缩聚反应机理动力学与聚合度ppt课件

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1、4.3 线型缩聚反应机理线型缩聚反应机理涤纶聚酯、聚酰胺涤纶聚酯、聚酰胺-66、聚酰胺、聚酰胺-6、聚碳、聚碳酸酯、聚砜、聚苯醚等酸酯、聚砜、聚苯醚等合成纤维与工程合成纤维与工程塑料都是由线型缩聚与逐步聚合而成的。塑料都是由线型缩聚与逐步聚合而成的。反应规律相似。反应规律相似。不同用途缩聚物对分子量有着不同的要不同用途缩聚物对分子量有着不同的要求。求。缩聚反应的两大研究目标是缩聚反应的两大研究目标是缩聚速率缩聚速率与与缩聚物的数均分子量缩聚物的数均分子量14.3.1 线型缩聚与成环倾向线型缩聚与成环倾向 缩聚时需要考虑单体及中间产物的成环倾向。缩聚时需要考虑单体及中间产物的成环倾向。一般情况下

2、：一般情况下：五、六元环的结构比较稳定，例如：五、六元环的结构比较稳定，例如：羟基酸羟基酸HO(CH2)nCOOH n1，经双分子缩合形成六元环乙交酯；，经双分子缩合形成六元环乙交酯；n2，羟基失水，形成丙烯酸；羟基失水，形成丙烯酸；n3、4，易分子内缩合成稳定五、六元环内，易分子内缩合成稳定五、六元环内 酯；酯；n5，主要形成线形聚酯。，主要形成线形聚酯。氨基酸的缩聚情况类似。氨基酸的缩聚情况类似。2解决方法：解决方法：提高单体浓度。成环为单分子反应，缩提高单体浓度。成环为单分子反应，缩聚为双分子分子反应，低浓度有利于成聚为双分子分子反应，低浓度有利于成环，高浓度有利于线形缩聚。环，高浓度有

3、利于线形缩聚。降低温度。环化反应活化能一般高于线降低温度。环化反应活化能一般高于线型聚合反应。型聚合反应。34.3.2 线型缩聚机理线型缩聚机理线型缩聚机理的特征有二：线型缩聚机理的特征有二：逐步与平衡逐步与平衡逐步特征逐步特征45链增长主要依赖官能团之间的缩合反应来实现，是逐链增长主要依赖官能团之间的缩合反应来实现，是逐步的平衡反应，步的平衡反应，无链引发阶段。无链引发阶段。反应初期，体系中单体很快转化成低聚物，单体浓度反应初期，体系中单体很快转化成低聚物，单体浓度下降很快，转化率几乎与时间无关。在缩聚反应中，下降很快，转化率几乎与时间无关。在缩聚反应中，转化率转化率无实际意义；以无实际意义

4、；以反应程度反应程度来描述反应的进度。来描述反应的进度。不同大小的分子的官能团都有相同的反应活性，发生不同大小的分子的官能团都有相同的反应活性，发生分子间反应形成大分子。分子间反应形成大分子。相对分子质量随反应时间增加而逐步增大，很少超过相对分子质量随反应时间增加而逐步增大，很少超过几万，但分布较窄。几万，但分布较窄。聚合物分子链增长速率缓慢聚合物分子链增长速率缓慢(几小时，几天几小时，几天)，为加快，为加快反应速率与得到所要求的分子量较高的产物，一般需反应速率与得到所要求的分子量较高的产物，一般需加热、减压、除去小分子加热、减压、除去小分子等。等。终止反应主要由物理因素终止反应主要由物理因素

5、(如体系粘度如体系粘度)与化学因素与化学因素(如如某一官能团过量与引进单官能团化合物某一官能团过量与引进单官能团化合物等等)决定。决定。6反应程度与聚合度反应程度与聚合度反应程度：反应程度：(p,extent of reaction)在给定时在给定时间内，缩聚反应中已参加反应的间内，缩聚反应中已参加反应的官能团官能团与起始官能团物质的量物质的量之比。与起始官能团物质的量物质的量之比。7线形缩聚产物线形缩聚产物相对分子质量或聚合度相对分子质量或聚合度与与反反应程度应程度之间有怎样的关系？之间有怎样的关系？8聚合度：聚合度：进入大分子链中的平均总单体数进入大分子链中的平均总单体数(或结构单元数或结

