tan聚合物的化学反应省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、主讲教师主讲教师谭绍早谭绍早 9 9 聚合物化学反应聚合物化学反应第1页高分子化学反应 高分子化学是研究高分子化合物合成和高分子化学是研究高分子化合物合成和化学化学反反应应一门科学一门科学v研究聚合物化学反应意义:扩大高分子品种和应用范围 在理论上研究和验证高分子结构 研究影响老化原因和性能改变之间关系 研究聚合物降解,有利于废聚合物处理v聚合物化学反应分类(按结构和聚合度改变)8 聚合度和基本结构改变较小(基团反应):侧 基和端基改变,亦称相同转相同转变。聚合度变大反应:接枝、嵌段、交联、扩链。聚合度变小反应:降解,解聚。第2页9.1 聚合物化学反应特征v低分子化合物有许多反应,如氢化、卤化
2、、水解、醇解、加成等,聚合物也有类似反应。v乙烯基单体往往带有侧基,如烷基、苯基、卤素等,二烯烃聚合物主链上带有双键,这些基团可进行加成、取代、消去、成环等反应。v缩聚物主链上有特征基团,如醚键、酯键、酰胺键等,可进行水解、醇解、氨解等反应。第3页 高分子链上官能团极难全部起反应 一个高分子链上就含有未反应和反应后各种不一样基团,类似共聚产物 比如聚丙烯腈水解:1.大分子基团活性大分子基团活性 聚合物和低分子都能够进行相同基团反应,但对产率或转化率表述和基团活性却存在很大差异。第4页 反应不能用小分子“产率”或“转化率”来描述。只能用“基团转化程度”来表述:即指起始基团生成各种基团百分数 聚合
3、物基团活性、反应速率和最高转化程度普通都低于同系低分子物。基团转化程度不能到达百分之百,是由基团所处宏观环境(物理原因)和微观环境(化学原因)不一样所引发。第5页(2)物理原因对基团活性影响)物理原因对基团活性影响 聚集态聚集态 低分子极难扩散入晶区,晶区不能反应低分子极难扩散入晶区,晶区不能反应低分子极难扩散入晶区,晶区不能反应低分子极难扩散入晶区,晶区不能反应官能团反应通常仅限于非晶区官能团反应通常仅限于非晶区官能团反应通常仅限于非晶区官能团反应通常仅限于非晶区 聚合物与低分子药剂进行化学反应,首先要求基团处于分子级接触,结晶、相态和溶解度不一样,都会影响药剂扩散,从而影响基团表观或性和反
4、应速率。非晶态高分子非晶态高分子非晶态高分子非晶态高分子玻璃态,链段运动冻结,难以反应玻璃态,链段运动冻结,难以反应玻璃态,链段运动冻结,难以反应玻璃态,链段运动冻结,难以反应高弹态:链段活动增大,反应加紧高弹态:链段活动增大,反应加紧高弹态:链段活动增大,反应加紧高弹态:链段活动增大,反应加紧粘流态:可顺利进行粘流态:可顺利进行粘流态:可顺利进行粘流态:可顺利进行晶态高分子晶态高分子晶态高分子晶态高分子第6页 轻度交联聚合物,须适当溶剂溶胀,才易进行反应,如苯乙烯二乙烯基苯共聚物,用二氯乙烷溶胀后,才易磺化 链构象影响 高分子链在溶液中可呈螺旋形或无规线团状态,溶剂改变,链构象亦改变,官能团
5、反应会发生显著改变 即使均相反应,聚合物溶解情况发生改变时,反应速率也会发生对应改变第7页(2)化学原因对基团活性影响 几率效应 高分子链上相邻基团作无规成对反应时,中间往往留有未反应孤立单个基团,最高转化程度受到几率限制。比如,PVC与Zn粉共热脱氯,按几率计算只能到达86.5%,与试验结果相符第8页 邻近基团效应 高分子中原有基团或反应后形成新基团位阻效应和电子效应,以及试剂静电作用,均可能影响到邻近基团活性和基团凡有利于形成五元或六元环状中间体,邻基基团都有加速作用,如 全同PMMA比无规、间同水解快,原因是全同基结构位置易于形成环酐中间体。详细表现在:位阻效应使基团反应程度受限;不带电
