高分子化学的认识与感悟

1高分子化学的认识与感悟摘要：高分子化学是研究高分子化合物的合成、化学反应的一门学科，同时还涉及聚合物的结构和性能。本文是讲述我在学习了高分子化学这门课程之后对这门课程的掌握、理解，以及我感兴趣的高分子化学课程中的聚合方法的理解。关键字：高分子化学高分子聚合物聚合方法一.我对高分子化学的掌握1.什么是高分子化学高分子化学是研究高分子化合物（简称高分子）合成（聚合）和化学反应的一门科学；同时还会涉及聚合物的结构和性能。同时也涉及高分子化合物的加工成型和应用等方面。高分子也成聚合物（或高聚物），有时高分子可指一个大分子，而聚合物则指许多大分子的聚集体。高分子的相对分子质量非常的大，小到几千，大到几百万、上千万的都有。我们有时将相对分子质量较低的高分子化合物叫低聚物。2.高分子的分类和命名2.1高分子分类从不同的专业角度，对高分子进行多种分类，例如按来源、合成方法、用途、热行为、结构等来分类。在高分子课程学习中，我们对高分子的分类是按有机化学和高分子化学角度来考虑，是按照主链结构将高分子分成三大类：①碳链聚合物：主链完全有碳原子组成，比如绝大部分的烯类和二烯类的加成聚合物。②杂链聚合物：主链除了碳原子外，还有氧、氮、硫等杂原子，比如聚醚、聚酯、聚酰胺等缩聚物和杂环开环聚合物以及大多数天然高分子。③元素有机聚合物：主链中没有碳原子，主要由硅、硼、铝和氧、氮、硫、磷等原子组成，但多半是有机基团，比如甲基、乙基、乙烯基、苯基等。如果主链和侧基均无碳原子，则称物价高分子，像硅酸盐之类。2.2高分子命名在有机化学中我们就学过聚合物的命名，在高分子化学中聚合物的命名跟我们以往的命名没有什么区别，在这里命名方法主要分两类：①单体来源命名法：就是聚合物名称以单体名为基础。比如乙烯的聚合物我们称为聚乙烯。②结构单元命名法：就像有机化学里一样，先确定重复单元结构，排好单元次序，命名。最后在名字前加一个聚就可以了。3.聚合反应与聚合方法3.1聚合反应在我们学习高分子化学过程中，聚合反应贯穿了我们整个课本，从缩聚和逐步聚合到自由基聚合、自由基共聚合、离子聚合、配位聚合、开环聚合等，聚合反应中有涉及到聚合物的分子量和分布还有聚合物的大分子的结构、它们的链状和聚合物的聚集态、热转变之类的。我们知道聚合反应有很多种类型，同样我们可以将聚合反应分类。2在以前学习关于聚合物的反应时，我们很熟悉的有缩聚、加聚和开环聚合。在高分子课程中我们学习到了逐步聚合和连锁聚合。下面我说说我对着两种聚合反应的掌握情况。3.1.1逐步聚合多数缩聚和聚加成反应都属于逐步聚合，其特征是低分子转变成高分子在缓慢逐步进行，每步反应的速率和活化能大致相同，逐步聚合中任何两分子（单体分子或聚合物分子）间都能相互反应生成聚合度更高的聚合物分子。在课程在我们了解到逐步聚合反应的分类，比如，平衡缩聚和不平衡缩聚、线形缩聚和体形缩聚、均缩聚和混缩聚及共缩聚等这些各种缩聚的反应机理、特征、聚合度、分子量分布等，在生活科研之中的应用，还有缩聚和逐步聚合要怎么样才能成功反应。3.1.2连锁聚合连锁聚合反应也称链式反应，反应中一旦形成单体活性中心，就能很快的传递下去，瞬间形成高分子。平均每个大分子的形成时间都非常短。聚合过程由链引发、链增长和链终止几步基元反应组成，各步反应速率和活化能差别很大。反应中只存在单体、聚合物和微量引发剂。进行连锁聚合反应的单体主要是烯类、二烯类化合物。像课本中的自由基聚合、自由基共聚合、离子聚合和配位聚合都是属于连锁聚合。这几种聚合只是因为活性中心的不同而区别开：①：自由基聚合是因为其以自由基为活性中心，自由基共聚合也一样。②：离子聚合是以离子为活性中心，阳离子聚合的活性中心是阳离子，阴离子聚合的活性中心是阴离子。③：配位聚合的活性中心是配位离子。在各种连锁聚合反应中我们主要学习了解了它们的各自的特征、反应的单体结构和聚合类型、它们的反应机理、反应的动力学、它们各自反应的引发剂等等。以及各种反应在科研及生活中的应用。