6、构单元数)。式式(23)同样适用于同样适用于“a-A-a+b-B-b”型型(2/2官能官能度体系度体系)缩聚反应。如等量的二元酸与二元醇之间缩聚反应。如等量的二元酸与二元醇之间的反应。的反应。9如果设如果设 为平均相对结构单元质量，则为平均相对结构单元质量，则线型缩聚产物的数均相对分子质量为：线型缩聚产物的数均相对分子质量为：只有当反应程度只有当反应程度P 很大，缩聚物的相对分子质很大，缩聚物的相对分子质量量 才会足够大。才会足够大。1011 由上表可见：由上表可见：1)缩聚反应后期才能得到高相对分子质量缩聚反应后期才能得到高相对分子质量的聚合物；的聚合物；2)聚合度随着反应程度聚合度随着反应

7、程度P的增加急剧上的增加急剧上 升；升；3)缩聚产物的相对分子质量一般不超过几缩聚产物的相对分子质量一般不超过几万这一数量级。万这一数量级。12可逆平衡可逆平衡 聚酯化与低分子酯化反应相似，都是聚酯化与低分子酯化反应相似，都是可逆平衡可逆平衡反应，反应，正反应是酯化，逆反应是水解正反应是酯化，逆反应是水解平衡常数表达式为：平衡常数表达式为：13 缩聚反应的可逆程度可由平衡常数来衡量。根缩聚反应的可逆程度可由平衡常数来衡量。根据其大小，可将线型缩聚粗分为以下三类：据其大小，可将线型缩聚粗分为以下三类：1 平衡常数小，如酯化反应，平衡常数小，如酯化反应，K 4，低分子副产，低分子副产物水的存在限制

8、了分子量的提高，须在高度物水的存在限制了分子量的提高，须在高度减减压压下脱出。下脱出。2 平衡常数中等，如聚酰胺化反应，平衡常数中等，如聚酰胺化反应，K=300400，水对分子量有所影响，聚合早期，可在水介，水对分子量有所影响，聚合早期，可在水介质中进行；只是后期，需在一定的质中进行；只是后期，需在一定的减压减压条件下条件下脱水，提高反应程度。脱水，提高反应程度。3 平衡常数大，平衡常数大，K 1000，可以看作不可逆，如，可以看作不可逆，如合成聚砜一类的逐步聚合。合成聚砜一类的逐步聚合。缩聚的共有特性缩聚的共有特性逐步，但逐步，但可逆平衡程度可逆平衡程度随反随反应不同差别较大应不同差别较大

9、144.4 线型缩聚动力学线型缩聚动力学4.4.1 缩聚反应速率及其测定缩聚反应速率及其测定不能用单位时间、单位体积内反应物消耗的物质不能用单位时间、单位体积内反应物消耗的物质的量或产物生成的物质的量表示。的量或产物生成的物质的量表示。应该用单位时间、单位体积内应该用单位时间、单位体积内反应掉的官能团数反应掉的官能团数或生成的新键数或生成的新键数表示表示例如聚酯化反应例如聚酯化反应测定：跟踪官能团的变化测定：跟踪官能团的变化滴定法、气相色谱法、柱上色谱分离法、高压液滴定法、气相色谱法、柱上色谱分离法、高压液相色谱、红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱。相色谱、红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱。152.

