高分子化學(xué)的認(rèn)識與感悟

1、高分子化學(xué)的認(rèn)識與感悟 摘要：高分子化學(xué)是研究高分子化合物的合成、化學(xué)反應(yīng)的一門學(xué)科，同時還涉及聚合物的結(jié)構(gòu)和性能。本文是講述我在學(xué)習(xí)了高分子化學(xué)這門課程之后對這門課程的掌握、理解，以及我感興趣的高分子化學(xué)課程中的聚合方法的理解。 關(guān)鍵字：高分子化學(xué) 高分子 聚合物 聚合方法一. 我對高分子化學(xué)的掌握1.什么是高分子化學(xué)高分子化學(xué)是研究高分子化合物（簡稱高分子）合成（聚合）和化學(xué)反應(yīng)的一門科學(xué)；同時還會涉及聚合物的結(jié)構(gòu)和性能。同時也涉及高分子化合物的加工成型和應(yīng)用等方面。高分子也成聚合物（或高聚物），有時高分子可指一個大分子，而聚合物則指許多大分子的聚集體。高分子的相對分子質(zhì)量非常的大，小到幾

2、千，大到幾百萬、上千萬的都有。我們有時將相對分子質(zhì)量較低的高分子化合物叫低聚物。 2.高分子的分類和命名 2.1高分子分類從不同的專業(yè)角度，對高分子進(jìn)行多種分類，例如按來源、合成方法、用途、熱行為、結(jié)構(gòu)等來分類。在高分子課程學(xué)習(xí)中，我們對高分子的分類是按有機(jī)化學(xué)和高分子化學(xué)角度來考慮，是按照主鏈結(jié)構(gòu)將高分子分成三大類：碳鏈聚合物：主鏈完全有碳原子組成，比如絕大部分的烯類和二烯類的加成聚合物。雜鏈聚合物：主鏈除了碳原子外，還有氧、氮、硫等雜原子，比如聚醚、聚酯、聚酰胺等縮聚物和雜環(huán)開環(huán)聚合物以及大多數(shù)天然高分子。元素有機(jī)聚合物：主鏈中沒有碳原子，主要由硅、硼、鋁和氧、氮、硫、磷等原子組成，但多半

3、是有機(jī)基團(tuán)，比如甲基、乙基、乙烯基、苯基等。如果主鏈和側(cè)基均無碳原子，則稱物價(jià)高分子，像硅酸鹽之類。2.2高分子命名 在有機(jī)化學(xué)中我們就學(xué)過聚合物的命名，在高分子化學(xué)中聚合物的命名跟我們以往的命名沒有什么區(qū)別，在這里命名方法主要分兩類： 單體來源命名法：就是聚合物名稱以單體名為基礎(chǔ)。比如乙烯的聚合物我們稱為聚乙烯。 結(jié)構(gòu)單元命名法：就像有機(jī)化學(xué)里一樣，先確定重復(fù)單元結(jié)構(gòu)，排好單元次序，命名。最后在名字前加一個聚就可以了。 3.聚合反應(yīng)與聚合方法 3.1聚合反應(yīng) 在我們學(xué)習(xí)高分子化學(xué)過程中，聚合反應(yīng)貫穿了我們整個課本，從縮聚和逐步聚合到自由基聚合、自由基共聚合、離子聚合、配位聚合、開環(huán)聚合等，聚

4、合反應(yīng)中有涉及到聚合物的分子量和分布還有聚合物的大分子的結(jié)構(gòu)、它們的鏈狀和聚合物的聚集態(tài)、熱轉(zhuǎn)變之類的。我們知道聚合反應(yīng)有很多種類型，同樣我們可以將聚合反應(yīng)分類。 在以前學(xué)習(xí)關(guān)于聚合物的反應(yīng)時，我們很熟悉的有縮聚、加聚和開環(huán)聚合。在高分子課程中我們學(xué)習(xí)到了逐步聚合和連鎖聚合。下面我說說我對著兩種聚合反應(yīng)的掌握情況。 3.1.1逐步聚合 多數(shù)縮聚和聚加成反應(yīng)都屬于逐步聚合，其特征是低分子轉(zhuǎn)變成高分子在緩慢逐步進(jìn)行，每步反應(yīng)的速率和活化能大致相同，逐步聚合中任何兩分子（單體分子或聚合物分子）間都能相互反應(yīng)生成聚合度更高的聚合物分子。在課程在我們了解到逐步聚合反應(yīng)的分類，比如，平衡縮聚和不平衡縮聚、

