高分子化学12节名师优质课赛课一等奖市公开课获奖课件

第三章自由基共聚合3.1引言3.2二元共聚物组成与分布3.3多元共聚3.4竞聚率测定和影响原因3.5单体和自由基活性3.6Q-e概念RadicalCopolymerization第1页3.1引言均聚：由一个单体进行聚合反应称为均聚。形成聚合物称为均聚物，均聚物只由一个结构单元组成。共聚合：由两种或两种以上单体共同参加聚合反应，称为共聚合。共聚合所形成聚合物含有两种或各种结构单元，称为共聚物。二元共聚及二元共聚物多元共聚及多元共聚物理论研究相当成熟理论复杂，重在应用第2页3.1.1共聚物分类与命名按共聚物大分子链中单体单元排列次序，共分为四类。(1)无规共聚物(randomcopolymer)大分子链上两种单体单元无规排列。自由基共聚合多为这类产物，如Vc—VAc共聚物。第3页（2）交替共聚物(Alternatingcopolymer)两种单体单元M1、M2严格交替排列。苯乙烯-马来酸酐共聚物是这类产物代表。用途？第4页（3）嵌段共聚物(blockcopolymer)苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）嵌段共聚物“牛筋底”由较长M1链段和较长M2链段组成大分子，每个链段长度为几百个单体单元以上。能够是二嵌段、三嵌段或多嵌段，如AB型、ABA型、ABC型和(AB)n型等。普通由阴离子聚合机理合成。第5页高抗冲聚苯乙烯(HIPS)，丁二烯为主链，苯乙烯为支链；如ABS树脂，SB为主链，A为支链（亦可AB为主链，S为支链）。（4）接枝共聚物(graftcopolymer)主链由M1单元组成，支链由M2单元组成。第6页①两种或各种单体名称之间用短划线相连，并在前面冠以“聚”字。如聚苯乙烯-马来酸酐。②两种或各种单体名称之间用短划线相连，然后再后面加上“共聚物”。如苯乙烯-马来酸酐共聚物。③需要指出是无规、嵌段、接枝等共聚物时，则在“共聚物”前加上文字说明。如丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。在英文名称中，常以在单体名称间嵌入-co-、-alt-、-b-、-g-等符号，分别表示无规、交替、嵌段、接枝。如苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（polystyrene-b-butadiene)。共聚物命名第7页④无规共聚物名称中，前一单体为主单体，后一单体为次单体。⑤嵌段共聚物中，前后单体代表单体聚合次序。⑥接枝共聚物中，前一单体为主单体，后一单体为次单体。共聚物命名第8页3.1.2共聚合反应意义（1）实际应用上----最主要聚合物改性技术①可调整性大a:不一样单体间：乙烯/丙烯，乙烯/醋酸乙烯酯b:相同单体组成，不一样排列组合：丁二烯/苯乙烯：无规、嵌段、接枝②有些单体不能均聚能够共聚：顺丁烯二酸酐③提供特殊功效性如：纺丝用PAN中MA及AA或2-VP引入第9页（2）理论上----能够测定单体、自由基、碳阳离子和碳阴离子活性，深入了解单体活性与结构关系。

VAc聚合体系中，引入少许St，聚合速率减慢甚至终止，为何？VAc/MMA/BA/AA聚合体系，出料时体系中残留VAc，为何？怎么办？企业生产中常碰到问题！第10页①Highimpactpolystyrene(HIPS)St聚合体系中加入PBSt在PB主链上接枝聚合举例：第11页苯乙烯和丙烯腈加入到PB乳液中进行接枝共聚制得三元共聚物：ABS树脂。②ABS树脂第12页是由苯乙烯与丁二烯合成三元嵌段共聚物，是一个新型热塑性弹性体，含有弹性高、抗张强度高、不易变形、低温性能好等特点，可制成电缆及非轮胎橡胶制品。苯乙烯与丁二烯自由基乳液共聚可得无规共聚物即丁苯橡胶(Styrene-Butadiene-Rubber)，丁苯橡胶抗张强度靠近于天然橡胶，耐候性优于天然橡胶，广泛用于制造轮胎、地板、鞋底、衣料织物和电绝缘体。③SBR橡胶④SBS第13页⑤甲基丙烯酸甲酯(methylmethacrylate,MMA)PMMA含有良好透光度和光泽度，且有较高抗冲击强度，但其熔融粘度大、流动性差，加工成型困难。当与苯乙烯共聚时可显著改进流动性能和加工性能，成为用途广泛塑料。第14页机械性能很好，介电性能优异，但对光、热稳定性差，脆性大。VC与VAC共聚：VAC起内增塑作用，使流动性能改进，易于加工，含5%VAC硬共聚物可制造挤压管、薄板和唱片;20-40%VAC软质共聚物可制造管材、薄板、雨蓬、手提包和地板砖等。VC与偏氯乙烯共聚：含有耐油脂、抗氧和抗水蒸气性能，广泛用于包装薄膜和涂料。

