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縮聚反應(yīng)是一類重要的聚合反應(yīng),在高分子合成工業(yè)中占有很重要的地位,通過縮聚反應(yīng)合成了大量有工業(yè)價值的、與人類息息相關(guān)的聚合物,如滌綸樹脂(聚對苯二甲酸乙二醇酯)、錦綸樹脂(錦綸66,6,610,1010等)、聚氨酯、酚醛樹脂、聚碳酸酯(PC)等。涂料工業(yè)中,醇酸樹脂(alkyd resin)、聚酯樹脂(polyester)、聚氨酯(polyurethane)、氨基樹脂、環(huán)氧樹脂(epoxy resin),也是通過縮聚反應(yīng)合成。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對于特別性能的合成材料,如耐高溫,高強度,以及高技術(shù)領(lǐng)域特殊功能高分子等(導(dǎo)電,磁性,分離膜)需求日益迫切,由于逐步聚合單體來源相對豐富,這些新型聚合物多半也是通過縮聚來實現(xiàn)。因此縮聚反應(yīng)是合成聚合物的重要方法。
縮聚反應(yīng)(Polycondensation)
1.縮聚反應(yīng)及其特點
(1)將帶有兩個或兩個以上可反應(yīng)官能團(tuán)的化合物(單體),通過多次縮合形成聚合物,并伴有小分子副產(chǎn)物生成的聚合反應(yīng)稱為縮合聚合反應(yīng),簡稱縮聚反應(yīng)。
例如二元酸和二元醇的縮聚生成聚酯:
如:
二元酸和二元胺的縮聚生成聚酰胺:
從機理上講大部分縮聚反應(yīng)屬于逐步聚合,因此這兩個概念不加區(qū)分。
官能度——一個分子中參加反應(yīng)的官能團(tuán)個數(shù),也可定義為單體在聚合反應(yīng)中能形成新鍵的數(shù)目。常用f(functionalgray)表示, 官能度決定于單體的分子的結(jié)構(gòu)和特定的反應(yīng)及條件。
如酚醛樹脂的合成,堿催化時,苯酚鄰、對位氫都有活性,其官能度為3;而酸催化時只有鄰位氫有活性,其官能度為2。
縮合反應(yīng)的條件:能發(fā)生縮聚的單體的官能度f≥2。
對體形縮聚體系,引入平均官能度的概念:
Ni 、 ƒi 分別為i單體的摩爾數(shù)和官能度。
依縮聚單體的官能度的不同,縮聚體系可分為:2-2,2-官能度體系;2-3官能度體系縮聚, 2-4官能度體系縮聚等。
(2)縮聚反應(yīng)的特點:
① 單體官能度f ≥2;
② 屬于逐步聚合機理;
③ 縮聚過程中有小分子化合物析出;
④ 大部分屬于雜鏈高分子,鏈上含有官能團(tuán)結(jié)構(gòu)特征。
2.縮聚反應(yīng)的單體
縮聚單體必須含有兩個或兩個以上可反應(yīng)官能團(tuán),縮聚反應(yīng)就是官能團(tuán)間的多次縮合、酯化、酯交換、酰胺化、醚化等有機化學(xué)反應(yīng)都可用以縮聚反應(yīng)。
1-1,1-2,1-3,……,官能度體系生成小分子化合物。
2-2,2-官能度體系為線型縮聚體系。
2-3,2-4,……官能度體系為體型縮聚反應(yīng)。
二官能度單體用于線型縮聚;多官能度單體于體型縮聚。單官能度化合物常用作端基封閉劑或粘度穩(wěn)定劑,它可以和大分子鏈端基官能團(tuán)反應(yīng)使之失去繼續(xù)反應(yīng)的能力,停止大分子鏈的增長,以此達(dá)到控制分子量的目的。
3.縮聚反應(yīng)的分類
縮聚反應(yīng)的分類可以采用不同的分類方法:
① 按反應(yīng)的熱力學(xué)特征分類:平衡縮聚反應(yīng)與不平衡縮聚反應(yīng)
② 按生成聚合物的結(jié)構(gòu)分類:線型縮聚、體型縮聚
