高分子化学第四章聚合方法

高分子化学第四章聚合方法1第1页，共29页，2023年，2月20日，星期二

自由基聚合方法逐步聚合方法

第4章聚合方法2第2页，共29页，2023年，2月20日，星期二自由基聚合实施方法聚合方法概述逐步聚合方法本体聚合溶液聚合悬浮聚合乳液聚合超临界CO2聚合熔融（本体）缩聚溶液缩聚界面缩聚超临界CO2缩聚高分子化学3第3页，共29页，2023年，2月20日，星期二4.1本体聚合本体聚合不加其它介质，只有单体本身，在引发剂、热、光等作用下进行的聚合反应。基本组分单体：包括气态、液态和固态单体引发剂：一般为油溶性色料增塑剂润滑剂聚合场所：本体内高分子化学助剂4第4页，共29页，2023年，2月20日，星期二本体聚合的优缺点解决办法

预聚:在反应釜中进行，转化率达10～40％，放出一部分聚合热，有一定粘度

后聚:在模板中聚合，逐步升温，使聚合完全优点产品纯净，不存在介质分离问题；可直接制得透明的板材、型材；聚合设备简单，可连续或间歇生产缺点体系很粘稠，聚合热不易扩散，温度难控制。轻则造成局部过热，产品有气泡，分子量分布宽，重则温度失调，引起爆聚

4.1本体聚合5第5页，共29页，2023年，2月20日，星期二6第6页，共29页，2023年，2月20日，星期二溶液聚合是将单体和引发剂溶于适当溶剂这进行的聚合反应基本组分单体引发剂溶剂聚合场所：在溶液内溶液聚合的优缺点优点缺点散热控温容易，可避免局部过热体系粘度较低，能消除凝胶效应

溶剂回收麻烦，设备利用率低聚合速率慢分子量不高4.2溶液聚合7第7页，共29页，2023年，2月20日，星期二溶剂对聚合的影响：溶剂的加入可能影响聚合速率、分子量分布溶剂导致笼蔽效应使f引发剂效率降低，溶剂的加入降低了单体的浓度[M]，使Rp降低向溶剂链转移的结果使分子量降低溶剂对聚合度的溶解性能与凝胶效应有关良溶剂，为均相聚合，[M]不高时，可消除凝胶效应沉淀剂，凝胶效应显著，Rp

劣溶剂，介于两者之间工业上，溶液聚合多用于聚合物溶液直接使用的场合如涂料、胶粘剂、浸渍液、合成纤维纺丝液04.2溶液聚合8第8页，共29页，2023年，2月20日，星期二4.3悬浮聚合悬浮聚合是将不溶于水的单体以小液滴状悬浮在水中进行的聚合，这是自由基聚合一种特有的聚合方法基本组分单体引发剂水

悬浮剂水溶性高分子物质聚乙烯醇聚丙烯酸钠S－MAA共聚物明胶纤维素类淀粉碳酸盐硫酸盐滑石粉高岭土是一类能将油溶性单体分散在水中形成稳定悬浮液的物质。吸附在液滴表面，形成一层保护膜吸附在液滴表面，起机械隔离作用不溶于水的无机物9第9页，共29页，2023年，2月20日，星期二颗粒大小与形态悬浮聚合得到的是粒状树脂，粒径在0.01~5mm范围粒径在1mm左右，称为珠状聚合粒径在0.01mm左右，称为粉状悬浮聚合粒状树脂的颗粒形态不同

颗粒形态是指聚合物粒子的外观形状和内部结构状况颗粒形态紧密型：有利于增塑剂的吸收，如PVC疏松型：不利于增塑剂的吸收，难于加工颗粒形态取决于分散剂的种类明胶：紧密型PVA：疏松型水与单体的配比大，有利于形成疏松型4.3悬浮聚合10第10页，共29页，2023年，2月20日，星期二4.4乳液聚合1.乳液聚合介绍乳液聚合单体在乳化剂作用和机械搅拌下，在水中分散成乳液状态进行的聚合反应聚合场所在胶束内乳液聚合优缺点

优点水作分散介质，传热控温容易可在低温下聚合

Rp快，分子量高可直接得到聚合物乳胶要得到固体聚合物，后处理麻烦，成本较高难以除尽乳化剂残留物缺点11第11页，共29页，2023年，2月20日，星期二2.基本组分单体主要要求：可进行自由基聚合且不与水反应一般为油溶性单体，在水中形成水包油型

