第二章逐步聚合反應

第一節(jié)引言按聚合機理或動力學分類：★連鎖聚合（chainpolymerization）------活性中心（activecenter）引發(fā)單體，迅速連鎖增長★逐步聚合（stepwisepolymerization）------無活性中心，單體所帶的不同官能團間相互反應而逐步增長目前一頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點逐步聚合：是指具有兩個或兩個以上官能團的低分子化合物相互反應而逐步生成高分子化合物的反應。逐步聚合是高分子合成最基本的類型之一。所謂逐步指一個時刻一步反應，反應的結(jié)果既可能為反應的產(chǎn)物，也可以作為反應的中間體，或者說每步反應的速率常數(shù)和活化能都基本相同。因此每步反應的產(chǎn)物都有一定的穩(wěn)定性。目前二頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點逐步聚合反應類型：★縮合聚合：帶有兩個或兩個以上官能團的單體之間連續(xù)、重復進行的縮合反應，即縮掉小分子而進行的聚合（典型逐步聚合，重點研究），主要的縮聚物有聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚酰亞胺等。大部分縮聚屬于逐步聚合機理，縮聚又占了逐步聚合的大部分。本章就以縮聚反應為代表。目前三頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點例如聚酯反應：二元醇與二元羧酸、二元酯、二元酰氯等之間的反應?？s聚反應舉例：縮聚反應的特點：在生成聚合物分子的同時，伴隨有小分子副產(chǎn)物的生成，如H2O,HCl,ROH等。目前四頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點★聚加成：單體分子多次官能團間加成，聚合物形成的過程中無小分子析出，就是含活潑氫功能基的親核化合物與含親電不飽和功能基的親電化合物之間的聚合。如聚氨酯的合成。逐步聚合反應類型：目前五頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點目前六頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點★

Diels-Alder加成聚合：含共軛雙烯的單體與另一烯類（或其它提供雙鍵的單體）發(fā)生1，4加成，制得梯形聚合物，即多烯烴的環(huán)化聚合。特點：與縮聚反應不同，這些反應都沒有小分子副產(chǎn)物生成。逐步聚合反應類型：目前七頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點★氧化偶合反應：單體與氧氣的縮合反應—如2,6-二甲基苯酚和氧氣形成聚苯撐氧，也稱聚苯醚PPO逐步聚合反應類型：★開環(huán)反應：部分為逐步反應，如水、酸引發(fā)己內(nèi)酰胺的開環(huán)生成尼龍-6目前八頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點3）按參加反應單體種類：均縮聚：aRb→混縮聚：aRa+bR’b→共縮聚：aRa+bR’b+cR”c→縮聚反應的分類（本章就以縮聚反應為代表）1）按反應熱力學分類：平衡縮聚（或可逆縮聚）K<103

如聚酯K=4不平衡縮聚（不可逆縮聚）K>103

如聚碳酸酯2）按生成聚合物的結(jié)構(gòu)分類：線型縮聚—如二元酸與二元醇生成聚酯的反應體型縮聚—如丙三醇和鄰苯二甲酸酐的反應目前九頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點本書的內(nèi)容安排（本章的重點）：縮合聚合線形逐步聚合非線形逐步聚合平衡線形逐步聚合不平衡線形逐步聚合目前十頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點第二節(jié)縮聚反應目前十一頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點縮合反應和縮聚反應目前十二頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點………………目前十三頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點一、縮聚反應的定義特點：縮聚物有特征結(jié)構(gòu)官能團有低分子副產(chǎn)物縮聚物和單體分子量不成整數(shù)倍官能團間經(jīng)過多次縮合形成聚合物的反應，即縮合聚合反應的簡稱。目前十四頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點二、縮聚反應的體系官能度（functionalitiy）：分子中能參加反應的官能團數(shù)只要反應體系中有一種原料是單官能度物質(zhì)，無論其他原料的官能度為多少，都只能得到低分子產(chǎn)物。目前十五頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點目前十六頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點

能發(fā)生縮聚反應的單體必須具有兩個或兩個以上的官能團。目前十七頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點補充內(nèi)容：1、官能團一、官能團和官能度的概念高分子化學中的官能團：-OH，-NH2，-COOH，-COOR，-COCI，-H，-C，-SO3，-SO3CI,C-C重鍵，C-雜原子鍵，C-雜環(huán)，C環(huán)，N環(huán)。2、官能度官能度定義：一分子中能參加反應的官能團的數(shù)目f≥2f=2線型高分子f＞2支鏈型或體型

