一、问答题1. 下列引发剂何者能引发乙烯、丙烯或丁二烯的配位聚合?形成何种立构规整聚合物?

引发剂(1)n-C4H9Li和(3)萘-Na均能引发于二烯聚合,属配位聚合范畴。但前者在非极性溶剂(如环己烷)中形成顺式1,4含量为35%~40%的聚丁二烯,在极性溶剂(如THF)中采用后者则形成1,2或反式1,4聚合物。但它们均不能引发乙烯或丙烯聚合。
引发剂(2)α-TiCl3/AlEt2Cl可引发丙烯的配位聚合,形成全同立构(约90%)聚丙烯。也可引发乙烯聚合。
引发剂(4)、(5)和(6)均可引发丁二烯的配位聚合,但(4)只能得环状低聚物,(5)可得顺式1,4大于90%的聚丁二烯,(6)却可得顺式1,4和反式1,4各半的聚合物;(6)虽也能引发丙烯的配位聚合,但不仅活性低而且所得聚丙烯的全同聚合指数仅有30~60;引发剂(4)和(5)一般不能引发乙烯聚合,(6)却是引发乙烯聚合的常规引发剂。
2. 乙烯进行自由基聚合时,为什么得到低密度聚乙烯?写出产生长支链和短支链有关的化学反应方程式。
(1)乙烯进行自由基聚合时,得到低密度聚乙烯的原因:乙烯高温、高压自由基聚合时,聚乙烯链自由基向聚乙烯大分子的转移反应不能忽略,链转移的结果使聚乙烯大分子产生长支链和C
2~C
4短支链,聚乙烯大分子的长支链和C
2~C
4短支链使聚乙烯紧密堆积的能力降低,从而聚乙烯的密度降低。
(2)有关的化学反应方程式如下。分子间转移生成长支链:

分子内转移生成C
2~C
4短支链:

实验证明,在高压聚乙烯大分子中,平均每1000个碳原子内有20个~30个乙基或正丁基短支链,有4个~10个长支链。向大分子转移和分子内转移是高压PE支化的原因。
3. 界面缩聚的特点是什么?
界面缩聚的特点:
(1)界面缩聚是不平衡缩聚,需采用高反应活性的单体,反应可在低温下进行,逆反应的速率很低,甚至为0,属于不平衡缩聚。缩聚中产生的小分子副产物容易除去,不需要熔融缩聚中的真空设备。同时,由于温度较低,避免了高温下产物氧化变色降解等不利问题。
(2)反应温度低,相对分子质量高。
(3)反应总速率与体系中单体的总浓度无关,而仅决定于界面处的反应物浓度。只要及时更换界面,就不会影响反应速率。聚合物的相对分子质量与反应程度、本体中官能团物质的量之比关系不大,但与界面处官能团物质的量有关。
(4)界面缩聚由于需要高反应活性单体,大量溶剂的消耗使设备体积庞大,利用率低,因此,其应用受到限制。
4. 聚合物为什么具有一定的机械强度?
聚合物因其具有一定的机械强度,作为一种材料可被广泛应用。机械强度与分子间相互作用力大小有关,且分子间的作用力的大小与相对分子质量的大小有关。因为聚合物具有很大的相对分子质量,提供了很大的分子间作用力,所以聚合物具有一定的机械强度。
5. 氯乙烯于50℃进行悬浮聚合,试从下列引发剂体系中选取合用的引发剂体系。
(1)BPO;(2)AIBN;(3)(NH
4)
2S
2O
8;(4)K
2S
2O
8;
(5)HOOH+Fe
2+;(6)C
6H
5C(CH
3)
2OOH;
(7)ABVN;(8)

由于温度是在50℃使用,且需要选用油溶性引发剂,根据这两个条件,可以选用(2)、(7)或(8),或(7)与(8)并用。
6. 不饱和聚酯树脂的主要原料为乙二醇、马来酸酐和邻苯二甲酸酐。试说明这三种原料各起什么作用?它们之间比例调整的原理是什么?用苯乙烯固化的原理是什么?如考虑室温固化时可选何种固化体系?
(1)乙二醇、马来酸酐和邻苯二甲酸酐是合成聚酯的原料。其中乙二醇作为一种反应原料和酸酐反应才能形成聚酯,马来酸酐的作用是在不饱和聚酯中引入双键,邻苯二甲酸酐是用来控制马来酸酐的比例。
(2)比例调整的原理是通过调控邻苯二甲酸酐和马来酸酐的比例来控制不饱和聚酯的不饱和度和材料的交联密度的。
(3)苯乙烯固化是利用自由基引发苯乙烯聚合并与不饱和聚酯线形分子中双键共聚最终形成体形结构,如考虑室温固化可选用油溶性的过氧化苯甲酰-二甲基苯胺氧化还原体系。
从乙酸乙烯酯出发制取聚乙烯醇缩甲醛:7. 写出各步反应式并注明各步主要产物的名称及用途。
第一步,自由基聚合反应:产物为聚乙酸乙烯酯,用作黏合剂等。

