高分子化学复习笔记

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1、真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。第一章 绪论1.1 高分子的基本概念、特点单体：能通过相互反应生成高分子的化合物。高分子或聚合物：由许多结构和组成相同的单元相互键连而成的相对分子质量在10000以上的化合物。相对分子质量低于1000的称为低分子。相对分子质量介于高分子和低分子之间的称为低聚物（又名齐聚物）。相对分子质量大于1 000 000的称为超高相对分子质量聚合物。主链：构成高分子骨架结构，以化学键结合的原子集合。侧链或侧基：连接在主链原子上的原子或原子集合，又称支链。支链可以较小，称为侧基；也可以较大，称为侧链。聚合反应:由低分子单体合成聚合物的反应称做.重复单元：聚合物

2、中组成和结构相同的最小单位称为，又称为链节。结构单元：构成高分子链并决定高分子性质的最小结构单位称为单体单元：聚合物中具有与单体的化学组成相同而键合的电子状态不同的单元称为。连锁聚合（Chain Polymerization）：活性中心引发单体，迅速连锁增长的聚合。烯类单体的加聚反应大部分属于连锁聚合。连锁聚合需活性中心，根据活性中心的不同可分为自由基聚合、阳离子聚合和阴离子聚合。 逐步聚合（Step Polymerization）：无活性中心，单体官能团之间相互反应而逐步增长。绝大多数缩聚反应都属于逐步聚合。加聚反应（Addition Polymerization）：即加成聚合反应， 烯类单

3、体经加成而聚合起来的反应。加聚反应无副产物。 缩聚反应（Condensation Polymerization）：即缩合聚合反应，单体经多次缩合而聚合成大分子的反应。该反应常伴随着小分子的生成。 聚合反应 (Polymerization)：由低分子单体合成聚合物的反应。线型聚合物:指许多重复单元在一个连续长度上连接而成的高分子.热塑性塑料(Thermoplastics Plastics)：是线型可支链型聚合物，受热即软化或熔融，冷却即固化定型，这一过程可反复进行。聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）等均属于此类。热固性塑料(Thermosetting Plastics)：在加工

4、过程中形成交联结构，再加热也不软化和熔融。酚醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂等均属于此类。1.2 高分子化合物的分类1) 按高分子主链结构分类：可分为：碳链聚合物（Carbon-chain Polymer）：大分子主链完全由碳原子组成的聚合物。杂链聚合物（Hetero-chain Polymer）：聚合物的大分子主链中除了碳原子外，还有氧、氮，硫等杂原子。元素有机聚合物 (Element Organic Polymer) ：聚合物的大分子主链中没有碳原子孙，主要由硅、硼、铝和氧、氮、硫、磷等原子组成。无机高分子（Inorganic Polymer）：主链与侧链均无碳原子的高分子。 2）按用途分可分为

5、：塑料、橡胶、纤维三大类，如果再加上涂料、粘合剂和功能高分子则为六大类。塑料（Plastics）：具有塑性行为的材料，所谓塑性是指受外力作用时，发生形变，外力取消后，仍能保持受力时的状态。塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，受力能发生一定形变。软塑料接近橡胶，硬塑料接近纤维。 橡胶（Rubber）：具有可逆形变的高弹性聚合物材料。在室温下富有弹性，在很小的外力作用下能产生较大形变，除去外力后能恢复原状。 橡胶属于完全无定型聚合物，它的玻璃化转变温度（T g）低， 分子量往往很大，大于几十万。 纤维（Fiber）： 聚合物经一定的机械加工（牵引、拉伸、定型等）后形成细而柔软的细丝，形成纤维。纤维具

6、有弹性模量大，受力时形变小，强度高等特点， 有很高的结晶能力，分子量小，一般为几万。 3）按来源分可分为：天然高分子、合成高分子、半天然高分子（改性的天然高分子）4）按分子的形状分：线形高分子、支化高分子、交联(或称网状)高分子5）按单体分：均聚物、共聚物、高分子共混物(又称高分子合金)6）按聚合反应类型分：缩聚物、加聚物7）按热行为分：热塑性聚合物（Thermoplastics Polymer）： 聚合物大分子之间以物理力聚集而成，加热时可熔融，并能溶于适当溶剂中。热塑性聚合物受热时可塑化，冷却时则固化成型，并且可以如此反复进行。 热固性聚合物（Thermosetting Polymer）：

7、许多线性或支链形大分子由化学键连接而成的交联体形聚合物，许多大分子键合在一起，已无单个大分子可言。这类聚合物受热不软化，也不易被溶剂所溶胀。 8）按相对分子质量分：高聚物、低聚物、齐聚物、预聚物。1.3 相对分子质量及其分布1）相对分子质量平均相对分子质量：相对于一般低分子化合物都具有确定的相对分子质量而言，一般合成聚合物都不是由具有相同相对分子质量的大分子组成，而是由许多相对分子质量大小不等的同系物分子组成的混合物。因此，高分子化合物的相对分子质量只是这些同系物相对分子质量的统计平均值。数均分子量: 为i-聚体的分子分率和质量分率。某体系的总质量m为分子总数所平均。.质均分子量:采用光散射法

8、测得: 粘均分子量（Viscosity-average Molecular Weight）：用粘度法测得的聚合物的分子量。 2）聚合度聚合度()：即高分子链中重复单元的重复次数，以表示；衡量聚合物分子大小的指标。 聚合度与相对分子质量的关系为 式中M为重复单元的相对分子质量. 由于共聚物和混缩聚物的重复单元由两个或两个以上结构单元组成,如果采用聚合度往往会带来计算上的不便，因此大部分情况下，将聚合度定义为每个大分子链所含结构单元数目的平均值，通常以表示。 聚合度与相对分子质量的关系为， 为结构单元的平均相对分子质量。 特别强调：聚合度的计算最好以结构单元数目而不以重复单元数目为基准，即通常采用

9、的是表示聚合度。3) 相对分子质量分布多分散性（Polydispersity）：聚合物通常由一系列相对分子量不同的大分子同系物组成的混合物，这种相对分子质量的不均一性称为相对分子质量的多分散性。多分散性有三种表示法：多分散系数；分级曲数；分布函数。多分散系(指)数可以用重均分子量和数均分子量的比值来表示,这一比值称为多分散指数,其符号为，对于完全单分散的聚合物D=1，其数值大小表征聚合物相对分子质量大小悬殊的程度。 分子量分布（Molecular Weight Distribution, MWD ）：由于高聚物一般由不同分子量的同系物组成的混合物，因此它的分子量具有一定的分布，分子量分布一般有

