總體分類(lèi)
從大的方面來(lái)說(shuō),分為加聚反應(yīng)(聚合反應(yīng))和縮聚反應(yīng)(縮合反應(yīng))。
不同角度分類(lèi)
縮聚反應(yīng)
①1929年,W.H.卡羅色斯按照反應(yīng)過(guò)程中是否析出低分子物,把聚合反應(yīng)分為縮聚反應(yīng)和加聚反應(yīng)??s聚反應(yīng)通常是指多官能團(tuán)單體之間發(fā)生多次縮合,同時(shí)放出水、醇、氨或氯化氫等低分子副產(chǎn)物的反應(yīng),所得聚合物稱(chēng)縮聚物。加聚反應(yīng)是指 α-烯烴、共軛雙烯和乙烯類(lèi)單體等通過(guò)相互加成形成聚合物的反應(yīng),所得聚合物稱(chēng)加聚物,該反應(yīng)過(guò)程中并不放出低分子副產(chǎn)物,因而加聚物的化學(xué)組成和起始的單體相同。
聚合現(xiàn)象
②1953年P(guān).J.弗洛里按反應(yīng)機(jī)理,把聚合反應(yīng)分成逐步聚合和鏈?zhǔn)骄酆蟽纱箢?lèi)。逐步聚合反應(yīng)每一步的速率常數(shù)和活化能大致相同。反應(yīng)初期,大部分單體很快消失,聚合成二至四聚體等中間產(chǎn)物;低聚物繼續(xù)反應(yīng),使產(chǎn)物的分子量增大。因此,可認(rèn)為單體轉(zhuǎn)化率基本上不依賴(lài)于聚合時(shí)間的延長(zhǎng),但產(chǎn)物的分子量隨聚合時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大。例如:帶官能團(tuán)化合物之間的縮聚反應(yīng)如乙二醇和對(duì)苯二甲酸形成聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(見(jiàn)聚酯)、由己二酸和己二胺合成聚己二酰胺己二胺(見(jiàn)聚酰胺)的反應(yīng)等;還有二異氰酸酯與二醇形成聚氨酯的聚加成反應(yīng);2,6-二甲苯酚氧化偶合形成聚二甲基苯醚的氧化偶合聚合等。鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)一般包括引發(fā)、增長(zhǎng)和終止等反應(yīng)步驟。各步反應(yīng)的速率常數(shù)和活化能差別很大,延長(zhǎng)聚合時(shí)間可提高轉(zhuǎn)化率,而分子量不再變化。α-烯烴、共軛雙烯和乙烯類(lèi)單體的自由基聚合和正、負(fù)離子或配位聚合均屬鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng),環(huán)醚和內(nèi)酰胺在選定條件下的離子型開(kāi)環(huán)聚合,正常子聚合中某些單體的異構(gòu)化聚合,以及苯乙烯或丁二烯在烷基鋰存在下的負(fù)離子活性聚合,這些反應(yīng)盡管各有特點(diǎn),但一般也屬鏈?zhǔn)骄酆?。按照引發(fā)方式的不同,鏈?zhǔn)骄酆线€可分為引發(fā)劑(或催化劑)引發(fā)聚合、熱引發(fā)聚合、光引發(fā)聚合、輻射聚合。此外,尚有生化聚合、電化學(xué)引發(fā)聚合和力化學(xué)聚合等。
③按照單體和聚合物的結(jié)構(gòu),又可有定向聚合(或稱(chēng)立構(gòu)有規(guī)聚合)、異構(gòu)化聚合、開(kāi)環(huán)聚合和環(huán)化聚合等類(lèi)聚合反應(yīng)。
兩類(lèi)區(qū)別
鏈?zhǔn)骄酆吓c逐步聚合區(qū)別
1.單體的消失(用轉(zhuǎn)化率%表示)與聚合時(shí)間的關(guān)系在逐步聚合反應(yīng)中,所有單體的不同官能團(tuán)之間都能進(jìn)行反應(yīng),因此單體很快消失,這時(shí)的轉(zhuǎn)化率要用單體官能團(tuán)的反應(yīng)程度p來(lái)表示,它們之間的關(guān)系為轉(zhuǎn)化率
