高分子化學知識點總結

1、. .第一章 緒論1.1 高分子的根本概念高分子化學：研究高分子化合物合成與化學反響的一門科學。單體：能通過相互反響生成高分子的化合物。高分子或聚合物(聚合物、大分子)：由許多構造和組成一樣的單元相互鍵連而成的相對分子質量在10000以上的化合物。相對分子質量低于1000的稱為低分子。相對分子質量介于高分子和低分子之間的稱為低聚物又名齊聚物。相對分子質量大于1 000 000的稱為超高相對分子質量聚合物。主鏈：構成高分子骨架構造，以化學鍵結合的原子集合。側鏈或側基：連接在主鏈原子上的原子或原子集合，又稱支鏈。支鏈可以較小，稱為側基；也可以較大，稱為側鏈。端基：連接在主鏈末端原子上的原子或原子集

2、合。重復單元：大分子鏈上化學組成和構造均可重復出現的最小根本單元，可簡稱重復單元，又可稱鏈節(jié)。構造單元：單體分子通過聚合反響進入大分子鏈的根本單元。構成高分子鏈并決定高分子性質的最小構造單位稱為。單體單元：聚合物中具有與單體的化學組成一樣而鍵合的電子狀態(tài)不同的單元稱為。聚合反響：由低分子單體合成聚合物的反響。連鎖聚合：活性中心引發(fā)單體，迅速連鎖增長的聚合。烯類單體的加聚反響大局部屬于連鎖聚合。連鎖聚合需活性中心，根據活性中心的不同可分為自由基聚合、陽離子聚合和陰離子聚合。 逐步聚合：無活性中心，單體官能團之間相互反響而逐步增長。絕大多數縮聚反響都屬于逐步聚合。加聚反響：即加成聚合反響， 烯類單

3、體經加成而聚合起來的反響。加聚反響無副產物。 縮聚反響：縮合聚合反響，單體經屢次縮合而聚合成大分子的反響。該反響常伴隨著小分子的生成。 1.2 高分子化合物的分類1) 按高分子主鏈構造分類：可分為：碳鏈聚合物：大分子主鏈完全由碳原子組成的聚合物。雜鏈聚合物：聚合物的大分子主鏈中除了碳原子外，還有氧、氮，硫等雜原子。元素有機聚合物：聚合物的大分子主鏈中沒有碳原子X，主要由硅、硼、鋁和氧、氮、硫、磷等原子組成。無機高分子：主鏈與側鏈均無碳原子的高分子。 2按用途分可分為：塑料、橡膠、纖維三大類，如果再加上涂料、粘合劑和功能高分子那么為六大類。塑料：具有塑性行為的材料，所謂塑性是指受外力作用時，發(fā)生

4、形變，外力取消后，仍能保持受力時的狀態(tài)。塑料的彈性模量介于橡膠和纖維之間，受力能發(fā)生一定形變。軟塑料接近橡膠，硬塑料接近纖維。 橡膠：具有可逆形變的高彈性聚合物材料。在室溫下富有彈性，在很小的外力作用下能產生較大形變，除去外力后能恢復原狀。 橡膠屬于完全無定型聚合物，它的玻璃化轉變溫度T g低， 分子量往往很大，大于幾十萬。 纖維： 聚合物經一定的機械加工牽引、拉伸、定型等后形成細而柔軟的細絲，形成纖維。纖維具有彈性模量大，受力時形變小，強度高等特點， 有很高的結晶能力，分子量小，一般為幾萬。 3按來源分可分為：天然高分子、合成高分子、半天然高分子改性的天然高分子4按分子的形狀分：線形高分子、

5、支化高分子、交聯(lián)(或稱網狀)高分子5按單體分：均聚物、共聚物、高分子共混物(又稱高分子合金)6按聚合反響類型分：縮聚物、加聚物7按熱行為分：熱塑性聚合物： 聚合物大分子之間以物理力聚集而成，加熱時可熔融，并能溶于適當溶劑中。熱塑性聚合物受熱時可塑化，冷卻時那么固化成型，并且可以如此反復進展。 熱固性聚合物：許多線性或支鏈形大分子由化學鍵連接而成的交聯(lián)體形聚合物，許多大分子鍵合在一起，已無單個大分子可言。這類聚合物受熱不軟化，也不易被溶劑所溶脹。 8按相對分子質量分：高聚物、低聚物、齊聚物、預聚物。1.3 相對分子質量及其分布1相對分子質量平均相對分子質量：相對于一般低分子化合物都具有確定的相對

6、分子質量而言，一般合成聚合物都不是由具有一樣相對分子質量的大分子組成，而是由許多相對分子質量大小不等的同系物分子組成的混合物。因此，高分子化合物的相對分子質量只是這些同系物相對分子質量的統(tǒng)計平均值。數均分子量:一種按聚合物分子數目統(tǒng)計平均的分子量，即高分子樣品的總重量W 除以其分子的總數量：為i-聚體的分子分率和質量分率。某體系的總質量m為分子總數所平均。重均分子量:一種按聚合物重量統(tǒng)計平均的分子量，即i聚體的分子量乘以其重量分數的加和。采用光散射法測得: 粘均分子量：對于一定的聚合物溶劑體系，其特性粘數和分子量的關系Mark-Houwink方程為 用粘度法測得的聚合物的分子量。Z 均分子量：

7、 一種按照Z 值ZiWiMi統(tǒng)計平均的分子量可通過超速離心法測定，即2聚合度聚合度()：即高分子鏈中重復單元的重復次數，以表示；衡量聚合物分子大小的指標。 聚合度與相對分子質量的關系為 式中M為重復單元的相對分子質量.由于共聚物和混縮聚物的重復單元由兩個或兩個以上構造單元組成,如果采用聚合度往往會帶來計算上的不便，因此大局部情況下，將聚合度定義為每個大分子鏈所含構造單元數目的平均值，通常以表示。聚合度與相對分子質量的關系為， 為構造單元的平均相對分子質量。 特別強調：聚合度的計算最好以構造單元數目而不以重復單元數目為基準，即通常采用的是表示聚合度。3) 相對分子質量分布多分散性：聚合物通常由一