目前十八頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點3、官能團和官能度的關(guān)系為了明確官能團和官能度的關(guān)系，來看一些具體實例目前十九頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點三、縮聚反應單體的聚合反應活性了解單體聚合反應活性有利于選擇適當?shù)膯误w并確定適當?shù)木酆戏磻獥l件。1）單體參加縮聚反應的活性遵守類似有機化合物進行相應縮合反應的活性規(guī)律。聚合反應活性ClOCC6H4COCl>HOOCC6H4COOH>HO(CH2)2OOCC6H4COO(CH2)2OH官能團種類酰氯>酸酐>酸>醚或酯目前二十頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點2）單體參加縮聚反應的活性還與官能團所處的空間環(huán)境有關(guān)。對苯二胺＋對苯二甲酰氯間苯二胺＋間苯二甲酰氯氨基和酰氯基在苯環(huán)上的相對位置不同，它們的聚合反應活性就不同，縮聚反應速率及產(chǎn)物的性能也不同。目前二十一頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點3）雙官能團單體的碳原子數(shù)所決定的環(huán)化反應傾向的大小直接影響單體聚合反應能力。一些雙官能團（如a-R-b）化合物，如果碳原子數(shù)正好保證能夠形成穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，則分子內(nèi)環(huán)化反應傾向?qū)⑦h大于分子間的縮合反應傾向。

一般的規(guī)律是：3、4、8、9、10、11以及13元以上的環(huán)的張力均較大，可以忽略環(huán)化傾向；7、12元環(huán)的張力屬于中等；5、6元環(huán)的張力是最小。目前二十二頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點

因此，凡是能夠生成5、6元環(huán)的雙官能團單體的環(huán)化反應占主導地位，聚合反應無法進行。例如4-羥基丁酸HO(CH2)3COOH5-羥基戊酸HO(CH2)4COOH4-氨基丁酸H2N(CH2)3COOH5-氨基戊酸H2N(CH2)4COOH目前二十三頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點

特別注意：

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。分子內(nèi)環(huán)化mNH2(CH2)nCOOH→mHN(CH2)nCO分子間環(huán)化2NH2(CH2)nCOOH→在選擇縮聚反應的單體時要特別注意單體的成環(huán)傾向。目前二十四頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點第三節(jié)線形縮聚反應的機理目前二十五頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點參與反應的單體只含兩個功能基團，大分子鏈只會向兩個方向增長，分子量逐步增大，體系的粘度逐漸上升，獲得的是可溶可熔的線形高分子。線形縮聚平衡線形縮聚不平衡線形縮聚目前二十六頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點線形縮聚的機理：逐步和可逆例如：聚酯化反應一、平衡線形縮聚

指縮聚過程中生成的產(chǎn)物可被反應中伴生的小分子降解，單體分子與聚合物分子之間存在可逆平衡的逐步聚合反應。目前二十七頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點機理特征：逐步、可逆是官能團間的逐步反應，且每一步都是可逆的。∴逐步的可逆平衡反應目前二十八頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點二、線形縮聚反應的平衡常數(shù)該反應事實上包括n-1個反應，當然就存在n-1個平衡常數(shù)。目前二十九頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點那么這些平衡常數(shù)是否相等呢？n123458111315反應122.115.37.57.57.47.57.67.57.7反應26.08.78.47.87.57.67.57.7反應1反應2目前三十頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點由此理論可得出一下結(jié)論：對于以上聚酯反應而言，可以用一個平衡常數(shù)來描述縮聚反應的平衡特征。

P.J.Flory提出了官能團“等活性理論”，要點是：在一定條件下，官能團的化學反應活性與分子鏈的鏈長無關(guān)。目前三十一頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點因為縮聚反應的任何階段，反應的官能團參加反應的幾率是相等的。因此可以用官能團的濃度來表示分子的濃度。因此平衡常數(shù)可以表示如下：目前三十二頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點K中等：如聚酰胺反應（K≈300~500），低分子副產(chǎn)物對分子量影響有所影響。K可以衡量縮聚反應可逆的程度。根據(jù)K值大小，線形縮聚大致分三類：K較?。悍磻赡?，如聚酯化反應（K≈4），低分子副產(chǎn)物的存在對分子量影響較大。K很大：可看做不可逆反應。如聚砜、聚碳酸酯反應（K>1000）。目前三十三頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點所以：逐步特性是所有縮聚反應共有的，可逆平衡的程度則各類縮聚反應有明顯差別。目前三十四頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點三、反應程度和聚合度1）反應程度將已反應的官能團的數(shù)目與起始官能團的數(shù)目之比定義為反應程度，用以表征縮聚反應進行的程度（深度）。

注意：反應程度都是就某種官能團而言。起始官能團的數(shù)目t時刻未反應的官能團的數(shù)目目前三十五頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點N0----體系中起始的分子總數(shù)（總mol數(shù)）平均進入大分子鏈的單體數(shù)N----t時刻體系中除小分子而外的分子總數(shù)（總mol數(shù)）2）平均聚合度當?shù)萴ol（等當量）配料時：目前三十六頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點線形縮聚物聚合度與反應程度的關(guān)系（等mol配比）可見，聚合初期和中期反應程度的快速增加并未使聚合度快速升高。

反應后期，反應程度的微小增加即導致聚合度的快速上升。這是縮聚反應的一大特點。反應程度P00.50.670.80.950.990.9950.9991聚合度1235201002001000∞目前三十七頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點目前三十八頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點例1：假設有10個氨基己酸分子參加反應，當反應進行到t時刻時全部生成5個二聚體，問此時的反應程度和轉(zhuǎn)化率分別為多少？解答：就氨基而言，反應程度=（10-5/10）=50%而轉(zhuǎn)化率=10/10=100%目前三十九頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點目前四十頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點四、縮聚反應中的副反應1）化學降解（鏈裂解反應）----發(fā)生于縮聚物分子鏈與小分子之間的副反應，水解、醇解、酸解、胺解等。使合成產(chǎn)物相對分子質(zhì)量降低。目前四十一頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點