3.1.3逐步聚合与连锁聚合的区别逐步聚合与连锁聚合的区别如下：①逐步聚合没有特定的活性中心和基元反应；而连锁聚合需要活性中心就像上面所写各种反应的活性中心都不同，连锁聚合有链引发、增长、转移、终止等基元反应。②逐步聚合的反应时逐步进行的；连锁聚合的反应是单体一经引发便迅速连锁增长。③逐步反应的体系中含单体和一系列分子量递增的中间产物；连锁聚合只有单体和聚合物。④逐步聚合分子量缓慢增加，转化率在短期内很高；连锁聚合的分子量变化不大转化率随时间而增大。3.2聚合方法高分子化学中的聚合方法大致分为四种：本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合、乳液聚合。在课本中专门有单章介绍聚合方法，但其他各章节讲述聚合反应时也同样贯穿着聚合方法。下面我简要的介绍我在学习中对几种方法的认识：①本体聚合：单体的本身加入（或不加）少量油溶性引发剂的在本体内的聚合。比较难聚合，而且聚合热不易排除，但其操作简便，产物纯净。②溶液聚合：是将单体和油溶性引发剂溶于适当溶剂中进行的聚合。其反应速率较小、分子量较低，比较容易反应，体系粘度低，传热、混合容易，温度易于控制；3但是聚合度较低，产物常含少量溶剂，使用和回收溶剂需增加设备投资和生产成本。③悬浮聚合：单体以液滴状悬浮于水中的聚合，主要由单体、油溶性引发剂、水和分散剂四部分组成。反应容易进行。其容易洗涤、分离，产物纯度较高；但是产物容易粘壁，影响聚合釜传热和生产周期。④乳液聚合：单体在水中以乳液状态进行的聚合，主要由单体、水溶性引发剂、水和乳化剂等组成。反应容易进行。其速度快、产物分子量大、体系粘度低、易于散热；但是乳化剂等不易除净，影响产物性能。4.聚合物的化学反应聚合物化学反应的种类由聚合度和基团的变化（侧基或端基），大致分为三类：①聚合物基本不变的反应，而仅限于侧基或端基变化的反应，常称为相似转变。②聚合度变大的反应，如交联、嵌段、接枝和扩链反应。③聚合度变小的反应，如解聚、降解等反应。主要学习了聚合物化学反应的特征、反应的影响因素、聚合物对环境的影响和处理等等。二、我对高分子化学课程的感悟以上除去高分子材料类是我在高分子化学学习过程中所学习到的。在未学高分子化学前以为高分子化学就是我们所学的有机化学一样讲述聚合物之间的加成、缩聚之类的，还有对一些聚合物的了解，比如塑料、纤维、橡胶、蛋白质之类的那么一点点的了解。而高分子化学让我们了解到现在高分子科学的研究是以高分子化学为基础，研究高分子化合物的分子设计、合成及改性等，为高分子科学研究提供新生化合物、为国民经济提供新材料及合成方法。高分子化学学习过程中我们才深深的认识到，原来高分子化学和我们之间的密不可分，我们身上穿的衣服、手机上的材料、吃的饭、吃饭用的餐具、汽车的轮胎等等，多不胜数。我们的吃穿住行每时每刻都跟高分子打着交道。当我们睡到高分子的时候经常联想到的是塑料一类，更会联想到‘白色污染’。很多污染是与高分子有关，但世界本来就具有双面性，带给我们污染的同时又带给了我们多少的便利，高分子在我们人类的文明上作出了巨大的贡献。睡着绿色高分子的提出，高分子的污染将会便得越来越少。就比如说可降解塑料。高分子化学课程的学习让我掌握了高分子化学的基础知识，拓宽我的视野，让我深深感受到凭着我们自己的学习未来终将因为我们而改变高分子化学的学习拓宽了我们的视野，认识到高分子化学的广阔与前景，随着高分子科学的发展由三大合成材料（塑料、合成橡胶和合成纤维）到精细高分子、功能高分子、生物医学高分子。高分子课程的学习，让我们对高分子的基础知识等到了解和加深，思维也随着高分子的广阔无限延伸，也为我们毕业以后的工作提供了更宽更广的发展。三、我对聚合方法的理解聚合方法分为本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合、乳液聚合。下面讲述我对各种聚合方法的理解：1.本体聚合本体聚合无介质，只有单体本身，在引发剂或光、热、辐射能等作用下聚合。有时可能加入少量颜料、增塑剂、润滑剂、分子量调节剂等助剂。1.1本体聚合的优点①产品杂质少、纯度高、透明性好，尤其适于制板材、型材等透明制品。②自由基，离子聚合都可选用本体聚合。