8、系列相對分子量不同的大分子同系物組成的混合物，這種相對分子質量的不均一性稱為相對分子質量的多分散性。多分散性有三種表示法：多分散系數；分級曲數；分布函數。多分散系(指)數可以用重均分子量和數均分子量的比值來表示,這一比值稱為多分散指數,其符號為，對于完全單分散的聚合物D=1，其數值大小表征聚合物相對分子質量大小懸殊的程度。 分子量分布MWD ：由于高聚物一般由不同分子量的同系物組成的混合物，因此它的分子量具有一定的分布，分子量分布一般有分布指數和分子量分布曲線兩種表示方法。 1.4 高分子化合物的根本特點：特點一：分子量大一般在一萬以上特點二：組成簡單、構造有規(guī)特點三：分子形態(tài)呈多樣性特點四：

9、分子量具多分散性特點五：具有顯著的多層次構造第二章縮聚和逐步聚合2.1 逐步聚合反響的根本概念1 逐步聚合的特征逐步聚合：通常是由單體所帶的兩種不同的官能團之間發(fā)生化學反響而進展的。無活性中心，單體官能團之間相互反響而逐步增長。絕大多數縮聚反響都屬于逐步聚合。其特征為：逐步聚合反響是通過單體功能基之間的反響逐步進展的。在反響初期，聚合物遠未到達實用要求的高分子量500010000時，單體就已經消失了。逐步聚合反響的速率是不同大小分子間反響速率的總和。聚合產物的相對分子質量隨轉化率增高而逐步增大的。在高轉化率才能生成高分子量的聚合物。2逐步聚合反響的分類1按反響機理分類逐步縮聚反響：帶有兩個或兩

10、個以上官能團的單體之間連續(xù)、重復進展的縮合反響，即縮掉小分子而進展的聚合。反響過程中，不小分子副產物生成。逐步加成聚合：單體分子通過反復加成，使分子間形成共價鍵，逐步生成高相對分子質量聚合物的過程，其聚合物形成的同時沒有小分子析出，如聚氨酯的合成。逐步聚合反響的所有中間產物分子兩端都帶有可以繼續(xù)進展約定縮合反響的官能團，而且都是相對穩(wěn)定的。當某種單體所含有官能團的物質的量多于另一種單體時，聚合反響就無法再繼續(xù)下去。2按聚合物鏈構造分類線形逐步聚合反響：參加反響的單體都只帶有兩個官能團，聚合過程中，分子鏈在兩個方向上增長，分子量逐步增大，體系的粘度逐漸上升，最后形成高分子的聚合反響。支化、交聯(lián)聚

11、合反響體型聚合：參加聚合反響的單體至少有一個含有兩個以上官能團時，反響過程中，分子鏈從多個方向增長。調節(jié)兩種單體的配比，可以生成支化聚合物或交聯(lián)聚合物體型聚合物3按參加反響的單體種類分類(1)逐步均聚反響：只有一種或兩種單體參加聚合反響，生成的聚合物只含有一種重復單元。2逐步共聚反響：兩種或兩種以上單體參加聚合反響，生成的聚合物含有兩種或兩種以上的重復單元。3. 縮聚反響縮聚反響：是縮合聚合的簡稱，是屢次縮合重復結果形成縮聚物的過程?？s合和縮聚都是基團間的反響，兩種不同基團可以分屬于兩種單體分子，也可能同在一種單體分子上。官能度：一分子聚合反響原料中能參與反響的官能團數稱為官能度。1-1、1-

12、2、1-3體系縮合，將形成低分子物；2-2或2-官能度體系縮聚，形成線形縮聚物；2-3、2-4或3-3體系那么形成體形縮聚物。4. 線形縮聚機理線形縮聚機理的特征有：逐步和可逆。1線型縮聚反響的逐步性 縮聚大分子的生長是由于官能團相互反響的結果?？s聚早期，單體很快消失，轉變成二聚體、三聚體、四聚體等低聚物，轉化率很高，以后的縮聚反響那么在低聚物之間進展?？s聚反響就是這樣逐步進展下去的，聚合度隨時間或反響程度而增加。延長聚合時間的主要目的在于提高產物相對分子質量，而不在于提高轉化率?？s聚早期，單體的轉化率就很高，而相對分子質量卻很低。轉化率：是指轉變成聚合物的單體局部占起始單體量的百分數。 逐步

13、特性是所有縮聚反響所共有的。2)線型縮聚反響的平衡性 許多縮聚反響是可逆的，其可逆的程度可由平衡常數來衡量。根據其大小，可將線型縮聚大致分成三類：平衡常數小，如聚酯化反響，K4，低分子副產物水的存在對聚合物相對分子質量影響很大，應除去。平衡常數中等，如聚酰胺化反響，K300500，水對聚合物相對分子質量有所影響。平衡常數很大或看作不可逆，如聚碳酸酯和聚砜一類的縮聚，平衡常數總在幾千以上。 可逆平衡的程度那么各類縮聚反響有明顯的差異。3) 線型縮聚反響的平衡常數 Flory等活性理論：單官能團化合物的分子鏈到達一定長度之后，其官能團的化學反響活性與分子鏈長無關。 按照官能團等活性理論，可以用一個

14、平衡常數表征整個聚合反響的平衡特征，并以體系中的官能團濃度代替單體濃度。以聚酯反響為例，那么其平衡常數為方括號的含義是代表官能團的濃度和小分子的濃度。 Flory等活性理論的適用條件：縮聚反響體系必須是真溶液，均相體系，全部反響物、中間產物和最終產物都溶于這個介質。官能團所處的環(huán)境鄰近基團效應和空間阻礙兩方面因素在反響過程中應當不變。聚合物的相對分子質量不能太高，反響速率不能太大，反響體系黏度不能太高，以不影響小分子產物的逸出、不阻礙建立平衡為限，不能使擴散成為控制速率的主要因素。4) 反響程度和聚合度 考慮到在線型縮聚反響中實際參加反響的是官能團而不是整個單體分子，所以通常采用已經參加了反響