10、分布指数和分子量分布曲线两种表示方法。 第二章 逐步聚合 2.1 逐步聚合反应的基本概念1 逐步的特征逐步聚合（Step Polymerization）：通常是由单体所带的两种不同的官能团之间发生化学反应而进行的。无活性中心，单体官能团之间相互反应而逐步增长。绝大多数缩聚反应都属于逐步聚合。其特征为：逐步聚合反应是通过单体功能基之间的反应逐步进行的。在反应初期，聚合物远未达到实用要求的高分子量（500010000）时，单体就已经消失了。逐步聚合反应的速率是不同大小分子间反应速率的总和。聚合产物的相对分子质量随转化率增高而逐步增大的。在高转化率才能生成高分子量的聚合物。3）按参加反应的单体种类分

11、类(1)逐步均聚反应：只有一种或两种单体参加聚合反应，生成的聚合物只含有一种重复单元。（2）逐步共聚反应：两种或两种以上单体参加聚合反应，生成的聚合物含有两种或两种以上的重复单元。3. 缩聚反应缩聚反应：是缩合聚合的简称，是多次缩合重复结果形成缩聚物的过程。缩合和缩聚都是基团间的反应，两种不同基团可以分属于两种单体分子，也可能同在一种单体分子上。官能度(Functionality)：一分子聚合反应原料中能参与反应的官能团数称为官能度。1-1、1-2、1-3体系缩合，将形成低分子物；2-2或2-官能度体系缩聚，形成线形缩聚物；2-3、2-4或3-3体系则形成体形缩聚物。4. 线形缩聚机理线形缩聚

12、机理的特征有：逐步和可逆。1）线型缩聚反应的逐步性 缩聚大分子的生长是由于官能团相互反应的结果。缩聚早期，单体很快消失，转变成二聚体、三聚体、四聚体等低聚物，转化率很高，以后的缩聚反应则在低聚物之间进行。缩聚反应就是这样逐步进行下去的，聚合度随时间或反应程度而增加。延长聚合时间的主要目的在于提高产物相对分子质量，而不在于提高转化率。缩聚早期，单体的转化率就很高，而相对分子质量却很低。 转化率：是指转变成聚合物的单体部分占起始单体量的百分数。 逐步特性是所有缩聚反应所共有的。 2)线型缩聚反应的平衡性 许多缩聚反应是可逆的，其可逆的程度可由平衡常数来衡量。根据其大小，可将线型缩聚大致分成三类：平

13、衡常数小，如聚酯化反应，K4，低分子副产物水的存在对聚合物相对分子质量影响很大，应除去。平衡常数中等，如聚酰胺化反应，K300500，水对聚合物相对分子质量有所影响。平衡常数很大或看作不可逆，如聚碳酸酯和聚砜一类的缩聚，平衡常数总在几千以上。 可逆平衡的程度则各类缩聚反应有明显的差别。 3) 线型缩聚反应的平衡常数 Flory等活性理论：单官能团化合物的分子链达到一定长度之后，其官能团的化学反应活性与分子链长无关。 按照官能团等活性理论，可以用一个平衡常数表征整个聚合反应的平衡特征，并以体系中的官能团浓度代替单体浓度。以聚酯反应为例，则其平衡常数为方括号的含义是代表官能团的浓度和小分子的浓度。

14、平衡为限，不能使扩散成为控制速率的主要因素。4) 反应程度和聚合度 考虑到在线型缩聚反应中实际参加反应的是官能团而不是整个单体分子，所以通常采用已经参加了反应的官能团与起始官能团的物质的量之比即反应程度来表征该反应进行的程度：=已反应官能团数起始官能团总数式中：为反应起始时单体的总物质的量；N为缩聚反应体系中同系物(含单体)的总物质的量。线型平衡缩聚物的数均聚合度与反应程度的关系为 7) 获得高相对分子质量缩聚物的基本条件获得高相对分子质量缩聚物的重要条件是：单体纯净，无单官能团化合物。官能团等物质的量配比。尽可能高的反应程度，包括温度控制、催化剂、后期减压排除小分子、惰性气体保护等。 2.2

15、 官能团等活性概念官能团等活性概念：反应物的两个官能团的反应活性是相等的，它与分子链的大小（分子量）无关，与另一个官能团是否已经反应也无关。 2.4聚合度与平衡常数的关系 官能团等活性和等物质的量配比时，线型平衡缩聚反应达到平衡时聚合物同系物(其中含单体)的平均聚合度()与平衡常数()、反应程度()以及体系中小分子存留率()之间的关系为 这是一个普遍公式，式中：，定义为存留在体系中小分子的物质的量分数；为生成小分子(这里用H20代表)的物质的量。1）密闭体系 平衡聚合反应：单体与聚合物之间存在平衡关系的聚合反应称为或可逆聚合反应。通常将逆反应叫做解聚反应。缩聚反应在与外界完全无传质过程的所谓“

16、密闭反应器”中进行。 所以，密闭体系中进行的线型平衡缩聚反应达到平衡时的聚合物同系物的聚合度完全由平衡常数决定。 2）敞开体系缩聚反应在能够与外界进行传质过程的敞开反应器中进行，即将小分子副产物不断从反应体系中移走。 当聚合物平均相对分子质量在10 000以上时，反应程度可近似地取为1，则 （许尔兹公式） 所以，对于绝大多数线型平衡缩聚反应而言，要获得高相对分子质量的聚合物就必须保证反应在敞开的反应器中进行，同时需要排出小分子副产物，使残留在反应体系中的小分子尽可能小。25 线型聚合反应的分子量控制根据不同的用途、在不同的场合对聚合物的相对分子质量控制的目的为以下二者之一：使聚合物的相对分子质