6、基团转变为带电基团反应速率随转化程度提升而降低;带电荷聚合物和电荷相反试剂反应,反应加速。第9页 因为羧酸阴离子形成后,易与相邻酯基形成六元环酐,而并非由氢氧离子来直接水解。凡有利于形成五元或六元环状中间体,邻基基团都有加速作用,如 全同PMMA比无规、间同水解快,原因是全同基结构位置易于形成环酐中间体。又如聚甲基丙烯酸酯类碱性水解有自动催化作用(见后面反应)。比如以酸作为催化剂,聚丙烯酰胺能够水解成聚丙烯酸,其早期水解速率与丙烯酰胺水解速率相同,但反应进行后,水解速率自动加速到几千倍。第10页第11页 2.纤维素化学改性纤维素化学改性v 纤维素是第一个进行化学改性天然高分子,纤维素有许多主要
7、衍生物纤维素结构如右所表示:第12页l粘胶纤维l铜氨纤维l纤维素硝酸酯l纤维素醋酸酯l纤维素醚类:甲基、乙基、羧甲基纤维素纤维素化学改性产品包含纤维素化学改性产品包含:第13页 粘胶纤维制造粘胶纤维制造粘胶纤维制造粘胶纤维制造20%NaOH20%NaOH浸渍浸渍浸渍浸渍 1 12 h2 h碱纤维素碱纤维素碱纤维素碱纤维素CSCS2 220 20 30 30 2 h 2 h纤维素黄酸钠纤维素黄酸钠纤维素黄酸钠纤维素黄酸钠(0.5 0.5 0.5 0.5 个黄酸根个黄酸根个黄酸根个黄酸根/3/3/3/3个羟基)个羟基)个羟基)个羟基)18 18 30 30 40 h40 h将部分黄酸盐水解成羟基,
8、将部分黄酸盐水解成羟基,将部分黄酸盐水解成羟基,将部分黄酸盐水解成羟基,成为粘度较大纺前粘胶液成为粘度较大纺前粘胶液成为粘度较大纺前粘胶液成为粘度较大纺前粘胶液10101515 H H2 2SOSO4 4 喷丝喷丝303045 45 CSCS2 2第14页第15页3.聚醋酸乙烯酯醇解聚醋酸乙烯酯醇解 聚乙烯醇只能从聚醋酸乙烯酯水解得到聚乙烯醇缩醛化反应可得到主要高分子产品缩甲醛:维尼纶缩甲醛:维尼纶缩丁醛:良好玻璃粘合剂缩丁醛:良好玻璃粘合剂第16页4聚乙烯和聚氯乙烯氯化聚乙烯和聚氯乙烯氯化5二烯类橡胶氢化、氯化和氢氯化二烯类橡胶氢化、氯化和氢氯化6苯环上取代反应苯环上取代反应7 环化反应环化
9、反应第17页6 苯环上取代反应苯环上取代反应 聚苯乙烯几乎年进行芳烃一切反应 以苯乙烯二乙烯苯共聚物为母体离子交换树脂,是芳环取代反应经典例子强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂阴离子交阴离子交换树脂换树脂第18页8.2 功效高分子功效高分子v化学功效高分子v物理功效高分子离子交换树脂离子交换树脂光活性高分子光活性高分子氧化还原树脂氧化还原树脂感光树脂感光树脂高分子螯合剂高分子螯合剂光致变色高分子光致变色高分子吸附树脂吸附树脂光稳定剂光稳定剂高分子分离膜高分子分离膜导电性高分子导电性高分子v高分子试剂和药品高分子半导体高分子半导体高分子催化剂和载体高分子催化剂和载体高分子导体高分子导体光导
10、电高分子光导电高分子压电性高分子压电性高分子磁性高分子磁性高分子生物医用高分子生物医用高分子表表8-1 功效高分子种类功效高分子种类第19页功效高分子由聚合物母体和功效性基团两功效高分子由聚合物母体和功效性基团两部分组成部分组成,其主要合成方法有二:其主要合成方法有二:先合成先合成聚合物母体,再经过化学反应,聚合物母体,再经过化学反应,接上功效基团,属于聚合物基团反应。接上功效基团,属于聚合物基团反应。先将先将功效基团引入单体,后(共)聚合。功效基团引入单体,后(共)聚合。功效高分子种类繁多,本书仅介绍功效高分子种类繁多,本书仅介绍高分子高分子试剂试剂、高分子催化剂、高分子基质高分子催化剂、高
11、分子基质等化等化学功效高分子。学功效高分子。我再此只介绍我再此只介绍高分子试剂高分子试剂第20页第21页第22页还有许多高分子试剂,可分别用于氧化、还有许多高分子试剂,可分别用于氧化、还原、卤化、酰化、酰胺化、亲核取代、还原、卤化、酰化、酰胺化、亲核取代、Witting反应、肽反应、肽 合成等,示比如表合成等,示比如表8-2。高分子药品也属于高分子试剂范围。高分子药品也属于高分子试剂范围。除莠剂、杀虫剂、农药、紫外光吸收剂、除莠剂、杀虫剂、农药、紫外光吸收剂、抗氧剂都有可能配置成高分子试剂型制抗氧剂都有可能配置成高分子试剂型制品。品。第23页第24页链转链转移机理移机理长长出支出支链链接枝方法
12、接枝方法 有聚合物存在时,引发剂引发单体聚合同时,还可能有聚合物存在时,引发剂引发单体聚合同时,还可能向大分子转移,形成接枝物,这是工业上最惯用方法,向大分子转移,形成接枝物,这是工业上最惯用方法,能够用来合成能够用来合成HIPS、ABS、MBS等。等。以以HIPS为例来说明:为例来说明:(1)初级自由基与聚丁二烯分子中乙烯侧基加成,所)初级自由基与聚丁二烯分子中乙烯侧基加成,所形成活性接枝点引发单体聚合,形成支链。形成活性接枝点引发单体聚合,形成支链。(2)初级自由基与聚丁二烯主链中双键加成,另形成)初级自由基与聚丁二烯主链中双键加成,另形成接枝点引发单体聚合,形成支链。接枝点引发单体聚合,
13、形成支链。(3)初级自由基夺取烯丙基氢而链转移,形成接枝点。)初级自由基夺取烯丙基氢而链转移,形成接枝点。第25页第26页偶合机理嫁接支偶合机理嫁接支链链接枝法接枝法 带有反应性侧基大分子主链与带有反应端基预聚物进行偶合接枝反应,能够合成预定结构接枝共聚物。离子聚合最宜用于这一方法。大单体共聚接枝大单体共聚接枝大单体是以乙烯基为端基齐聚物,普通由离子聚合制得,活性聚合能够控制链长、链长分布和端基功效团。大单体与普通乙烯基单体共聚后,可形成梳状接枝共聚物,乙烯基单体成为大分子主链,大单体则为支链。第27页2 嵌段l依次进入不一样单体活性聚合(活性阴离子聚合)比如,烷基锂为引发剂 但要注意链阴离子
14、活性,pKa大单体可引发小 S t MMA AN VDCN(乙叉二氰)第28页l特殊引发剂l力化学法l其它如缩聚中链交换反应 带活性端基预聚体反应 怎样制备MMAStMMA、StMMASt三嵌段共聚物?可经过多官能团偶联剂,制备星型聚合物第29页3.扩链 扩链反应是指以适当方法,将分子量为几千低聚物连接起来,使分子量成倍或几十倍提升 遥爪预聚物分子量普通在36千,常呈液体状,经过扩链,可得到高分子量产物 近年来发展液体橡胶是这一反应经典应用 对于不一样活性端基,对应扩链剂也不相同 端基预聚体可按自由基聚合、阴离子聚合、缩聚等机理合成。第30页 活性端基 扩链剂官能团 OH NCO COOH 环
15、氧基 OH 环氧 HN2 OH COOH、酸酐 NCO OH NH2 NHR COOH活性端基及对应扩链剂或交联剂官能团活性端基及对应扩链剂或交联剂官能团第31页交联有物理交联和化学交联两种类型。交联有物理交联和化学交联两种类型。大分子之间用共价键结合起来,称作化学交联;大分大分子之间用共价键结合起来,称作化学交联;大分子之间由氢键、极性键等物理力结合在一起,则称子之间由氢键、极性键等物理力结合在一起,则称作物理交联。作物理交联。1 二烯类橡胶硫化二烯类橡胶硫化硫化可能属于离子聚合机理。硫化可能属于离子聚合机理。硫化反应过程大致以下(见后图):硫化反应过程大致以下(见后图):首先是橡胶和极化后
16、硫或硫离子对反应,形成锍离子。锍离子首先是橡胶和极化后硫或硫离子对反应,形成锍离子。锍离子夺取聚二烯烃中氢原子,形成烯丙基碳阳离子。碳阳离子先夺取聚二烯烃中氢原子,形成烯丙基碳阳离子。碳阳离子先与硫反应。而后再与大分子双键加成,产生交联。经过氢转与硫反应。而后再与大分子双键加成,产生交联。经过氢转移,继续与大分子反应,再生出大分子碳阳离子。如此重复,移,继续与大分子反应,再生出大分子碳阳离子。如此重复,形成大网络结构。形成大网络结构。8.4 交联交联硫化时常添加有机硫化物促进剂和金属氧化物活化剂。硫化时常添加有机硫化物促进剂和金属氧化物活化剂。第32页第33页第34页2 聚烯烃过氧化物交联聚烯
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