高分子物理化学-自由基聚合的方法

1第四章聚合方法4.1引言自由基聚合有四种基本的实施方法。本体聚合:不加任何其它介质,仅是单体在引发剂、热、光或辐射源作用下引发的聚合反应。溶液聚合:单体和引发剂溶于适当溶剂中进行的聚合反应。悬浮聚合:借助机械搅拌和分散剂的作用,使油溶性单体以小液滴(直径1～10-3cm)悬浮在水介质中,形成稳定的悬浮体进行聚合。乳液聚合:借助机械搅拌和乳化剂的作用,使单体分散在水或非水介质中形成稳定的乳液(直径1.5～5μm)而聚合的反应。2第四章聚合方法单体—介质体系聚合方法聚合物—单体—溶剂体系均相聚合沉淀聚合均相体系本体聚合（气相、液相、固相）乙烯高压聚合、苯乙烯、丙烯酸酯氯乙烯、丙烯腈、丙烯酰胺溶液聚合苯乙烯—苯、丙烯酸—水、丙烯腈—二甲基甲酰胺氯乙烯—甲醇、丙烯酸—己烷、丙烯腈—水非均相体系悬浮聚合苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯氯乙烯乳液聚合苯乙烯、丁二烯、丙烯酸酯氯乙烯表4—1聚合体系和实施方法示例3课后作业21.在自由基聚合过程中，每个引发剂分子都能参与单体自由基的引发吗？为什么？请给出原因。2.在聚合总速率的推导过程中，都有哪些假定？其涵义是什么？试推导聚合总速率的方程。3.如何理解自由基聚合的慢引发快增长及速终止的特征？4.在二元自由基共聚合的反应时，共有哪些基元反应？在推导两单体的瞬时消耗浓度比时，采用了哪些假定？试着给出单体瞬时消耗浓度比的具体表达式。5.以竞聚率R1和R2为出发点，讨论两单体如果进行自由基共聚合反应时的反应结果情况。4从绝望中寻找希望Wewillhewoutofthemountainofdespairastoneofhope.－－abstractfromatalkofIhaveadream－－－－美国著名的民权运动家马丁﹒路德﹒金绝望是大山，希望是石头；但是只要你能砍下一块希望的石头，你就有了希望！你绝望了吗？没有吧？！也就是一些些失望吧！所以。。。。。。5第四章聚合方法实施方法本体聚合溶液聚合悬浮聚合乳液聚合配方主要成分单体、引发剂单体引发剂、溶剂单体、引发剂、分散剂、水单体、引发剂、乳化剂、水聚合场所单体内溶剂内单体内胶束内聚合机理自由基聚合一般机理，聚合速度上升聚合度下降容易向溶剂转移，聚合速率和聚合度都较低类似本体聚合能同时提高聚合速率和聚合度生产特征设备简单，易制备板材和型材，一般间歇法生产，热不容易导出传热容易，可连续生产。产物为溶液状。传热容易。间歇法生产，后续工艺复杂传热容易。可连续生产。产物为乳液状，制备成固体后续工艺复杂产物特性聚合物纯净。分子量分布较宽分子量较小，分布较宽。聚合物溶液可直接使用较纯净，留有少量分散剂留有乳化剂和其他助剂，纯净度较差表4—2自由基聚合实施方法比较6第四章聚合方法4.2本体聚合配方:单体+引发剂，选择性加入少量色料、增塑剂、润滑剂、分子量调节剂等。优点:聚合物纯净，后处理简单。缺点:聚合热不易扩散,反应温度较难控制,易局部受热,反应不均匀,分子量分布宽,有气泡,可能爆聚。7第四章聚合方法例一.聚甲基丙烯酸甲酯板材的制备将MMA单体,引发剂BPO或AIBN,增塑剂和脱模剂置于普通搅拌釜内,90~95℃下反应至10~20%转化率,成为粘稠的液体。停止反应。将预聚物灌入无机玻璃平板模具中，移入热空气浴或热水浴中，升温至45~50℃，反应数天，使转化率达到90%左右。然后在100～120℃高温下处理一至两天，使残余单体充分聚合。PMMA为非晶体聚合物，Tg=105℃，机械性能、耐光耐候性均十分优异，透光性达90%以上，俗称“有机玻璃”。广泛用作航空玻璃、光导纤维、标牌、指示灯罩、仪表牌、牙托粉等。8第四章聚合方法例二.苯乙烯连续本体聚合20世纪40年代开发釜—塔串联反应器，分别承担预聚合和后聚合的作用。预聚合：立式搅拌釜内进行，80~90℃，BPO或AIBN引发，转化率30%~35%，后聚合：透明粘稠的预聚体流入聚合塔，可以热聚合或加少量低活性引发剂，料液从塔顶缓慢流向塔底，温度从100℃增至200℃，聚合转化率99%以上。