相對分子質(zhì)量相差懸殊的分子之間更容易發(fā)生鏈交換，所以其結(jié)果將使分子量分布變窄。2）鏈交換反應----發(fā)生于兩個大分子鏈間的副反應，相對分子質(zhì)量不變，分子量分布變窄。目前四十二頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點3）環(huán)化反應和官能團分解反應----這是發(fā)生于大分子鏈內(nèi)的副反應，嚴重影響反應進行。某些單體的官能團可能在比較劇烈的反應條件下發(fā)生分解，從而導致單體或縮聚反應中間產(chǎn)物喪失反應能力。例如：羧基的脫羧；醇羥基的氧化反應等。這些副反應將使聚合度大大降低。目前四十三頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點線形逐步聚合反應中存在兩種環(huán)化反應：分子內(nèi)環(huán)化與單體單元環(huán)化。

是AB型單體線型縮聚反應中重要的副反應，環(huán)的形成由A和B功能基間的平均距離控制。★無限高濃度且分子鏈很長時，A功能基旁總是別的分子鏈上的B功能基，相互反應生成線形高分子；★無限稀濃度時，A功能基旁的總是同一分子鏈上的B功能基，相互反應生成環(huán)狀高分子，即分子內(nèi)環(huán)化。目前四十四頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點分子內(nèi)環(huán)化分子內(nèi)環(huán)化反應已被用來合成環(huán)狀低聚物與環(huán)狀高分子。

環(huán)狀低聚物可用作開環(huán)聚合的單體，具有以下優(yōu)點：1）沒有小分子副產(chǎn)物生成；2）聚合反應速率高；3）所得聚合物的分子量分布窄。

環(huán)狀高分子則由于不含未反應的末端功能基，其分子量和性能不會因末端功能基間的反應而不穩(wěn)定。目前四十五頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點目前四十六頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點第四節(jié)線型縮聚反應動力學目前四十七頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點K小，不斷排出小分子K很大

動力學控制

不可逆線形逐步聚合K小，不排出小分子K小，部分排出小分子

熱力學控制可逆線形逐步聚合目前四十八頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點以聚酯反應為例一、不可逆線形縮聚動力學若將體系中的低分子副產(chǎn)物不斷排出，則反應不可逆地向正方向進行。如聚酯反應采用減壓脫水使平衡向產(chǎn)物方向移動，符合不可逆的條件。目前四十九頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點聚酯化反應屬于酸催化反應，反應機理如下及時移走及時排出水分，k4，k6=0，且k1，k2，k5>k3目前五十頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點聚酯化速率（羧基消失速率）由第三步反應來控制目前五十一頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點反應體系中的氫離子可以來自于單體羧酸本身，也可外加。這兩種情況的動力學過程不同。（1）自催化聚合（體系中的羧酸單體起自催化作用）

