高分子化学知识总结

一、绪论1.聚合物的分类及命名可按来源、合成方法、用途、热行为、结构等来分类，主要是按主链结构来分类，分为：（1）碳链聚合物，（2）杂链聚合物，（3）元素有机聚合物；2.聚合物的命名（1）单体来源命名法烯类聚合物单体名前加“聚”；两种单体合成的，取二者简名加后缀“树脂”“橡胶”；杂链聚合物按其特征结构命名；*有些聚合物按单体名来命名容易引起混淆，例如22OCHCH,可以从环氧乙烷、乙二醇、氯丙醇或氯甲醚来合成，因为环氧乙烷单体最常用，故通常称作聚环氧乙烷，按结构该聚合物应称作聚氧乙烯。（2）系统命名法命名原则和程序：先确定重复单元结构，再排好其中次级单元次序，给重复单元命名，最后冠以“聚”字，就成为聚合物的名称。写次级单元时候，先写侧基最少的元素，再写有取代的亚甲基，然后写无取代的亚甲基。3.聚合反应（1）按单体-聚合物结构变化分类缩聚官能团单体多次缩合成聚合物的反应，除形成缩聚物外，还有水、醇、氨或氯化氢等低分子产物产生加聚烯类单体π键断裂而后加成聚合起来的反应称作加聚，产物称作加聚物。加聚物结构单元的元素组成与其单体相同，仅仅是电子结构有所变化，因此加聚物的分子量是单体分子量的整数倍开环聚合环状单体σ键断裂而后聚合成线形聚合物的反应，反应时无低分子副产物产生（2）按聚合物机理分类*逐步聚合多数缩聚和聚加成反应属于逐步聚合，其特征是低分子转变成高分子是缓慢逐步进行的，每步反应的速率和活化能大致相同，单体分子首先聚合成二、三、四具体等低聚物（齐聚物），短期内单体转化率很高，随后，低聚物间相互缩聚分子量缓慢增加，直至集团反应程度很高分子量才达到较高的数值*连锁聚合多数烯类单体的加聚反应属于连锁聚合。有自由基、阴离子或阳离子聚合，自由基聚合过程中，分子量变化不大，除微量引发剂外，体系始终由单体和高分子量聚合物组成，没有分子量递增的中间产物，转化率随时间而增大，单体则相应减少。活性阴离子聚合的特征是分子量随转化率的增大而线性增加。4．分子量是影响强度的重要因素，聚合物强度随着分子量的增大而增加。5.平均分子量（1）数均分子量nM（通常由渗透压，蒸汽压等依数性方法测定）定义：某体系的总质量m被分子总数所平均。/iiiniiiiiinmmmMxMnnmM低分子量部分对数均分子量有较大贡献（2）质均分子量wM（由光散射法测定）2iiiiwiiiiimMnMMwMmnm（3）粘均分子量vM（略）三种分子量大小依次为：wMvMnM;6.分子量分布（1）分子量分布指数定义为：wM/nM的比值，可用来表征分布宽度。对于分子量均一的体系，wM=nM，wM/nM=1.（2）分子量分布曲线数均分子量处于曲线分布曲线顶峰附近7.大分子微结构*线形大分子内结构单元有头头键接合尾尾键接；*大分子链上结构单元中的取代基在空间可能有不同的排布方式，形成手性构型和几何构型两类；（1）手性构型又分为全同（等规）构型、间同（间规）构型、无规构型；（2）几何构型是由大分子链中的双键引起的，双键无法旋转因此会有顺式和反式聚合物。8.线形或支链形大分子以物理力聚集成聚合物，可溶于适当溶剂中，加热时候可熔融塑化，冷却时后则固化成型，这类聚合物称作热塑性聚合物；*支链形聚合物不容易结晶，高度支链甚至难溶解，只能溶胀；*交联聚合物可以看作许多线形大分子由化学键连接而成的体型结构，交联程度浅的结构受热尚可软化但不再熔融，适当溶剂可使其溶胀但不溶解，交联程度深的体形结构不软化不溶解不溶胀形成了刚性固体；*酚醛树脂、醇酸树脂等在树脂合成阶段，需要控制原料配比和反应条件，使其停留在线形或少量支链的低分子预聚物阶段，成型时，经加热，在是其中潜在官能团继续反应成交联结构而固化，这类聚合物则称作热固性聚合物。9.聚集态结构聚合物聚集态可以粗分为非晶态（无定形）态和晶态两种。