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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 -3 cm) 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。. 第四章 聚合方法.
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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。
第四章 聚合方法 表4—1 聚合体系和实施方法示例
第四章 聚合方法 表4—2 自由基聚合实施方法比较
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)。
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。
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。
第四章 聚合方法 表4—3 离子型溶液聚合示例
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。
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
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+MgSO4 MgCO3+Na2SO4
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
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
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: Na2CO3+MgSO4 MgCO3+Na2SO4
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0.1~0.2 µm (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。
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
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。
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。
第四章 聚合方法 4.5.1.2 乳化作用 乳化剂使互不相容的油、水转变为相当稳定难以分层的 乳液的过程,称为乳化。 当乳化剂溶于水时,若浓度很低,则大部分乳化剂以分 子状态分散于水中,并在水面上定向排列。亲水基团伸向水 中,亲油基团指向空气层。 但浓度达到一定值时,乳化剂分子在水面上排满,多余 的分子就会在水中聚集成胶束(图4—3) 。
第四章 聚合方法 图4—3 乳化剂在水中的溶解和胶束的形成 胶束由50~150个分子聚集而成。浓度低时呈球状,直径 4~5nm;浓度高时呈棒状,长度100~300nm。
第四章 聚合方法 乳化剂从分子分散的溶液状态到开始形成胶束的转变的浓 度称为临界胶束浓度(CMC)。在乳液聚合中,乳化剂浓度 约为CMC的100倍,因此大部分乳化剂分子处于胶束状态。 在达到CMC时,溶液许多性能发生突变,如图4—4所示。 单体在水中溶解度很低,形成液滴。表面吸附许多乳化剂 分子,因此可在水中稳定存在。部分单体进入胶束内部,宏 观上溶解度增加,这一过程称为“增容”。 增容后,球形胶束的直径由4~5nm增大到6~10nm。 在乳液聚合体系中,存在胶束1017~1018 个/cm3,单体液滴 1010~1012个/cm3。另外还有少量溶于水中的单体(图4—5)。
第四章 聚合方法 图4—4 十二烷基硫酸钠水溶液性能与浓度的关系
第四章 聚合方法 图4—5 乳液聚合体系示意图
第四章 聚合方法 乳化剂的作用 (1)降低界面张力,使单体分散成细小液滴。 (2)液滴保护层,防止聚集。 (3)增容。
第四章 聚合方法 4.5.2 乳液聚合机理 4.5.2.1 聚合场所 在乳液聚合体系中,存在以下几种组成: (1)少量单体和乳化剂溶于水; (2)大部分乳化剂形成胶束、增容胶束; (3)大部分单体形成液滴。 单体液滴数量少,表面积小;聚合中采用水溶性引发剂,不 可能进入单体液滴。因此单体不是聚合的场所。水相中单体浓 度小,反应成聚合物则沉淀,停止增长,因此也不是聚合的主 要场所。
第四章 聚合方法 因此聚合应发生在胶束中,理由是: (1)胶束数量多,为单体液滴数量的100倍; (2)胶束内部单体浓度较高; (3)胶束表面为亲水基团,亲水性强,因此自由基能进入胶 束引发聚合。 胶束的直径很小,因此一个胶束内通常只能允许容纳一个 自由基。但第二个自由基进入时,就将发生终止。前后两个 自由基进入的时间间隔约为几十秒,链自由基有足够的时间 进行链增长,因此分子量可较大。
第四章 聚合方法 当胶束内进行链增长时,单体不断消耗,溶于水中的单 体不断补充进来,单体液滴又不断溶解补充水相中的单体。 因此,单体液滴越来越小、越来越少。而胶束粒子越来越 大。同时单体液滴上多余的乳化剂转移到增大的胶束上,以 补充乳化剂的不足。这种由胶束内单体聚合形成聚合物颗粒 的过程,称为“胶束成核”。 水相中的单体也可发生聚合,吸附乳化剂形成乳胶颗粒, 这种过程称为“均相成核”。 单体水溶性大及乳化剂浓度低,容易均相成核,如VAc; 反之,胶束成核,如St。
第四章 聚合方法 4.5.2.2 乳液聚合速率与分子量 乳液聚合可分为三个阶段: (I)提速阶段。乳胶颗粒不断增加。由于聚合发生在乳胶 颗粒中,因此聚合总速率不断增加。转化率可达15%; (II)恒速阶段。乳胶颗粒数量稳定,聚合总速率不再变化。 粒径可达50-150 nm; (III)降速阶段。单体液滴消失,乳胶颗粒中单体也减少,聚 合总速率降低。最终颗粒粒径0.05~0.2μm。 参见图4—6。
第四章 聚合方法 图4—6 乳液聚合动力学曲线
第四章 聚合方法 乳液聚合的聚合速率表达式与一般自由基聚合相同: Rp = kp[M][M·] (4—1) 其中[M]是乳胶颗粒中的单体浓度,[M·]是链自由基浓度。 由于每个自由基只容许一个链自由基进入,第二个链自由 基进入即终止。因此体系中只有1/2的自由基对增长反应起作 用,或者可认为体系中只有一半颗粒中有自由基,另一半则 没有。 N为乳胶颗粒的浓度(个/L),Na为阿伏加德罗常数。因此: (4—2)
第四章 聚合方法 从式(4—3)可分析: 在第 I 阶段,N数不断增加,故Rp不断上升; 在第 III 阶段,N不变,而[M]不断下降,故Rp不断下降; 在第 II 阶段,N恒定,而且由于单体液滴存在,不断向 乳胶颗粒补充单体,故[M]也恒定,则Rp也恒定。 (4—3)
第四章 聚合方法 对一个乳胶颗粒来说,引发速率可表达为: 增长速率表达为: 则平均聚合度为: (4—4) (4—5) (4—6)
第四章 聚合方法 在乳液聚合中,聚合度等于动力学链长。虽然存在偶合终 止,但是一条长链与一个初级自由基的偶合,不影响聚合度。 从式(4—3)、(4—6)可见,Rp和聚合度都与N成正 比。亦即只要增加乳胶颗粒数量,就可同时提高聚合速率和 聚合度,这在工艺上是十分有利的。