當二元酸和二元醇中兩種基團數(shù)量相同，無外加酸，則氫離子來自于二元酸本身。因此氫離子濃度等于羧基數(shù)量，也等于羥基數(shù)量。目前五十二頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點（mol/L）所以聚合速率為聚合度這一公式表明：自催化縮聚反應的聚合度隨聚合時間變化較緩慢。要獲得高分子量，需要較長時間。目前五十三頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點己二酸與四種二元醇的縮聚反應動力學曲線（自催化）1－癸二醇（202oC）；2－癸二醇（191oC）；3－癸二醇（161oC）；4－二縮乙二醇（166oC）反應程度P＝0.8～0.93范圍內(nèi)時，符合三級動力學關(guān)系。這可能與聚合初期酸性逐步降低有關(guān)目前五十四頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點（2）外加催化劑（外加催化劑濃度為常量）自催化縮聚反應的酯化速率太低。實用中（工業(yè)中）往往采用外加酸（如對甲苯磺酸）作催化劑。用外加酸作催化劑時，聚合過程中氫離子濃度不變目前五十五頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點聚合度外加酸催化縮聚反應的聚合度隨聚合時間變化較快。通常外加酸催化縮聚反應的速率常數(shù)比自催化聚合速率常數(shù)大1～2個數(shù)量級左右。因此工業(yè)上常采用外加酸催化工藝。所以聚合速率為目前五十六頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點對甲苯磺酸催化己二酸與兩種二元醇的縮聚反應動力學曲線O癸二醇（161oC）；＋二縮乙二醇（109oC）目前五十七頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點二、線形平衡縮聚動力學聚酯化反應平衡常數(shù)K值較小，小分子副產(chǎn)物若不及時排除，逆反應不能忽視。令羧基的起始濃度為C0，t時刻的濃度為C，分別考慮水不排除和部分排除（殘留水的濃度為nw）兩種情況：目前五十八頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點水不排除時，聚酯反應的總速率水部分排除時，聚酯反應的總速率目前五十九頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點代入式2-21和2-22因為又目前六十頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點可以看出，總反應速率與反應程度p、低分子副產(chǎn)物濃度nw及平衡常數(shù)K有關(guān)。當K值很大或nw很小時，式2-24右邊第二項就可以忽略，等同于外加酸催化的不可逆動力學?？s聚反應大多呈現(xiàn)可逆條件下的動力學，所以要達到高分子量，副產(chǎn)物盡可能除盡，工業(yè)上采取高溫、高真空的方法。目前六十一頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點第五節(jié)線型平衡縮聚產(chǎn)物分子量目前六十二頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點一、聚合度與平衡常數(shù)及反應程度的關(guān)系（等摩爾配比時）已經(jīng)知道，部分排除水時不排除水時反應停止后，產(chǎn)物的分子量（聚合度）是多少呢？目前六十三頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點當正逆反應達到平衡，反應總速率等于零。1）封閉體系（即反應在“密閉反應器中”進行，生成的小分子完全存留在反應器中）目前六十四頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點聚酯化反應，K=4，P=0.67，Xn＝3聚酰胺反應，K=400，P=0.95，Xn＝21不可逆反應，K>103，P>0.969，Xn>32在密閉體系(單體等摩爾配比)目前六十五頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點2）開放體系（反應在敞開反應器中進行，生成的小分子可以逸散到大氣中，當分子量超過10000時，反應程度接近于1）所以有縮聚平衡方程式（許爾茲公式）目前六十六頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點一些縮聚反應的平衡常數(shù)與小分子允許量聚合物單體K溫度oCnw壓力Pa聚合度酚醛樹脂苯酚甲醛1000100~10%常壓~100聚酰胺二酸二胺~3052603%2700~100滌綸對苯二甲酸雙β羥乙酯~42800.5%<100~200目前六十七頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點二、線形縮聚反應分子量控制（基團數(shù)比對聚合度的影響）■使聚合物的相對分子質(zhì)量達到或接近預期數(shù)值根據(jù)不同用途，在不同的場合對聚合物的相對分子質(zhì)量控制的目的可能為以下二者之一：■使聚合物的相對分子質(zhì)量盡可能高控制方法：1）控制原料單體的摩爾配比2）加入端基封鎖劑目前六十八頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點1）控制原料單體的摩爾配比Nb（起始基團數(shù)）Na設反應起始時后一種單體過量，即Na<Nb當反應進行到t時刻時，反應程度p（p為a官能團的反應程度）令r-兩種單體的基團數(shù)比（或摩爾比）目前六十九頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點已參加反應的a、b官能團總數(shù)未參加反應的官能團總數(shù)為縮聚物同系物（含單體）的總摩爾數(shù)N為：目前七十頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點縮聚物同系物（含單體）的平均聚合度為：所以：目前七十一頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點幾點討論：r稱作“官能團摩爾系數(shù)”（當量系數(shù)），總是≤1.