5、線形縮聚和體形縮聚、均縮聚和混縮聚及共縮聚等這些各種縮聚的反應(yīng)機(jī)理、特征、聚合度、分子量分布等，在生活科研之中的應(yīng)用，還有縮聚和逐步聚合要怎么樣才能成功反應(yīng)。 3.1.2連鎖聚合 連鎖聚合反應(yīng)也稱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，反應(yīng)中一旦形成單體活性中心，就能很快的傳遞下去，瞬間形成高分子。平均每個大分子的形成時間都非常短。聚合過程由鏈引發(fā)、鏈增長和鏈終止幾步基元反應(yīng)組成，各步反應(yīng)速率和活化能差別很大。反應(yīng)中只存在單體、聚合物和微量引發(fā)劑。進(jìn)行連鎖聚合反應(yīng)的單體主要是烯類、二烯類化合物。像課本中的自由基聚合、自由基共聚合、離子聚合和配位聚合都是屬于連鎖聚合。這幾種聚合只是因?yàn)榛钚灾行牡牟煌鴧^(qū)別開：自由基聚合是因?yàn)?/p>

6、其以自由基為活性中心，自由基共聚合也一樣。：離子聚合是以離子為活性中心，陽離子聚合的活性中心是陽離子，陰離子聚合的活性中心是陰離子。：配位聚合的活性中心是配位離子。在各種連鎖聚合反應(yīng)中我們主要學(xué)習(xí)了解了它們的各自的特征、反應(yīng)的單體結(jié)構(gòu)和聚合類型、它們的反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)的動力學(xué)、它們各自反應(yīng)的引發(fā)劑等等。以及各種反應(yīng)在科研及生活中的應(yīng)用。 3.1.3逐步聚合與連鎖聚合的區(qū)別 逐步聚合與連鎖聚合的區(qū)別如下： 逐步聚合沒有特定的活性中心和基元反應(yīng)；而連鎖聚合需要活性中心就像上面所寫各種反應(yīng)的活性中心都不同，連鎖聚合有鏈引發(fā)、增長、轉(zhuǎn)移、終止等基元反應(yīng)。 逐步聚合的反應(yīng)時逐步進(jìn)行的；連鎖聚合的反應(yīng)是單體

7、一經(jīng)引發(fā)便迅速連鎖增長。 逐步反應(yīng)的體系中含單體和一系列分子量遞增的中間產(chǎn)物；連鎖聚合只有單體和聚合物。 逐步聚合分子量緩慢增加，轉(zhuǎn)化率在短期內(nèi)很高；連鎖聚合的分子量變化不大轉(zhuǎn)化率隨時間而增大。 3.2聚合方法 高分子化學(xué)中的聚合方法大致分為四種：本體聚合、溶液聚合、懸浮聚合、乳液聚合。在課本中專門有單章介紹聚合方法，但其他各章節(jié)講述聚合反應(yīng)時也同樣貫穿著聚合方法。下面我簡要的介紹我在學(xué)習(xí)中對幾種方法的認(rèn)識： 本體聚合：單體的本身加入（或不加）少量油溶性引發(fā)劑的在本體內(nèi)的聚合。比較難聚合，而且聚合熱不易排除，但其操作簡便，產(chǎn)物純凈。 溶液聚合：是將單體和油溶性引發(fā)劑溶于適當(dāng)溶劑中進(jìn)行的聚合。其

