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聚氯乙烯分子结构

2012-05-03   浏览次数:2766

  氯乙烯单体聚合形成大分子时,分子链的键接方式、立体规整性、分子量和反常结构等对聚合物性能都有影响。

  1、键接方式和立体规整性

  根据用锌粉将PVC脱氯所得到的环链结构和脱掉氯的数量,可以判断pvc中单体单元是按有规律的头一尾键接方式构成的:…-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-…式中一CH2CHCl一为链节, n为组成聚合物分子的链节数或称为聚合度(或用P表示)。

  在PVC链的结构单元中存在不对称碳原子,就可能有立体异构物。两个结构单元以相同的构型键接时称为m键接,以不相同的构型键接称为r键接。对于PVC,如以mm···键接序列,所有氯原子都排列在聚合物键同一侧,称为等规立构;如以rrr···键接序列,氯原子是从一侧到另一侧交替排列的,称为间规立构;以rmr···键接序列,其氯原子是杂乱无章地排列,称为无规立构。

  为了表征PVC,很早以前,Fuller根据X射线衍射测定认为,氯原子交替地排列在链的两侧、这就是间规结构。Natta等人从研究定向纤维的X射线图像发现,氯原子间重复距离为0.51nm。这意味着氯原子从一侧到另一侧是交替排列的,即间规结构。但是,有规律的顺序排列显然是相当短。

  Germer等人用红外光谱技术测定了在30℃和-70℃聚合的PVC的间规立构规整度分别为54 %和80% 。 Nakajima等人也用此法测得在-75~90℃温度范围聚合的样品,其间规立构含量介于51%和77%之间。这些结果也表明,PVC主要间规立构。Pham等人用13C核磁共振法测定表明,间规立构规整度是聚合温度的函数,见下表。

  PVC的间规立构规整度与聚合温度的关系
 

聚合温度/℃
间规立构规整度/%
聚合温度/℃
间规立构规整度/%
聚合温度/℃
间规立构规整度/%
55
25
55
57
0
-30
60
64
-50
-76
66
68

  从发表的数据可以得出结论:普通商品的悬浮法和本体法PVC树脂(40~70℃)的间规立构规整度不太高(52%~56%)。但是,由于间规立构PVC能够结晶,这对了解PVC的性能,是很重要的。

  2、分子量

  分子量是PVC树脂的重要参数。在氯乙烯聚合时,PVC的分子量是与链增长反应速度成正比,而与链终止速度成反比;另一方面,聚合温度越高,则PVC的分子量越低。分子量大小,对加工难易和决定最终产品质量有重要影响。例如,PVC材料的力学性能(如拉伸强度、弹性模量和冲击强度等)是随分子量的增大而提高的,但它的加工性(如流动性)则随分子量的增大而降低。因此,要兼顾使用性能和加工性来选择适当分子量的树脂。

  测定PVC分子量的方法有多种:用渗透压法可以测定数均分子量,用光散射法可以测定重均分子量,但以粘度法测定分子量最方便而实用。这种方法是通过测定PVC稀溶液的粘度,然后用粘数、K值或平均聚合度来表示平均分子量的。

  粘数是用(η-η0)/ η0c表示的,其值等于(t-t0)/t0c。

  关于分子量分布,由于单体链转移是链终止的主要方式,自动加速效应并不导致生成过高分子量的聚合物,因此PVC的分子量分布一般不应太宽。据Pattersam等人[4]的综述,分子量分布为2~2.5。

  3、反常结构

  氯乙烯聚合时一般是头一尾键接而形成大分子,但由于头-头结构、链转移和氧的存在等因素而使PVC分子链的结构复杂化,如含有烯丙基氯、羰基烯丙基氯及叔氯等。这些反常结构成为PVC对热不稳定的“弱点”。

  在氯乙烯聚合时,大分子自由基与单体之间的链转移而形成末端的烯丙基氯。另外,根据较高能量使头一头结构移位而形成烯丙基氯。这种脱出氯原子在聚合过程中还会促使形成内部烯丙基氯,其活性则高于末端的烯丙基氯。

  在PVC分子链内部所含一些不饱和基团,容易被氧化成羰基烯丙基氯结构,或称为氯化烯丙基酮。由于羰基与烯丙基双键发生共轭效应,使氯原子极为活泼,成为链中的点”。还有数据说明,在PVC大分子中,含 键的结构,大多数是氯化烯丙基酮,而烯丙基氯几乎不存在。

  叔氯原子是由于大分子自由基向聚合物或增长自由基的链转移引起的,它是不稳定的,容易脱出氯而引发PVC降解。

  目前,虽然对引起PVC降解的反常结构还没有统一的认识,但是叔氯、烯丙基氯和氯化烯丙基酮(羰基烯丙基氯)等在链引发阶段都能提高降解反应速度。一般认为,PVC的降解,首先在一些具有不稳定结构(即“弱点”或称为活性基团)上引发脱去HCl而开始的,随即在PVC链上形成一个不饱和的双键,于是就使相邻的氯原子活化,并促使另一个HCl从分子链上脱掉,这一过程连续重复进行下去,而且十分迅速,从而形成多烯结构:

  这种快速脱掉HCl的反应称为“拉链”反应,这是因为一旦引发,则链增长速度极快,特别是在温度高于185℃时,多烯结构的双键可达30个。因此PVC在加热时显示一系列特征颜色:透明无色→淡黄→黄→黄橙→红橙→棕褐→黑色。一般在PVC链中含7个以上共轭双键就开始显色,共轭双键越多则颜色越深。另外,反应温度越高,受热时间越长,脱HCl越快,颜色也就越深。

  从链上脱出的HCl,在各种温度下和不同介质中,都能自催化PVC脱HC1。HCl的浓度越高,脱HCl的速度也越快。同时,HCl也催化大分子链的交联反应。但是,从外部加人的HCl不能催化PVC无规脱HCl。因此,这种反应称为PVC脱HCl的自催化效应。


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