15、的官能團與起始官能團的物質的量之比即反響程度來表征該反響進展的程度：=已反響官能團數起始官能團總數式中：為反響起始時單體的總物質的量；N為縮聚反響體系中同系物(含單體)的總物質的量。線型平衡縮聚物的數均聚合度與反響程度的關系為 線型平衡縮聚物的重均聚合度與反響程度的關系為 線型平衡縮聚物相對分子質量分散度為當線型平衡縮聚反響程度很高()時，聚合物的分散度接近于2。 5) 縮聚反響中的副反響縮聚通常在較高的溫度下進展，往往伴有基團消去、化學降解、鏈交換等副反響。縮聚反響中的副反響：鏈裂解反響是發(fā)生于縮聚物分子鏈與小分子有機或無機化合物之間的副反響，如聚酯的水解、醇解、酸解、胺解等。鏈交換反響發(fā)生

16、于兩個大分子鏈之間的副反響。環(huán)化反響是發(fā)生于大分子鏈內的副反響。官能團分解反響是發(fā)生于大分子鏈內的副反響，如高溫下羧基的脫羧、醇羥基的氧化反響等?？s聚副反響的結果：鏈裂解使聚合度降低。鏈交換使分散度降低，鏈交換反響在一定程度上對改善縮聚物的性能有利。環(huán)化反響使聚合反響無法進展。官能團分解反響危及聚合反響的順利進展。 減少縮聚副反響所采取的措施：為了減輕鏈裂解副反響的影響，必須首先考慮提高原料單體的純度，來盡可能降低有害雜質特別是單官能團化合物的含量。提高單體濃度等有利于雙(多)分子之間反響的條件可以抑制環(huán)化副反響的發(fā)生；適當降低反響溫度對于減輕環(huán)化副反響的影響有一定效果。由于官能團分解反響的活

17、化能高于聚合反響，所以應盡可能防止反響溫度過高和反響器的局部過熱，同時惰性氣體排除反響器中的空氣是減少官能團分解副反響的有效措施。6) 線型平衡縮聚反響的影響因素 溫度、壓力、單體濃度、催化劑、攪拌和惰性氣體保護是影響縮聚反響的六個外因；平衡常數是影響縮聚反響的內因。 (1)反響溫度的影響。升高溫度使平衡常數和聚合度降低。升高溫度會提高線型平衡縮聚反響的速率，降低體系黏度，有利于排除小分子。升高溫度會導致副反響的發(fā)生，所以必須通過試驗確定最正確的反響溫度。 (2)反響器內壓力。在聚合反響后期減壓有利于排除小分子。在反響初期減壓不利于維持低沸點單體的等物質的量配比。所以，采取反響初期加壓反響后期

18、減壓的方法，就能兼顧既不破壞原料單體的物質的量配比，又可以到達更高的反響程度和聚合度的目的。(3)催化劑。催化劑可提高聚合反響速率，而反響平衡常數不改變。(4)單體濃度。高的單體濃度可以得到較高相對分子質量的聚合物。(5)攪拌。有利于反響物料的均勻混合與擴散。強化傳熱過程以利于溫度控制。有利于排除生成的小分子副產物。高強度的攪拌剪切力可導致線形大分子鏈斷裂，從而引發(fā)機械降解。(6)惰性氣體。防止氧化反響的發(fā)生。有利于排除反響過程中生成的小分子。又可能帶出單體，不利于維持低沸點單體的等物質的量配比。所以如果原料單體的沸點較低，那么不宜在反響初期，而只能在反響中后期通入惰性氣體。 7) 獲得高相對

19、分子質量縮聚物的根本條件獲得高相對分子質量縮聚物的重要條件是：單體純潔，無單官能團化合物。官能團等物質的量配比。盡可能高的反響程度，包括溫度控制、催化劑、后期減壓排除小分子、惰性氣體保護等。 2.2 官能團等活性概念官能團等活性概念：反響物的兩個官能團的反響活性是相等的，它與分子鏈的大小分子量無關，與另一個官能團是否已經反響也無關。適合縮聚反響的單體必須具備兩個根本條件：帶有兩個不同或一樣的官能團。這兩種官能團之間或者與別的單體的官能團之間可以進展化學反響并生成穩(wěn)定的共價鍵。單體活性的三個決定因素：官能團取代負電性。如羧酸衍生物的活性取決于?；〈碾娯撔源笮?，其?；〈碾娯撔栽酱?，羧酸

20、衍生物的活性越高。官能團鄰近基團。如甘油參加一般縮聚反響時伯羥基的反響活性較高，而促羥基的活性較低。碳原子數及環(huán)化傾向。特別注意的是，四五個碳原子的氨基酸和羥基酸具有強烈的環(huán)化傾向而不能聚合。2.3逐步聚合反響動力學在二元酸和二元醇的縮聚反響中，根據Flory等活性理論，可假定每一步的速率常數相等。1聚酯反響機理 Flory認為酸催化是酯化反響的必要條件。原料羧酸本身是能夠離解并提供質子的催化劑，發(fā)生“自催化作用，也可以采用外加酸作催化劑。2聚酯反響動力學方程 參加反響的官能團是等物質的量配比時，外加酸催化的聚酯反響屬于二級反響，其動力學方程為式中：外加酸；為羥基或羧基濃度。 參加反響的官能團

21、是等物質的量配比時，自催化三級反響動力學方程為 注意：上述兩個動力學方程并沒有考慮到逆反響。2.4聚合度與平衡常數的關系 官能團等活性和等物質的量配比時，線型平衡縮聚反響到達平衡時聚合物同系物(其中含單體)的平均聚合度()與平衡常數()、反響程度()以及體系中小分子存留率()之間的關系為 這是一個普遍公式，式中：，定義為存留在體系中小分子的物質的量分數；為生成小分子(這里用H2O代表)的物質的量。1密閉體系平衡聚合反響：單體與聚合物之間存在平衡關系的聚合反響稱為或可逆聚合反響。通常將逆反響叫做解聚反響?？s聚反響在與外界完全無傳質過程的所謂“密閉反響器中進展。 所以，密閉體系中進展的線型平衡縮聚

22、反響到達平衡時的聚合物同系物的聚合度完全由平衡常數決定。2敞開體系縮聚反響在能夠與外界進展傳質過程的敞開反響器中進展，即將小分子副產物不斷從反響體系中移走。 當聚合物平均相對分子質量在10 000以上時，反響程度可近似地取為1，那么 許爾茲公式所以，對于絕大多數線型平衡縮聚反響而言，要獲得高相對分子質量的聚合物就必須保證反響在敞開的反響器中進展，同時需要排出小分子副產物，使殘留在反響體系中的小分子盡可能小。25 線型聚合反響的分子量控制根據不同的用途、在不同的場合對聚合物的相對分子質量控制的目的為以下二者之一：使聚合物的相對分子質量到達或接近預期的數值。使聚合反響在到達要求的相對分子質量時失去

