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逐步聚合反應(yīng)

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   中國新型涂料網(wǎng)訊:

    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66,66101010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:

  逐步聚合反應(yīng)

如:

  逐步聚合反應(yīng)

    二元酸和二元胺的縮聚生成聚酰胺:

 逐步聚合反應(yīng)

    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ffunctionalgray)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:

    逐步聚合反應(yīng)

     N 、 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:

   單體官能度≥2;

   屬于逐步聚合機理;

   縮聚過程中有小分子化合物析出;

   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:

     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)

     按生成聚合物的結(jié)構(gòu)分類:線型縮聚、體型縮聚

     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)。

     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:

逐步聚合反應(yīng)

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:

  逐步聚合反應(yīng)

    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。

逐步聚合反應(yīng)

逐步聚合反應(yīng)

    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N, b基數(shù)為N0 。時,a基數(shù)為N,b基數(shù)則變?yōu)?/span>N。則:

逐步聚合反應(yīng)

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:

    逐步聚合反應(yīng)

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

     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。

逐步聚合反應(yīng)

    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。

    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。

逐步聚合反應(yīng)

(上述各式中C表示各種官能團(tuán)的摩爾濃度,w表示殘留水的摩爾濃度)

a.       對封閉體系,

逐步聚合反應(yīng)

逐步聚合反應(yīng)

b.       非封閉體系

逐步聚合反應(yīng)

       溫度的影響可用下式表示:

逐步聚合反應(yīng)

   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。

 

 

 
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