17、量达到或接近预期的数值。使聚合反应在达到要求的相对分子质量时失去进一步聚合的条件。可采用控制两种官能团的配比或加入端基封锁剂的方法。使聚合物的相对分子质量尽可能高。创造使大分子两端的官能团能够无限制地进行聚合反应的条件。控制分子量通常有以下方法：控制反应程度。控制反应官能团的当量比。加入少量单官能团单体。1控制反应程度在任何情况下，缩聚物的聚合度均随反应程度的增加而增加。逆反应和原料非等物质的量比均使反应程度有所限制，难以获得高相对分享质量的缩聚物。2缩聚平衡对聚合度的影响 对于聚酯化一类可逆缩聚反应，平衡常数对反应程度进而对聚合度将产生很大影响。密闭体系中聚合度与平衡常数的定量关系为。敞开体

18、系中聚合度与平衡常数和存留在体系中小分子的摩尔分数的定量关系为，如不及时除去小分子副产物，由于逆反应，将得不到很高的反应程度和聚合度。2.7 逐步聚合反应实施方法 欲使逐步聚合成功，必须考虑下列原则和措施：原料要尽可能纯净。单体按化学计量配制，加微量单官能团物质或某双官能团单体微过量来控制分子量；尽可能提高反应程度；采用减压或其他手段去除副产物，使反应向聚合物方向移动。融熔缩聚(Melt Poly-condensation)：熔融缩聚是指反应温度高于单体和缩聚物的熔点，反应体系处于熔融状态下进行的反应。熔融缩聚的关键是小分子的排除及分子量的提高。优点：体系中组分少，设备利用率高，生产能力大。反

19、应设备比较简单，产品比较纯净，不需要后处理。缺点：要求生产分子量高的聚合物时有困难。长时间高温加热会引起氧化降解等副反应；要求官能团物质的量比例严格，条件比较苛刻。当聚合物熔点不超过300时，才能考虑采用熔融聚合。溶液缩聚(Solution Poly-condensation)：单体加适当催化剂在溶剂（包括水）中呈溶液状态下进行的缩聚叫溶液缩聚。特点：反应温度较低，一般为40100。反应设备简单。由于溶剂的引入，设备利用率低，由于溶剂的回收处理，使工艺过程复杂化。选用溶剂时需要考虑的因素：溶剂的极性。溶剂化作用。溶剂的副反应。界面缩聚(Interfacial Poly-condensation

20、)：两单体分别溶解于两不互溶的溶剂中，反应在两相界面上进行的缩聚称之为界面缩聚，具有明显的表面反应的特性。 特点：复相反应，将两单体分别溶于互不相溶的溶剂中。不可逆。界面缩聚的总速率决定于扩散速率。高分子量聚合物的生成与总转化率无关。相对分子质量对配料比敏感性小。反应温度低，相对分子质量高。所用设备体积大，利用率低。固相缩聚：是在玻璃化温度以上，熔点以下的固态所进行的缩聚反应。2.8 非线型逐步聚合反应 1. 支化型逐步聚合反应当体系存在大于两个官能团的单体时（官能度时），得到支化高分子，而不会产生交联。其中，体系生成超支化高分子(hyperbranched polymer)。当超支化高分子中

21、所有的支化点的官能度相同，且所有支化点间的链段长度相等时，叫树枝形高分子(dendrimer)。2. 交联型逐步聚合反应在A-B单体与单体（）的聚合反应体系中，若加入B-B型单体时，两个聚合物分子链之间就可以发生反应，生成交联型聚合物。这种大分子之间成键生成交联聚合物的反应称做交联反应。聚合体系中单体的平均官能度、官能团物质的量的比及反应程度，决定了聚合反应是生成支化高分子还是交联高分子(体型聚合物)。 体型聚合物(热固性聚合物)在性能上具有不溶、不熔和机械强度高的特点。而线形聚合物或支链形聚合物(热塑性聚合物)则可熔融塑化，受热后，潜在官能团进一步交联而固化。 1)体型缩聚反应的特点 体型缩

22、聚反应的特点：可分步进行。存在凝胶化过程。凝胶点之后，聚合反应速率较同类线型反应的反应速率低。凝胶化过程也叫凝胶化现象(gelation)，即体型缩聚反应当反应程度达到某一数值时，反应体系的黏度会突然增加，突然转变成不溶、不熔、具有交联网状结构的弹性凝胶的过程。此时的反应程度被称做凝胶点(critical reaction conversion point)。通常以气泡在体系中不能上升为判据。凝胶化过程发生时，体系中存在凝胶和溶胶两个部分。凝胶(gel)是呈交联网状结构的体形聚合物，不溶于一切溶剂；溶胶(sol)则是被包裹在凝胶的网状结构中的链形聚合物，其相对分子质量较小，是可以溶解的。溶胶可

23、用溶剂浸取出来，溶胶还可以进一步交联成凝胶。 2)无规预聚物和结构预聚物 (1)无规预聚物。通常将在接近凝胶点时终止聚合反应，得到的相对分子质量不高、可以在加工成型过程中交联固化的聚合物叫做预聚物(prepolymerization)。将分子链端的未反应官能团完全无规的预聚物通常叫做无规预聚物。例如，碱催化酚醛树脂、脲醛树脂、醇酸树脂、三聚氰胺树脂(即密醛树脂)都属于此类。 在工艺上，根据反应程度的不同，将体型缩聚物的合成分为甲、乙、丙三个阶段。 甲阶树脂(A-stage resin)的反应程度小于凝胶化开始时的临界反应程度(凝胶点)，甲阶聚合物具有良好的溶、熔性能。乙阶树脂(B-stage

24、resin) 接近，溶解性能变差，但仍能熔融。丙阶树脂(C-stage resin)的，已经交联，不能再溶、熔。成型加工厂多使用乙阶树脂。 (2)结构预聚物。将具有特定的活性端基或侧基、基团结构比较清楚的特殊设计的预聚物称为结构预聚物。例如，环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酸催化酚醛树旨、制备聚氨酯用的聚醚二元醇和聚酯二元醇、遥爪聚合物都属于此类。结构预聚物往往是线型低聚物，其本身一般不能进一步聚合或交联，第二阶段交联固化时，需另加入催化剂或其他反应性物质来进行，这些加入的催化剂或其他反应物通常叫固化剂。3. Carothers方程法 平均官能度(Aver-Functionality) ：是指在两种

