分子内无反应的假定推导出凝胶点时反应程度的表达式
官能度大于 2 的单体是产生支化并导致形成体形产物的根本原因故多官能单元又称为支化点( branch point)
支化系数支化点连接的概率以 α表示
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
57
A B 等官能团体系
1
1
fc
f 支化单元的官能度一般 fgt2
3-3 体系
31 cc p
21 cc p
4-4 体系
产生凝胶的临界支化系数 αC
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
58
21)]2([
1
frrpc
A混合物中官能团 总数A支化单元中官能团 数
f 支化单元的官能团数 gt2
BB
CCAA
fN
fNfNr
摩尔系数 r
普遍情况 AA+BB+AAA( 支化单元 f=3)
CCAA
CC
fNfN
fN
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
59
按 Flory 理论计算的凝胶点常比实测值要小这是由于理论计算中未考虑到分子内的环化反应
A B 等当量 r=1 21)]2(1[
1
fpc
无 A-A 分子 ρ=1 但 rlt1 则
21)]2([
1
frrpc
无 A-A 分子 ρ=1 且 r=1 则
21)1(
1
fpc
特 例
BB+AAA或BBB+AAA
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
60
大多是在反应体系开始明显变稠气泡停止上升时取样分析残留官能团数计算所得的反应程度定为凝胶点
3)凝胶点的测量
Pc(ca)gtPc(实) gtPc ( f )
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
61
反应温度高于单体和缩聚物的熔点体系处于熔融状态下进行的反应
聚酯聚酰胺等通常都用此法生产
关键小分子的排除及分子量的提高
配方简单只有单体和少量催化剂产物纯净相当于本体聚合反应温度高速率快有利于小分子排出生产设备利用率高便于连续化生产
1 熔融缩聚( melt polycondensation )八 缩聚和逐步聚合的实施方法
特点
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
62
单体加适当催化剂在溶剂(包括水)中呈溶液状态进行的缩聚聚砜和聚苯醚的合成或尼龙mdash 66合成前期均采用溶液聚合
溶液缩聚的温度较低副反应较少但要求单体活性较高
溶剂除去困难适于产物直接使用的场合
成本高后处理多(分离精制溶剂回收等)
2 溶液缩聚( solution polycondensation )
特点
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
63
单体分别溶解于两不互溶的溶剂中反应在两相界面上进行的缩聚工业上聚碳酸酯的合成采用界面缩聚
3 界面缩聚 (interfacial polycondensation)
拉出聚合物膜
牵引
己二胺 -NaOH 溶液
己二酰氯的CHCl3 溶液
界面聚合膜
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
属于非均相体系为不可逆聚合要求 单体活性高
反应温度低反应速率快溶剂的用量较多处理和回收困难产物分子量高原料配比不要求完全等摩
大部分反应在有机溶剂一侧进行要求所选的溶剂可使聚合物沉淀析出
特点
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
1聚酯( Polyester)
主链上有 -C(O)O-酯基团的杂链聚合物带酯侧基的聚合物如聚醋酸乙烯酯纤维素酯类等都不能称作聚酯
聚酯分类分脂族芳族饱和不饱和线形和体形
线形芳族聚酯如涤纶聚酯用作合成纤维和工程塑料
不饱和聚酯主链中留有双键的结构预聚物用于增强塑料1048729醇酸树脂属于线形或支链形无规预聚物残留基团可进一步交联固化用作涂料
九 重要的线形逐步聚合物
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
69
原料为对苯二甲酸与乙二醇典型的可逆平衡反应 K= 4 熔融缩聚( 258)
1 涤纶聚酯( terylene PET )
工艺路线酯交换法甲酯化对苯二甲酸与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯( DMT )
酯交换 DMT与乙二醇进行酯交换生成对苯二甲酸乙二醇酯( BHET)
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
直接缩聚法对苯二甲酸与乙二醇(过量)直接缩聚
缩聚用 BHET缩聚得聚合物
高纯度对苯二甲酸可以与过量乙二醇在 200下预先直接酯化成低聚合度(例如 n=1-4)聚对苯二甲酸乙二醇酯而后在 280下自缩聚(终缩聚)成高聚合度的聚酯产品( n=100-200)在单体纯度问题解决以后这是优先选用的经济方法
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
71
涤纶的优点及应用具有熔点高强度好耐溶剂耐腐蚀耐磨手感好等优点可作为纤维(胶卷磁带录像带)也可作为工程塑料
分子量控制
原料非等摩尔比乙二醇过量 后期高温高真空
提高分子量
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
1 纤维世界上约 l 2 的合成纤维是用 PET制造的2 片材和薄膜PET片材是继 PVC片材之后用于医药品包装的片材而在欧洲一些国家禁止 PVC用于一次性包装之后 PET更成为主要的医药品包装用片材PET薄膜用于医疗用器具精密仪器电器元件的高档包装材料和录音带录像带电影胶片计算机软磁盘及感光胶片等的基材还可以制成拉伸薄膜用于各类产品的包装3 瓶用树脂( 1 ) PET在包装中主要还制成瓶类容器用于充气饮料及纯净水等的包装其特点是重量轻强度高韧性好透明度高
( 2 )结晶的 PET树脂是目前较好的耐热包装材料适用于冷冻食品及微波处理的食品容器以及热灌装食品的包装
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
聚酯长丝
高分子化学
74
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
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74
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75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
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84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
75
(1)尼龙 -66( nylon-66)
[NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO]n
K= 430 前期进行水溶液聚合达到一定聚合度后期转入熔融缩聚
先将两种单体中和形成 66盐配成 60的水溶液以防胺挥发和酸脱羧以达到原料等摩尔的目的
单体己二胺和己二酸2 聚酰胺( polyamide) - 尼龙的系列产品
工艺路线
分子量的控制
