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游離基聚合反應歷程

2019/03/13 15:35
導讀: 加聚反應 烯類化合物經過加成聚合反應可得到高聚物。加聚反應與縮聚反應不僅如前所述在形式上不同,在反應歷程和動力學方面也各不相同。加聚反應與縮聚反應相比較有如下表所列的不同
        加聚反應
        烯類化合物經過加成聚合反應可得到高聚物。加聚反應與縮聚反應不僅如前所述在形式上不同,在反應歷程和動力學方面也各不相同。加聚反應與縮聚反應相比較有如下表所列的不同點。
        
        能起加聚反成的單體都有不包和的結構,如雙、參鍵和共軛雙鍵等。如:
         
        根據鏈增長活性中心的不同,可將加聚反應分成游離基聚合、陽離子聚合、陰離子聚合和配位聚合。
        目前合成的高聚物中,以游離基聚合反應所得產品的種類和數量居多。多數合成橡膠也是通過加聚反應來制備的。
        一、游離基聚合反應歷程
        在游離基聚合反應中,每個在瞬間形成的高聚物分子,都是遵循著連鎖反應機理進行的。它的生成過程可分為鏈的引發、鏈的增長和鏈的終止三個主要反應階段,以及作為主要副反應的鏈轉移。
        1.鏈的引發
        單體分子借助于引發劑、光、熱或高能射線的作用而被活化進行的游離基聚合稱為鏈的引發過程:
       
        鏈的引發階段首先要形成活性中心,即初級游離基?;钚灾行囊l單體,使單體分子變為鏈游離基。初級游離基的來源,有用引發劑和不用引發劑二種。引發劑通常是活性較大,分子結構上具有弱鍵,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。通過加熱使引發劑分解者常稱為熱引發體系。
        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,受熱時即斷裂產生游離基:
        
        產生的初級游離基引發單體:
        
        引發劑分解時,要保證一定的分解速度,以便在單位時間內供應一定數量的游離基。通常根據聚合溫度來選擇適宜的引發劑,聚合溫度在50~100℃之間時,其引發劑的鍵能要在31千卡/克分子左右。常用引發劑見表1-2。
        
        生產上也常采用氧化還原引發體系,這是因為一般引發劑要在較高溫度下才能夠分解出足夠數量的游離基,但如再加入還原劑構成氧化還原體系時,則在低溫下也能產生出足夠數量較高的活性初級游離基。這類引發劑是因氧化還原反應而使化學鍵產生單電子轉移。如:
        
        
        通過氧化還原反應產生初級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℃或更低溫度下進行聚合反應。如低溫丁苯橡膠生產中即界用氧化還原體系引發劑。
        過氧化氫引發劑的活化能為52千卡/克分子,而其相應的氧化還原體系H2O2-Ee"的活化能只有9,4千卡/克分子,異丙苯過氧化氫的活化能為30千卡/克分子,但其與亞鐵離子構成的氧化還原體系的活化能只有12千卡/克分子。
        初級游離基尺·作用于單體分子時,激發雙鍵上的π電子,使之分離為兩個獨立電子,這是需要活化能的,R與其中一個獨立電子結合,放出一定的能量,而生成單體游離基RM。
        在上述兩步反應中,引發劑的分解是吸熱反應,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是放熱反應,活化能約為5~8千卡/克分子,反應極易進行,反應速度較快,即初級游離基R?一旦生成后,馬上就與單體M作用。故游離基RM的生長率主要決定于引發劑的分解速度。
        在鏈的引發階段存在著許多副反應,主要是初級游離基或單體游離基與氧作用,或者是與雜質作用,這都將影響引發效率。要使鏈引發順利進行,就必須嚴格控制氧、雜質和阻聚劑,以盡量減少副反應。所謂阻聚劑就是一種捕提游離基的物質,它能極迅速與初級游離基作用,終止鏈反應。當聚合系統內有阻聚劑時,就產生誘導期,直到阻聚劑消耗完后,聚合作用才正常進行。通常,為防止純凈單體在生產或貯運中發生自然聚合現象,常在單體中加入少量阻聚劑(或叫穩定劑)。如加入0.05~0.1%的對苯二酚等。另一種阻滯劑或緩聚劑是只在反應初期阻滯聚合速度,使聚合速度減低,而不產生誘導期。引發效率就是引發劑分解產生的游離基數目,用于形成單體游離基的百分數,常用f%表示。通常,由于副反應的存在,以及單體性質、介質、引發劑濃度和反應溫度的影響,初級游離基的引發效率一般不能達到100%。用同一種引發劑去引發不同單體,引發效率也不同,見表1-3。
         
        因為引發劑的分解速度直接關系到聚合速度,所以需知道引發劑的分解速度。由于引發劑是以端基形式參與聚合物的組成,加大引發劑用量,雖可以加快整個聚合速度,但卻使聚合物平均分子量降低。
 

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