25、或两种以上单体参加的混缩聚或共缩聚反应中，在达到凝胶点以前的线型缩聚反应阶段，反应体系中实际能够参加反应的各种官能团总物质的量与单体总物质的量之比。体型缩聚的重点是凝胶点计算。凝胶点计算的关键是平均官能度的计算。对于两种官能团参加的体型缩聚反应的平均官能度的计算要点是：按照官能团的种类将单体分为两组，分别计算两种官能团的总物质的量；比较两种官能团总物质的量的大小，判断体系官能团的配比是等物质的量还是不等物质的量，选择相应的公式计算平均官能度；将平均官能度带入Carothers方程即可计算出凝胶点。应当注意的是计算凝胶点的数值一定小于或等于1，通常情况下应该保留三位有效数字。 Carothers

26、对体型缩聚反应线型阶段作如下两点合理假定：在线型缩聚阶段每进行一步反应都必然等量消耗两个不同的官能团，同时伴随着一个同系物分子的消失。达到凝胶化过程发生的那一刻，聚合物的相对分子质量急速增大直至发生交联，此时将聚合度定义为无穷大。于是按照反应程度定义，可以得到Carothers方程：（1）反应物等当量聚合度与单体平均官能度及反应程度的关系式： 或凝胶点时：（2）反应物不等当量 两种单体非等当量时，可以简单的认为，聚合反应程度是与量少的单体有关。另一单体的过量部分对分子量增长不起作用。如对一个三元混合物体系，单体，和的摩尔分数分别为、和，官能度分别为、和。单体和含有同样的A官能团，并且B官能团过

27、量，即,则平均官能度为：或式中 是A和B官能团的当量系数，它等于或小于1，是的单体所含A官能团占总的A官能团的分数。 反应程度(Extent of Reaction)与转化率（Conversion）：参加反应的官能团数占起始官能团数的分率。参加反应的反应物（单体）与起始反应物（单体）的物质的量的比值即为转化率。凝胶化现象(Gelation Phenomena) 凝胶点(Gel Point)：体型缩聚反应进行到一定程度时，体系粘度将急剧增大，迅速转变成不溶、不熔、具有交联网状结构的弹性凝胶的过程，即出现凝胶化现象。此时的反应程度叫凝胶点。预聚物(Pre-polymer)：体形缩聚过程一般分为两个

28、阶段，第一阶段原料单体先部分缩聚成低分子量线形或支链形预聚物，预聚物中含有尚可反应的基团，可溶可熔可塑化。该过程中形成的低分子量的聚合物即是预聚物。无规预聚物(Random Pre-polymer)：预聚物中未反应的官能团呈无规排列，经加热可进一步交联反应。这类预聚物称做无规预聚物。结构预聚物(Structural Pre-polymer)：具有特定的活性端基或侧基的预聚物称为结构预聚物。结构预聚物往往是线形低聚物，它本身不能进一步聚合或交联。2）取代的电负性和共轭性决定烯烃的聚合反应类型（1）带吸电子取代基的烯烃能够进行自由基型和阴离子型两种聚合反应；（2）带推(供)电子取代基的烯烃能够进行

29、阳离子型聚合反应。但是丙烯除外，只能进行配位聚合。（3）带共轭取代基的烯烃能够进行自由基、阴离子和阳离子三种类型的聚合反应。下面列出烯烃取代基的种类与其能够进行的聚合反应类型的相关性：阴离子聚合阳离子聚合 聚合上限温度Tc (Ceiling Temperature of Polymerization)：G=0，聚合和解聚处于平衡状态时的温度即为聚合上限温度，在此温度以下进行的聚合反应无热力学障碍；超过聚合上限温度聚合就无法进行。, 平衡温度： 在此温度以下进行的聚合反应无热力学障碍；高于此温度聚合物将自动降解或分解；在此温度或稍低于此温度条件下单体的聚合反应十分困难。也可以通过实验测定聚合反应

30、转化率与温度的关系，再外推至转化率为零时的温度()。2. 自由基聚合的基元反应自由基聚合反应包括：链引发、链增长和链终止。链引发（Chain Initiation）：形成单体自由基活性种的反应。链引发包括两步：初级自由基的形成（即引发剂的分解，吸热反应），单体自由基的形成（放热反应）。链增长（Chain Propagation）：单体自由基形成后，它仍具有活性，能打开第二个烯类分子的双键，形成新的自由基，新自由基的活性并不随着链段的增加而衰减，与其它单体分子结合成单元更多的链自由基，即链增长。其有两个特征:一是放热反应,二是增长活化能低,增长速率极高。链终止（Chain Termination

31、）：自由基活性高，有相互作用终止而失去活性的倾向。 链自由基失去活性形成稳定聚合物的反应称为链终止反应 。自由基聚合反应的特点是：慢引发、快增长、速终止，三者的速率常数递增。其中链引发反应速率主要是由引发剂分解速率决定。链终止反应包括双基终止和转移终止两种类型。单基终止（Mono-radical Termination）：链自由基从单体、溶剂、引发剂等低分子或大分子上夺取一个原子而终止，这些失去原子的分子可能形成新的自由基继续反应，也可能形成稳定的自由基而停止聚合。双基终止（Bi-radical Termination）：链自由基的独电子与其它链自由基中的独电子或原子作用形成共价键的终止反应。

32、 双基终止包括双基偶合终止和双基歧化终止。偶合终止（Coupling Termination）：两链自由基的独电子相互结合成共价键的终止反应，偶合终止的结果是大分子的聚合度为链自由基重复单元数的两倍。 歧化终止（Disproportionation Termination）：某链自由基夺取另一自由基的氢原子或其他原子终止反应。歧化终止的结果是聚合度与链自由基的单元数相同。 链转移(Chain Transfer)：在自由基聚合过程中，链自由基可能从单体(M)、溶剂(S)、引发剂(I)等低分子或大分子上夺取原子而终止，使失去原子的分子成为自由基，继续新链的增长，这一反应叫链转移反应。链转移结果，自

33、由基数目不变。链转移反应包括：向单体转移、向引发剂转移、向溶剂转移、向大分子转移和向阻聚物质转移。3. 自由基聚合反应特点 自由基聚合的反应特点为：微观上，自由基聚合反应可以明显地区分成链的引发、增长、终止、转移等基元反应。其中引发速率小，是控制总聚合速率的关键。可以概括为慢引发、快增长、速终止。只有链增长反应才使聚合度增加。一个单体分子转变成大分子的时间极短，反应不能停留在中间聚合度阶段，反应混合物仅由单体和聚合物组成。在聚合过程中，聚合度变化较小。在聚合过程中，单体浓度逐渐降低，聚合物浓度相应提高。延长聚合时间主要是提高转化率，对相对分子质量影响较小。少量(0.01%0.1%)阻聚剂足以使