③气态、液态及固态单体均可进行本体聚合，其中液态单体的本体聚合最为重要。④本体聚合适于实验室研究。例如单体聚合能力的鉴定，聚合物的试制、动力学研究及共聚竞聚率的测定等。41.2本体聚合的缺点①聚合初期，转化率不高，体系粘度不太大，散热尚不困难。但当转化率提高，体系粘度增大后，散热困难，加上自加速效应，放热速率提高。②如散热不良，轻则造成局部过热，使分子量分布变宽；严重的则温度失控，引起爆聚。2.溶液聚合单体和引发剂溶于适当溶剂中进行的聚合方法。溶液聚合与本体聚合相比较：①粘度较低，混合和传热较容易，温度易控制，较少自加速效应，可避免局部过热。②在实验室，常用此法进行聚合机理及动力学研究。③使用溶剂----单体浓度低，聚合速率相对较慢，还可能发生向溶剂的链转移，产物的分子量一般也较低；要获固体产物时，需除去溶剂，回收费用较高；除尽聚合物中残余溶剂较困难；除尽溶剂后，固体聚合物从釜中出料也较困难。④工业上溶液聚合多用于聚合物溶液直接使用的场合如涂料、粘合剂、合成纤维纺丝液、浸渍剂等。3.悬浮聚合溶解有引发剂的单体在强烈搅拌下，以小液滴状态悬浮分散于水中进行聚合单体液滴在聚合过程中逐渐转化为聚合物固体粒子。单体与聚合物共存时，聚合物一单体粒子有粘性，为了防止粒子相互粘结，体系中常加有分散剂，使粒子表面形成保护膜。悬浮聚合体系一般由单体、油溶性引发剂、水及分散剂四个基本组分组成。3.1悬浮聚合的优点与缺点优点：粘度较低，简单安全，聚合热易除去，分子量及其分布较稳定，产物分子量一般比溶液法高，后处理工序比溶液法及乳液法简单。缺点：产品中附有少量分散剂残留物。3.2悬浮聚合的成粒机理及影响因素许多烯类单体在水中溶解很小，可看作不溶于水。搅拌时，剪切力使单体液层分散成液滴。搅拌强度越大，生成的粒子越小。界面张力使单体液滴成珠状，并使相互接触的小液滴凝聚成大液滴。在一定的搅拌强度和分散剂浓度下，大小不等的液滴通过一系列的分散和结合过程，构成一定的动平衡，最后得到大小较均匀的粒子。由于反应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悬浮聚合中的分散剂若停止搅拌，液滴将聚集变大，最后仍与水分层因此单靠搅拌形成的液一液分散是不稳定的。加之聚合到一定程度后，单体液滴中溶有或溶胀有一定量聚合物，就变得发粘起来。此时，两液滴碰撞时，往往会粘结在一起，搅拌反而促进粘结，最后会成一整块。为此，必须加入适量的分散剂，以便在液滴表面形成一层保护膜，以防粘结。①水溶性有机高分子物质。作用机理是吸附在液滴表面形成保护膜，起保护胶体的作用，使表面张力或界面张力降低，使液滴变小。②不溶于水的无机粉末。呈粉末状吸附在液滴表面，起机械隔离的作用。4.乳液聚合在乳化剂及机械搅拌的作用下，单体在水中分散成乳状液进行聚合的方法在本体、溶液及悬浮聚合中，能使聚合速率提高的一些因素，往往使产物分子量降低。但在乳液聚合中，因该聚合方法具有特殊的反应机理，速率和分子量可同时较高。乳液聚合的粒径约为0.05～0.2um，比悬浮聚合物(0.05～0.2mm)要小得多。主要组分有单体、水、水溶性引发剂及乳化剂。54.1乳液聚合的优点与缺点优点：以水为分散介质价廉安全。乳液的粘度低，且与聚合物的分子量及聚合物的含量无关，这有利于搅拌、传热及输送，便于连续生产；也特别适宜于制备粘性较大的聚合物，如合成橡胶等。聚合速率快，产物分子量高，在较低温度下聚合。适用于直接使用乳液的场合，如水乳漆、粘合剂、纸张、皮革及织物处理剂等。缺点：当需要固体聚合物时，乳液需经破乳（凝聚）、洗涤、脱水、干燥等工序，生产成本较高产品中乳化剂等杂质不易除尽，影响电性能乳液聚合多用于生产丁苯、丁腈及氯丁等合成橡胶，也广泛用于制造涂料、粘合剂及纸张和织物等的处理剂等，如PVAc乳液、丙烯酸酯类涂料和粘合剂等。其它如糊状PVC树脂，苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、偏二氯乙烯等单体都可用此法聚合。4.2乳液聚合的主要组分及其作用乳