高分子科学导论-高分子的合成市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

高分子合成与化学性能

Polymersynthesisandchemicalproperties四川大学化学学院Introductiontopolymerscience第一讲第1页PolymerScienceStructureMonomerSynthesizePolymerCharacterization&AnalysisPropertiesProcessingProductsMoleculardesignPolymerChemistryPolymerEngineeringPolymerPhysics第2页Content高分子聚合方法

Polymerization聚合物分子设计

Moleculardesignofthepolymer聚合物化学反应

ReactionsofthePolymer高分子老化、降解与回收

Polymeraging,degradationandrecycling第3页Polymerization按单体和聚合物在组成和结构上发生改变分类在高分子化学发展早期，曾依据单体和聚合物组成和结构上发生改变，将聚合反应分为加聚反应和缩聚反应。加聚反应（additionpolymerization）单体经加成反应聚合过程称为加聚反应。大多数烯类单体和炔类单体聚合过程都是加聚反应。缩聚反应（condensationpolymerization）缩聚反应通常是官能团间反应，除了形成聚合主产物缩聚物以外，依据官能团种类不一样，还有水、醇、氨、氯化氢等低分子副产物产生。第4页Polymerization按聚合机理或动力学分类连锁聚合（chainpolymerization）Chain(growth)polymerizationisapolymerizationtechniquewhereunsaturatedmonomermoleculesaddontoagrowingpolymerchainoneatatime.Itcanberepresentedwiththechemicalequation:nM

(M

)n逐步聚合（Steppolymerization）Step(growth)polymerizationreferstoatypeofpolymerizationmechanisminwhichbi-functionalormultifunctionalmonomersreacttoformfirstdimers,thentrimers,longeroligomersandeventuallylongchainpolymers.第5页ChainPolymerization连锁聚合反应是合成碳链聚合物聚合反应；由多个机理不一样基元反应组成，反应速率和活化能差异大；单体只能与活性中心反应生成新活性中心，单体之间不能反应；反应体系一直是由单体、聚合产物和微量引发剂及含活性中心增加链所组成；聚合产物相对分子质量普通不随单体转化率而变。基元反应连锁聚合

链引发（Chaininitiation）

链增加（Chainpropagation）

链终止（Chaintermination）第6页ChainPolymerization活性中心（reactivecenter)

能够是自由基、阳离子和阴离子，它进攻单体双键，使单体π键打开，与之加成，形成单体活性种，而后深入与单体加成，促使链增加。均裂:R••R2R•（自由基）异裂:A••BA••（阴离子）+B（阳离子）连锁聚合单体（monomer）

发生连锁聚合反应单体大致分为三类：含碳碳双键单烯类和共轭双烯类单体；羰基化合物和杂环化合物。单体聚合条件

热力学方面:单体和聚合物自由焓差ΔG应小于零。

动力学方面:需有适当引发剂、温度等动力学条件。-+第7页ChainPolymerization自由基聚合

freeradicalpolymerization阳离子聚合

cationicpolymerization阴离子聚合

anionicpolymerization配位聚合

coordinationpolymerization烯类单体聚合类型自由基阴离子阳离子配位CH2=CH2++CH2=CH2CH3+CH2=CHCH=CH2++∆+CH2=C(CH3)CH=CH2∆+∆+CH2=CHC6H5+∆∆∆CH2=CHCl+∆CH2=CCl2+∆CH2=CHF+CH2=CF2+CH2=CHOCOCH3+CH2=C(CH3)COOCH3+∆∆CH2=CHCN+∆∆CH2=CH-OR+∆∆:available+:industrialized第8页ChainPolymerizationCOOCOOCOO2CHH2C+COOCOOCHCH2ka过氧化苯甲酰（BenzoylPeroxide，BPO）均裂生成活性自由基；I.Chaininitiation活性自由基进攻苯乙烯（styrene）单体，与之发生加成反应生成单体活性种；第9页ChainPolymerizationCHH2CCOOCHCH2kp1COOCHCH2CHCH2CHH2Ckp2COOCHCH2CHCH2()2CHH2Ckp3……II.Chainpropagation第10页ChainPolymerizationCOOCHCH2CHCH2()xCOOCH2CHCH2CH()y+COOCH2CHCH2CH()yCOOCHCH2CHCH2()xktcIII.Chaintermination(1)偶合终止(Combination):两链自由基孤电子相互作用结合成共价键终止反应。第11页ChainPolymerizationIII.Chaintermination(2)歧化终止