34、自由基聚合反应终止。3.3 链引发反应 烯类单体可采用引发剂产生活性种、引发聚合。在某些特殊情况下，也可采用热、光、高能辐射等引发方式。引发剂(Initiator)：在聚合体系中能够形成活性中心的物质，使单体在其上连接分为自由基引发剂，离子引发剂。1. 引发剂和引发作用1）引发剂种类常用的自由基聚合反应引发剂包括过氧类化合物、偶氮类化合物以及氧化还原反应体系三大类。过氧人苯甲酰（BPO）、偶氮二异丁腈(AIBN)、过硫酸盐、亚铁离子与过氧化氢（含其他过硫酸盐）的氧化还原体系是最重要的四种引发剂。其中BPO和AIBN是油溶性引发剂，过硫酸盐是水溶性引发剂。值得一提的是，AIBN分解后形成的异丁腈

35、自由基是碳自由基，缺乏脱氢能力，因此不能用作接枝聚合的引发剂。氧化还原引发体系的优点是活化能较低，可在较低温度(550)下引发聚合，而且具有较高的聚合速率。氧化还原引发体系的组分可以是无机化合物或有机化合物，其性质可以是水溶性或油溶性。过氧化物和偶氮化合物可以经热分解产生自由基，也可以在光照条件下分解产生自由基。2）引发剂分解反应动力学 通常用半衰期（Half Life）：物质分解至起始浓度（计时起点浓度）一半时所需的时间。 分别表示引发剂起始（t=0）浓度和t时的浓度，单位为molL-1，实验中只需测定恒定温度条件下引发剂浓度与时间的对应变化关系，以对t作图，便可求得。引发剂速率常数与温度关

36、系遵循Arrehenius经验公式：在不同温度下，测得某一引发剂的多个分解速率常数，以对1/T作图，由截距可求得频率因子，由斜率可求出分解活化能.3) 引发效率引发效率：是指引发剂分解生成的初级自由基总量中真正能够与单体反应最后生成单体自由基并开始链增长反应的百分数。造成降低的主要因素是引发剂的诱导分解和溶剂的笼蔽效应。引发剂效率(Initiator Efficiency)：引发聚合部分引发剂占引发剂分解消耗总量的分率称为引发剂效率。诱导分解（Induced Decomposition）：诱导分解实际上是自由基向引发剂的转移反应，其结果是消耗一分子引发剂而自由基数目并不增加，从而使引发剂效率降

37、低。AIBN一般无诱导分解。氢过氧化物ROOH特别容易发生诱导分解。丙烯腈、苯乙烯等活性较高的单体，能迅速与引发剂作用，引发增长，因此较高。相反，如乙酸乙烯酯一类低活性单体，对自由基的捕捉能力较弱，为诱导分解创造条件，因此较低。笼蔽效应（Cage Effect）：在溶液聚合反应中，浓度较低的引发剂分子及其分解出的初级自由基始终处于含大量溶剂分子的高黏度聚合物溶液的包围之中，一部分初级自由基无法与单本分子接触而更容易发生向引发剂或溶剂的转移反应，从而使引发剂效率降低。AIBN在溶液聚合中可能发生初级自由基的双基终止而使降低。2. 其它引发方式热引发聚合(Thermal-Initiation Po

38、lymerization)：聚合单体中不加入引发剂，单体只在热的作用下，进行的聚合称为热引发聚合。一般而言，活泼单体如苯乙烯及其衍生物、甲基丙烯酸甲酯等容易发生热引发聚合。光引发聚合(Photo-Initiation Polymerization)：单体在光的激发下（不加入引发剂），发生的聚合称为光引发聚合。可分为直接光引发聚合和光敏聚合两种。光直接引发聚合：单体吸收一定波长的光量子后成为激发态，再分解成自由基而进行聚合反应。能直接接受光照进行聚合的单体一般是一些含有光敏基团的单体，如丙烯酰胺、丙烯腈、丙烯酸（酯），苯乙烯等。光敏聚合：在光敏引发剂存在下，单体吸收光能而受激发，接着分解成自由基

39、，再引发单体聚合。光敏聚合有光敏引发剂直接引发聚合和间接光敏引发剂间接引发聚合两种。光敏引发剂直接引发聚合：光敏引发剂经光激发后，可成为自由基，进而引发单体进行的聚合反应。常用的光敏引发剂有AIBN、甲基乙烯基酮和安息香等。间接光敏引发剂间接引发聚合：间接光敏剂吸收光后，本身并不直接形成自由基，而是将吸收的光能传递给单体或引发剂而引发聚合。常用的间接光敏剂有二苯甲酮和荧光素、曙红等。光敏剂（photosensitizer）：指那些受到光照容易发生分子内电子激发的一类化合物。光引发效率(Photo-Initiation Efficiency)：又称为自由基的量子产率，表示每吸收一个光量子产生的自

40、由基对数。辐射聚合(Radiation Polymerization)：以高能辐射线引发单体聚合，即为辐射聚合。1. 聚合过程 聚合过程的速率变化常用转化率-时间曲线表示。整个聚合过程一般可以分为诱导期、聚合初期、中期、后期四个阶段。诱导期：聚合初期初级自由基不是引发单体聚合而是用于消耗体系内存在的杂质所需的时间。在诱导期内无聚合物形成，聚合速率为零。2. 聚合反应初期动力学 四个基本假设：忽略链转移反应，终止方式为双基终止。Flory等活性理论：链自由基的活性与链长短无关，即各步链增长常数相等，可用kp表示。稳定假定：在反应开始短时间后，增长链自由基的生成速率等于其消耗速率()，即链自由基浓