第二步,醇解反应:产物为聚乙烯醇,可作分散剂。

第三步,缩醛化反应:产物为聚乙烯醇缩甲醛,用作维尼纶、涂料等。

8. 纤维用和悬浮聚合分散剂用的聚乙烯醇有什么差别?
纤维用和悬浮聚合分散剂用的聚乙烯醇的差别在于醇解度不同。前者要求醇解度较高(98%~99%),以便缩醛化;后者要求醇解度中等(87%~89%),以使水溶性好。
9. 实验测得某聚乙酸乙烯酯样品的数均聚合度为200,将其进行湿法水解得聚乙烯醇,发现其数均聚合度降为180,解释这一现象。
因为醇解所用溶剂为甲醇,而甲醇的链转移常数很大,所以醇解时发生链转移,聚合度变小。
10. 下列合成路线是否可行?说明理由。

不可行。因为乙烯醇与乙醛为互变异构体,两者同时存在。不能用其直接聚合得聚乙烯醇。
11. 为什么缩聚产物的相对分子质量一般都不高,但其强度并不比加聚产物低?
由于缩聚存在平衡问题,以及存在反应物非等物质的量的问题,因此其相对分子质量一般都很难做到比较高。但由于缩聚物一般都有强极性,甚至有氢键,分子间作用力很强,所以强度并不比加聚产物低。
12. 推导等物质的量的二元酸与二元醇缩聚在外加酸催化下的反应速率方程,并与引发剂存在下的自由基聚合速率方程进行比较,说明异同点。
聚酯化反应的速率可以用羧基消失速率表示:

考虑羧基与羟基浓度相同,以c(mol·L
-1)表示,上式可写为

外加酸催化时,反应速率由自催化和酸催化两项组成,上式变为

即反应速率与反应物浓度的二次方成正比。
引发剂存在下的自由基聚合速率方程为

聚合速率与单体浓度的一次方成正比。
相同点是都与反应物的浓度有关,不同点是缩聚反应速率于反应物的二次方成正比,而自由基聚合与单体的一次方成正比,且与引发剂浓度有关。
13. 用TiCl
4作引发剂,水为共引发剂,使异丁烯在一定条件下于苯中进行阳离子聚合时,实验的聚合速率方程为R
p=k[TiCl
4][CH
2=C(CH
3)
2][H
2O]。如果链终止是通过活性中心的重排进行的,并产生不饱和端基聚合物和引发剂-共引发剂络合物,试写出这个聚合过程的基元反应、聚合速率和聚合度方程。在什么条件下聚合速率可为:(1)对[H
2O]为一级反应;(2)对[TiCl
4]为零级反应;(3)对[CH
2=C(CH
3)
2]为二级反应。
聚合过程基元反应为
链引发:

链增长:

链终止:

由此:R
i=k
i[TiCl
4],R
p=k
p[CH
2=C(CH
3)
2][H
+(TiCl
4OH)
-],R
t=k
t[H
+(TiCl
4OH)
-]。在稳态下,增长链活性中心浓度始终不变,即R
i=R
t,则[H
+(TiCl
4OH)
-]=R
i/k
t=k
i[TiCl
4]/k
t,于是R
p=k
ik
p[TiCl
4][CH
2=C(CH
3)
2]/k
t。聚合度

=R
p/R
t=R
p/R
i=k
p[CH
2=C(CH
3)
2]/k
t。
(1)在链引发反应中,由反应速率慢的一步决定反应速率。若水不过量,则R
i=k
i[TiCl
4][H
2O],那么R
p∝[H
2O]。
(2)在链引发反应中,若TiCl
4过量,水为适量,则R
i=k
i[TiCl
4]
0[H
2O],R
p∝[TiCl
4]
0。
(3)若链引发反应为