第一：當r=1，即官能團等摩爾配比，則：第二：說明此公式的使用條件就是：官能團等摩爾目前七十二頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點當p=1，則：第三：為過量官能團的過量摩爾分數(shù)很明顯，Q越大，Xn越小。即某種官能團過量越多，聚合度越小目前七十三頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點2）加入端基封鎖劑（加入微量單官能團物質(zhì)）NbNaNs設起始Na=Nb，即兩種單體等摩爾配比代入公式2-32目前七十四頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點目前七十五頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點三、影響線形逐步聚合反應聚合度的因素（1）官能團等摩爾配比反應反應程度平衡常數(shù)封閉體系開放體系（2）官能團不等摩爾配比反應一種官能團過量越多，聚合度越小。目前七十六頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點★如何提高線形縮聚反應聚合物的聚合度分析：提高反應程度除去小分子官能團等摩爾配比反應★如何控制線形縮聚反應聚合物的聚合度控制反應程度控制官能團摩爾比用單官能團單體封端目前七十七頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點四、線形平衡縮聚反應的其他影響因素1）反應溫度反應溫度℃195223254282平衡常數(shù)K0.590.510.470.38對苯二甲酸雙-β羥乙酯縮聚反應平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系影響包含兩個方面：升高溫度使平衡常數(shù)和聚合度降低；升高溫度會提高線形平衡縮聚反應的速度，降低體系粘度，有利于排除小分子。目前七十八頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點1）反應器內(nèi)壓力壓力的影響也包含兩個方面：※后期減壓有利于排除小分子，使聚合度提高；※初期減壓卻不利于維持低沸點單體的等摩爾配比。因此，單體沸點不高的縮聚反應，初期減壓會破壞官能團的摩爾配比，這對于獲得高相對分子質(zhì)量聚合物是十分不利的。因此初期往往需要在一定的壓力下進行。反應中后期，體系黏度升高，這時才需要逐漸減壓，最后達到較高的真空度。目前七十九頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點3）催化劑：可以提高聚合速度，不改變平衡常數(shù)。5）攪拌：反應后期過分強烈的攪拌往往會導致聚合物相對分子質(zhì)量的降低導致機械降解。4）單體濃度：盡可能提高單體濃度，可以獲得較高的聚合度。6）惰性氣體：當單體沸點較低時，不宜在反應初期、而只能在反應中后期通入惰性氣體。否則將造成低沸點單體的損失并破壞官能團的摩爾配比。目前八十頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點基本條件反應實力或措施正面影響負面影響高活性單體二元酰氯代替二元酸合成尼龍yes條件苛刻提高單體純度不含任何單官能團雜質(zhì)yesno等摩爾配比對苯二甲酸雙β羥乙酯合成滌綸用尼龍66-鹽合成尼龍66yesno提高反應程度中后期減壓排除小分子yes可能帶出單體嚴格控制溫度初期適當?shù)汀⒑笃谶m當高yes過高使K↓，副反應↑高效催化劑對甲苯磺酸用于聚酯yesno通惰性氣體多采用氮氣yes可能帶出單體獲得高相對分子質(zhì)量縮聚物的基本條件目前八十一頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點第六節(jié)分子量分布目前八十二頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點分子量分布的表征方法：1）相對分子質(zhì)量分級曲線，凝膠滲透色譜（GPC，PerformationChromatography）2）多分散指數(shù)3）Flory統(tǒng)計學推導（相對分子質(zhì)量分布函數(shù)）目前八十三頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點3）Flory統(tǒng)計學推導（相對分子質(zhì)量分布函數(shù)）以r=1的雙功能基單體的聚酯反應為例，t=0時，單體摩爾數(shù)=-OH摩爾數(shù)=-COOH摩爾數(shù)=N0此時，反應程度p=0目前八十四頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點若t時刻，反應程度為p在統(tǒng)計方法上，p就是每一個羧基反應形成酯基的幾率，而1-p是每個羧基不反應的幾率，即：同系物分子的生成概率等于生成這個具體分子所有成鍵過程的概率與其末端官能團尚未完成成鍵過程的概率的成積。目前八十五頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點對于一個聚合度為n的聚合物，必含有n-1個酯鍵和兩個未反應的功能基。n-1個酯鍵必須由n-1個羧基起反應。形成一個酯鍵的幾率為p，形成連續(xù)的n-1個酯鍵的幾率就是n-聚體上還有一個不成鍵的羧基，其幾率為所以生產(chǎn)n-聚體的幾率為目前八十六頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點若Nn：為n聚體的數(shù)目，N：為聚合物分子總數(shù)目，就有代入n-聚體的數(shù)量分數(shù)分布函數(shù)目前八十七頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點目前八十八頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點目前八十九頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點由圖可見：無論P值如何，很小和很大的n值的分子對重量分數(shù)的貢獻都比中間n值的貢獻小，重量分數(shù)通過一個最大值；隨P的增加，曲線的最大值移向較大的n值，并且曲線的尾端n值很高；