8、反應(yīng)速率較小、分子量較低，比較容易反應(yīng)，體系粘度低，傳熱、混合容易，溫度易于控制；但是聚合度較低，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。 懸浮聚合：單體以液滴狀懸浮于水中的聚合，主要由單體、油溶性引發(fā)劑、水和分散劑四部分組成。反應(yīng)容易進(jìn)行。其容易洗滌、分離，產(chǎn)物純度較高；但是產(chǎn)物容易粘壁，影響聚合釜傳熱和生產(chǎn)周期。 乳液聚合：單體在水中以乳液狀態(tài)進(jìn)行的聚合，主要由單體、水溶性引發(fā)劑、水和乳化劑等組成。反應(yīng)容易進(jìn)行。其速度快、產(chǎn)物分子量大、體系粘度低、易于散熱；但是乳化劑等不易除凈，影響產(chǎn)物性能。 4.聚合物的化學(xué)反應(yīng) 聚合物化學(xué)反應(yīng)的種類由聚合度和基團(tuán)的變化（側(cè)基或端基），

9、大致分為三類：聚合物基本不變的反應(yīng)，而僅限于側(cè)基或端基變化的反應(yīng)，常稱為相似轉(zhuǎn)變。聚合度變大的反應(yīng)，如交聯(lián)、嵌段、接枝和擴(kuò)鏈反應(yīng)。聚合度變小的反應(yīng)，如解聚、降解等反應(yīng)。主要學(xué)習(xí)了聚合物化學(xué)反應(yīng)的特征、反應(yīng)的影響因素、聚合物對環(huán)境的影響和處理等等。二、我對高分子化學(xué)課程的感悟 以上除去高分子材料類是我在高分子化學(xué)學(xué)習(xí)過程中所學(xué)習(xí)到的。在未學(xué)高分子化學(xué)前以為高分子化學(xué)就是我們所學(xué)的有機(jī)化學(xué)一樣講述聚合物之間的加成、縮聚之類的，還有對一些聚合物的了解，比如塑料、纖維、橡膠、蛋白質(zhì)之類的那么一點(diǎn)點(diǎn)的了解。而高分子化學(xué)讓我們了解到現(xiàn)在高分子科學(xué)的研究是以高分子化學(xué)為基礎(chǔ)，研究高分子化合物的分子設(shè)計(jì)、合成

10、及改性等，為高分子科學(xué)研究提供新生化合物、為國民經(jīng)濟(jì)提供新材料及合成方法。高分子化學(xué)學(xué)習(xí)過程中我們才深深的認(rèn)識到，原來高分子化學(xué)和我們之間的密不可分，我們身上穿的衣服、手機(jī)上的材料、吃的飯、吃飯用的餐具、汽車的輪胎等等，多不勝數(shù)。我們的吃穿住行每時每刻都跟高分子打著交道。當(dāng)我們睡到高分子的時候經(jīng)常聯(lián)想到的是塑料一類，更會聯(lián)想到白色污染。很多污染是與高分子有關(guān)，但世界本來就具有雙面性，帶給我們污染的同時又帶給了我們多少的便利，高分子在我們?nèi)祟惖奈拿魃献鞒隽司薮蟮呢暙I(xiàn)。睡著綠色高分子的提出，高分子的污染將會便得越來越少。就比如說可降解塑料。高分子化學(xué)課程的學(xué)習(xí)讓我掌握了高分子化學(xué)的基礎(chǔ)知識，拓寬我

11、的視野，讓我深深感受到憑著我們自己的學(xué)習(xí)未來終將因?yàn)槲覀兌淖兏叻肿踊瘜W(xué)的學(xué)習(xí)拓寬了我們的視野，認(rèn)識到高分子化學(xué)的廣闊與前景，隨著高分子科學(xué)的發(fā)展由三大合成材料（塑料、合成橡膠和合成纖維）到精細(xì)高分子、功能高分子、生物醫(yī)學(xué)高分子。高分子課程的學(xué)習(xí)，讓我們對高分子的基礎(chǔ)知識等到了解和加深，思維也隨著高分子的廣闊無限延伸，也為我們畢業(yè)以后的工作提供了更寬更廣的發(fā)展。三、我對聚合方法的理解 聚合方法分為本體聚合、溶液聚合、懸浮聚合、乳液聚合。下面講述我對各種聚合方法的理解： 1.本體聚合 本體聚合無介質(zhì)，只有單體本身，在引發(fā)劑或光、熱、輻射能等作用下聚合。有時可能加入少量顏料、增塑劑、潤滑劑、分子量