23、進一步聚合的條件。可采用控制兩種官能團的配比或參加端基封鎖劑的方法。使聚合物的相對分子質量盡可能高。創(chuàng)造使大分子兩端的官能團能夠無限制地進展聚合反響的條件?？刂品肿恿客ǔＳ幸韵路椒ǎ嚎刂品错懗潭取？刂品错懝倌軋F的當量比。參加少量單官能團單體。1控制反響程度在任何情況下，縮聚物的聚合度均隨反響程度的增加而增加。逆反響和原料非等物質的量比均使反響程度有所限制，難以獲得高相對分享質量的縮聚物。2縮聚平衡對聚合度的影響 對于聚酯化一類可逆縮聚反響，平衡常數對反響程度進而對聚合度將產生很大影響。密閉體系中聚合度與平衡常數的定量關系為。敞開體系中聚合度與平衡常數和存留在體系中小分子的摩爾分數的定量關系為，

24、如不及時除去小分子副產物，由于逆反響，將得不到很高的反響程度和聚合度。3線型縮聚物聚合度的控制 反響程度和平衡條件是影響線型縮聚物聚合度的重要因素，卻不能用作控制的方法?？刂频姆椒ㄍ窃趦晒倌軋F等物質的量的根底上，使某官能團(或單體)稍過量或另加少量單官能團物質，使端基封鎖，不再反響，反響程度被穩(wěn)定在某一數值上，就可以制得預定聚合度的產物。12-2體系基團數化學計量不相等雙官能團單體A-A和B-B物質的量分別為和，分別為兩種單體分子數的2倍。定義為兩官能團物質的當量系數(摩爾系數)是數值小的官能團物質的量與數值大的官能團物質的量之比)。工業(yè)上用過量分率線形縮聚中某一單體過量的摩爾分率表示。即

25、：總的單體數為：或(起始物質的總數)(聚合物分子總數)當兩官能團等當量時 當p=1聚合反響100%完成時2兩雙官能團單體等當量比3官能團A和B總是以等當量存在，即r=1，參加單官能團單體，以到達控制和穩(wěn)定聚合物分子量的目的。2.6 線型聚合反響中的分子量分布2.7 逐步聚合反響實施方法欲使逐步聚合成功，必須考慮以下原那么和措施：原料要盡可能純潔。單體按化學計量配制，加微量單官能團物質或某雙官能團單體微過量來控制分子量；盡可能提高反響程度；采用減壓或其他手段去除副產物，使反響向聚合物方向移動。融熔縮聚：熔融縮聚是指反響溫度高于單體和縮聚物的熔點，反響體系處于熔融狀態(tài)下進展的反響。熔融縮聚的關鍵是

26、小分子的排除及分子量的提高。優(yōu)點：體系中組分少，設備利用率高，生產能力大。反響設備比較簡單，產品比較純潔，不需要后處理。缺點：要求生產分子量高的聚合物時有困難。長時間高溫加熱會引起氧化降解等副反響；要求官能團物質的量比例嚴格，條件比較苛刻。當聚合物熔點不超過300時，才能考慮采用熔融聚合。溶液縮聚：單體加適當催化劑在溶劑包括水中呈溶液狀態(tài)下進展的縮聚叫溶液縮聚。特點：反響溫度較低，一般為40100。反響設備簡單。由于溶劑的引入，設備利用率低，由于溶劑的回收處理，使工藝過程復雜化。選用溶劑時需要考慮的因素：溶劑的極性。溶劑化作用。溶劑的副反響。界面縮聚：兩單體分別溶解于兩不互溶的溶劑中，反響在兩

27、相界面上進展的縮聚稱之為界面縮聚，具有明顯的外表反響的特性。 特點：復相反響，將兩單體分別溶于互不相溶的溶劑中。不可逆。界面縮聚的總速率決定于擴散速率。高分子量聚合物的生成與總轉化率無關。相對分子質量對配料比敏感性小。反響溫度低，相對分子質量高。所用設備體積大，利用率低。固相縮聚：是在玻璃化溫度以上，熔點以下的固態(tài)所進展的縮聚反響。2.8體形縮聚1) 體形縮聚的特點 體型縮聚反響的特點：可分步進展。存在凝膠化過程。凝膠點之后，聚合反響速率較同類線型反響的反響速率低。凝膠化過程也叫凝膠化現象，即體型縮聚反響當反響程度到達某一數值時，反響體系的黏度會突然增加，突然轉變成不溶、不熔、具有交聯(lián)網狀構造

28、的彈性凝膠的過程。此時的反響程度被稱做凝膠點。通常以氣泡在體系中不能上升為判據。凝膠化過程發(fā)生時，體系中存在凝膠和溶膠兩個局部。凝膠(gel)是呈交聯(lián)網狀構造的體形聚合物，不溶于一切溶劑；溶膠那么是被包裹在凝膠的網狀構造中的鏈形聚合物，其相對分子質量較小，是可以溶解的。溶膠可用溶劑浸取出來，溶膠還可以進一步交聯(lián)成凝膠。2)無規(guī)預聚物和構造預聚物 (1)無規(guī)預聚物。通常將在接近凝膠點時終止聚合反響，得到的相對分子質量不高、可以在加工成型過程中交聯(lián)固化的聚合物叫做預聚物。將分子鏈端的未反響官能團完全無規(guī)的預聚物通常叫做無規(guī)預聚物。例如，堿催化酚醛樹脂、脲醛樹脂、醇酸樹脂、三聚氰胺樹脂(即密醛樹脂)

29、都屬于此類。在工藝上，根據反響程度的不同，將體型縮聚物的合成分為甲、乙、丙三個階段。 甲階樹脂(A-stage resin)的反響程度小于凝膠化開場時的臨界反響程度(凝膠點)，甲階聚合物具有良好的溶、熔性能。乙階樹脂(B-stage resin)接近，溶解性能變差，但仍能熔融。丙階樹脂(C-stage resin)的，已經交聯(lián)，不能再溶、熔。成型加工廠多使用乙階樹脂。 (2)構造預聚物。將具有特定的活性端基或側基、基團構造比較清楚的特殊設計的預聚物稱為構造預聚物。例如，環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、酸催化酚醛樹旨、制備聚氨酯用的聚醚二元醇和聚酯二元醇、遙爪聚合物都屬于此類。構造預聚物往往是線型低聚