隨P值增加，相對分子質(zhì)量分布變寬。目前九十頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點目前九十一頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點第七節(jié)逐步聚合的方法（聚合反應的實施方法）目前九十二頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點（一）熔融縮聚聚合體系中只加單體和少量的催化劑，不加入任何溶劑，聚合過程中原料單體和生成的聚合物均處于熔融狀態(tài)。主要用于平衡縮聚反應，如聚酯、聚酰胺等的生產(chǎn)。熔融縮聚的關(guān)鍵：分子量的提高目前九十三頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點熔融縮聚一般分為以下三個階段：初期階段：反應：以單體之間、單體與低聚物之間的反應為主。任務：防止單體揮發(fā)、分解等，保證官能團等摩爾配比以獲得足夠分子量的產(chǎn)物。條件：可在較低溫度、較低真空度下進行。目前九十四頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點中期階段：反應：低聚物之間的反應為主，有降解、交換等副反應。任務：除去小分子，提高反應程度，從而提高聚合物產(chǎn)物分子量。條件：高溫、高真空。終止階段：反應：反應已達到預期指標。任務：及時終止反應，避免副反應。目前九十五頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點熔融縮聚反應的特點：☆反應溫度高（200～300℃）☆反應時間長☆需要惰性氣氛下進行☆反應后期需高真空優(yōu)點：產(chǎn)物純凈，產(chǎn)品后處理容易，設備簡單，可連續(xù)生產(chǎn)。缺點：要求嚴格控制官能團等摩爾比，對原料純度要求高，需高真空，對設備要求高；副反應易發(fā)生。目前九十六頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點（二）溶液聚合單體加適當催化劑在溶劑（包括水）中呈溶液狀態(tài)進行的聚合反應。溶液聚合廣泛用于涂料、膠粘劑等的制備，特別適于分子量高且難熔的耐熱聚合物，如聚酰亞胺、聚苯醚、聚芳香酰胺等。尼龍66合成前期也可采用溶液聚合。目前九十七頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點分為高溫溶液聚合和低溫溶液聚合高溫溶液聚合采用高沸點溶劑，多用于平衡逐步聚合反應。低溫溶液聚合一般適于高活性單體，如二元酰氯、異氰酸酯與二元醇、二元胺等的反應。由于在低溫下進行，逆反應不明顯。目前九十八頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點缺點：☆反應影響因素增多，工藝復雜；☆若需除去溶劑時，后處理復雜；溶劑回收，聚合物的析出，殘留溶劑對產(chǎn)品性能的影響等。優(yōu)點：☆反應溫度低，副反應少；☆傳熱性好，反應可平穩(wěn)進行；☆無需高真空，反應設備較簡單；☆可合成熱穩(wěn)定性高的產(chǎn)品。目前九十九頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點溶液聚合中溶劑的選擇：◆對單體和聚合物的溶解性好；◆溶劑沸點應高于設定的聚合反應溫度；◆有利于移除小分子副產(chǎn)物：高沸點溶劑；溶劑與小分子形成共沸物目前一百頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點（三）界面縮聚界面縮聚是將兩種單體分別溶于兩種不互溶的溶劑中，再將這兩種溶液倒在一起，在兩液相的界面上進行縮聚反應，聚合產(chǎn)物不溶于溶劑，在界面析出。目前一百零一頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點己二酰氯與己二胺的界面縮聚拉出的聚合物膜己二胺-NaOH水溶液己二酰氯—CHCl3溶液界面聚合膜牽引目前一百零二頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點界面縮聚的特點：（1）界面縮聚是一種不平衡縮聚反應。小分子副產(chǎn)物可被溶劑中某一物質(zhì)所吸收；（2)界面縮聚反應速率受單體擴散速率控制；（3)單體為高反應性，聚合物在界面迅速生成，其分子量與總的反應程度無關(guān)；（4）對單體純度與功能基等摩爾比要求不嚴；（5）反應溫度低，可避免因高溫而導致的副反應，有利于高熔點耐熱聚合物的合成。目前一百零三頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點（四）固態(tài)縮聚（了解）指單體或預聚體在固態(tài)條件下的縮聚反應特點：（1）適用反應溫度范圍窄，一般比單體熔點低15-30℃；（2）一般采用a-R-b型單體；（3）存在誘導期；（4）聚合產(chǎn)物分子量分布比熔融聚合產(chǎn)物寬。目前一百零四頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點四種縮聚方法特點比較（表2-11）縮聚方法熔融縮聚溶液聚合界面縮聚基本配方MM，SM，2S反應溫度高于聚合物熔點，200-300℃40-100℃不高對單體按等摩爾配比的要求高一般不高對單體活性的要求一般一般高活性單體，平衡常數(shù)大生產(chǎn)效率高低低目前一百零五頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點第八節(jié)重要的線形逐步聚合物目前一百零六頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點8.1聚對苯二甲酸乙二醇酯——滌綸1)對苯二甲酸的甲酯化：2)酯交換合成對苯二甲酸雙β-羥乙酯：路線一：目前一百零七頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點3)縮聚：對苯二甲酸雙β-羥乙酯（對苯二甲酸二乙二酯）三氧化銻260-290℃不斷抽去乙二醇，達到高的聚合度。目前一百零八頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點路線二：直接酯化分階段，在兩反應器內(nèi)進行：前段預縮聚：270oC，2000～3300Pa；后段終縮聚：280～285oC，60～130Pa；目前一百零九頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點8.2聚酰胺—尼龍1）尼龍66和尼龍1010K=400，前期進行水溶液聚合，達到一定聚合度后轉(zhuǎn)入熔融縮聚。先將兩單體制備成66鹽，以防胺揮發(fā)，并達到等基團數(shù)比和純化的目的。目前一百一十頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點在濃度60%的66鹽水溶液中（含少量醋酸），215℃，密閉反應1.5-2h；升溫至270-275℃、壓力在1.6MPa條件下進行水溶液縮聚；最后在2700Pa壓力條件下完成聚合反應。生產(chǎn)工藝：尼龍-1010的合成工藝與尼龍66相似。但是1010鹽不溶于水，自始至終屬于熔融縮聚。思考：為什么尼龍66合成過程中要加入醋酸或微過量己二酸來控制分子量？目前一百一十一頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點2）尼龍6