10、4.2 官能团的等活性概念官能团的等活性概念线型缩聚反应的每一步都可以独立存在，并且可逆。线型缩聚反应的每一步都可以独立存在，并且可逆。16官能团的等活性官能团的等活性 equal reactivity of functional groups：当官能团化合物的分当官能团化合物的分子链达到一定长度后，官能团的化学反子链达到一定长度后，官能团的化学反应活性与所在的分子链长无关。应活性与所在的分子链长无关。各步正、逆反应速率常数相等，即各步正、逆反应速率常数相等，即17所有的平衡常数相等，即所有的平衡常数相等，即正确吗？正确吗？见教材见教材P163 表表4-3 原因有二：原因有二：1）在碳链增长后

11、，）在碳链增长后，诱导、共轭效应诱导、共轭效应等对官能团等对官能团的活性作用减弱，因而官能团活性相近。的活性作用减弱，因而官能团活性相近。2）官能团的活性与基团的碰撞频率有关，不决）官能团的活性与基团的碰撞频率有关，不决定于整个大分子的扩散速率。定于整个大分子的扩散速率。184.4.3 线型缩聚动力学线型缩聚动力学以二元酸与二元醇的聚酯化反应为例以二元酸与二元醇的聚酯化反应为例191）不可逆条件下的线型缩聚反应动力学不可逆条件下的线型缩聚反应动力学 缩聚反应不断排出低分子副产物情况下，符合缩聚反应不断排出低分子副产物情况下，符合不可逆条件。不可逆条件。酯化或聚酯化是酸催化反应，机理如下：酯化或

12、聚酯化是酸催化反应，机理如下：第一步第一步 羧酸先质子化：羧酸先质子化：20第二步第二步 质子化种与醇反应成酯：质子化种与醇反应成酯：聚酯化反应的速率可用羧基聚酯化反应的速率可用羧基(或羟基或羟基)消消失速率表示。失速率表示。第二步生成质子化羧酸的醇络合物的反第二步生成质子化羧酸的醇络合物的反应速率最慢，因此酯化反应速率由这一应速率最慢，因此酯化反应速率由这一步反应速率决定：步反应速率决定：2122酯化反应是慢反应，一般由酯化反应是慢反应，一般由外加无机酸外加无机酸来提供质子，来提供质子，催化加速酯化反应。催化加速酯化反应。23 外加酸催化聚酯化动力学外加酸催化聚酯化动力学 加入强酸以加速反应

13、。反应过程中催化剂浓度加入强酸以加速反应。反应过程中催化剂浓度保持不变，保持不变，H+为常数，设为常数，设 如果参加反应得官能团是等物质的量配比，浓如果参加反应得官能团是等物质的量配比，浓度为度为C(mol/L),即即 C=-COOH=-OH,则：则：24引入反应程度引入反应程度P，将式（将式（211）代入式（）代入式（210），得：），得：25结论：结论：（1）外加酸催化的聚酯反应基本）外加酸催化的聚酯反应基本符合二级符合二级反应规律反应规律，聚合度与单体起始浓度与反聚合度与单体起始浓度与反应时间应时间 t 是线性关系是线性关系，即随反应时间增加，即随反应时间增加而线性增长，由直线的斜率可以

14、求而线性增长，由直线的斜率可以求kk（2）有实验数据证明当）有实验数据证明当P（或聚合度）在（或聚合度）在一定范围内，一定范围内，1/（1-P）t的线性关系良的线性关系良好，这也证明了官能团等活性的假定是好，这也证明了官能团等活性的假定是正确的。正确的。26图图4-4 对甲苯磺酸催化己二酸与二元醇缩聚反应动力学曲线对甲苯磺酸催化己二酸与二元醇缩聚反应动力学曲线 27 无外加酸的自催化聚酯化动力学无外加酸的自催化聚酯化动力学任何酯化反应都要酸作催化剂；任何酯化反应都要酸作催化剂；若无外加酸作催化剂，则反应物羧酸本身提供若无外加酸作催化剂，则反应物羧酸本身提供的的H+起起自催化自催化作用。则作用。

15、则H+=-COOH。假设羧基与羟基浓度相等，以假设羧基与羟基浓度相等，以C（mol/L）表示，）表示，则：则：28将上式分离变量，经积分得到：将上式分离变量，经积分得到：C、Co 分别为时间分别为时间t与与t=0时羧基或羟基浓时羧基或羟基浓度。度。将式将式 代入式代入式(215)得：得：29 结论：结论：无外加酸的自缩聚基本无外加酸的自缩聚基本符合三级反应规符合三级反应规律律，但在低转化率与高转化率都会有一，但在低转化率与高转化率都会有一些偏差。些偏差。与与t 成线性关系，说明聚合度随反成线性关系，说明聚合度随反应时间延长而应时间延长而缓慢增加缓慢增加。自催化反应速率常数自催化反应速率常数k