30、物，其本身一般不能進一步聚合或交聯(lián)，第二階段交聯(lián)固化時，需另參加催化劑或其他反響性物質來進展，這些參加的催化劑或其他反響物通常叫固化劑。1. Carothers方程法 平均官能度：是指在兩種或兩種以上單體參加的混縮聚或共縮聚反響中，在到達凝膠點以前的線型縮聚反響階段，反響體系中實際能夠參加反響的各種官能團總物質的量與單體總物質的量之比。體型縮聚的重點是凝膠點計算。凝膠點計算的關鍵是平均官能度的計算。對于兩種官能團參加的體型縮聚反響的平均官能度的計算要點是：按照官能團的種類將單體分為兩組，分別計算兩種官能團的總物質的量；比較兩種官能團總物質的量的大小，判斷體系官能團的配比是等物質的量還是不等物質

31、的量，選擇相應的公式計算平均官能度；將平均官能度帶入Carothers方程即可計算出凝膠點。應當注意的是計算凝膠點的數值一定小于或等于1，通常情況下應該保存三位有效數字。 Carothers對體型縮聚反響線型階段作如下兩點合理假定：在線型縮聚階段每進展一步反響都必然等量消耗兩個不同的官能團，同時伴隨著一個同系物分子的消失。到達凝膠化過程發(fā)生的那一刻，聚合物的相對分子質量急速增大直至發(fā)生交聯(lián)，此時將聚合度定義為無窮大。于是按照反響程度定義，可以得到Carothers方程：1反響物等當量聚合度與單體平均官能度及反響程度的關系式：或凝膠點時：2反響物不等當量 兩種單體非等當量時，可以簡單的認為，聚合

32、反響程度是與量少的單體有關。另一單體的過量局部對分子量增長不起作用。如對一個三元混合物體系，單體，和的摩爾分數分別為、和，官能度分別為、和。單體和含有同樣的A官能團，并且B官能團過量，即,那么平均官能度為：或式中是A和B官能團的當量系數，它等于或小于1，是的單體所含A官能團占總的A官能團的分數。2. Flory統(tǒng)計凝膠點計算支化系數：為高分子鏈末端支化單元上一給定的官能團連接到另一高分了鏈的支化單元的幾率。 臨界支化系數為： 普遍情況分析：支化系數： 凝膠化時反響程度：當兩種官能團等當量時，r=1，且，時：當沒有A-A單體時，r1，時 在同樣的反響程度下，支化聚合物的重量分布比線型聚合物的寬。

33、當多官能團單體的官能度增大時，支化聚合物的分布變得更寬，隨著的增大，分布也變寬。3.凝膠點的測定方法 多官能團體系聚合至某一程度，體系黏度急增，氣泡無法上升，此時立即取樣分析殘留官能團，計算反響程度，這就是實測凝膠點。通常情況下，實測凝膠點是最接近實際值。實測凝膠點的誤差只是來源于實驗誤差。4.三種凝膠點的數值比較三種凝膠點的數值比較：Flory統(tǒng)計學公式計算的凝膠點數值 實測凝膠點數值 Carothers方程計算的凝膠點數值。如果將Flory統(tǒng)計學公式和Carothers方程計算的凝膠點加以平均，那么數值與實際凝膠點就比較接近。 Carothers方程計算的凝膠點數值偏小的原因：Caroth

34、ers在推導凝膠點公式的時候假定聚合度無窮大時才發(fā)生凝膠化，實際上，聚合度不太高時就開場凝膠化。Flory統(tǒng)計學公式計算的凝膠點數值偏大的原因：Flory在作統(tǒng)計學處理時未考慮分子內的環(huán)化副反響，也未考慮發(fā)生凝膠化時反響條件相對于官能團等活性條件的偏離。反響程度與轉化率：參加反響的官能團數占起始官能團數的分率。參加反響的反響物單體與起始反響物單體的物質的量的比值即為轉化率。凝膠化現象凝膠點：體型縮聚反響進展到一定程度時，體系粘度將急劇增大，迅速轉變成不溶、不熔、具有交聯(lián)網狀構造的彈性凝膠的過程，即出現凝膠化現象。此時的反響程度叫凝膠點。預聚物：體形縮聚過程一般分為兩個階段，第一階段原料單體先局

35、部縮聚成低分子量線形或支鏈形預聚物，預聚物中含有尚可反響的基團，可溶可熔可塑化。該過程中形成的低分子量的聚合物即是預聚物。無規(guī)預聚物：預聚物中未反響的官能團呈無規(guī)排列，經加熱可進一步交聯(lián)反響。這類預聚物稱做無規(guī)預聚物。構造預聚物：具有特定的活性端基或側基的預聚物稱為構造預聚物。構造預聚物往往是線形低聚物，它本身不能進一步聚合或交聯(lián)。第三章自由基聚合根本概念活性種：翻開單體的鍵，使鏈引發(fā)和增長的物質，活性種可以是自由基，也可以是陽離子和陰離子。 均裂：化合物共價鍵的斷裂形式，均裂的結果，共價鍵上一對電子分屬兩個基團，使每個基團帶有一個獨電子，這個帶獨電子的基團呈中性，稱為自由基。異裂：化合物共價

36、鍵的斷裂形式，異裂的結果，共價鍵上一對電子全部歸屬于其中一個基團，這個基團形成陰離子，而另一缺電子的基團，稱為陽離子。自由基聚合：以自由基作為活性中心的連鎖聚合。離子聚合：活性中心為陰、陽離子的連鎖聚合。陽離子聚合：以陽離子作為活性中心的連鎖聚合。陰離子聚合：以陽離子作為活性中心的連鎖聚合。帶有供電基團(如烷氧基、烷基、苯基、乙烯基等),使碳-碳雙鍵電子云密度增加,有利于陽離的進攻和結合.而腈基和羰基醛、酮、酸、酯等吸電子基團使雙鍵電子云密度降低，并使陰離子增長種共軛穩(wěn)定，故有利于陰離子聚合。轉化率：單體轉化為聚合物的分率，等于轉化為聚合物的單體量比去用去單體總量。聚合動力學：指聚合速率、分子