加少量单官能团的醋酸或己二酸(原料之一)进行端基封锁来控制分子量
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
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87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
76
主链上有氨基具有极性会因氢键的作用而相互吸引所以易结晶可以制成强度很高的纤维
最常见的人造纤维尼龙最初的用途是制造牙刷的刷毛 1940年用尼龙织造的长统丝袜问世时大受欢迎尼龙从此一举成名二战期间尼龙被大量用于织造降落伞
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
77
(2) 尼龙 -6( nylon-6)
由己内酰胺开环聚合得到以水或酸作催化剂时属逐步聚合机理
采用加单官能团酸来控制分子量
尼龙分子结构中有极性键强度高耐热性好且具有柔韧性耐磨可作纤维用(纺丝织布等)也是很好的工程塑料
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
78
主链含碳酸酯结构的聚合物耐热强度好工程塑料
(1) 酯交换法
以双酚 A 和碳酸二苯酯为原料熔融缩聚
采用碳酸二苯酯过量进行端基封锁排出苯酚以达到所需分子量
3 聚碳酸酯( polycarbonate )
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
79
(2) 光气直接法将双酚 A钠盐水溶液与光气的有机溶液进行 界面缩聚直接合成由于界面缩聚不可逆并不要求严格等当量比加少量单官能团酚进行端基封锁控制分子量
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
80
二异氰酸酯与二元胺或二元醇反应形成聚氨酯
聚加成反应但属于逐步机理
异氰酸端基预聚物遇水反应通过脲键的形成而扩链加水反应的同时有 CO2析出可利用此来制泡沫塑料
工艺路线
4 聚氨酯( polyurethane )
带有mdash NHCOOmdash 基团的聚合物
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
81
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
82
苯酚 (f=3) 和甲醛 (f=2) 以碱催化加成缩聚
酚mdash醛摩尔比一般选用 6 7∶ 醛大于酚
酚醛预聚物形成酚醛缩聚可以看作不可逆反应(Kgt1000) 进行水溶液缩聚并不妨碍预聚物的形成
碱催化为无规预聚物
1 碱催化酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
酚醛树脂是热固性塑料的大品种涂料油漆粘结剂等
十 重要的体型逐步聚合物
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
83
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
84
2脲醛树脂( urea-formaldehyde resin )
用尿素 (f=4) 与甲醛( f=2) 缩聚可制得脲醛树脂
碱和酸均可催化反应程度由 pH和 T控制且随酸度而增加
预聚物固化时则加酸性催化剂并加热原料易得用途广
3 醇酸树脂( alkyd resin ) 邻苯二甲酸酐 (f=2) 和甘油 (f=3) 缩聚可制得醇酸树脂 主要用作涂料在原料体系中加入一些二元醇甚至一元酸以降低体形结构的交联密度使其具有一定的柔软度
高分子化学
85
脲醛树脂
密胺树脂高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
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环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
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2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
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4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
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环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
86
4 环氧树脂 (epoxide resin)
含有环氧基团的树脂的统称种类很多
环氧氯丙烷或双酚 A 在碱催化下聚合所得
环氧树脂分子中活泼的环氧端基和羟侧基都可以成为交联的基团
环氧树脂粘结力强而腐蚀而溶剂被广泛地用作粘结剂涂料等
HO C
CH3
CH3
OH
O
+CH2CHCH2Cl
C
CH3
CH3
O O
OH
CH2CHCH2
O
+CH2CHCH2Cl
O
+CH2CHCH2Cl
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
87
环氧值 E 100克树脂中含有的环氧基团的摩尔数
环氧当量 1摩尔的环氧基团所结合的树脂的克数
环氧值环氧当量与分子量的关系
环氧当量环氧值= 100
)200 EMn 环氧值(=常用固化剂(交联剂)bull 胺类 乙二胺二亚乙基三胺等伯胺类物质含有活泼氢可在室温下可使环氧开环交联bull 酸酐类 苯酐马来酸酐等与大分子侧链上的- OH 基反应交联
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
88
苯酚和甲醛的摩尔比大于 1 (如 6 5 )
以硫酸草酸等酸催化得到线形低聚物
六亚甲基四胺为交联剂
2) 酸催化的酚醛树脂( phenol formaldehyde resin )
3) 不饱和的聚酯树脂 (polyester resin)
不饱和 (unsaturated) 二元酸(马来酸酐)与二元醇缩聚可制得带不饱和双键的聚酯
预聚体的交联通过双键与烯类单体如苯乙烯用自由基引发剂引发共聚而得
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
89
2-2 2 体系的单体先形成线形缩聚物然后通过交联剂形成体型缩聚物
所带官能团结构已知的预聚物称之为结构预聚物预聚反应不必控制凝胶点 (pc)
2-3 2-4 体系的单体这时的预聚物称为无规预聚物
预聚物反应要控制在凝胶点( pc )之前因此了解凝胶化作用和凝胶点对无规预聚物的反应控制很重要
5 体形缩聚物形成方法
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
高分子化学
90
本章重点
1 掌握官能度反应程度凝胶点 r q α等概念2 逐步聚合机理特点连锁聚合与逐步聚合的区别3 线形与体形缩聚的特点4 线形缩聚动力学规律(聚酯动力学)5 线形缩聚物分子量的控制方法及计算公式6 体形缩聚预聚物的类别凝胶点的控制7 凝胶点的计算公式8 可逆平衡条件下 K p nw 9 涤纶尼龙- 66聚碳酸酯酚醛树脂环氧树脂的生产方法合成工艺分子量凝胶点的控制
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