⑥PVC第15页3.2二元共聚物组成与分布3.2.1共聚组成特点3.2.2共聚物组成方程3.2.3共聚物组成曲线3.2.4共聚物组成与转化率关系第16页3.2.1共聚组成特点----两种单体进行共聚，因为化学结构不一样，反应活性存在差异，所以往往可观察到以下现象。两种单体各自都轻易均聚，但不易共聚。如苯乙烯和醋酸乙烯都轻易均聚，但不易共聚。一个单体不能均聚，但能与另一个单体共聚。如马来酸酐不能均聚，但能与苯乙烯共聚。两种单体都不能均聚，但能共聚。如1,2-二苯乙烯与马来酸酐都不能均聚，但能共聚。第17页两种能相互共聚单体，进入共聚物速率可能不一样，所以产物组成与原料单体组成并不相同。如Vc和VAc共聚时，起始配比中Vc含量为85%。而起始共聚物中Vc含量到达91%。表明Vc活性较大，轻易进入共聚物。上述现象存在，使得共聚过程中先后生成共聚物组成并不一致。有些体系后期甚至有均聚物产生。所以存在共聚物组成份布问题。本节讨论瞬时组成、平均组成和组成份布等。第18页3.2.2共聚物组成方程自由基共聚合反应基元反应与均聚相同，也可分为链引发、链增加、链终止三个阶段。二元共聚包括两种单体，所以有两种链引发、四种链增加和三种链终止。1944年，由Mayo和Lewis推导出共聚物组成与单体组成定量关系式。①自由基活性与链长无关；②自由基活性仅决定于末端单体单元结构；推导作出以下假定：第19页③共聚物聚合度很大，其组成由链增加反应所决定，引发和终止对共聚物组成无影响；④稳态。引发和终止速率相等，自由基总浓度不变;两种链自由基(M1•和M2•)相互转变速率相等，两种自由基浓度不变；⑤无解聚反应，即不可逆聚合。R•+M1ki1RM1•Ri1R•+M2RM2•Ri2ki2共聚物组成方程推导两种链引发

链引发速率第20页四种链增加～M1•+M1k11～M1•R11=k11[M1•][M1]①～M1•+M2k12～M2•R12=k12[M1•][M2]②～M2•+M1k21～M1•R21=k21[M2•][M1]③～M2•+M2k22～M2•R22=k22[M2•][M2]④链增加速率反应①和③消耗单体[M1]

反应②和④消耗单体[M2]反应②和③是共聚，是希望两步反应应用了假定①，②和⑤第21页链终止（主要是双基终止）

依据假定③

，引发消耗单体极少，可忽略不计，M1、M2消失速率或进入共聚物速率由链增加速率决定。～M1•+•M1～kt11PRt11～M1•+•M2～kt12PRt12～M2•+•M2～kt22PRt22链终止速率第22页两单体消耗速率之比等于某一瞬间进入共聚物中两单体单元之比，即：依据假定④（稳态）:某一瞬间进入共聚物中M1单体单元某一瞬间进入共聚物中M2单体单元=－d[M1]/dt－d[M2]/dt=d[M1]d[M2]=k11[M1•][M1]+k21[M2•][M1]k12[M1•][M2]+k22[M2•][M2]d[M1•]dt=Ri1+k21[M2•][M1]－k12[M1•][M2]－Rt12－Rt11=0形成[M1•]链自由基速率消耗[M1•]链自由基速率第23页代入式化简d[M2•]=Ri2+k12[M1•][M2]－k21[M2•][M1]－Rt21－Rt22=0dtRi1=Rt12+Rt11