37、量與引發(fā)劑濃度、單體濃度、聚合溫度等因素間的定量關系。3.1 判斷某種聚合物能否進展聚合反響1. 可進展連鎖聚合單體的特點 研究可進展連鎖聚合單體的構造特點主要涉及能夠作為聚合反響單體的烯烴的根本條件，以及單體構造與聚合反響類型之間的關系。具體而言，首先從烯烴取代基所造成位阻大小的角度判斷其能否進展聚合，然后再從取代基電負性和共軛性的角度判斷其能夠進展哪一種或哪幾種類型的聚合反響。1取代基的數目、位置、大小決定烯烴能否進展聚合1一取代烯烴原那么上都能夠進展聚合反響。2取于1，1-二取代的烯類單體，一般都能按取代基的性質進展相應機理的聚合。并且由于構造上不對稱、極化程度增加，因而其更易聚合。但當

38、兩個取代基都是體積較大的芳基時，只能形成二聚體。31，2-二取代的烯類單體，由于其構造對稱、極化程度低和位阻效應，一般不能均聚或只能形成二聚體。4三取代乙烯和四取代乙烯一般不能聚合，但氟代乙烯是例外，不管氟代的數目和位置如何，均易聚合，這是氟的原子半徑較小的緣故。2取代的電負性和共軛性決定烯烴的聚合反響類型1帶吸電子取代基的烯烴能夠進展自由基型和陰離子型兩種聚合反響；2帶推(供)電子取代基的烯烴能夠進展陽離子型聚合反響。但是丙烯除外，只能進展配位聚合。3帶共軛取代基的烯烴能夠進展自由基、陰離子和陽離子三種類型的聚合反響。下面列出烯烴取代基的種類與其能夠進展的聚合反響類型的相關性：2. 從連鎖聚

39、合反響熱力學角度分析 烯烴單體通過加成聚合反響生成聚合物的過程，是一個從無序到線形有序、熵值降低的過程。從熱力學角度考慮，聚合反響過程熵值降低所造成的熱力學障礙必須以分子熱力學能近似為焓增量，即聚合熱的負值的降低來補償，也就是說聚合熱越大，聚合反響越易進展。 從單體角度出發(fā)，以乙烯聚合熱為基準，使聚合熱改變的四個因素：取代基位阻效應使聚合熱降低；取代基共軛效應使聚合熱降低；氫鍵和溶劑化效應使聚合熱降低；強電負性取代基F，Cl使聚合熱升高。 聚合上限溫度Tc：G=0，聚合和解聚處于平衡狀態(tài)時的溫度即為聚合上限溫度，在此溫度以下進展的聚合反響無熱力學障礙；超過聚合上限溫度聚合就無法進展。, 平衡溫

40、度： 在此溫度以下進展的聚合反響無熱力學障礙；高于此溫度聚合物將自動降解或分解；在此溫度或稍低于此溫度條件下單體的聚合反響十分困難。也可以通過實驗測定聚合反響轉化率與溫度的關系，再外推至轉化率為零時的溫度()。3.2 自由基聚合反響機理1. 自由基的產生及其活性 某些有機化合物或無機化合物中弱共價鍵的均裂和具有單電子轉移的氧化復原反響是產生自由的兩種主要方式。除此之外，加熱、光照和高能輻射等方式也可以產生自由基。 自由基的活性主要決定于三個因素，即共軛效應、誘導效應和空間位阻效應。誘導效應：單體的取代基的供電子、吸電子性。共軛體系：在某些有機化合物分子中，由于雙鍵、p電子或空的p軌道的相互影響

41、與作用，使得電子云不能僅僅局限在某個碳原子上，而是分散在一定范圍內多個原子上的離域體系中，這種離域體系就是共扼體系。共軛效應：共扼效應存在于共扼體系中，它是由于軌道相互交蓋而引起共扼體系中各鍵上的電子云密度發(fā)生平均化的一種電子效應。共扼效應使體系的鍵長趨于平均化，體系能量降低，分子趨于穩(wěn)定。可分為-共軛、p-共軛、-共軛、-p共軛?？臻g位阻效應：由取代基的體積、數量、位置所引起的效應，它對單體聚合能力有顯著的影響，但它不涉及對活性種的選擇。一般而主：取代基的共軛效應的結果，使自由基電子云密度降低，從而降低了自由基的能量，自由基穩(wěn)定性增強。取代基誘導效應：推電子取代基的+I效應使自由基電子云密度

42、增加，能力升高，自由基穩(wěn)定性降低；而吸電子取代基的-I效應使自由基電子云密度降低，能量降低，自由基穩(wěn)定性增強?？臻g位阻效應：取代基的位阻和排斥作用，給自由基的反響增加了困難，自由基穩(wěn)定性增強。 當和對自由基穩(wěn)定性影響發(fā)生矛盾時，共軛效應起主導作用。當和對自由基穩(wěn)定性影響發(fā)生矛盾時，空間位阻效應起主導作用。 判斷哪一類活性的自由基適合引發(fā)烯烴單體進展聚合的總原那么是：活性太高的自由基如氫自由基或甲基自由基的產生需要很高的活化能，自由基的產生和聚合反響的實施都相當困難?；钚蕴偷淖杂苫绫寤杂苫拖┍杂苫漠a生非常容易，但是它們不僅無法引發(fā)單體聚合，反而常常會與別的活潑的自由基進展獨電子之間的

43、配對成鍵，形成穩(wěn)定的化合物。中等活性的自由基如等和苯基自由基是引發(fā)單體進展聚合反響最常見的自由基。2. 自由基聚合的基元反響自由基聚合反響包括：鏈引發(fā)、鏈增長和鏈終止。鏈引發(fā)：形成單體自由基活性種的反響。鏈引發(fā)包括兩步：初級自由基的形成即引發(fā)劑的分解，吸熱反響，單體自由基的形成放熱反響。鏈增長：單體自由基形成后，它仍具有活性，能翻開第二個烯類分子的雙鍵，形成新的自由基，新自由基的活性并不隨著鏈段的增加而衰減，與其它單體分子結合成單元更多的鏈自由基，即鏈增長。其有兩個特征:一是放熱反響,二是增長活化能低,增長速率極高。鏈終止：自由基活性高，有相互作用終止而失去活性的傾向。 鏈自由基失去活性形成穩(wěn)