9第四章聚合方法上述工艺中无脱挥装置，聚合物中残留单体较多，影响质量。近20年来发展了许多新型反应器，能有效保证搅拌和传热，降低残留单体含量。聚苯乙烯也是一种非结晶性聚合物，Tg=95℃，典型的硬塑料，伸长率仅1％－3％。尺寸稳定性优，电性能好，透明色浅，流动性好，易加工。性脆、不耐溶剂、紫外、氧。采用上述同一设备，还可生产HIPS，SAN，ABS等。10第四章聚合方法例三.氯乙烯间歇本体沉淀聚合聚氯乙烯生产主要采用悬浮聚合法，占80%～82%。其次是乳液聚合，占10%~12%。近20年来发展了本体聚合。聚氯乙烯不溶于氯乙烯单体，因此本体聚合过程中发生聚合物的沉淀。本体聚合分为预聚合和聚合两段：预聚合：小部分单体和少量高活性引发剂（过氧化乙酰基磺酰）加入釜内，在50℃~70℃下预聚至7%~11%转化率，形成疏松的颗粒骨架。聚合：预聚物、大部分单体和另一部分引发剂加入另一聚合釜内聚合，颗粒骨架继续长大。转化率可达90%。通常预聚1～2h,聚合5～9h。11第四章聚合方法例四.乙烯高压连续气相本体聚合聚合条件：压力150～200MPa,温度180～200℃，微量氧（10-6～10-4mol/L）作引发剂。聚合工艺：连续法，管式反应器，长达千米。停留时间几分钟，单程转化率15%～30%。易发生分子内转移和分子间转移，前者形成短支链，后者长支链。平均每个分子含有50个短支链和一个长支链。由于高压聚乙烯支链较多，结晶度较低，仅55%～65%，Tm为105～110℃，密度：0.91～0.93。故称“低密度聚乙烯。”熔体流动性好，适于制备薄膜。12第四章聚合方法4.3溶液聚合4.3.1自由基溶液聚合4.3.1.1自由基溶液聚合的特点优点:体系粘度低,混合和传热容易,温度易控制,较少凝胶效应。缺点:聚合速率低，设备利用率低，链转移使分子量低，需溶剂回收。多用于聚合物溶液直接使用场合，如油漆、粘合剂、涂料、合成纤维纺丝液等。13第四章聚合方法4.3.1.2溶剂的选择溶剂对聚合活性有很大影响，因为溶剂难以做到完全惰性，对引发剂有诱导分解作用，对自由基有链转移反应。溶剂对引发剂分解速率依如下递增:芳烃、烷烃、醇类、醚类、胺类。向溶剂分子链转移:水为零,苯较小,卤代烃较大。对聚合物溶解性好→良溶剂→均相聚合→可消除凝胶效应。对聚合物溶解性差→沉淀剂→沉淀聚合→凝胶效应显著。14第四章聚合方法例一.丙烯腈连续溶液聚合第二单体：丙烯酸甲酯，降低分子间作用力，增加柔性和手感，有利于染料分子的扩散。第三单体：衣糠酸，有利于染色。丙烯腈与第二、第三单体在硫氰化钠水溶液中进行连续均相溶液聚合。以AIBN为引发剂，体系的pH=5，聚合温度75～80℃。最终转化率70~75%。脱除单体后，即成纺丝液15第四章聚合方法例二.醋酸乙烯酯溶液聚合以甲醇为溶剂,AIBN为引发剂,65℃聚合,转化率60%。过高会引起链转移，导致支链。聚醋酸乙烯酯的Tg=28℃，有较好的粘结性。固体物冷流性较大。在酸性或碱性条件下醇解可得到聚乙烯醇。用作合成纤维时，聚合度1700，醇解度98%～100%（1799）；用作分散剂和织物助剂时，聚合度1700，醇解度88%左右（1788）。16第四章聚合方法例三.（甲基）丙烯酸酯类溶液聚合（甲基）丙烯酸酯类单体有一个很大的家族，包括甲基丙烯酸甲酯、乙酯、丁酯、乙基己酯；丙烯酸甲酯、乙酯、丁酯、乙基己酯等，还有（甲基）丙烯酸β-羟乙酯、羟丙酯等。除了甲基丙烯酸甲酯之外，这类单体很少采用均聚合，大多进行共聚。丙烯酸甲酯、乙酯、丁酯、乙基己酯均聚物的玻璃化温度为8℃、－22℃、－54℃、－70℃。可根据需要进行共聚调节。也可与苯乙烯、醋酸乙烯酯共聚，以苯、醋酸丁酯等为溶剂，BOP为引发剂，聚合温度60～80。17第四章聚合方法4.3.3离子型溶液聚合采用有机溶剂。水、醇、氧、二氧化碳等含氧化合物会破坏离子和配位引发剂,单体和溶剂含水量必须低。