16、比有外加酸催化比有外加酸催化的速率常数的速率常数k 要小要小2个数量级。个数量级。30图图4-3 己二酸自催化与四种二元醇得缩聚反应动力学曲线己二酸自催化与四种二元醇得缩聚反应动力学曲线1）癸二醇，）癸二醇，202C；2）癸二醇，）癸二醇，191C；3）癸二醇，）癸二醇，161C；4）二缩乙二醇，）二缩乙二醇，166C31 自催化与外加酸催化并存自催化与外加酸催化并存322）平衡缩聚反应动力学平衡缩聚反应动力学n若酯化反应在密闭系统中进行，或水的若酯化反应在密闭系统中进行，或水的排除不及时，则逆反应不容忽视，与正排除不及时，则逆反应不容忽视，与正反应构成可逆平衡。反应构成可逆平衡。n如果羧基数

17、与羟基数相等，令其起始浓如果羧基数与羟基数相等，令其起始浓度度C0=1，时间，时间t的浓度为的浓度为C，C=C0(1-P）=1-P。则酯的浓度为。则酯的浓度为 1-C=P，水全未排除时，水的浓度也是，水全未排除时，水的浓度也是P。如果一部分水排出，残留水的浓度为。如果一部分水排出，残留水的浓度为nw33上式表明：总反应速率与反应程度上式表明：总反应速率与反应程度P、低分子副产物含、低分子副产物含量量nw、平衡常数、平衡常数K有关有关34本节完354.5 线型缩聚物的聚合度线型缩聚物的聚合度 一种聚合物的性能及加工与其一种聚合物的性能及加工与其相对分子相对分子质量及相对分子质量分布质量及相对分子

18、质量分布关系密切。根关系密切。根据聚合物不同用途与控制相对分子质量据聚合物不同用途与控制相对分子质量的目的，分两种情况：的目的，分两种情况：使相对分子质量达到或接近预期数值；使相对分子质量达到或接近预期数值；使相对分子质量尽可能高。使相对分子质量尽可能高。影响缩聚物聚合物度的因素有影响缩聚物聚合物度的因素有反应程度、反应程度、平衡常数平衡常数与与基团比基团比，基团比是控制因素。，基团比是控制因素。364.5.1 反应程度与平衡常数对聚合度的影响反应程度与平衡常数对聚合度的影响2-2体系，两种基团比相等时，体系，两种基团比相等时，聚酯化是可逆反应，如果不将副产物水排除，聚酯化是可逆反应，如果不将

19、副产物水排除，正拟反应将构成平衡，总速率等于零，反应程正拟反应将构成平衡，总速率等于零，反应程度将受到限制。对于封闭体系，基团比相等时度将受到限制。对于封闭体系，基团比相等时得：得：37解得：解得：即反应达到平衡时即反应达到平衡时P与聚合度完全由与聚合度完全由K决定，与其它条决定，与其它条件无关。件无关。若聚酯化反应若聚酯化反应K=4，在密闭系统内，最高，在密闭系统内，最高，P=2/3，聚，聚合度为合度为3。因此，需在高度减压的条件下及时排除副产物水。因此，需在高度减压的条件下及时排除副产物水。解得：解得：38 表示聚合度与平衡常数的平方根成正比，与水含表示聚合度与平衡常数的平方根成正比，与水

20、含量的平方根成反比。量的平方根成反比。在实际反应中，往往根据所在实际反应中，往往根据所要求的合格相对分子质量以及反应平衡常数要求的合格相对分子质量以及反应平衡常数K来控来控制体系中的制体系中的nw。平衡常数小的，如聚酯化，平衡常数小的，如聚酯化，K4，要求聚合度为，要求聚合度为100时，由公式时，由公式(2-8)得得:nw 410-4。必须除去必须除去低分子物质，体系压力较低。低分子物质，体系压力较低。平衡常数中等，如聚酰胺化，平衡常数中等，如聚酰胺化，K400，要求聚合度，要求聚合度为为100时，需使时，需使nw410-2，低分子物质含量可高，低分子物质含量可高些。些。对于对于K值很大值很大