44、定聚合物的反響稱為鏈終止反響 。自由基聚合反響的特點是：慢引發(fā)、快增長、速終止，三者的速率常數遞增。其中鏈引發(fā)反響速率主要是由引發(fā)劑分解速率決定。鏈終止反響包括雙基終止和轉移終止兩種類型。單基終止：鏈自由基從單體、溶劑、引發(fā)劑等低分子或大分子上奪取一個原子而終止，這些失去原子的分子可能形成新的自由基繼續(xù)反響，也可能形成穩(wěn)定的自由基而停頓聚合。雙基終止：鏈自由基的獨電子與其它鏈自由基中的獨電子或原子作用形成共價鍵的終止反響。雙基終止包括雙基偶合終止和雙基歧化終止。偶合終止：兩鏈自由基的獨電子相互結合成共價鍵的終止反響，偶合終止的結果是大分子的聚合度為鏈自由基重復單元數的兩倍。 歧化終止：某鏈自由

45、基奪取另一自由基的氫原子或其他原子終止反響。歧化終止的結果是聚合度與鏈自由基的單元數一樣。鏈轉移：在自由基聚合過程中，鏈自由基可能從單體(M)、溶劑(S)、引發(fā)劑(I)等低分子或大分子上奪取原子而終止，使失去原子的分子成為自由基，繼續(xù)新鏈的增長，這一反響叫鏈轉移反響。鏈轉移結果，自由基數目不變。鏈轉移反響包括：向單體轉移、向引發(fā)劑轉移、向溶劑轉移、向大分子轉移和向阻聚物質轉移。3. 自由基聚合反響特點 自由基聚合的反響特點為：微觀上，自由基聚合反響可以明顯地區(qū)分成鏈的引發(fā)、增長、終止、轉移等基元反響。其中引發(fā)速率小，是控制總聚合速率的關鍵。可以概括為慢引發(fā)、快增長、速終止。只有鏈增長反響才使聚

46、合度增加。一個單體分子轉變成大分子的時間極短，反響不能停留在中間聚合度階段，反響混合物僅由單體和聚合物組成。在聚合過程中，聚合度變化較小。在聚合過程中，單體濃度逐漸降低，聚合物濃度相應提高。延長聚合時間主要是提高轉化率，對相對分子質量影響較小。少量(0.01%0.1%)阻聚劑足以使自由基聚合反響終止。3.3 鏈引發(fā)反響 烯類單體可采用引發(fā)劑產生活性種、引發(fā)聚合。在某些特殊情況下，也可采用熱、光、高能輻射等引發(fā)方式。引發(fā)劑：在聚合體系中能夠形成活性中心的物質，使單體在其上連接分為自由基引發(fā)劑，離子引發(fā)劑。1. 引發(fā)劑和引發(fā)作用1引發(fā)劑種類常用的自由基聚合反響引發(fā)劑包括過氧類化合物、偶氮類化合物以

47、及氧化復原反響體系三大類。過氧人苯甲酰BPO、偶氮二異丁腈(AIBN)、過硫酸鹽、亞鐵離子與過氧化氫含其他過硫酸鹽的氧化復原體系是最重要的四種引發(fā)劑。其中BPO和AIBN是油溶性引發(fā)劑，過硫酸鹽是水溶性引發(fā)劑。值得一提的是，AIBN分解后形成的異丁腈自由基是碳自由基，缺乏脫氫能力，因此不能用作接枝聚合的引發(fā)劑。氧化復原引發(fā)體系的優(yōu)點是活化能較低，可在較低溫度(550)下引發(fā)聚合，而且具有較高的聚合速率。氧化復原引發(fā)體系的組分可以是無機化合物或有機化合物，其性質可以是水溶性或油溶性。2引發(fā)劑分解反響動力學 通常用半衰期：物質分解至起始濃度計時起點濃度一半時所需的時間。分別表示引發(fā)劑起始t=0濃度

48、和t時的濃度，單位為molL-1，實驗中只需測定恒定溫度條件下引發(fā)劑濃度與時間的對應變化關系，以對t作圖，便可求得。3) 引發(fā)效率引發(fā)效率：是指引發(fā)劑分解生成的初級自由基總量中真正能夠與單體反響最后生成單體自由基并開場鏈增長反響的百分數。造成降低的主要因素是引發(fā)劑的誘導分解和溶劑的籠蔽效應。引發(fā)劑效率：引發(fā)聚合局部引發(fā)劑占引發(fā)劑分解消耗總量的分率稱為引發(fā)劑效率。誘導分解：誘導分解實際上是自由基向引發(fā)劑的轉移反響，其結果是消耗一分子引發(fā)劑而自由基數目并不增加，從而使引發(fā)劑效率降低。AIBN一般無誘導分解。氫過氧化物ROOH特別容易發(fā)生誘導分解。丙烯腈、苯乙烯等活性較高的單體，能迅速與引發(fā)劑作用，

49、引發(fā)增長，因此較高。相反，如乙酸乙烯酯一類低活性單體，對自由基的捕捉能力較弱，為誘導分解創(chuàng)造條件，因此較低。籠蔽效應：在溶液聚合反響中，濃度較低的引發(fā)劑分子及其分解出的初級自由基始終處于含大量溶劑分子的高黏度聚合物溶液的包圍之中，一局部初級自由基無法與單本分子接觸而更容易發(fā)生向引發(fā)劑或溶劑的轉移反響，從而使引發(fā)劑效率降低。AIBN在溶液聚合中可能發(fā)生初級自由基的雙基終止而使降低。2. 其它引發(fā)方式熱引發(fā)聚合：聚合單體中不參加引發(fā)劑，單體只在熱的作用下，進展的聚合稱為熱引發(fā)聚合。一般而言，活潑單體如苯乙烯及其衍生物、甲基丙烯酸甲酯等容易發(fā)生熱引發(fā)聚合。光引發(fā)聚合：單體在光的激發(fā)下不參加引發(fā)劑，發(fā)