41、度保持不变，呈稳态，。聚合产物的聚合度很大，链引发所消耗的单体远少于链增长过程产生的单体，因此可以认为单体仅消耗于链增长反应。由于E为大于0的数值，所以升高温度将导致聚合速率的升高。从另一个角度讲，选择高活性(低活化能)引发剂，同样能够提高聚合速率。如采用低活化能的氧化还原引发体系能够在较低温度下获得较高的聚合速率。4. 自动加速现象自动加速现象(Auto-accelerative Phenomena)：聚合中期(聚合反应的转化率达到1520%以上时)随着聚合的进行，聚合速率逐渐增加，出现自动加速现象，自动加速现象主要是体系粘度增加所引起的，因此又称凝胶效应。其产生和发展的过程如下：粘度升高导

42、致大分子链端自由基被非活性的分子链包围甚至包裹，自由基之间的双基终止变得困难，体系中自由基的消耗速率减小而产生速率却变化不大，最终导致自由基浓度迅速升高。其结果是聚合反应速率迅速增大，体系温度升高。这一结果又反馈回来使引发剂分解速率加快，这就导致了自由浓度进一步升高。于是形成循环正反馈：自由加速过程产生的结果：导致聚合反应速率的迅速增加，体系温度迅速升高。导致相对分子质量和分散度都升高。自动加速过程如果控制不当有可能严重影响产品质量，甚至发生局部过热，并最终导致爆聚和喷料等事故。影响自动加速现象程度和出现早晚的因素：聚合物在单体或溶剂中溶解性能的好坏，会影响到链自由基卷曲、包埋的程度，以致对双

43、基终止速率的影响很大。自动加速现象在不溶解聚合物的非溶剂中出现的较早、较明显，此时可能有单基终止，对引发剂浓度的反应级数将为0.51，极限的情况(如丙烯腈)会接近于1。自动加速现象在良溶剂中较少出现，在不良溶剂中的情况则介于非溶剂(沉淀剂)和良溶剂之间。温度的影响体现在温度对聚合体系粘度的影响。由于在较低温度下聚合体系的粘度较高，所以自动加速现象出现得较早、较明显。5. 聚合速率的测定方法聚合速率可以用单位时间内单体消耗或聚合物生成量来表示（通常用反应的转化率来检测）： （）聚合速率可采用直接法和间接法来测定。直接法是用沉淀法测定聚合物量。间接法是测定聚合过程中比体积、粘度、折光率、介电常数、

44、吸收光谱等物理性质的变化，间接求取聚合物量。常用的是经体积的测定-膨胀计法。3.5 聚合度和链转移反应1. 动力学链长动力学链长(Kinetics Chain Length)：每个活性种从引发阶段到终止阶段所消耗的单体分子数定义为动力学链长，动力学链在链转移反应中不终止。在自由基聚合中，增加引发剂或自由基浓度来提高聚合速率的措施，往往使产物分子量降低。引发剂引发时，产物平均聚合度一般随着温度升高而降低。在稳态、无链转移反应时，等于链增长速率与链终止速率（或引发）之比，当引发剂引发时，引发速率，其方程见上表。2. 无链转移时的聚合度 双基偶合终止时，平均聚合度，双基歧化终止时，。兼有两种方式终止

45、时，则，其值为：， C，D分别为偶合终止、歧化终止的分率。33.6 阻聚和缓聚阻聚剂（Inhibitor）：能够使每一自由基都终止，形成非自由基物质，或形成活性低、不足以再引发的自由基的试剂，它能使聚合完全停止。按机理可分为加成型阻聚剂（如苯醌等）、链转移型阻聚剂（如DPPH等）和电荷转移型阻聚剂（如FeCl3等）等。缓聚剂（Retarder）：能够使一部分自由基终止，聚合减慢的试剂。通常不出现诱导期。活性种（Reactive Species）：打开单体的键，使链引发和增长的物质，活性种可以是自由基，也可以是阳离子和阴离子。 均裂（Homolysis）：化合物共价键的断裂形式，均裂的结果，共价

46、键上一对电子分属两个基团，使每个基团带有一个独电子，这个带独电子的基团呈中性，称为自由基。异裂(Heterolysis)：化合物共价键的断裂形式，异裂的结果，共价键上一对电子全部归属于其中一个基团，这个基团形成阴离子，而另一缺电子的基团，称为阳离子。自由基聚合（Radical Polymerization）：以自由基作为活性中心的连锁聚合。离子聚合（Ionic Polymerization）：活性中心为阴、阳离子的连锁聚合。阳离子聚合(Cationic Polymerization)：以阳离子作为活性中心的连锁聚合。阴离子聚合(Anionic Polymerization)：以阳离子作为活性中

47、心的连锁聚合。带有供电基团(如烷氧基、烷基、苯基、乙烯基等),使碳-碳双键电子云密度增加,有利于阳离的进攻和结合.而腈基和羰基（醛、酮、酸、酯）等吸电子基团使双键电子云密度降低，并使阴离子增长种共轭稳定，故有利于阴离子聚合。转化率(Conversion)：单体转化为聚合物的分率，等于转化为聚合物的单体量比去用去单体总量。聚合动力学(Kinetics of Polymerization)：指聚合速率、分子量与引发剂浓度、单体浓度、聚合温度等因素间的定量关系。第四章 聚合方法 自由基聚合实施方法(Process of Radical Polymerization)：主要有本体聚合，溶液聚合，乳液聚

48、合，悬浮聚合四种。 离子聚合实施方法(Process of Ionic Polymerization)：主要有溶液聚合，淤浆聚合。逐步聚合实施方法(Process of Step-polymerization)：主要有熔融聚合，溶液聚合，界面聚合。4.1本体聚合本体聚合(Bulk Polymerization)：本体聚合是指不加其他介质,仅有单体本身和少量引发剂（或不加）的聚合。本方法的优点是:产物无杂质、纯度高、聚合设备简单。缺点是本体聚合体系粘度大、散热不易，轻则造成局部过热，使相对分子质量分布变宽，最后影响到聚合物的机械强度，重则温度失控，引起爆聚。应对措施：均聚速率较低的单体（如苯乙烯

49、、甲基丙烯酸甲酯）宜采用本体聚合，而均聚速率较高的单体（如乙酸乙烯酯）不宜采用本体聚合。采用两阶段聚合：第一阶段预聚合，保持较低转化率，如1035%不等，可在普通的反应釜中进行。第二阶段转化率和粘度较高，可进行薄层聚合或在特殊设计的反应器内聚保。均相本体聚合：如苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、乙酸乙酯等生成的聚合物能溶于各自的单体中，形成均相。非均相本体聚合：又叫沉淀聚合，如氯乙烯、丙烯腈等生成的聚合物不能溶于各自的单体，在聚合过程中会不断析出。4.2悬浮聚合悬浮聚合(Suspension Polymerization)：悬浮聚合一般是单体以液滴状悬浮在水中的聚合，体系主要由单体、水、油溶性引发剂、分

