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自由基聚合动力学研究方法
引言
聚合反应动力学的研究在理论上可以帮助我们了解聚合反应的机理,在工程上则能为反应器设计、聚合工艺条件的优化提供必要的依据,指导生产实践,因此具有重要的意义。聚合反应动力学主要是研究聚合反应速率、聚合物分子量、聚合物的分子量分布与引发剂浓度、单体浓度、聚合反应温度之间的定量关系。在共聚反应中共聚物的组成及其序列分布与引发剂浓度、单体配比、聚合温度间的关系也是研究的重点。本文将从基于聚合反应机理的动力学模型、聚合动力学研究实验方法等方面介绍自由基聚合动力学的研究。
自由基聚合动力学
自由基聚合反应一般分为诱导期、聚合初期、聚合中期、聚合后期等几个阶段。诱导期初级自由基为体系中存在的阻聚剂及一些杂质所消耗,没有聚合物形成,聚合速率为零。如果能将体系产生阻聚作用的杂质完全去除,可以消除诱导期。诱导期过后,单体开始正常聚合。这一阶段的特点是聚合反应速率不随反应时间变化,为恒速聚合,称为聚合初期。这一阶段的长短随单体种类和聚合方法而变,一般转化率在10~~~10-4~10-10 (2)
(3)链终止速率是以自由基消失速率表示,一般自由基链有耦合和歧化两种终止方式:
偶合终止的基元反应和速率方程为:
Mx·+ My·→ Mx+y
Rtc = 2ktc[M·]2 (3-1)
歧化终止的基元反应和速率方程为:
Mx·+ My·→ Mx +My
Rtd = 2ktd[M·]2 (3-2)
一般自由基聚合反应中,两种终止方式都有,总的链终止速率为:
(4)
由于自由基活性高、寿命短、浓度低、难测定,速率方程中的[M·]很难处理。提出第二个假定,稳定态假定:聚合反应经过很短一段时间后,假定体系中自由基浓度不再变化,进入“稳定状态”。自由基的引发速率等于终止速率,由Ri = Rt可以导出:
(5)
在整个聚合反应中,链引发和链增长这两步都消耗单体。相对于大量消耗单体的链增长反应,链引发一步消耗的单体可以忽略不计。在假定聚合度很大的情况下,可以用链增长反应一步的速率表示总的聚合反应速率。
(6)
代入稳态时自由基浓度(5)得:
(7)
式(7)为总聚合反应速率方程,可用于表达各种引发形式的聚合反应速率。当用引发剂引发时得,代入(1)式既得到聚合反应总的速率方程:
(8)
需要指出的是推导上面微观动力学方程时做了四个基本假定:链转移反应无影响、等活性、聚合度很大以及稳态假定。低转化率的聚合实验数据能够较好地符合推导结果,说明假定可信,机理可靠。
自由基聚合宏观动力学
随着聚合的进行,转化率提高,单体和引发剂浓度均有所下降,聚合速率本应该减慢。但许多单体聚合致10%准化率后,却出现明显的自动加速现象,严重偏离了微观动力学方程。自动加速现象主要是体系黏度增加所引起的,因此又称为凝胶效应。加速的原因可以由终止受扩散控制来解释。
链自由基的双基终止过程可分为三步:自由基链段质心的平移;两段重排,使活性中心靠近;双基化学反应而终止。当体系的黏度随转化率的提高而上升时,链段的重排将受到阻碍,双基终止概率下降,自由基的寿命延长。但在转化率小于50%单体的扩散不受影响量增长速度不变,而链终止速率下降从而使总的聚合速率显著上升,同时分子量提高。当转化率大于50%以后单体的扩散也受到影响,聚合速率也随着降低。
单体种类和溶剂性质对凝胶性质都有影响,不良溶剂将使大分子卷曲,不利于链段重排,加重凝胶效应。伴有凝胶效应的聚合已经偏离了微观动力学行为,属于宏观范畴,速率方程的处理比较复杂多含经验关联成分。常用的通用经验公式为:
n( 0.5~1.0),m( 1~1.5)
自由
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