则R
i=Kk
i[CH
2=C(CH
3)
2][TiCl
4][H
2O],那么R
p∝[CH
2=C(CH
3)
2]
2。
14. 氯乙烯的悬浮聚合,常需不断搅拌并加入悬浮剂。试分析它们对悬浮液稳定性的贡献;曾用过的悬浮分散剂有哪几种?它们的作用机理有何不同?如何防止聚合物粘壁?如何观测聚合反应的进程和终点?
(1)搅拌的剪切力可使油状单体在水中分散成小液滴。当液滴分散到一定程度后,剧烈搅拌反而有利于细小液滴的并合(成大液滴),特别是当聚合反应发生后,由于液滴中含有一定量的聚合物,此时搅拌增大了这些液滴的碰撞黏结概率,最后导致聚合物结块,所以单靠搅拌不能得到稳定的悬浮体系,因而体系中必须加入悬浮剂,以降低表面张力,使分散的小液滴表面形成一层保护膜,防止彼此并合和相互黏结,从而使聚合在稳定的悬浮液中的液滴中进行。如果只加悬浮剂,而不进行搅拌,则单体就不会自动分散成小液滴;同样不能形成稳定的悬浮体系。
(2)可作悬浮剂的物质有:水溶性聚合物如聚乙烯醇、明胶和苯乙烯-马来酸酐共聚物等,水不溶性无机物如碳酸镁、碳酸钡和硫酸钡等。它们的作用都是使液滴表面形成保护层,防止液滴的并合或黏结。但二者的作用机理不同,水溶性聚合物如聚乙烯醇的水溶液,可降低液滴的表面张力,有利于单体分散成小液滴。并能吸附在液滴表面形成保护层。同时,又能增加介质的粘度,阻碍液滴的碰撞黏结;明胶的作用类似,但使用时必须把介质的pH控制在等电点以下,以防止明胶析出;不溶于水的无机盐如碳酸镁的作用,则是吸附在小液滴的表面起机械隔离,阻止其相互黏结。
(3)聚合物粘壁(或称挂胶)是影响生产效率、费力费时的实际问题。试验过的防止粘壁措施有:采用刮壁式桨叶;特制镜面釜壁和釜壁上涂某种染料涂层。
(4)由于氯乙烯的悬浮聚合是在氯乙烯沸点以上的温度下,于密闭反应器中进行,所以观察反应釜内的压力降就可判断聚合反应的进程和终点。
15. 试讨论自由基聚合反应中温度对聚合反应速率的影响。
在自由基聚合反应中,温度对聚合反应速率的影响是通过温度对

的影响来体现的。
根据

,如k
1、k
2分别为T
1和T
2下的k,则

稳态下自由基聚合的速率方程为

总速率常数

,表观总活化能

。
对热分解型引发剂,E
d为120~150kJ/mol,E
p为20~40kJ/mol,E
t为8~20kJ/mol,故E约为80~90kJ/mol。在这种情况下,温度每升高10℃,聚合速率约增加2~3倍。
对氧化还原引发剂,由于E
d为40~60kJ/mol,E约为40kJ/mol。此时温度对反应速率的影响较小。
对光聚合或辐射聚合,因为无引发剂所以E
d=0,E约为20kJ/mol。此时反应温度对反应速度的影响更小。
对存在自动加速的聚合反应,其自动加速程度和温度有关。这时温度对反应速度的影响比较复杂。
16. 以偶氮二异丁腈为引发剂,写出氯乙烯自由基聚合有关的基元反应方程式。
(1)链引发反应:
①引发剂分解,生成初级自由基:

②初级自由基与单体加成,生成单体自由基:

(2)链增长反应:

(3)链终止反应:
向单体转移终止是氯乙烯聚合链终止的主要方式。

二、计算题1. 在进行对苯二甲酸(N
a物质的量)和乙二醇(N
b物质的量)的聚合中,N
a=1.02,N
b=1.00。当转化率达0.99时,产物的数均聚合度是多少?
官能团物质的量系数

,p=0.99,则

2. 以BuLi为引发剂,环己烷为溶剂,合成线形三嵌段共聚物SBS。单体总量是150g。BuLi环己烷溶液的浓度为0.4mol/L。单体的转化率为100%。若使共聚物的组成(苯、丁比)为S/B=40/60(质量比),相对分子质量为1×10
5。试计算需丁二烯和苯乙烯各多少克,需BuLi溶液多少毫升?
已知:BuLi(环己烷)溶液的浓度=0.4mol/L;
单体总量=150g;
共聚物的丁、苯比=60/40;
共聚物的相对分子质量=1×105;
所需Bd量=150g×60/100=90g;
所需St量=150g×40/100=60g;
需要的BuLi的溶液量为150×1000÷100000÷0.4=3.75ml。
3. 写出合成双酚A型环氧树脂预聚体及用乙二胺固化的化学反应方程式;欲使15009环氧树脂(环氧值为0.2),用乙二胺为固化剂进行固化,试计算固化剂的用量。
(1)合成双酚A型环氧树脂预聚体反应式:

(2)双酚A型环氧树脂预聚体用乙二胺固化的固化反应方程式:

(3)欲使1500g环氧树脂(环氧值为0.2)用乙二胺为固化剂进行固化,求固化剂的用量:

4. 生产100g相对分子质量为10000的聚二甲基硅氧烷需要多少克(CH
3)
3SiCl和(CH
3)
2SiCl
2?
100g聚二甲基硅氧烷的物质的量=100/10000=0.01mol,产物分子式为

所以

所需

5. 如果等质量的聚合物A和聚合物B混合,计算混合的
m和
n。
聚合物A:

聚合物B:
