高分子化学复习笔记(3)

聚合上限温度Tc (Ceiling Temperature of Polymerization)：ΔG=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。

?H?H?Tc?, 平衡温度：Te? ??S?S?Rln(M)? 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。Tc也可以通过实验测定聚合反应转化率与温度的关系，再外推至转化率为零时的温度(Tc)。 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π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）：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。

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

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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：①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。②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。③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。④少量(0.01%~0.1%)阻聚剂足以使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(5~50℃)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。

ln[I]ln20.693??kdt t1/2?? [I]0kdkdL-1，实验中只需测定恒定温度[I]0,[I]分别表示引发剂起始（t=0）浓度和t时的浓度，单位为mol·条件下引发剂浓度与时间的对应变化关系，以ln[I]/[I]0对t作图，便可求得kd。

引发剂速率常数与温度关系遵循Arrehenius经验公式：

lnkd?lnAd?Ed/RT

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在不同温度下，测得某一引发剂的多个分解速率常数，以lnkd对1/T作图，由截距可求得频率因子

Ad，由斜率可求出分解活化能Ed.

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f。造成f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f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f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f降低。 2. 其它引发方式

热引发聚合(Thermal-Initiation Polymerization)：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，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

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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：①忽略链转移反应，终止方式为双基终止。②Flory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。③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(Ri?Rt)，即链自由基浓度保持不变，呈稳态，d[M?]/dt?0。④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15~20%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：

粘度??双基终止速率??自由基浓度??聚合速率??温度? ????????????

引发速率?

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自由加速过程产生的结果：①导致聚合反应速率的迅速增加，体系温度迅速升高。②导致相对分子质量和分散度都升高。③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：①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0.5~1，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。②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）：

Rp??d[M]d[P]dCdC??[M]0 （?dtdtdtdtd([M]0?[M])[M]01d[M]） ??dt[M]0dt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、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，v等于链增长速率与链终止速率（或引发）之比，

v?v?2kp[M]22ktRp[M]?(2kt)1/2Ri1/2kp2，当引发剂引发时，引发速率Ri?2fkd[I]，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Xn?2v，双基歧化终止时，Xn?v。兼有两种方式终止时，则

v?Xn?2v，其值为：

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