生成[M1•]速率等于其消失速率k21[M2•][M1]=k12[M1•][M2]两种链自由基相互转换[M1•]=

k21[M2•][M1]k12[M2]d[M1]d[M2]=k11[M1•][M1]+k21[M2•][M1]k12[M1

•][M2]+k22[M2•][M2]=[M1][M2]•k11/k12

[M1]+[M2][M1]+k22/k21[M2]d[M1]d[M2]第24页为同一个链自由基均聚和共聚增加速率常数之比，称为竞聚率。竞聚率表征了两种单体相对活性。代入上述方程：此式称为共聚物组成摩尔比微分方程也称为Mayo-Lewis方程令：r1=k11/k12；r2=k22/k21

=[M1][M2]•r1[M1]+[M2][M1]+r2[M2]d[M1]d[M2]第25页共聚物组成摩尔分率微分方程令f1代表某一瞬间单体M1占单体混合物摩尔分率

F1代表某一瞬间单元M1占共聚物摩尔分率f1

=

[M1]+[M2][M1]f2

=

[M1]+[M2][M2]f1+f2=1F1

=

d[M1]+d[M2]d[M1]F2

=

d[M1]+d[M2]d[M2]F1+F2=1代入共聚物组成摩尔比微分方程方程，经整理得F1=r1f12+2f1f2+r2f22

r1f12+f1f2想想怎样推导？第26页共聚物组成与链引发、链终止无关；共聚物组成通常不等于原料单体组成，特殊情况例外如r1=r2=1时；共聚物组成微分方程只适用于低转化率(~5％)；活性种可以是自由基、正离子或负离子，但活性种不同，同一单体对r1、r2有很大不同；引入一个重要参数，竞聚率。讨论=[M1][M2]•r1[M1]+[M2][M1]+r2[M2]d[M1]d[M2]F1=r1f12+2f1f2+r2f22

r1f12+f1f2第27页所以：r1=0，表示k11=0，只能共聚，不能均聚；r1=1，表示k11=k12，均聚与共聚机率相等；r1＞1，表示k11＞k12，圴聚倾向大于共聚倾向；r1＜1，表示k11＜k12，共聚倾向大于均聚倾向；r1=∞，只能均聚，不能共聚。竞聚率意义---竞聚率是单体本身增加(均聚)和交叉增加(共聚)速率常数比值，以r1=k11/k12表示。第28页为了简便而又清楚反应出共聚物组成和原料单体组成关系，常依据摩尔分率微分方程画F1~f1曲线图，称为共聚物组成曲线。F1=r1f12+2f1f2+r2f22

r1f12+f1f23.2.3共聚物组成曲线f1F1依据曲线形状，可分为各种类型。第29页⑴理想共聚：当r1r2=1，即r2=1/r1，两种情况①当r1=r2=1，即k11/k12=k22/k21=1

或

k11=

k12=k22=k21F1～f1曲线F1=r1f12+2f1f2+r2f22

r1f12+f1f2F1=f12+2f1f2+f22

f12+f1f2=f1

=[M1][M2]d[M1]d[M2]理想恒比共聚恒比共聚对角线第30页②r1·r2=1，或r1=1/r2，为普通理想共聚即k11/k12=k21/k22

表明不论何种链自由基与单体M1及M2反应时，反应倾向完全相同；即两种链自由基已失去了它们本身选择特征。例子：r1·r2=1

，r1=5,r2=0.2不论M1•、M2•，它们接上M1和M2速率比为5/1，故共聚物中M1与M2之比为5/1。第31页=[M1][M2]d[M1]d[M2]r1

f2

f1

F2

F1

=r1将r2=1/r1代入摩尔比、摩尔分率微分方程，得：F1=r1f1+

f2

r1f1

F2=1－F1=r1f1+

f2

f2

普通理想共聚共聚物组成曲线视竞聚率而不一样；处于恒比对角线上方或下方，与另一对角线成对称。第32页当r1＞1，r2＜1时1050.50.1r1或r1＜1，r2＞1时f1F1第33页⑵交替共聚当r1=r2=0,或r1→0,r2→0时即k11=k22=0，而k12