50、散剂四部分组成。溶有引发剂的一个单体小液滴就相当本体聚合的一个小单元。优点：体系粘度低，散热和温度控制比较容易。产物相对分子质量高于溶液聚合而与本体聚合接近，其相对分子质量分布较本体聚合窄。聚合物纯净度高于溶液聚合而稍低于体体聚合，杂技含量比乳液聚合产品中的少。后处理工序比溶液聚合、乳液聚合简单，生产成本较低，粒状树脂可以直接用来加工。缺点：必须使用分散剂，且在聚合完成后，分散剂很难从聚合产物中除去，会影响聚合产物的性能。设备利用率较低。悬浮剂分类：水溶性有机高分子，其作用机理主要是吸附在液滴表面，形成一层保护膜，起着保护胶体的作用，同时还使表面（或界面）张力降低，有利于液滴分散。不溶于水的无

51、机粉末，其作用机理是细粉吸附在液滴表面，起着机械隔离的作用悬浮作用（分散作用）：能降低水的表面张力，对单体液滴起保护作用，防止单体液滴粘结，使不稳定的分散体系变为较稳定的分散体系。均相悬浮聚合（珠状聚合）：单体是其聚合物的溶剂，则聚合物是透明的小珠。如苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯的悬浮聚合。非均相悬浮聚合（沉淀聚合）：聚合物不溶于单体中，聚合物将以不透明的小颗粒沉淀下来。如氯乙烯、偏二氯乙烯、三氟氯乙烯和四氟乙烯的悬浮聚合。4.3溶液聚合溶液聚合(Solution Polymerization)：是指单体和引发剂溶于适当溶剂的聚合。溶液聚合的组分是单体、引发剂和溶剂。均相溶液聚合：生成的聚合物溶于溶

52、剂的溶液聚合反应。如丙烯腈在二甲基酰胺中的聚合。非均相溶液聚合：聚合产物不溶于溶剂的溶液聚合反应，如丙烯腈在水中的聚合。优点：聚合热易扩散，聚合反应温度易控制。体系粘度低，自动加速作用不明显，反应物料易输送。体系中聚合物浓度低，向大分子链转移生成支化或交联产物较少，因而产物相对分子质量易控制，相对分子质量分布较窄。可以溶液方式直接形成产品。缺点：由于单体浓度较低，溶液聚合速率较慢，设备生产能力和利用率较低。单体浓度低和链自由基向溶剂链转移的结果，使聚合物相对分子质量较低。溶剂分高回收费用高，溶剂的使用导致环境污染问题。溶剂选择的要点：惰性（不参与聚合反应，尽量低的链转移常数）。溶解性和凝胶效应

53、的影响（可选择能同时溶解单体和聚合物的溶剂，也可选择只能溶解单体而不能溶解聚合物的溶剂。沸点（高于聚合反应温度若干度）。安全性。经济性。4.4 乳液聚合乳液聚合(Emulsion Polymerization)：是单体在水中由乳化剂分散成乳液状而进行的聚合，体系由单体、水、水溶性引发剂、水溶性乳化剂组成。优点：以水作伸质，价廉安全。乳液聚合中，聚合物的相对分子质量可以很高，但体系的粘度却可以很低，故有利于传热、搅拌和管道输送，便于连续操作。聚合速率大。聚合物相对分子质量高，利用氧化还原引发剂可以在较低的温度下进行聚合。直接利用乳液的场合更宜采用乳液聚合。乳液聚合缺点是：需要固体聚合物时，乳液需

54、要经凝聚、过滤、洗涤、干燥等工序，生产成本较悬浮聚合高。产品中的乳化剂难以除净，影响聚合物的电性能。分散剂(Dispersant)：分散剂大致可分为两类，（1）水溶性有机高分子物，作用机理主要是吸咐在液滴表面，形成一层保护膜，起着保护人用，同时还使表面（或界面）张力降低，有利于液滴分散。（2）不溶于水的无机粉末，作用机理是细粉吸咐在液滴表面，起着机械隔离的作用。乳化作用：某些物质能降低水的界面张力，有增溶作用，对单体液滴有保护作用，能使单体和水组成的分散体系成为稳定的难以分层的乳液，这种作用称为乳化作用。乳化剂(Emulsifier)：具有乳化作用的物质称为。常用的乳化剂是水溶性阴离子表面活性

55、剂，其作用有：（1）降低表面张力，使单体乳化成微小液滴，（2）在液滴表面形成保护层，防止凝聚，使乳液稳定，（3）更为重要的作用是超过某一临界浓度之后，乳化剂分子聚集成胶束，成为引发聚合的场所。临界胶束浓度(critical micelle concentration)：是指在定定温度下，乳化剂能够形成胶束的最低浓度。CMC值越小的乳化剂的乳化能力越强。当乳化剂浓度超过临界浓度（CMC）以后，一部分乳化剂分子聚集在一起，乳化剂的疏水基团伸身胶束回部，亲水基伸向水层的一种状态。亲水亲油平衡值（HLB）( Value of Hydrophile Lipophile Balance)：该值用来衡量表面

56、活性剂中亲水部分和亲油部分对水溶性的贡献，该值的大小表表亲水性的大小。三相平衡点：是指阴离子型乳化剂在水中能够以单个分子状态、胶束、凝胶（未完全溶解的乳化剂）三种状态稳定存在的最低温度。必须选择三相平衡点低于聚合温度的乳化剂。浊点：（cloud point）是指非离子型乳化剂（如聚乙烯醇）具有乳化作用的最高温度。必须选择浊点高于聚合反应温度的乳化剂。胶束增溶现象（micelle solubilization）：由于乳化剂的存在增加了难溶单体在水中溶解度的现象。胶束成核(Micellar Nucleation)：在经典的乳液聚合体系中，由于胶束的表面积大，更有利县城捕捉水相中的初级自由基和短链自