。而在鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)中,單體是逐漸消失的。2.聚合物的平均聚合度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系 在鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)中 唒與轉(zhuǎn)化率基本上沒(méi)有依賴(lài)關(guān)系。在逐步聚合反應(yīng)中,轉(zhuǎn)化率
時(shí)只形成低聚物;只有轉(zhuǎn)化率時(shí),才能形成高聚物,沒(méi)有鏈終止和鏈轉(zhuǎn)移的負(fù)離子聚合能形成活的高分子,此時(shí)唒隨轉(zhuǎn)化率的增加而增大。3.從反應(yīng)熱及活化能來(lái)比較 鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)的反應(yīng)熱較大,在
千卡/摩爾之間,所以聚合最高溫度Tc很高,在之間,在一般聚合溫度下,可以認(rèn)為它是不可逆反應(yīng)。鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)的鏈增長(zhǎng)活化能很小,在左右,因此只要引發(fā)劑產(chǎn)生自由基,鏈增長(zhǎng)即迅速進(jìn)行,能在一秒鐘左右形成唒約為1000的長(zhǎng)鏈高分子。但在逐步聚合反應(yīng)(如聚酰胺和聚酯)中,反應(yīng)熱只有左右,它們的Tc低至。所以在一般溫度下它是可逆反應(yīng),化學(xué)平衡既依賴(lài)于溫度,又依賴(lài)于小分子副產(chǎn)物的濃度。逐步聚合反應(yīng)的鏈增長(zhǎng)活化能在左右,所以聚合必須用高溫,往往要采用催化劑以降低反應(yīng)溫度,并在高真空下反應(yīng),以盡量除去小分子副產(chǎn)物。聚合方法概述
常用的聚合方法有本體聚合、懸浮聚合、溶液聚合和乳液聚合四種。自由基聚合可選用其中之一進(jìn)行;離子型或配位聚合,一般采用溶液聚合,例如乙烯、丙烯采用鈦催化劑聚合,由于催化劑與聚合物均不溶于溶劑,常稱(chēng)淤漿聚合;縮聚反應(yīng)一般在本體或溶液中進(jìn)行,分別稱(chēng)為本體(熔融)縮聚和溶液縮聚,在兩相界面上的縮聚稱(chēng)為界面縮聚。
氣相與固相聚合
在聚合溫度和壓力下為氣態(tài)或固態(tài)的單體也能聚合,分別稱(chēng)為氣相聚合和固相聚合。氣相、固相和熔融聚合均可歸于本體聚合范疇。四種聚合方法的不同特點(diǎn)是:
①本體聚合 組分簡(jiǎn)單,通常只含單體和少量引發(fā)劑,所以操作簡(jiǎn)便,產(chǎn)物純凈;缺點(diǎn)是聚合熱不易排除。工業(yè)上用自由基本體聚合生產(chǎn)的聚合物主要品種有聚甲基丙烯酸甲酯、高壓聚乙烯和聚苯乙烯。
②溶液聚合 優(yōu)點(diǎn)是體系粘度低,傳熱、混合容易,溫度易于控制;缺點(diǎn)是聚合度較低,產(chǎn)物常含少量溶劑,使用和回收溶劑需增加設(shè)備投資和生產(chǎn)成本。溶液聚合在工業(yè)上主要用于聚合物溶液直接使用的場(chǎng)合,如醋酸乙烯酯在甲醇中的溶液聚合,丙烯腈溶液聚合直接作紡絲液,丙烯酸酯溶液聚合液直接作涂料和膠粘劑等。
③懸浮聚合 通常是在大量的水介質(zhì)中進(jìn)行,散熱容易,產(chǎn)物是0.05~2mm左右的小顆粒,容易洗滌、分離,產(chǎn)物純度較高;缺點(diǎn)是產(chǎn)物容易粘壁,影響聚合釜傳熱和生產(chǎn)周期。懸浮聚合主要用于聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯的工業(yè)生產(chǎn)。
④乳液聚合 由于使用了乳化劑而具有特殊機(jī)理,單體在膠束中引發(fā)、聚合是在單體-聚合物乳膠粒中進(jìn)行。其特點(diǎn)是速度快、產(chǎn)物分子量大、體系粘度低、易于散熱;缺點(diǎn)是乳化劑等不易除凈,影響產(chǎn)物性能,特別是電性能較差,在工業(yè)上乳液聚合主要用于合成橡膠的生產(chǎn),如丁苯橡膠、丁腈橡膠和氯丁橡膠生產(chǎn)。
