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游離基聚合反應(yīng)歷程

2019/03/13 15:35
導(dǎo)讀: 加聚反應(yīng) 烯類化合物經(jīng)過(guò)加成聚合反應(yīng)可得到高聚物。加聚反應(yīng)與縮聚反應(yīng)不僅如前所述在形式上不同,在反應(yīng)歷程和動(dòng)力學(xué)方面也各不相同。加聚反應(yīng)與縮聚反應(yīng)相比較有如下表所列的不同
        加聚反應(yīng)
        烯類化合物經(jīng)過(guò)加成聚合反應(yīng)可得到高聚物。加聚反應(yīng)與縮聚反應(yīng)不僅如前所述在形式上不同,在反應(yīng)歷程和動(dòng)力學(xué)方面也各不相同。加聚反應(yīng)與縮聚反應(yīng)相比較有如下表所列的不同點(diǎn)。
        
        能起加聚反成的單體都有不包和的結(jié)構(gòu),如雙、參鍵和共軛雙鍵等。如:
         
        根據(jù)鏈增長(zhǎng)活性中心的不同,可將加聚反應(yīng)分成游離基聚合、陽(yáng)離子聚合、陰離子聚合和配位聚合。
        目前合成的高聚物中,以游離基聚合反應(yīng)所得產(chǎn)品的種類和數(shù)量居多。多數(shù)合成橡膠也是通過(guò)加聚反應(yīng)來(lái)制備的。
        一、游離基聚合反應(yīng)歷程
        在游離基聚合反應(yīng)中,每個(gè)在瞬間形成的高聚物分子,都是遵循著連鎖反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行的。它的生成過(guò)程可分為鏈的引發(fā)、鏈的增長(zhǎng)和鏈的終止三個(gè)主要反應(yīng)階段,以及作為主要副反應(yīng)的鏈轉(zhuǎn)移。
        1.鏈的引發(fā)
        單體分子借助于引發(fā)劑、光、熱或高能射線的作用而被活化進(jìn)行的游離基聚合稱為鏈的引發(fā)過(guò)程:
       
        鏈的引發(fā)階段首先要形成活性中心,即初級(jí)游離基?;钚灾行囊l(fā)單體,使單體分子變?yōu)殒溣坞x基。初級(jí)游離基的來(lái)源,有用引發(fā)劑和不用引發(fā)劑二種。引發(fā)劑通常是活性較大,分子結(jié)構(gòu)上具有弱鍵,在熱能或輻射能的作用下均裂成游離基。均裂分解的活化能的為30千卡克分子。通過(guò)加熱使引發(fā)劑分解者常稱為熱引發(fā)體系。
        由下式可見,各原子間鍵能的大小是不同的,C一N鍵的鍵能最小,受熱時(shí)即斷裂產(chǎn)生游離基:
        
        產(chǎn)生的初級(jí)游離基引發(fā)單體:
        
        引發(fā)劑分解時(shí),要保證一定的分解速度,以便在單位時(shí)間內(nèi)供應(yīng)一定數(shù)量的游離基。通常根據(jù)聚合溫度來(lái)選擇適宜的引發(fā)劑,聚合溫度在50~100℃之間時(shí),其引發(fā)劑的鍵能要在31千卡/克分子左右。常用引發(fā)劑見表1-2。
        
        生產(chǎn)上也常采用氧化還原引發(fā)體系,這是因?yàn)橐话阋l(fā)劑要在較高溫度下才能夠分解出足夠數(shù)量的游離基,但如再加入還原劑構(gòu)成氧化還原體系時(shí),則在低溫下也能產(chǎn)生出足夠數(shù)量較高的活性初級(jí)游離基。這類引發(fā)劑是因氧化還原反應(yīng)而使化學(xué)鍵產(chǎn)生單電子轉(zhuǎn)移。如:
        
        
        通過(guò)氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生初級(jí)游離基所需的活化能較低(約為12~15千卡/克分子),因此可在0℃或更低溫度下進(jìn)行聚合反應(yīng)。如低溫丁苯橡膠生產(chǎn)中即界用氧化還原體系引發(fā)劑。
        過(guò)氧化氫引發(fā)劑的活化能為52千卡/克分子,而其相應(yīng)的氧化還原體系H2O2-Ee"的活化能只有9,4千卡/克分子,異丙苯過(guò)氧化氫的活化能為30千卡/克分子,但其與亞鐵離子構(gòu)成的氧化還原體系的活化能只有12千卡/克分子。
        初級(jí)游離基尺·作用于單體分子時(shí),激發(fā)雙鍵上的π電子,使之分離為兩個(gè)獨(dú)立電子,這是需要活化能的,R與其中一個(gè)獨(dú)立電子結(jié)合,放出一定的能量,而生成單體游離基RM。
        在上述兩步反應(yīng)中,引發(fā)劑的分解是吸熱反應(yīng),其分解活化能約為30千卡/克分子。而形成單體游離基的反應(yīng)是放熱反應(yīng),活化能約為5~8千卡/克分子,反應(yīng)極易進(jìn)行,反應(yīng)速度較快,即初級(jí)游離基R?一旦生成后,馬上就與單體M作用。故游離基RM的生長(zhǎng)率主要決定于引發(fā)劑的分解速度。
        在鏈的引發(fā)階段存在著許多副反應(yīng),主要是初級(jí)游離基或單體游離基與氧作用,或者是與雜質(zhì)作用,這都將影響引發(fā)效率。要使鏈引發(fā)順利進(jìn)行,就必須嚴(yán)格控制氧、雜質(zhì)和阻聚劑,以盡量減少副反應(yīng)。所謂阻聚劑就是一種捕提游離基的物質(zhì),它能極迅速與初級(jí)游離基作用,終止鏈反應(yīng)。當(dāng)聚合系統(tǒng)內(nèi)有阻聚劑時(shí),就產(chǎn)生誘導(dǎo)期,直到阻聚劑消耗完后,聚合作用才正常進(jìn)行。通常,為防止純凈單體在生產(chǎn)或貯運(yùn)中發(fā)生自然聚合現(xiàn)象,常在單體中加入少量阻聚劑(或叫穩(wěn)定劑)。如加入0.05~0.1%的對(duì)苯二酚等。另一種阻滯劑或緩聚劑是只在反應(yīng)初期阻滯聚合速度,使聚合速度減低,而不產(chǎn)生誘導(dǎo)期。引發(fā)效率就是引發(fā)劑分解產(chǎn)生的游離基數(shù)目,用于形成單體游離基的百分?jǐn)?shù),常用f%表示。通常,由于副反應(yīng)的存在,以及單體性質(zhì)、介質(zhì)、引發(fā)劑濃度和反應(yīng)溫度的影響,初級(jí)游離基的引發(fā)效率一般不能達(dá)到100%。用同一種引發(fā)劑去引發(fā)不同單體,引發(fā)效率也不同,見表1-3。
         
        因?yàn)橐l(fā)劑的分解速度直接關(guān)系到聚合速度,所以需知道引發(fā)劑的分解速度。由于引發(fā)劑是以端基形式參與聚合物的組成,加大引發(fā)劑用量,雖可以加快整個(gè)聚合速度,但卻使聚合物平均分子量降低。
 

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