0，k21

0；两种链自由基都不能与同种单体加成，只能与异种单体共聚；共聚物中两单元严格交替相间。=1d[M1]d[M2]F1=0.5此时：第34页F10.501.000.51.0f1r1=0,r2=0共聚体系F1－f1曲线F1=0.5不论单体组成怎样，产物中两种单体单元严格交替。第35页更多见是r1＞0，r2→0，通惯用r1·r2乘积值来表示一对单体交替共聚倾向，乘积越小，其交替共聚倾向越大。=1＋

d[M1]d[M2][M1][M2]r1此时：当[M2]>>[M1]时，[M1][M2]r1<<1,d[M1]d[M2]1d[M1]d[M2]>1若[M1][M2]时，苯乙烯(r1=0.01)-马来酸酐(r2=0)体系即为经典例子。第36页0.5/00.01/0.011.0/0F1-f1曲线(r1/r2=0.01/0.01,1.0/0,0.5/0)0.50少许单体耗尽后，聚合反应也就停顿。第37页⑶非理想非恒比共聚

当r1>1，r2<1且r1·r2＜1曲线不与对角线相交，也不如理想共聚那样对称，处于对角线上方如曲线①、②。

当r1<1，r2>1且r1·r2＜1曲线不与对角线相交，也不如理想共聚那样对称，处于对角线下方如曲线③。非理想非恒比共聚曲线①VC(r1=1.68)-VAc(r2=0.23)②MMA(r1=1.91)-MA(r2=0.5③St(r1=0.80)-异戊二烯(r2=1.68)第38页苯乙烯(r1=55)-醋酸乙烯(r2=0.01)共聚体系，r1>>1,r2<<1，其共聚行为也应属于这一类。但实际上，聚合前期，共聚物是含有少许醋酸乙烯单体单元聚苯乙烯，后期是纯聚醋酸乙烯，结果，几乎是两种均聚物混合物。能否得出这么结论，即r1>>1,r2<<1时,两种单体活性相差太大不能共聚。活性单体补加法达到目没有？第39页(4)r1＜1，r2＜1，有恒比点非理想共聚

即k11<k12，k22<k21表明两种单体共聚能力都大于均聚能力；此时F1

f1，共聚物组成不等于原料单体组成；共聚物组成曲线呈反S型，与对角线有一交点，此点称为恒比点；恒比点时，(F1)恒=(f1)恒

或d[M1]/d[M2]=[M1]/[M2]恒比点计算=[M1][M2]•r1[M1]+[M2][M1]+r2[M2]d[M1]d[M2]第40页

r1[M1]+[M2][M1]+r2[M2]=1[M1][M2]1–r2

1–r1=1–r2

1–r1

d[M1]d[M2]=(F1)恒=(f1)恒=

1–r2

2–r1–r2

恒比点位置可由竞聚率作出判断：当r1=r2，(F1)恒=0.5共聚物组成曲线对称r1>r2，(F1)恒>0.5r1<r2，(F1)恒<0.5曲线不对称第41页0f10.51.0F100.51.0r1=r2r1>r2

r1=r2情况有：AN-MA(r1=0.83,r2=0.84)；甲基丙烯腈-MMA(r1=0.65,r2=0.67)。

r1≠r2情况有：St-AN(r1=0.41,r2=0.04)；丁二烯-丙烯腈(r1=0.3,r2=0.02)。有恒比点共聚组成曲线第42页(5)r1＞1，r2＞1“嵌段共聚”即k11>k12，k22>k21表明不论哪一个链自由基都倾向于均聚而不易共聚；均聚链段长短取决于r1、r2大小：r1>>1，r2>>1，链段较长r1、r2