由己內(nèi)酰胺開環(huán)聚合得到，以水或酸作催化劑。

最終聚合度與平衡水濃度有關(guān)，為提高分子量，達80-90%轉(zhuǎn)化率時，須將引發(fā)用的大部分水脫除。

采用加單官能團酸來控制分子量。思考：如何改善尼龍的吸水性？目前一百一十二頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點8.3聚碳酸酯（polycarbonate，PC）主鏈含有碳酸酯結(jié)構(gòu)的聚合物，耐熱，強度好的工程材料。目前一百一十三頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點采用界面縮聚技術(shù)，產(chǎn)物分子量較高。目前一百一十四頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點碳酸二苯酯屬于熔融縮聚，產(chǎn)物分子量較低。目前一百一十五頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點如何獲得耐高溫材料？（或如何提高材料的耐熱性）8.4聚酰亞胺及耐高溫聚合物1）選用半梯形或梯形聚合物2）分子中引入芳環(huán)或芳雜環(huán)3）分子中引入能形成強氫鍵的基團4）使分子規(guī)整，提高結(jié)晶度目前一百一十六頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點甲叉二苯二胺目前一百一十七頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點目前一百一十八頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點8.5全芳聚酰胺聚酰胺主鏈中引入芳環(huán)，增加耐熱性和剛性。聚對苯二甲酰對苯二胺（PPDT）：溶致液晶高分子，俗稱Kevlar目前一百一十九頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點單體：對苯二胺+對苯二甲酸（酰氯）性質(zhì)：具有超高強度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、重量輕等優(yōu)良性能：強度是鋼絲的5-6倍，韌性是鋼絲的2倍，而重量僅為鋼絲的1/5左右，在560℃下不分解，不融化。用途：制造放熱服、電纜、軍用頭盔和防彈背心。目前一百二十頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點8.6聚氨酯二異氰酸酯與二元醇反應生成聚氨酯那么：二異氰酸酯與二元胺反應生成什么？目前一百二十一頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點第九節(jié)體型縮聚反應目前一百二十二頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點當聚合體系中的單體都為雙官能團單體時，其聚合產(chǎn)物是線型的，但是當體系中至少含有一種官能度為3或以上的單體時，生成的聚合產(chǎn)物便是非線型。非線性縮聚又可分為支化型（BranchedPolymer）和交聯(lián)型（Cross-linkedPolymer），它們各自生成條件不同，可分為以下兩種情形：目前一百二十三頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點支化型

當聚合體系的單體組成是AB+Af或ABf或ABf+AB（f≥2）時，不管反應程度如何，都只能得到支化高分子，而不會產(chǎn)生交聯(lián)。AB+Af型目前一百二十四頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點ABf型生成超支化高分子（HyperbranchedPolymer）ABf+AB型與之相類似，只是在分子結(jié)構(gòu)中插入一些AB單體單元。目前一百二十五頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點當超支化高分子中所有的支化點的官能度相同，且所有支化點間的鏈段長度相等時，叫樹枝型高分子（Dendrimer）。目前一百二十六頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點交聯(lián)型－體型縮聚AB+Bf+AA，AA+Bf，AA+BB+Bf，AfBf等（f≥2）時，可發(fā)生交聯(lián)反應，生成空間三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)聚合物。但究竟是生成支化高分子還是交聯(lián)高分子取決于聚合物體系中單體的平均官能團、官能團摩爾比及反應程度。產(chǎn)物？目前一百二十七頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點目前一百二十八頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點一、體型縮聚反應的特點1）可以分階段進行2）存在凝膠化過程3）凝膠點以后的反應速率較凝膠點以前降低幾個階段？什么凝膠化？凝膠點在哪里？目前一百二十九頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點⊙體型縮聚一般分為A、B、C三個階段：A階段:線型結(jié)構(gòu)，可溶可熔，預聚物；B階段：適當提高黏度，支化程度提高，便于加工，但仍能熔融塑化，預聚物；C階段:體型，不熔不溶，成型固化。目前一百三十頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點⊙凝膠化過程及凝膠點：

所謂凝膠化過程，是指體型縮聚反應中，當反應程度達到某一數(shù)值時，體系的黏度會突然增加，突然轉(zhuǎn)變成不溶不熔、具有交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的彈性凝膠的過程。此時的反應程度被稱作凝膠點。目前一百三十一頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點交聯(lián)高分子既不溶解也不熔融，加熱也不會軟化流動，稱為熱固性高分子（Thermoset）。出現(xiàn)凝膠點時，并非所有的功能基團（官能團）都已發(fā)生反應，聚合體系中既含有能溶解的支化與線形高分子，也含有不溶性的交聯(lián)高分子。能溶解的部分叫做溶膠（Sol），不能溶解的部分叫做凝膠（Gel）。目前一百三十二頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點二、預聚物的分類無規(guī)預聚物（randomprepolymer）結(jié)構(gòu)預聚物（structuralprepolymer）1、無規(guī)預聚物定義：預聚物中未反應的官能團呈無規(guī)排列，經(jīng)加熱可進一步交聯(lián)反應，這類預聚物稱作無規(guī)預聚物。如酚醛樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺樹脂等目前一百三十三頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點酚醛樹脂（堿催化）預聚物醛過量目前一百三十四頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點脲醛樹脂f=4羥甲基脲的混合物（預聚物）目前一百三十五頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點酸性條件堿性條件有些環(huán)狀結(jié)構(gòu)目前一百三十六頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點醇酸樹脂目前一百三十七頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點三聚氰胺樹脂（蜜胺樹脂）目前一百三十八頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點2、結(jié)構(gòu)預聚物定義：具有特定的活性端基或側(cè)基的預聚物稱為結(jié)構(gòu)預聚物。結(jié)構(gòu)預聚物往往是線型低聚物，它本身不能進一步聚合或交聯(lián)。在固化階段，要加入催化劑或其它反應性的物質(zhì)使其交聯(lián)固化。如熱塑性的酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等。目前一百三十九頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂分子中活潑的環(huán)氧端基和羥側(cè)基都可以成為交聯(lián)的基團。常用固化劑：胺類（乙二胺、二亞乙基三胺）或酸酐類（鄰苯二甲酸酐、馬來酸酐）目前一百四十頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點酸催化的酚醛樹脂特點：酚過量，酸催化，預聚物中無醇甲基，加熱穩(wěn)定，需加入交聯(lián)劑（如六亞甲基四胺）才能固化目前一百四十一頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點不飽和聚酯（可加入單烯類如苯乙烯進行固化交聯(lián)）聚硅氧烷（可堿性催化劑或輻照進行交聯(lián)固化）目前一百四十二頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點三、凝膠點（gelpoint）的計算出現(xiàn)凝膠時的臨界反應程度稱為凝膠點(PC)。預聚時，超過凝膠點，將固化在聚合釜內(nèi)而報廢；成型時，須控制適當?shù)墓袒瘯r間或速度。PC是體型縮聚中的首要控制指標。