③ 按參加反應(yīng)的單體種類分類:均縮聚——只有一種單體參加的縮聚;混縮聚——兩種帶有不同官能團(tuán)的單體進(jìn)行的縮聚反應(yīng),其中任何一種單體都不能進(jìn)行均縮聚;共縮聚——在均縮聚中加入第二種單體或混縮聚中加入第三、四種單體的縮聚反應(yīng)。
④ 按反應(yīng)中所生成的鍵合基團(tuán)分類:縮聚反應(yīng)是通過官能團(tuán)反應(yīng)進(jìn)行的,聚合物往往帶有官能團(tuán)特征,借此可像有機反應(yīng)一樣縮聚反應(yīng)分為以下幾種:
4.縮聚反應(yīng)的機理--逐步和平衡
縮聚反應(yīng)是通過官能團(tuán)的逐步反應(yīng)來實現(xiàn)大分子的鏈增長,鏈增長過程中不但單體可以加入到增長鏈中,而且形成的各種低聚物之間亦可以通過可反應(yīng)官能團(tuán)之間相互縮合連結(jié)起來?s聚早期單體很快消失,轉(zhuǎn)化成各種大小不等的低聚物,單體轉(zhuǎn)化率很高,以后的縮聚則在各種低聚物之間進(jìn)行,延長反應(yīng)時間的目的在于提高分子量。
對于縮聚反應(yīng),反應(yīng)一開始轉(zhuǎn)化率就很高,而分子量仍然很低,人們采用官能團(tuán)的反應(yīng)分率即反應(yīng)程度來描述反應(yīng)進(jìn)行的程度,用P表示:
對反應(yīng)程度一定要明確是哪種官能團(tuán)的反應(yīng)程度,若起始投料的官能團(tuán)數(shù)不等,則不同官能團(tuán)的反應(yīng)程度就不同。引入P后,我們會發(fā)現(xiàn)P的值隨著時間延續(xù)也是增大的,聚合度也隨時間增大,而且二者存在簡單的關(guān)系。
對于均縮聚:用a-R-b代表羥基酸,氨基酸。
對A2-B2 兩種反應(yīng)官能團(tuán)等摩爾投料的縮聚體系。設(shè)t=0時,a基數(shù)為N0 , b基數(shù)為N0 。t 時,a基數(shù)為N,b基數(shù)則變?yōu)?/span>N。則:
因此對于均縮聚或官能團(tuán)等摩爾投料的2-2線型縮聚體系:
5.線型縮聚物聚合度的影響因素及控制
(1) 聚合度的影響因素
① 反應(yīng)程度對聚合度的影響
縮聚反應(yīng)是官能團(tuán)間的反應(yīng),官能團(tuán)反應(yīng)的結(jié)果使得鏈增長,即隨時間的延續(xù)分子量或聚合度逐漸增加,理論上可以推導(dǎo)出二者的關(guān)系。
提高反應(yīng)程度的措施有:a. 延長反應(yīng)時間;b. 選用高活性單體;c.排除小分子副產(chǎn)物;d.使用催化劑。
② 平衡常數(shù)與聚合度的關(guān)系
平衡縮聚是由一系列相繼進(jìn)行的平衡反應(yīng)構(gòu)成,根據(jù)官能團(tuán)的反應(yīng)活性理論,各步可用一個平衡常數(shù)K表示。
以線性聚酯化反應(yīng)為例,設(shè)官能團(tuán)等物質(zhì)的量投料。
(上述各式中C表示各種官能團(tuán)的摩爾濃度,n w表示殘留水的摩爾濃度)
a. 對封閉體系,
b. 非封閉體系
溫度的影響可用下式表示:
對縮聚反應(yīng),壓力對平衡常數(shù)影響不大,但減小壓力有利于縮聚中產(chǎn)生的小分子副產(chǎn)物排除出去,使平衡向生成高分子量聚合物方向移動。
但為了防止單體、聚合物在高溫下氧化變質(zhì)和避免單體揮發(fā)造成原料當(dāng)量比發(fā)生變化,往往反應(yīng)初期用惰性氣體保護(hù),待反應(yīng)到達(dá)一定程度后再降壓,將小分子副產(chǎn)物排出去,從而得到高分子量產(chǎn)物。