分类:均相聚合,沉淀聚合。离子型溶液聚合选择溶剂的原则：首先考虑溶剂化能力，即溶剂对活性种离子对紧密程度和活性影响，这对聚合速率、分子量及分布、聚合物的微结构都有影响；其次考虑链转移反应。18第四章聚合方法聚合物引发体系溶剂溶解情况引发剂聚合物聚乙烯TiCl4—AlEt2Cl加氢汽油非均相沉淀聚丙烯TiCl3—AlEt2Cl加氢汽油非均相沉淀顺丁橡胶Ni盐—AlR3—BF3·OEt2烷烃或芳烃非均相均相异戊橡胶AlBu抽余油均相均相乙丙橡胶VOCl3—AlEt3Cl3抽余油非均相均相丁基橡胶AlCl3CH3Cl均相沉淀表4—3离子型溶液聚合示例19第四章聚合方法4.4悬浮聚合4.4.1概述体系主要组成：单体、引发剂、水、分散剂优点:传热容易,分子量高。缺点:附有少量分散剂残留物。均相悬浮聚合:苯乙烯,MMA等。沉淀悬浮聚合:氯乙烯。20第四章聚合方法4.4.2液—液分散和成粒过程分散剂的作用是防止已经剪切分散的单体液滴和聚合物颗粒重新聚集。转化率20%左右时，单体—聚合物液滴表面发粘,容易粘结，因此需要保护。分散剂正是起了这样的作用。图4—1悬浮单体液滴分散聚集示意图21第四章聚合方法4.4.3分散剂和分散作用1.水溶性高分子物质:聚乙烯醇、苯乙烯—马来酸酐共聚物、聚（甲基）丙烯酸盐、明胶等。（1）吸附在表面,形成很薄的保护膜；（2）降低表面张力和界面张力,使液滴变小。2.精细分布的非水溶解性的无机粉末:CaCO3、MgCO3，起机械隔离作用。原位生成:Na2CO3+MgSO4MgCO3+Na2SO422第四章聚合方法图4—2聚乙烯醇和无机粉末分散作用机理示意图23第四章聚合方法3.分散剂的选择:（1）用量0.1%（2）PVC：紧密型，明胶;疏松型，1788聚乙烯醇。（3）助分散剂:表面活性剂4.4.4影响悬浮聚合的因素1.搅拌强度；2.分散剂的性质和浓度；3.水/单体比；4.温度5.引发剂用量和种类；6.单体种类24第四章聚合方法例：甲基丙烯酸甲酯模塑料的制备配方（wt）:聚合工艺：MMA70St30AIBN0.5Na2CO30.1MgSO40.1H2O300温度/℃80～90搅拌速度r/min80～150反应时间/h8～10Na2CO3+MgSO4MgCO3+Na2SO425第四章聚合方法4.5乳液聚合4.5.1概述单体在介质中，由乳化剂分散成乳液状态进行的聚合。与悬浮聚合区别：（1）粒径：悬浮聚合物50~2000µm，乳液聚合物0.1~0.2µm（2）引发剂：悬浮聚合采用油溶性引发剂，乳液聚合采用水溶性引发剂（3）聚合机理：悬浮聚合相当于本体聚合，聚合发生在单体液滴中；乳液聚合发生在胶束中。26第四章聚合方法优点（1）以水为分散介质，粘度低，传热快；（2）聚合速率快，分子量高，可在低温聚合；（3）在直接使用乳液的场合较方便，如乳胶漆，胶粘剂，织物处理剂等。缺点（1）需要固体产物时，后处理复杂（破乳、洗涤、脱水、干燥等）；（2）有残留乳化剂，对性能有影响。应用PVC糊用树脂，苯丙乳胶漆，PVAc胶粘剂27第四章聚合方法4.5.1乳化剂及乳化作用4.5.1.1乳化剂分子中既含有亲水（极性）基团，又含有亲油（非极性）基团的表面活性剂中的一种。可分为阴离子型、阳离子型和非离子型三种。阴离子型：极性基团为—COO-、—SO3-、—SO4-等，非极性基团为C11～C17的直链烷基或311～C8的烷基与苯基的组合基团。乳化能力强典型例子：十二烷基硫酸钠、二丁基萘磺酸钠、硬脂酸钠等。28第四章聚合方法阳离子型：极性基团为—N+R3等。因乳化能力不足，并对引发剂又分解作用，故在自由基聚合中不常用。非离子型：分子中不含阴、阳离子。典型代表为环氧乙烷聚合物，如：，其中R为C10～C16的烷基或烷苯基，n一般4～30。如OP类、OS类非离子型乳化剂等。这类乳化剂由于不含离子，所以对pH不敏感，所制备的乳液化学稳定性好。但乳化能力略低于阴离子型。常与阴离子型乳化剂共用，也可单独使用。R[OCH2CH2]nOH29第四章聚合方法4.