21、(103)时，且对聚合度要求不高时，且对聚合度要求不高(几几到几十到几十)时，例如，某些可溶性预聚物，可以在水时，例如，某些可溶性预聚物，可以在水介质中进行。介质中进行。39 上述分析都是在两种基团的摩尔比相等的前提上述分析都是在两种基团的摩尔比相等的前提下讨论的，下讨论的，而实际上的操作而实际上的操作都是在基团比不相都是在基团比不相等的情况下进行的，进行理论分析时需引入等的情况下进行的，进行理论分析时需引入两两种基团数比或摩尔比种基团数比或摩尔比r，工业上则多用，工业上则多用过量摩过量摩尔百分比或摩尔分数尔百分比或摩尔分数q表示。表示。对于对于aAa与与bBb反应体系，其中反应体系，其中bB

22、b单体稍过量，单体稍过量，设：设：Na、Nb分别为官能团分别为官能团a、b 的起始数目，的起始数目，Pa 为官能团为官能团a 的反应程度。的反应程度。4.5.2 基团比对聚合度的影响基团比对聚合度的影响40 或或 两基团相等措施有三：两基团相等措施有三：1）单体高度纯化与精确计量；）单体高度纯化与精确计量；2）两基团在同一单体分子上，如氨基酸、羟基）两基团在同一单体分子上，如氨基酸、羟基酸；酸；3）二元胺与二元酸成盐）二元胺与二元酸成盐在此基础上，调节聚合度通过在此基础上，调节聚合度通过某种二元单体微某种二元单体微过量过量或另或另加少量单官能团物质加少量单官能团物质来封锁端基。来封锁端基。进一

23、步在进一步在减压减压条件下尽快脱水，条件下尽快脱水，防止逆反应防止逆反应，并要有并要有足够的时间足够的时间来提高反应程度与聚合度。来提高反应程度与聚合度。414.5.3 线型缩聚反应分子量的控制方法线型缩聚反应分子量的控制方法42（1）单体过量法（改变原料摩尔比）单体过量法（改变原料摩尔比）对于对于aAa与与bBb反应体系，其中反应体系，其中bBb单体稍过单体稍过量，设：量，设：Na、Nb分别为官能团分别为官能团a、b 的起始数的起始数目，目，Pa 为官能团为官能团a 的反应程度。的反应程度。43表明表明聚合度聚合度与基团数比与基团数比r、反应程度、反应程度P 的关系式的关系式 44a)当当N

24、aNb，即，即 r1 时，式时，式(218)还原成：还原成：b)当当P1时，即时，即a 完全反应时，式完全反应时，式(218)为：为：c)r1、P1，则聚合度为无穷大，成为一个，则聚合度为无穷大，成为一个大分子。大分子。45（2）aAa与与bBb两单体等基团数比，另外加入微量单官两单体等基团数比，另外加入微量单官能团物质（端基封锁剂，相对分子质量稳定剂）能团物质（端基封锁剂，相对分子质量稳定剂）Cb（其基团数为（其基团数为Nb）按下式计算基团数比）按下式计算基团数比r 式中分母中的式中分母中的“2”表示表示1个分子个分子Cb中的一个基团中的一个基团b 相当相当于一个过量于一个过量bBb分子双官

25、能团的作用。分子双官能团的作用。（3）aRb(如羟基酸如羟基酸)加少量单官能团物质加少量单官能团物质Cb，r 的算法的算法与上式相同与上式相同由以上两式求得由以上两式求得r 后，也可以应用式后，也可以应用式 来计来计算聚合度。算聚合度。46 由以上定量分析表明，线型缩聚物的由以上定量分析表明，线型缩聚物的聚聚合度与两基团数比合度与两基团数比密切相关。任何原料密切相关。任何原料都很难做到两种基团数相等，都很难做到两种基团数相等，微量杂质微量杂质的存在、分析误差、称量不准、聚合过的存在、分析误差、称量不准、聚合过程中的挥发与分解损失程中的挥发与分解损失都是造成不等的都是造成不等的原因，应该设法排除