*液晶高分子，受热熔融（热致性）或被溶剂溶解(溶致性)后，失去了固体的刚性，转变成液体，但其中晶态分子仍保留着有序排列，呈各向异性，形成兼有晶体和液体双重性质的过渡状态，称之为液晶态。10.玻璃态温度：无定形和结晶热塑性聚合物低温时都呈玻璃态，受热至某一较窄（2-5C）温度，则转变成橡胶态或柔韧的可塑状态，这一转变温度称作玻璃化温度gT，代表链段能够运动或主链中价键能扭转的温度。*晶态聚合物继续受热，则出现另一热转变温度------熔点mT，这代表整个大分子容易运动的温度。*玻璃化温度是非晶态塑料的使用上限温度，熔点则是晶态塑料的使用上限温度。11.高分子的力学性能参数：a弹性模量，b抗张强度，c断裂伸长率。二、缩聚和逐步聚合2.2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）（1）缩合反应*官能度：一分子中能参与反应的官能团数称作官能度（f）；考虑官能度时需以参与的反应集团为基准。（2）缩合反应线形缩聚的首要条件是需要2-2或2-官能度体系作原料，采用2-3或2-4官能度体系是，除了按线形方向缩聚外，侧基也能缩聚，先形成支链，进一步形成体形结构，这就称作体形缩聚。（3）共缩聚羟基酸或氨基酸一种单体的缩聚，可称作均缩聚；由二元酸和二元醇2种单体进行的缩聚是最普通的缩聚；从改进缩聚物结构性能角度考虑，将1种二元酸和2种二元醇、2种二元酸和2种二元醇进行所谓“共缩聚”。2.3线形缩聚反应的机理2.3.1线形缩聚和成环倾向*线形缩聚时，需考虑单体及其中间产物的成环倾向，一般情况下，五、六元环的结构比较稳定。*成环是单分子反应，缩聚则是双分子反应，因此，低浓度有利于成环，高浓度有利于线形缩聚。2.3.2线形缩聚机理（特征有2：逐步、可逆）（1）逐步特性缩聚反应无特定的活性种，各步反应速率常数和活化能基本相等，缩聚早期，转化率就很高，因此用基团的反应程度来表述反应的程度更为确切，现已等摩尔二元酸和二元醇的缩聚反应为例来说明*反应程度p的定义为参与反应的基团数(0NN)占起始基团数0N的分数，因此：0001NNNpNN*如将大分子的结构单元数定义为聚合度nX，则：0nNXN结构单元总数大分子数进一步可得11nXp；（2）可逆平衡聚酯化和低分子酯化反应相似，都是可逆平衡反应，正反应是酯化，逆反应是水解。*平衡常数小，低分子副产物水的存在限制了分子量的提高，需在高度减压条件下脱除；*平衡常数中等，300—400；水对分子量有所影响，聚合早期可在水中进行，只是后期，需要在一定的减压条件下脱水，提高反应程度；*平衡常数很大，K1000；可以看作不可逆。2.3.3缩聚中的副反应（1）消去反应；影响产物的分子量（2）化学降解；合成缩聚物的单体往往就是缩聚物的降解药剂（3）链交换反应；链交换反应将使分子量分布变窄2.4线形缩聚动力学2.4.1官能团等活性概念在一定聚合度范围内，基团活性与分子量大小无关，形成官能团等活性概念。2.4.2线形缩聚动力学2.4.2.1不可逆的线形缩聚酯化和聚酯化是可逆平衡反应，如能及时排除副产物水，就符合不可逆的条件*过程：1羧酸质子化，2质子化种和醇反应成酯；酸催化的酯化速率方程：132HAkkCOOHOHHdCOOHdtkK（1）外加酸催化聚酯化动力学强无机酸常用作酯化的催化剂，聚合速率由酸催化和自催化两部分构成，在缩聚过程中，外加酸或氢离子浓度几乎不变，而且远远大于低分子羧酸自催化的影响，因此，可以忽略自催化的速率；（二级反应）'0111kctp'01nXkct'k是将COOH、k1,k2,k3,KHA合并而成。