本體聚合和溶液聚合一般為均相反應(yīng),但也有因聚合物不溶于單體或溶劑而沉淀出來(lái);懸浮聚合和乳液聚合均屬非均相反應(yīng)。均相體系往往屬非牛頓流體(見(jiàn)粘性流體流動(dòng)),可直接使用,若要制得固體聚合物,則需進(jìn)行沉淀分離;非均相體系固體物含量可高達(dá)
(最高達(dá)約),除膠乳可直接使用外,其他均需經(jīng)分離、提純等后處理。環(huán)化聚合
由非共軛雙烯類(lèi)化合物形成具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)重復(fù)單元的線型聚合物的聚合反應(yīng)。其產(chǎn)物具有較高的耐熱性,因此環(huán)化聚合是制備耐熱高分子的一種手段。
簡(jiǎn)史 以前一直認(rèn)為具有兩個(gè)雙鍵的化合物在聚合時(shí)必定形成交聯(lián)的不溶、不熔的高聚物。但在1951年,G.B.布特勒等人用自由基引發(fā)二烯丙基季銨鹽類(lèi)進(jìn)行溶液聚合,卻得到了可溶性的線型聚合體。布特勒通過(guò)對(duì)二烯丙基季銨鹽類(lèi)聚合的研究,提出單體可以通過(guò)交替的“分子內(nèi)-分子間”鏈增長(zhǎng)反應(yīng),導(dǎo)致線型高聚物的形成。1953年W.辛普森等人在研究鄰苯二甲酸二烯丙酯的聚合反應(yīng)時(shí),指出了雙烯類(lèi)單體在聚合時(shí)有環(huán)化現(xiàn)象。1958年J.F.瓊斯將這類(lèi)聚合反應(yīng)稱(chēng)為環(huán)化聚合。
工程應(yīng)用
在工程上,聚合流程可以是間歇式的,但在工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)多采用連續(xù)式,常用的設(shè)備有間歇和連續(xù)攪拌反應(yīng)器,以及管式、環(huán)管式、流化床和塔式反應(yīng)器等,也可多種形式串聯(lián)使用(見(jiàn)聚合反應(yīng)工程)。
危險(xiǎn)特性(1)聚合反應(yīng)中的使用單體、溶劑、引發(fā)劑、催化劑等大多是易燃、易爆物質(zhì),使用或儲(chǔ)存不當(dāng)時(shí),易造成火災(zāi)、爆炸。如聚乙烯的單體乙烯是可燃?xì)怏w,順丁橡膠生產(chǎn)中的溶劑苯是易燃液體,引發(fā)劑金屬鈉是遇濕易燃危險(xiǎn)品。
(2)許多聚合反應(yīng)在高壓條件下進(jìn)行,單體在壓縮過(guò)程中或在高壓系統(tǒng)中易泄漏,發(fā)生火災(zāi)、爆炸。例如,乙烯在
的壓力下聚合合成聚乙烯。(3)聚合反應(yīng)中加入的引發(fā)劑都是化學(xué)活性很強(qiáng)的過(guò)氧化物,一旦配料比控制不當(dāng),容易引起爆聚,反應(yīng)器壓力驟增易引起爆炸。
(4)聚合物分子量高,黏度大,聚合反應(yīng)熱不易導(dǎo)出,一旦遇到停水、停電、攪拌故障時(shí),容易掛壁和堵塞,造成局部過(guò)熱或反應(yīng)釜飛溫,發(fā)生爆炸。
安全措施聚合反應(yīng)中應(yīng)該注意的安全措施:
(1)應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器,一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備、管道有可燃?xì)怏w泄漏,將自動(dòng)停止。
(2)反應(yīng)釜的攪拌和溫度應(yīng)有檢測(cè)和連鎖裝置,發(fā)現(xiàn)異常能自動(dòng)停止進(jìn)料。
(3)高壓分離系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置爆破片、導(dǎo)爆管,并有良好的靜電接地系統(tǒng),一旦出現(xiàn)異常,及時(shí)泄壓。
(4)對(duì)催化劑、引發(fā)劑等要加強(qiáng)儲(chǔ)存、運(yùn)輸、調(diào)配、注入等工序的嚴(yán)格管理。
(5)注意防止爆聚現(xiàn)象的發(fā)生。
(6)注意防止粘壁和堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。