12、調(diào)節(jié)劑等助劑。 1.1本體聚合的優(yōu)點(diǎn) 產(chǎn)品雜質(zhì)少、純度高、透明性好，尤其適于制板材、型材等透明制品。 自由基，離子聚合都可選用本體聚合。 氣態(tài)、液態(tài)及固態(tài)單體均可進(jìn)行本體聚合，其中液態(tài)單體的本體聚合最為重要。 本體聚合適于實(shí)驗(yàn)室研究。例如單體聚合能力的鑒定，聚合物的試制、動力學(xué)研究及共聚競聚率的測定等。 1.2本體聚合的缺點(diǎn) 聚合初期，轉(zhuǎn)化率不高，體系粘度不太大，散熱尚不困難。但當(dāng)轉(zhuǎn)化率提高，體系粘度增大后，散熱困難，加上自加速效應(yīng)，放熱速率提高。 如散熱不良，輕則造成局部過熱，使分子量分布變寬；嚴(yán)重的則溫度失控，引起爆聚。 2.溶液聚合 單體和引發(fā)劑溶于適當(dāng)溶劑中進(jìn)行的聚合方法。 溶液聚合與

13、本體聚合相比較： 粘度較低，混合和傳熱較容易，溫度易控制，較少自加速效應(yīng)，可避免局部過熱。 在實(shí)驗(yàn)室，常用此法進(jìn)行聚合機(jī)理及動力學(xué)研究。 使用溶劑-單體濃度低，聚合速率相對較慢，還可能發(fā)生向溶劑的鏈轉(zhuǎn)移，產(chǎn)物的分子量一般也較低；要獲固體產(chǎn)物時，需除去溶劑，回收費(fèi)用較高；除盡聚合物中殘余溶劑較困難；除盡溶劑后，固體聚合物從釜中出料也較困難。 工業(yè)上溶液聚合多用于聚合物溶液直接使用的場合如涂料、粘合劑、合成纖維紡絲 液、浸漬劑等。 3.懸浮聚合 溶解有引發(fā)劑的單體在強(qiáng)烈攪拌下，以小液滴狀態(tài)懸浮分散于水中進(jìn)行聚合單體液滴在聚合過程中逐漸轉(zhuǎn)化為聚合物固體粒子。單體與聚合物共存時，聚合物一單體粒子有粘性

14、，為了防止粒子相互粘結(jié)，體系中常加有分散劑，使粒子表面形成保護(hù)膜。懸浮聚合體系一般由單體、油溶性引發(fā)劑、水及分散劑四個基本組分組成。 3.1懸浮聚合的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：粘度較低，簡單安全，聚合熱易除去，分子量及其分布較穩(wěn)定，產(chǎn)物分子量一般比溶液法高，后處理工序比溶液法及乳液法簡單。 缺點(diǎn)：產(chǎn)品中附有少量分散劑殘留物。 3.2懸浮聚合的成粒機(jī)理及影響因素 許多烯類單體在水中溶解很小，可看作不溶于水。攪拌時，剪切力使單體液層分散成液滴。攪拌強(qiáng)度越大，生成的粒子越小。界面張力使單體液滴成珠狀，并使相互接觸的小液滴凝聚成大液滴。在一定的攪拌強(qiáng)度和分散劑濃度下，大小不等的液滴通過一系列的分散和結(jié)合過程，

15、構(gòu)成一定的動平衡，最后得到大小較均勻的粒子。由于反應(yīng)器中各部分的剪切力不同，所以粒子大小仍有一定的分布。 3.3懸浮聚合中的分散劑 若停止攪拌，液滴將聚集變大，最后仍與水分層因此單靠攪拌形成的液一液分散是不穩(wěn)定的。加之聚合到一定程度后，單體液滴中溶有或溶脹有一定量聚合物，就變得發(fā)粘起來。此時，兩液滴碰撞時，往往會粘結(jié)在一起，攪拌反而促進(jìn)粘結(jié)，最后會成一整塊。為此，必須加入適量的分散劑，以便在液滴表面形成一層保護(hù)膜，以防粘結(jié)。 水溶性有機(jī)高分子物質(zhì)。作用機(jī)理是吸附在液滴表面形成保護(hù)膜，起保護(hù)膠體的作用，使表面張力或界面張力降低，使液滴變小。 不溶于水的無機(jī)粉末。呈粉末狀吸附在液滴表面，起機(jī)械隔離