（3）自催化聚酯化动力学○1羧酸不电离聚合度随时间变化的关系式：22021nXkct（三级反应）○2羧酸部分电离聚合度随时间变化的关系式：2/32/3021nXkct（二级半反应）2.5线形缩聚物的聚合度两种基团数相等的2-2体系进行线形缩聚时：（1）不排除副产物水1KpKnX=1K（2）高度减压的条件下及时排除副产物水11nwwKKXppnn2.5.2基团数比对聚合度的影响二元酸（aAa）和二元醇（bBb）进行缩聚，设aN、bN为a、b的起始基团数，分别为两种单体分子数的2倍，r为单体的基团数比或摩尔比，q为过量摩尔百分比或摩尔分数；()/21/2abaNNrqNr或11rq*使两基团数相等的措施有三：（1）单体高度纯化和精确计量；（2）两基团同在一单体分子上，(3)二元胺和二元酸成盐。*两基团数目不等分三种情况：（1）以aAa单体为标准，bBb单体微过量，()/21(2)/212abnabaNNrXNNNprrp有2种极限情况：○1r=1或q=1；11nXp；○2p=1;11nrXr如果r=1，p=1，则聚合度为无穷大，成为一个大分子；（2）aAa和bBb两单体等基团数比，另外加但官能团物质Cb（其基团数为'bN），则按下式计算r，后代入（1）式；'2abbNrNN式中分母中的2表示1个分子Cb中的1个基团b相当于一个过量bBb分子爽官能团的作用。（2）aRb(如羟基酸)加少量单官能团物质Cb，'2abbNrNN2.6线形缩聚物的分子量分布2.6.1分子量分布函数*忽略端基的质量，则x-聚体的质量分数或质量分布函数为：2101xxxWxNxppWN2.6.2分子量分布宽度nX11p；11wpXP；分子量分布指数：12wnXpX。2.7.1Carothers法凝胶点的预测（理论基础：凝胶点时候的数均聚合度等于无穷大）（1）等基团数*单体混合物的平均官能度定义为每一分子平均带有的基团数：iiiNffN，iN是官能度为if的单体i的分子数。凝胶点时的临界反应程度cp为：2cpf；（2）量基团数不相等○1两组分体系*两基团数不相等时，平均官能度应以非过量基团数的2倍除以分子总数来求取，因为反应程度和交联与否取决于含量少的组分，过量反应物质中的一部分并不参与反应。2AAABNffNN○2多组分体系以A,B,C三组分体系为例，三者分子数分别为AN、BN、CN，官能度分别为Af、Bf、Cf，A和C的基团相同，A总基团数少于B基团数，即AACCBBNfNfNf，则平均官能度按下式计算:2AACCABCNfNffNNN(3)Carothers方程在线形缩聚中聚合度的计算22nXpf2.7.2Flory统计法Flory根据统计法推导出凝胶点时反应程度的表达式。推导时引入支化系数α，其定义式大分子链末端支化单元上某一基团产生另一支化单元的概率；只有多官能团单体才是支化单元。（1）简单情况分析○1*3-3体系cp=1/2；*4-4体系c=cp=1/3；*对于A、B基团数相等的体系，产生凝胶的临界化支化系数c普遍关系为：11cf；*对于3-2体系，cp1/2()c=0.707。（2）普遍情况分析体形缩聚通常采用两种二官能度单体（A-A,B-B），另加多官能度单体fA（f2），1/212Acprrf；为支化单元（fA）中A基团数占混合物中A总数的分率；○1两基团数相等，即r=1，并且ABppp，则cp1/2112f；○2无A-A分子（=1），但r1，则cp=1/212rrf；○3对与2-fA体系，即无A-A（=1），而且r=1，则cp=1/211f；2.7.3凝胶点的测定方法多官能团体系缩聚至某一反应程度，粘度急增，难以流动，气泡也无法上升，这时的临界反应程度就定为凝胶点，Carothers理论估算偏高，而Flory统计法偏低。2.8.2逐步聚合实施方法（1）熔融聚合在单体和聚合物熔点以上进行的聚合，相当于本体聚合，只有单体和少量催化剂，产物纯净；（2）溶液聚合单体加催化剂在适当的溶剂（包括水）中进行的聚合。所用的单体一般火星较高，聚合温度可以较低，副反应也较少；（3）界面缩聚将两种单体，分别溶于水和有机溶剂中，在界面处进行聚合，界面缩聚限用活性高的单体，室温下