50、生的聚合稱為光引發(fā)聚合。可分為直接光引發(fā)聚合和光敏聚合兩種。光直接引發(fā)聚合：單體吸收一定波長的光量子后成為激發(fā)態(tài)，再分解成自由基而進展聚合反響。能直接承受光照進展聚合的單體一般是一些含有光敏基團的單體，如丙烯酰胺、丙烯腈、丙烯酸酯，苯乙烯等。光敏聚合：在光敏引發(fā)劑存在下，單體吸收光能而受激發(fā)，接著分解成自由基，再引發(fā)單體聚合。光敏聚合有光敏引發(fā)劑直接引發(fā)聚合和間接光敏引發(fā)劑間接引發(fā)聚合兩種。光敏引發(fā)劑直接引發(fā)聚合：光敏引發(fā)劑經光激發(fā)后，可成為自由基，進而引發(fā)單體進展的聚合反響。常用的光敏引發(fā)劑有AIBN、甲基乙烯基酮和安息香等。間接光敏引發(fā)劑間接引發(fā)聚合：間接光敏劑吸收光后，本身并不直接形成自

51、由基，而是將吸收的光能傳遞給單體或引發(fā)劑而引發(fā)聚合。常用的間接光敏劑有二苯甲酮和熒光素、曙紅等。光敏劑：指那些受到光照容易發(fā)生分子內電子激發(fā)的一類化合物。光引發(fā)效率：又稱為自由基的量子產率，表示每吸收一個光量子產生的自由基對數。輻射聚合：以高能輻射線引發(fā)單體聚合，即為輻射聚合。輻射劑量：指輻射線傳給物質的能量，一般將每克物質吸收10-5J的能量作為輻射吸收劑量的單體。輻射吸收劑量與劑量率可用于衡量輻射聚合效應的大小。3.4 自由基聚合反響速率1. 聚合過程 聚合過程的速率變化常用轉化率-時間曲線表示。整個聚合過程一般可以分為誘導期、聚合初期、中期、后期四個階段。誘導期：聚合初期初級自由基不是引

52、發(fā)單體聚合而是用于消耗體系內存在的雜質所需的時間。在誘導期內無聚合物形成，聚合速率為零。2. 聚合反響初期動力學 四個根本假設：忽略鏈轉移反響，終止方式為雙基終止。Flory等活性理論：鏈自由基的活性與鏈長短無關，即各步鏈增長常數相等，可用kp表示。穩(wěn)定假定：在反響開場短時間后，增長鏈自由基的生成速率等于其消耗速率()，即鏈自由基濃度保持不變，呈穩(wěn)態(tài)，。聚合產物的聚合度很大，鏈引發(fā)所消耗的單體遠少于鏈增長過程產生的單體，因此可以認為單體僅消耗于鏈增長反響。自由基聚合方程式引發(fā)劑方式引發(fā)劑速率 Ri聚合速率 Rp動力學鏈長 引發(fā)劑引發(fā)熱引發(fā)光引發(fā)3.溫度對聚合速率的影響總速率常數k()與溫度T(

53、K)的關系遵循Arrhsnius方程式： 兩端取對數，那么由于E為大于0的數值，所以升高溫度將導致聚合速率的升高。從另一個角度講，選擇高活性(低活化能)引發(fā)劑，同樣能夠提高聚合速率。如采用低活化能的氧化復原引發(fā)體系能夠在較低溫度下獲得較高的聚合速率。4. 自動加速現象自動加速現象：聚合中期(聚合反響的轉化率到達1520%以上時)隨著聚合的進展，聚合速率逐漸增加，出現自動加速現象，自動加速現象主要是體系粘度增加所引起的，因此又稱凝膠效應。其產生和開展的過程如下：粘度升高導致大分子鏈端自由基被非活性的分子鏈包圍甚至包裹，自由基之間的雙基終止變得困難，體系中自由基的消耗速率減小而產生速率卻變化不大，

54、最終導致自由基濃度迅速升高。其結果是聚合反響速率迅速增大，體系溫度升高。這一結果又反響回來使引發(fā)劑分解速率加快，這就導致了自由濃度進一步升高。于是形成循環(huán)正反響：自由加速過程產生的結果：導致聚合反響速率的迅速增加，體系溫度迅速升高。導致相對分子質量和分散度都升高。自動加速過程如果控制不當有可能嚴重影響產品質量，甚至發(fā)生局部過熱，并最終導致爆聚和噴料等事故。影響自動加速現象程度和出現早晚的因素：聚合物在單體或溶劑中溶解性能的好壞，會影響到鏈自由基卷曲、包埋的程度，以致對雙基終止速率的影響很大。自動加速現象在不溶解聚合物的非溶劑中出現的較早、較明顯，此時可能有單基終止，對引發(fā)劑濃度的反響級數將為0

55、.51，極限的情況(如丙烯腈)會接近于1。自動加速現象在良溶劑中較少出現，在不良溶劑中的情況那么介于非溶劑(沉淀劑)和良溶劑之間。溫度的影響表達在溫度對聚合體系粘度的影響。由于在較低溫度下聚合體系的粘度較高，所以自動加速現象出現得較早、較明顯。3.5 聚合度和鏈轉移反響1. 動力學鏈長動力學鏈長：每個活性種從引發(fā)階段到終止階段所消耗的單體分子數定義為動力學鏈長，動力學鏈在鏈轉移反響中不終止。在自由基聚合中，增加引發(fā)劑或自由基濃度來提高聚合速率的措施，往往使產物分子量降低。引發(fā)劑引發(fā)時，產物平均聚合度一般隨著溫度升高而降低。在穩(wěn)態(tài)、無鏈轉移反響時，等于鏈增長速率與鏈終止速率或引發(fā)之比，當引發(fā)劑引發(fā)時，引發(fā)速率，其方程見上表。2. 無鏈轉移時的聚合度 雙基偶合終止時，平均聚合度，雙基歧化終止時，。兼有兩種方式終止時，那么，其值為：，C，D分別為偶合終止、歧化終止的分率。3. 聚合溫度對聚合度的影響4. 鏈轉移反響對聚合反響速率和聚合度的影響鏈轉移反響通常包括鏈自由基向單體、向引發(fā)劑、向溶劑、向大分子的轉移反響。發(fā)生鏈轉移反響的結果包括兩個方面：向單體、引發(fā)劑和溶劑的轉移反響均導致鏈自由基的提前終止，從而使聚合度降低；向大分子的轉移反響使分散