16、的作用。 4.乳液聚合 在乳化劑及機(jī)械攪拌的作用下，單體在水中分散成乳狀液進(jìn)行聚合的方法在本體、溶液及懸浮聚合中，能使聚合速率提高的一些因素，往往使產(chǎn)物分子量降低。但在乳液聚合中，因該聚合方法具有特殊的反應(yīng)機(jī)理，速率和分子量可同時較高。乳液聚合的粒徑約為0.050.2 um，比懸浮聚合物( 0.050.2 mm )要小得多。主要組分有單體、水、水溶性引發(fā)劑及乳化劑。 4.1乳液聚合的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：以水為分散介質(zhì)價(jià)廉安全。乳液的粘度低，且與聚合物的分子量及聚合物的含量無關(guān)，這有利于攪拌、傳熱及輸送，便于連續(xù)生產(chǎn)；也特別適宜于制備粘性較大的聚合物，如合成橡膠等。聚合速率快，產(chǎn)物分子量高，在較低

17、溫度下聚合。適用于直接使用乳液的場合，如水乳漆、粘合劑、紙張、皮革及織物處理劑等。 缺點(diǎn)：當(dāng)需要固體聚合物時，乳液需經(jīng)破乳（凝聚）、洗滌、脫水、干燥等工序，生產(chǎn)成本較高產(chǎn)品中乳化劑等雜質(zhì)不易除盡，影響電性能乳液聚合多用于生產(chǎn)丁苯、丁腈及氯丁等合成橡膠，也廣泛用于制造涂料、粘合劑及紙張和織物等的處理劑等，如 PVAc乳液、丙烯酸酯類涂料和粘合劑等。其它如糊狀PVC樹脂，苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、偏二氯乙烯等單體都可用此法聚合。 4.2乳液聚合的主要組分及其作用 乳化劑：它可以使互不相溶的油（單體）水轉(zhuǎn)變?yōu)橄喈?dāng)穩(wěn)定難以分層的乳液，該過程稱為乳化。乳化劑的乳化作用，在于它的親水基分子是由親水的極性基團(tuán)

18、和疏水的（親油）非極性基團(tuán)(一般親油基為烴基）構(gòu)成的。根據(jù)極性基團(tuán)的性質(zhì)，乳化劑可分為陰離子型、陽離子型、兩性型及非離子型四類。乳化劑可降低界面張力，有利于單體分散成細(xì)小液滴吸附在液滴表面形成保護(hù)膜，使乳液得以穩(wěn)定使乳液得以穩(wěn)定 增溶作用，使部分單體溶于膠束內(nèi)。 4.3乳液聚合機(jī)理 4.3.1聚合場所 聚合發(fā)生在膠束內(nèi)。很高的比表面積，有利于捕捉自由基，膠束內(nèi)單體濃度較高（相當(dāng)于本體單體濃度），膠束內(nèi)單體濃度較高（相當(dāng)于本體單體濃度），是油溶性有機(jī)單體和水溶性引發(fā)劑相遇的場所。此時體系中含有三種粒子：單體液滴、發(fā)生聚合的膠束成聚合物乳膠粒，及未發(fā)生聚合的膠束。隨聚合的進(jìn)行，水相單體進(jìn)入膠束，單體液滴中的單體又重復(fù)溶解到水中。 4.3.2成核機(jī)理 兩種可能的成核機(jī)理：膠束成核：初級自由基或水相中形成的短鏈自由基由水相擴(kuò)散進(jìn)入膠束引發(fā)增長。均相成核：水相中形成的短鏈自由基從水相中沉淀出來后，吸附了乳化劑而穩(wěn)定增長。兩種成核過程的相對重要性，取決于單體在水中的溶解性和乳化劑的濃度。單體水溶性大及乳化劑濃度低時，有利于均相成核，如乙酸乙烯酯的乳液聚合，反之則有利于膠束成核。如苯乙烯的乳液聚合