實驗測定時通常以聚合混合物中的氣泡不能上升時的反應程度為凝膠點，凝膠點也可以從理論上進行預測。目前一百四十三頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點（一）官能團和官能度官能度：單體參加聚合反應能夠生成新的化學鍵的數(shù)目。官能團：單體中具有反應能力的特征基團。（二）平均官能度所謂平均官能度，指兩種及兩種以上單體參加的縮聚反應在線型縮聚階段，反應體系中實際能夠參加反應的各種官能團總摩爾數(shù)與單體總摩爾數(shù)之比。目前一百四十四頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點目前一百四十五頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點（三）平均官能度的計算1)官能團等摩爾（等當量比反應）單體官能度：fa=2，fb=3，fc=2若兩種官能度等摩爾，則faNa=fbNb+fcNc目前一百四十六頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點4單體摩爾數(shù)則a官能團摩爾數(shù)：4×2=8b官能團摩爾數(shù)：2×3+1×2=8例如：21等摩爾配比所以：目前一百四十七頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點2)官能團不等摩爾（非等當量比反應）官能團為不等摩爾配比時：當兩種官能團為不等摩爾配比時，體系中的“有效官能團總數(shù)”應該為摩爾數(shù)少的官能團數(shù)的兩倍，這樣才能滿足“線型縮聚反應過程中兩種官能團始終是同步、等量消耗”這個原則。目前一百四十八頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點官能團為不等摩爾配比時：單體官能度：fa=2，fb=3，fc=2若兩種官能團不等摩爾，且faNa>fbNb+fcNc所以，平均官能度應該等于摩爾數(shù)少的官能團摩爾數(shù)的二倍與單體總摩爾數(shù)之比。目前一百四十九頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點2單體摩爾數(shù)則a官能團摩爾數(shù)：2×2=4b官能團摩爾數(shù)：1×3+0.1×2=3.2例如：10.1不等摩爾配比所以：目前一百五十頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點作為對比，我們看一下官能團不等摩爾配比的線型平衡混縮聚：二元酸和二元醇分別為1和1.01mol時，體系的平均官能度：目前一百五十一頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點（四）Carothers方程Carothers首先對體型縮聚反應線型階段做如下兩點合理假定：（1）在線型縮聚階段每進行一步反應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數(shù)的減少。（2）達到凝膠化過程發(fā)生的那一刻，聚合物的相對分子質(zhì)量急速增大直至發(fā)生交聯(lián)，此時將聚合度假設為無窮大。目前一百五十二頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點設體系中混合單體的起始分子數(shù)為N0，則起始基團數(shù)為t時刻體系殘留單體分子數(shù)為N，則凝膠點以前反應的基團數(shù)為所以反應程度目前一百五十三頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點凝膠點時，考慮聚合度為無窮大，則凝膠點時的臨界反應程度Pc為這就是著名的Carothers方程，使用該方程可以方便的計算體型縮聚反應的凝膠點。目前一百五十四頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點在體型縮聚中，凝膠點前(公式中的P<PC)，以及在線型縮聚中，都可以用此公式計算平均聚合度。目前一百五十五頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點討論：f>2是凝膠化過程發(fā)生的必要條件，但不是充分條件目前一百五十六頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點凝膠化過程發(fā)生的必要條件和充分條件：1）必要條件：必須至少有一種多官能團單體參加，單體體系的平均官能度必須大于22）充分條件：p大于或等于pc體型縮聚反應接近凝膠點前的聚合度與反應程度目前一百五十七頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點凝膠點計算的具體步驟歸納如下：第一步：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摩爾數(shù)；第二步：比較兩種官能團總摩爾數(shù)的大小，看是否相等，再分別選擇相應的公式計算平均官能度；第三步：將平均官能度代入Carothers方程即可計算出凝膠點。目前一百五十八頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點實例：（1）1molHO-R-OH+1molHOOC-R‘-COOH不會凝膠化（2）2mol

丙三醇+3mol

鄰苯二甲酸實驗值~0.8（3）1mol丙三醇+5mol

鄰苯二甲酸難以生成聚合物目前一百五十九頁\總數(shù)一百七十四頁\編于七點（五）Flory統(tǒng)計凝膠點計算Flory等根據(jù)官能團等活性的概念和無分子內(nèi)反應的假定，推導出凝膠點時反應程度的表達式。