比1大不很多，链段较短链段总都不长，与真正嵌段共聚物差很远；共聚物组成曲线也有恒比点，位置和曲线形状与竞聚率都小于1情况相反。第43页F1～f1关系曲线小结r1r2=1：理想共聚，F1曲线为一对称曲线：r1=r2=1,理想恒比共聚,有恒比对角线r1>1，F1在恒比对角线上方r2>1，F1在恒比对角线下方r1r2=0：交替共聚r1=r2=0，严格交替共聚，F1曲线为水平线r1→0，r2→0，F1曲线近似于水平线r1>0，r2=0：靠近交替共聚，F1与水平线有交点r1，r2愈靠近于零，交替倾向愈深r1，r2愈靠近于1，理想共聚倾向越深第44页r1<1，r2<1：有恒比点非理想共聚，F1曲线呈反S形，有恒比点。r1>1，r2<1且r1r2<1，非理想非恒比，曲线不对称：r1>1，r2<1时F1曲线在对角线上方r2>1，r1<1时F1曲线在对角线下方r1>1，r2>1：嵌段共聚，F1曲线呈S形，有恒比点。已知r1，r2怎样画出F1～f1关系第45页3.2.4共聚物组成与转化率关系工业活动中，产品性能依赖于产品组成，如：丁苯橡胶（SBR）S％22～25％可作轮胎S％↑硬度提升，作硬橡胶用S％↓耐寒性↑所以，高分子合成工业必须重视三个问题：

①组成由性能要求而定；②共聚物组成通常与原料组成不一样；③共聚物组成普通会随转化率不停改变；特定组成共聚物合成共聚物组成改变规律共聚物组成控制第46页0f10.51.0F100.51.0r1=r2r1>r2（1）转化率对共聚物组成影响（定性描述）理想恒比共聚恒比点共聚交替共聚共聚物组成不受转化率影响（三种情况）因为两单体活性与竞聚率差异，共聚物组成通常随转化率而改变；转化率对共聚物组成影响，实质是原料单体组成发生改变所造成。更多情况是，共聚物组成随转化率提升在不停改变，所得共聚物是组成不均一混合物。能得到什么启示？第47页例子：假定r1<1、r2<1，F1～f1曲线讨论：B点、C点、A点随转化率改变趋势第48页(F1)0B点：单体组成(f1)0，共聚物组成(F1)0随C↑，(F1)0逐步沿BO曲线下降；因为(F1)0>(f1)0(对角线上方)，即M1单体消耗较快，沿f1坐标轴向左移动，对应共聚物组成向下移动；后期，可能生成M2均聚物：反应到f1→0，M1单体先行消耗完成，如继续进行聚合过程，则生成仅是残留M2单体均聚物。C↑→f1↓，F1↓F10>恒比点F10＞f10第49页C点：单体组成(f1)0，共聚物组成(F1)0(F1)0随C↑，(F1)0曲线逐步上升；因为(F1)0

＜

(f1)0(对角线下方)，即M1单体消耗较慢，沿f1坐标轴向右移动，对应共聚物组成向上移动；C↑→f1↑,F1↑F10＜恒比点F10<f10后期，可能生成M1均聚物：反应到f1→1，M2单体先行消耗完成，如继续进行聚合过程，则生成仅是残留M1单体均聚物。第50页(2)共聚物组成-转化率曲线

----即共聚物组成积分方程1946年Skeist,物料平衡原理：设定：二元体系两单体总摩尔数M，体系F1>f1，即M1单体消耗快

设：当dM摩尔单体进行共聚后，则：共聚物中M1单体单元增量为F1dM。单体混合物组成由f1变成f1-df1。残留单体中则含有(M-dM)(f1-df1)单体M1

第51页在改变前后对M1作物料平衡：Mf1－(M－dM)(f1－df1)=F1dM原料单体M1摩尔数残留单体M1摩尔数进入共聚物中单元M1摩尔数整理，得：积分，得：即Skeist方程第52页令摩尔转化率F1=r1f12+2f1f2+r2f22

r1f12+f1f2f1~

C关系式第53页式中利用上式，如已知f1º、r1、r2，可求出不一样转化率C时单体组成f1，利用F1~f1关系式，可求出对应转化率下共聚物组成F1，即间接取得F1~C关系。第54页共聚物中单元M1平均组成为:进而可求出共聚物平均组成与转化率关系式f1ºf11–CC共聚物平均组成与转化率关系式参加反应单体M1mol数参加反应单体总mol数第55页0.20.8摩尔分数转化程度1