57、由基，自由基进入胶束，引发其中单体聚合，形成活性种，这就是所谓的胶束成核。均相成核(Homogeneous Necleation)：又称水相成核，当选用水溶性较大的单体，溶于水的单体被引发聚合成的短链自由基将含有较多的单体单元，并有相当的亲水性，水相中多条这样较长的短链自由基相互聚集在一起，絮凝成核，以此为核心，单体不断扩散入内，聚合成乳胶粒，这个过程即为均相成核。 乳液聚合过程：M(单体)/P(聚合物)乳胶粒的形成增速期；当聚合反应开始时，溶于水相的引发剂分解产生的初级自由基由水相扩散到增溶胶束内，引发增溶胶束内的单体进行聚合，从而形成含有聚合物的增溶胶束，称M/P乳胶粒，随胶束中单体的消耗

58、，胶束外的单体分子逐渐扩散进胶束内，使聚合反应持续进行。在此阶段，单体增溶胶束与M/P乳胶粒并存，M/P胶胶粒逐渐增加，聚合速率加快。其特点是M/P乳胶粒、增溶胶束和单体液滴三者并存。单体液滴与M/P乳胶粒并存阶段恒速期。单体转化率10%50%，随着单体增溶胶束的消耗，M/P乳胶粒数量不再增加，聚合速率保持恒定，而单体逐渐消耗，单体液滴不断缩小，单体液滴数量不断减少。其特点是M/P乳胶粒和单体液滴二者共存。单体液滴消失、M/P乳胶粒内单体聚合阶段降速期：M/P乳胶粒内单体得不到补充，聚合速率逐渐下降，直至反应结束。其特点是体系中只有M/P乳胶粒存在。乳液聚合动力学：聚合速率为：式中：M为单体的

59、浓度，N为每毫升乳液中的胶粒数；N/2为活的胶粒数即活性自由基数目；就相当于自由基聚合反应动力学方程中的自由基尝试M；I为乳液中的引发剂浓度；E为乳化剂浓度。聚合度为：式中：为自由基产生速率，为胶粒数与自由基产生速率之比，即两个自由基先后进入一个胶粒的平均时间间隔，也就是胶粒内的自由基寿命。从上两式可以看出，增加引发剂浓度可以提高聚合速率但是却使聚合度降低。而乳化剂浓度对聚合反应速率和聚合度的影响却是一致的。乳液聚合具有的独特的地方是：通过对乳化程度的强化可以同时达到提高聚合速率和聚合度的目的。而在本体聚合、溶液聚合和悬浮聚合中，会使聚合速率提高的一些因素往往使相对分子质量降低。在不改变聚合度

60、的前提下，各种聚合方法都可以采用链转移剂来降低相对分子质量，而欲提高相对分子质量则只有采用乳液聚合的方法。本体聚合溶液聚合悬浮聚合乳液聚合配方主要成分单体、引发剂单体、引发剂、溶剂单体、引发剂、分散剂、水单体、引发剂、乳化剂、水聚合场所单体内溶液内液滴内胶束和乳胶粒内聚合机理遵循自由基聚合一般机理，提高聚合速率往往使相对分子质量、聚合度下降伴有向溶剂的链转移反应，聚合速率和聚合度(分子量)都较低类似本体聚合能同时提高聚合速率和相对分子质量(聚合度)生产特征设备简单，易制备板材和型材，一般间歇法生产，热不容易导出散热容易，可连续生产。产物为溶液状,不宜制粉状或粒状。传热容易。间歇法生产，后续工艺

61、复杂(需有分离、洗涤、干燥等工序)。传热容易。可连续生产。产物为乳液状，制备成固体后续工艺复杂（需经凝聚、洗涤、干燥等工序）。主要工业生产品种合成树脂：LDPE (颗粒状)HDPE (粉或颗粒状)PS(粉状)PVC(粉状)PMMA(板、管、棒等)PP(颗粒状)合成树脂：PAN (溶液或颗粒)PVAc(溶液)HDPE(粉或颗粒)PP(颗粒)合成橡胶：顺丁橡胶(胶粒或胶片)异戊橡胶(胶粒或胶片)乙丙橡胶(胶粒或胶片)丁基橡胶(胶粒或胶片)合成树脂：PVC (粉状)PS (珠状)PMMA (珠状)合成树脂：PVC(粉状)PVAc及其共聚物(乳液)聚丙烯酸酯及其共聚物(乳液)合成橡胶：丁苯橡胶(胶粒或

62、乳液)丁腈橡胶(胶粒或乳液)氯丁橡胶(胶粒或乳液)第五章 离子聚合5.1 离子聚合反应的单体及引发剂类型 1 阳离子聚合反应的单体类型带有推(供)电子取代基的烯烃，如1,1二烷基取代乙烯、烷氧基、环内双键(如-蒎烯、二聚戊二烯、苯丙呋喃等)。带共轭取代基的共轭双烯和-烯烃、芳环取代乙烯、(+n)给电子取代乙烯、乙烯基醚。某些含杂原子的化合物（包括异核不饱和单体R2C=ZA、杂环化合物）如醛、酮、硫酮、重氮烷基化合物、环氧乙烷、四氢呋喃、环乙亚胺、二氧戊环、已内酯、已内酰胺等。2 阳离子聚合反应的单体类型 带吸电子取代基的-烯烃单体，如。 带共轭取代基的-烯烃单体。必须指出带有吸电子基团的-共轭

63、烯类单体才能进行阴离子聚合，如，等。但对一些同时具有给电子共轭效应的吸电子取代基单体而言，由于给电子共轭效应降低了其吸收电子诱导效应对双键电子云密度的降低程度，不易受阴离子的进攻，因而不具备阴离子聚合活性，如，。某些含杂原子的化合物，如羰基化合物，杂环化合物(环氧化合物、内酰胺、内脂)。Q-e概念中，+e值越大，取代基吸电子性越强，则单体越易进行阴离子聚合。或者+e值虽不大，但Q值较大的共轭单体也易进行阴离子聚合。5.2 离子聚合引发体系1 阳离子聚合引发剂类型（1）质子酸. 通过离解产生的质子H+引发阳离子聚合。质子酸包括无机酸（H2SO4，H3PO4）， 有机酸（CF3CO3H、CCl3CO2H）、超强酸（HClO4,CF3SO3H、ClSO3H） 质子酸引发阳离子聚合的活性高低不仅取决于其提