涂料用的两个主要胶乳：丙烯酸酯单体：包括丙烯酸和甲基丙烯酸的各种酯醋酸乙烯酯单体乳胶体系

涂料最早使用的胶乳是苯乙烯与丁二烯的共聚物，现在很少用于建筑涂料，而是用于纸张偏氯乙烯/丙烯酸酯共聚物乳胶的漆膜具有非常低的水渗透性加入丙烯酸和甲基丙烯酸可改善胶体稳定性，提高附着力和提供交联点4.4乳液聚合12第12页，共29页，2023年，2月20日，星期二引发剂乳液聚合的主要引发剂为水溶性的最常用的是过硫酸盐（K，Na、NH4），尤其是过硫酸铵

在pH值10，0.01mol/L中，50℃每秒每L产生8.4×1012自由基90℃每秒每L产生2.5×1015自由基要在低温快速反应，可采用氧化还原引发体系，如过硫酸盐－亚铁盐体系：聚合可在室温引发，反应热可加热到50～80℃，并需要冷却以免过热。获得高转化率，常在后期加亲油性引发剂13第13页，共29页，2023年，2月20日，星期二乳化剂在水中的情况乳化剂浓度很低时，是以分子分散状态溶解在水中达到一定浓度后，乳化剂分子开始形成聚集体（约50～150个分子），称为胶束亲水的极性基团亲油的非极性基团

如长链脂肪酸钠盐亲油基（烷基）亲水基（羧酸钠）乳化剂是一类可使互不相容的油和水转变成难以分层的乳液的物质，属于表面活性剂分子通常由两部分组成4.4乳液聚合14第14页，共29页，2023年，2月20日，星期二形成胶束的最低乳化剂浓度，称为临界胶束浓度(CMC)

不同乳化剂的CMC不同，愈小，表示乳化能力愈强胶束的形状

胶束的大小和数目取决于乳化剂的用量乳化剂用量多，胶束的粒子小，数目多球状(低浓度时)直径40～50Å棒状(高浓度时)直径100～300nm4.4乳液聚合15第15页，共29页，2023年，2月20日，星期二加入单体的情况

在形成胶束的水溶液中加入单体

小部分单体可进入胶束的疏水层内大部分单体经搅拌形成细小的液滴

体积约为10000Å体积增至60~100Å

周围吸附了一层乳化剂分子，形成带电保护层，乳液得以稳定

相似相容，等于增加了单体在水中的溶解度，将这种溶有单体的胶束称为增容胶束极小部分单体以分子分散状态溶于水中4.4乳液聚合16第16页，共29页，2023年，2月20日，星期二乳化剂的分类

是常用的阴离子乳化剂在碱性溶液中比较稳定，遇酸、金属盐、硬水会失效在三相平衡点以下将以凝胶析出，失去乳化能力阴离子型烷基、烷基芳基的羧酸盐，如硬脂酸钠硫酸盐，如十二烷基硫酸钠磺酸盐，如十二、十四烷基磺酸钠三相平衡点是指乳化剂处于分子溶解状态、胶束、凝胶三相平衡时温度。高于此温度，溶解度突增，凝胶消失，乳化剂只以分子溶解和胶束两种状态存在C11H23COONa36℃;C15H31COONa62℃;17第17页，共29页，2023年，2月20日，星期二阳离子型极性基团为胺盐，乳化能力不足，乳液聚合一般不用两性型兼有阴、阳离子基团，如氨基酸盐非离子型环氧乙烷聚合物，或与环氧丙烷共聚物PVA对pH变化不敏感，比较稳定，乳化能力不如阴离子型一般不单独使用，常与阴离子型乳化剂合用亲憎平衡值，也称亲水亲油平衡值(HLB)是衡量表面活性剂中亲水部分和亲油部分对其性能的贡献。每种表面活性剂都有一数值，数值越大，表明亲水性越大。HLB值不同，用途也不同。乳液聚合在8～18范围18第18页，共29页，2023年，2月20日，星期二3.乳液聚合机理对于“理想体系”，即单体、乳化剂难溶于水，引发剂溶于水，聚合物溶于单体的情况单体液滴极少量单体和少量乳化剂以分子分散状态溶解在水中大部分乳化剂形成胶束，约4~5

nm，1017－18个/cm3大部分单体分散成液滴，约1000nm，1010－12个/cm3单体和乳化剂在聚合前的三种状态19第19页，共29页，2023年，2月20日，星期二在水相沉淀出来的短链自由基，从水相和单体液滴上吸附乳化剂而稳定，继而又有单体扩散进入形成聚合物乳胶粒的过程聚合场所：

水相不是聚合的主要场所;单体液滴也不是聚合场所;聚合场所在胶束内

胶束成核：自由基由水相进入胶束引发增长的过程均相成核：胶束比表面积大，内部单体浓度很高，提供了自由基进入引发聚合的条件液滴中的单体通过水相可补充胶束内的聚合消耗成核机理成核是指形成聚合物乳胶粒的过程。有两种途径：20第20页，共29页，2023年，2月20日，星期二聚合过程

根据聚合物乳胶粒的数目和单体液滴是否存在，乳液聚合分为三个阶段：

Ⅰ阶段Ⅱ阶段Ⅲ阶段乳胶粒不断增加恒定恒定胶束直到消失－－单体液滴数目不变直到消失－体积缩小RP

不断增加恒定下降Ⅰ阶段：乳胶粒生成期，从开始引发到胶束消失为止，Rp

递增Ⅱ阶段：恒速期，从胶束消失到单体液滴消失为止，Rp恒定

Ⅲ阶段：降速期，从单体液滴消失到聚合结束，Rp下降

21第21页，共29页，2023年，2月20日，星期二4.乳液聚合动力学（1）聚合速率

动力学研究多着重第二阶段——即恒速阶段自由基聚合速率可表示为

Rp=kp[M][M·]在乳液聚合中，[M]表示乳胶粒中单体浓度，mol/L[M·]与乳胶粒数有关考虑1升的乳胶粒中的自由基浓度：N为乳胶粒数，单位为个/cm3NA为阿氏常数103

N/NA是将粒子浓度化为mol/Ln为每个乳胶粒内的平均自由基数22第22页，共29页，2023年，2月20日，星期二乳液聚合恒速期的聚合速率表达式为苯乙烯在很多情况下都符合这种情况当乳胶粒中的自由基的解吸与吸收自由基的速率相比可忽略不计粒子尺寸太小不能容纳一个以上自由基时,则23第23页，共29页，2023年，2月20日，星期二讨论:对于第二阶段胶束已消失，不再有新的胶束成核，乳胶粒数恒定；单体液滴存在，不断通过水相向乳胶粒补充单体，使乳胶粒内单体浓度恒定因此，Rp恒定

对于第一阶段自由基不断进入增溶胶束引发聚合，成核的乳胶粒数N从零不断增加因此，Rp不断增加对于第三阶段单体液滴消失，乳胶粒内单体浓度[M]不断下降因此，Rp不断下降

24第24页，共29页，2023年，2月20日，星期二乳液聚合速率取决于乳胶粒数N，与引发速率无关N高达1014个/cm3，[M·]可达10－7mol/L，比典型自由基聚合高一个数量级乳胶粒中单体浓度高达5mol/L，故乳液聚合速率较快（2）聚合度设：体系中总引发速率为ρ(生成的自由基

个数/cm3

•s）

对一个乳胶粒，引发速率为ri，增长速率为rp则，初级自由基进入一个聚合物粒子的速率为每秒钟一个乳胶粒吸收的自由基数即自由基个数/s25第25页，共29页，2023年，2月20日，星期二

平均聚合度，为聚合物的链增长速率除以初级自由基进入乳胶粒的速率

每个乳胶粒内只能容纳一个自由基，每秒钟加到一个初级自由基上的单体分子数，即聚合速率：类似于N/ρ就是在一个乳胶粒内自由基存在的时间乳液聚合的平均聚合度就等于动力学链长因为，虽然是偶合终止，但一条长链自由基和一个初级自由基偶合并不影响产物的聚合度这是无链转移的情况26第26页，共29页，2023年，2月20日，星期二可见，在乳液聚合中:聚合度与N和ρ有关，与N成正比，与ρ成反比聚合速率与N成正比,与单体浓度成正比乳液聚合，在恒定的引发速率ρ