26、。原因，应该设法排除。474.5.4 线型缩聚物的分子量分布线型缩聚物的分子量分布 聚合产物是分子量不等的大分子的混合物，分聚合产物是分子量不等的大分子的混合物，分子量存在着一定的分布。子量存在着一定的分布。分子量分布函数分子量分布函数 线型缩聚反应产物的线型缩聚反应产物的相对分子质量分布相对分子质量分布是指在是指在各种相对分子质量大小的缩聚物中，聚合度为各种相对分子质量大小的缩聚物中，聚合度为n 的缩聚物在全部分子中所占的分数（或比例）的缩聚物在全部分子中所占的分数（或比例），即，即Nn/N(数量分数）。数量分数）。Nn 为为n 聚合度的分子数，聚合度的分子数，N 为各种聚合度大小的分子总数

27、。为各种聚合度大小的分子总数。还可用即还可用即Wn/W（重量分数）来表示。（重量分数）来表示。相对分子质量分布的确定相对分子质量分布的确定 Flory相对分子质量分布函数相对分子质量分布函数48此方法需要假定两个前提：此方法需要假定两个前提：i）官能团等活性，即各步反应速率常数相等；）官能团等活性，即各步反应速率常数相等；ii）等物质的量（如羟基与羧基数目始终保持相等，即各）等物质的量（如羟基与羧基数目始终保持相等，即各个键的成键几率相等）。个键的成键几率相等）。设：设：t0 时，时，No为为COOH（或（或OH）数；）数；t 时刻，时刻，N 为未反应的为未反应的COOH(或或OH)P 为反应

28、程度为反应程度（P也可看作是在该体系中形成每一个酯键也可看作是在该体系中形成每一个酯键的几率）的几率）49对对n聚体聚体来说，分子中必然含有聚体聚体来说，分子中必然含有n1个酯键与个酯键与一个不成键的羧基，则：一个不成键的羧基，则：50体系中存在各种聚合度大小的分子体系中存在各种聚合度大小的分子(分子总数为分子总数为N)，n聚体的聚体的分子数为分子数为Nn。生成。生成n聚体的几率也可以表示为：聚体的几率也可以表示为：514-452Flory 分布函数的用途：分布函数的用途：表征缩聚物的相对分子质量分布；表征缩聚物的相对分子质量分布；计算任何反应程度时计算任何反应程度时,任何聚合度同系任何聚合度

29、同系 物的摩尔分数；物的摩尔分数；可以进一步推导重量可以进一步推导重量(分数分数)分布函数。分布函数。53n-聚体的重量分数聚体的重量分数 若忽略端基重量，设若忽略端基重量，设:Wn为为n聚体的重量，聚体的重量，Nn为为n聚体的分子数目，聚体的分子数目，Mo为相对结构为相对结构单元质量。则：单元质量。则：n聚体的重量聚体的重量Wn n Mo Nn聚合物总重量聚合物总重量W No Mo故：故：n聚体的重量分数为：聚体的重量分数为：544-555分子量分布宽度分子量分布宽度参照数均分子量的定义，数均分子量表示如下：参照数均分子量的定义，数均分子量表示如下：将将 代入数均分子量的定义式代入数均分子量的定义式 56重均聚合度可由下式求得：重均聚合度可由下式求得：57多分散系数为：多分散系数为：当反应程度极大（即当反应程度极大（即P1）时，）时，58尼龙尼龙-66经凝胶色谱分级后，由实验测得经凝胶色谱分级后，由实验测得的分子量分布情况与上述理论推导结果的分子量分布情况与上述理论推导结果相近。许多逐步聚合反应的相近。许多逐步聚合反应的d 实验值接近实验值接近2，都说明了统计理论分布的可靠性，都说明了统计理论分布的可靠性如果官能团活性大小随分子大小而变，如果官能团活性大小随分子大小而变，则分子量分部就要复杂得多，很难做数则分子量分部就要复杂得多，很难做数学处理学处理 59