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一步步的成長：步進聚合與鏈式聚合的驚人差異是什麼？
在聚合物化學中，聚合是一種反應，通過這種反應，單體分子相互作用，形成聚合物鏈或三維網絡。聚合反應的類型繁多，並且可以根據不同的系統進行分類。聚合常見的兩大類型為步進聚合與鏈式聚合，這兩種聚合方式之間存在著顯著的差異，而這些差異對於理解聚合物的合成與特性至關重要。
聚合反應的機制複雜程度不僅取決於反應物的官能團，還取決於它們固有的立體效應。
步進聚合的特徵
步進聚合是一種反應機制，無論單體的長度如何，每一步都由兩種反應物結合形成更長的聚合物分子。在這種過程中，平均摩爾質量會緩慢增加，而長鏈只有在反應的後期才會形成。步進聚合通常涉及官能團之間的獨立反應步驟，這些官能團通常包含氮或氧等雜原子。因此，大多數步進聚合的聚合物也被歸類為縮合聚合物。
步進聚合的產物往往是由短鏈的官能團聚合而成，並隨著反應進行逐漸增加分子量。
例如，聚酯的鏈生長是通過羧酸和醇基團反應形成酯鏈，並伴隨水的釋放。然而，某些例外，如聚氨酯，它們由異氰酸鹽和醇雙官能單體形成，則無需釋放水或其他揮發性分子，因此被歸為加聚聚合物。步進聚合物在轉化率低的情況下，分子量的增加速度非常緩慢，只有在很高的轉化率（例如>95%）下，才能達到中等的高分子量。
鏈式聚合的特徵
與步進聚合不同，鏈式聚合中，唯一的鏈延長反應步驟是將單體添加到具有活性中心的成長鏈中，例如自由基、陽離子或陰離子。當活性中心形成並啟動鏈的增長後，鏈傳播通常是快速的，通過一系列單體的添加來實現長鏈的形成。鏈式聚合涉及不飽和單體的聯結，尤其是那些含有碳碳雙鍵的。這一過程會導致π鍵的喪失，並形成新的σ鍵。
鏈式聚合是高分子如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯（PVC）和丙烯酸酯製造中的主要聚合方式。
鏈式聚合可以包括陽離子聚合和陰離子聚合等其他形式。台克–納塔聚合的一種特殊鏈增長聚合允許對聚合物支鏈的 considerable control。多樣的技術被用來操控鏈聚合過程中的啟動、傳播和終止速率。此外，反應中的熱管理同樣關鍵，這些反應通常是高度放熱的，例如在聚乙烯的聚合過程中，每摩爾單體釋放93.6 kJ的能量。
光聚合的作用
光聚合大多是鏈式聚合反應，這些反應由可見光或紫外線的吸收啟動。光聚合也可以是步進聚合。一般來說，光的吸收僅在啟動步驟中與普通熱聚合有所不同；隨後的傳播、終止和鏈轉移步驟則保持不變。光聚合可以被用作攝影或印刷過程，因為聚合僅發生在暴露於光照的區域。
光聚合的應用如3D列印中使用的層層立體光刻技術，展現了聚合科學與現代科技的結合。
最終，理解步進聚合與鏈式聚合的差異，對於材料科學家及工程師來說，是設計和開發新型聚合物的重要基礎。這些聚合反應不僅在工業生產中占據核心地位，還影響著日常生活中的無數產品。當我們回顧這些聚合過程時，能否進一步思考如何應用這些知識來創造更加環保和可持續的材料解決方案呢？