(Disproportionation):

某链自由基夺取另一链自由基相邻碳原子上氢原子或其它原子终止反应。COOCHCH2CHCH2()xCOOCH2CHCH2CH()y+COOCHCH2CH2CH2()xCOOCH2CHCH2CH()y+ktd第12页ChainPolymerizationIV.Chaintransfer自由基聚合过程中，增加链自由基从其它分子上夺取一个原子而终止成为稳定大分子，并使失去原子分子又成为一个新自由基，再引发单体继续新链增加，使聚合反应继续下去，称为链转移反应。kp1+SHCOOCHCH2CH2CH2+SCOOCHCH2CHCH2()x转移对象：溶剂、链转移剂、单体、引发剂、大分子等。第13页ChainPolymerization过程离子聚合自由基聚合链引发活化能低，普通可在较低温度下进行。活化能高，普通要热引发剂。引发剂阳离子聚适用亲电试剂；阴离子聚适用亲核试剂。常采取过氧化物，偶氮化物或氧化-还原剂。引发作用引发剂或称催化剂一直起作用。只有引发时才起作用。链增加链增加离子总带有“反离子”或称“抗衡离子”，单体插入离子对之间不停增大，离子电荷转移到新接上去单体上。单体在自由基一端接入，自由基转移到新接入单体上，此点与离子型相同。链终止不能发生偶合终止。自动终止和终止剂结合终止，链转移后不具活性而终止。有偶合终止，歧化终止和链转移终止。链转移后能继续引发反应。第14页CoordinationpolymerizationCoordinationpolymerizationisaformofadditionpolymerizationinwhichmonomeraddstoagrowingmacromoleculethroughanorganometallicactivecenter.TiClClClH3CClAlCH3CH3VacantsiteCH2CH2TiClClClH3CClAlCH3CH3CH2CH2TiClClClH3CClAlCH3CH3CH2CH2TiClClClH2CClAlCH3CH3VacantsiteCH2CH3CH2CH2MigrationZigler-Nattacatalyst第15页CoordinationpolymerizationLac2Zn+HO-RLac2ZnORHInitiationOOOcoordinationLac2ZnORHOOOLac2ZnOHCH2CH2OCH2OCORInsertRing-openingcoordinationpolymerization:coordinationinsertionmechanism配位聚合与自由基聚合和离子聚合不一样，后二者链增加时，都是单体分子与活性链末端发生加成反应，而配位聚合中单体分子是插入催化剂活性中心与增加链之间，所以也称为“插入聚合”。第16页StepPolymerization聚合反应是经过单体官能团之间反应逐步进行；每步反应机理相同，因而反应速率和活化能大致相同；反应体系一直由单体和分子量递增一系列中间产物组成，单体以及任何中间产物两分子间都能发生反应；聚合产物分子量是逐步增大。绝大多数缩聚反应是最经典逐步聚合反应，但也有部分结构改变上类似加聚反应逐步聚合反应。聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、酚醛树脂、脲醛树脂、醇酸树脂、聚氨酯等都是主要逐步聚合产物。第17页StepPolymerizationPolyesterification(酯化反应)Transesterification(酯交换反应)COOHCOHOCH2CH2OHHO+COOCOOHCH2CH2OHnn[]n+2n-1H2OCOOCH3COCH3OCH2CH2OHHO+COOCOOCH3CH2CH2OHnn[]n+2n-1CH3OH第18页StepPolymerizationHO(CH2)4OHN(CH2)6NCOCO+nnO(CH2)4OCONH(CH2)6NHCO[n]1,4-butanediol1,6-hexanediisocyanatepolyurethaneNon-Condensation-typeAdditionpolymerizationofapolyurethane第19页PolymerizationMethods本体聚合（Bulkpolymerization）本体聚合指在聚合过程中不加其它介质，只有单体本身，在引发剂、热、光等作用下进行聚合反应。溶液聚合（Solutionpolymerization）溶液聚合是将单体和引发剂溶于适当溶剂中进行聚合反应方法。悬浮聚合（Suspensionpolymerization）悬浮聚合是单体以小液滴状悬浮在水中进行聚合，单体中溶有引发剂，一个小液滴就相当于一个本体聚合单元。乳液聚合（Emulsionpolymerization）乳液聚合是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聚合反应，反应体系包含单体、分散介质、乳化剂和引发剂。第20页PolymerizationMethods本体聚合产品纯净；不存在介质分离问题；聚合设备简单。体系很粘稠，聚合热不易扩散，温度难控制。溶液聚合散热控温轻易，防止局部过热；体系粘度较低，反应物能充分分散，从而消除凝胶效应。。聚合反应速度较慢，产物分子量也不高；包括溶剂回收问题。悬浮聚合体系粘度低，散热与控温轻易；产物分子量及分子量分布比较稳定；后处理工序比简单。产物中存在少许分散剂残留物。不适合用于离子聚合等有没有水条件要求反应。乳液聚合传热控温轻易；可低温下反应；链增加速度快，分子量较高；可直接得到聚合物乳胶。产物纯化分离工序较为复杂；产物中往往残留乳化剂。第21页PolymerizationMethods界面聚合

(Interfacepolymerization)固相聚合(Solidpolymerization)超临界流体聚合(Polymerizationinsupercriticalfluids)辐射聚合(Radiationpolymerization)等离子体聚合(Plasmapolymerization)微波聚合(Microwave-assistedpolymerization)超声波聚合(Ultrasonic-assistedpolymerization)第22页MoleculardesignStructureChemicalStructureChainStructureAggregateStructureMorphologyPropertiesMoleculardesignCopolymerizationBranchingCross-linking第23页Branching&Cross-linkingLinearBranchedCross-linkedComb-likeStar-likeDendrimerPolycatenane第24页Branching名称密度（g/ml）结晶度（%）拉伸强度（MPa）断裂伸长率（%）冲击强度（J/m）HDPE0.94-0.9780-9521-3820-13027-1068LDPE0.91-0.9350-704.1-1690-800NobreakLLDPE0.92-0.9350-5520-30100-1000Nobreak不一样支化结构聚乙烯基本性能参数第25页Cross-linking交联反应是指线型高分子链之间进行化学反应，由线型聚合物转变成为体型网状聚合物。交联目标在于消除永久变形，交联后体型聚合物不能熔融也不会溶解。常见橡胶和热固性树脂制品均是交联聚合物。表征交联几个参数交联点间分子量（molecularweightbetweencross-links）凝胶率（gelfraction）溶胀率（Swellingratio）SSSSSSSS+()nΔSnSnSnSnVulcanizationofnaturerubber第26页Copolymerization聚合链中含有两种或两种以上结构单元聚合物，称为Copolymer（共聚物）共聚（Copolymerization）是改变聚合物性能一个有效方法。依据共聚物中结构单元排列方式可分为以下几类：无规共聚物（random）：A、B两种结构单元无规排列，随机分布。交替共聚物（alternate）：A、B两种结构单元严格相间排列。嵌段共聚物（block）：由A单元聚合物链段和B单元聚合物链段交替组成。第27页CopolymerizationPGAPGA-co-PLAPLA90/1075/2550/5025/75全部降解时间/天6090100120180220PGA和PLLA具结晶性，PGA-co-PLA共聚物是无定型。对乳酸-羟基乙酸共聚物来说，伴随聚合物中羟基乙酸含量增大，聚合物亲疏水性、结晶性和立体效应都会发生改变，从而改变降解速度。OOOOOOOOOCH2COOCHCOCH3()()xy+Lactideglycolide第28页CopolymerizationOHHOOCN-R-NCOOOONH-R-NCOONCO-R-HNHO-R’-OHOOON-R-NHHOO-R’-OON-R-NHHO()()xyOCN-R-NCO+Softsegments“Coil”Hardsegments“Rod”Shapememory“Rod-Coil”polyurethaneblockcopolymer第29页Graftcopolymer主链由单元A组成，而支链由另一个单元B组成。BackboneAGraftchainsB***MonomerBMacro-initiator******Pre-polymerBPre-polymerAMacro-monomerMonomerAGraftfromGraftontoGraftthrough第30页AdvanceinPolymerization合成原料产品高能效、低能耗、绿色环境保护是高分子合成未来发展主要方向。生物质转化温和反应条件，不产生危险或有害物质。环境友好可降解、可回收。生物圈循环Biospherecirculation绿色高分子合成第31页LivingPolymerization活性聚合（LivingPolymerization）

livingpolymerizationisaformofadditionpolymerizationwheretheabilityofagrowingpolymerchaintoterminatehasbeenremoved在适当合成条件下，无链终止与链转移反应，链增加活性中心浓度保持恒定时间要比完成合成反应所需时间长数倍。活性聚合特点分子量可控，Mn增加与单体转化率成线性关系；单体100%转化后加入新单体，聚合反应继续进行，Mn深入增加，且仍与单体转化