第二章连锁聚合

第二章连锁聚合第一页，共二十二页，2022年，8月28日一．连锁聚合的概念连锁聚合的基本特点为：反应需要活性中心，如自由基、阴离子、阳离子等；整个过程分为链引发、链增长和链终止三个基元反应；各步反应的活化能相差很大；时间对分子量影响不大，主要影响转化率。连锁聚合包括自由基聚合、阴离子聚合、阳离子聚合、配位聚合、部分开环聚合等。第二页，共二十二页，2022年，8月28日二．自由基聚合的特点可分为链引发、链增长、链终止和链转移等基元反应。慢引发、快增长、速终止。引发活化能：105～150KJ/mol，增长活化能：16～33KJ/mol，终止活化能：8～21KJ/mol。引发剂浓度很低，10-7～10-9mol/L。引发剂浓度随转化率增长变化很大。时间对分子量影响不大，延长聚合时间主要是为了提高转化率。存在大量链转移反应。存在链终止反应，偶合终止、歧化终止。分子量和分子量分布不可控制。第三页，共二十二页，2022年，8月28日三．阴离子聚合发展简史从首次合成阴离子聚合物到阴离子聚合概念的确定，经历了近半个世纪的探索。1910年，Mathews和Strange首次用钠引发异戊二烯聚合，得到聚异戊二烯橡胶。1911年，Harries同样用钠引发丁二烯聚合得到聚丁二烯橡胶。由于对聚合活性种的本质和聚合机理认识不清，无法控制分子量和结构，所制得的橡胶性能很差。第四页，共二十二页，2022年，8月28日1934年，Ziegler研究了锂、钠、和烷基锂与二烯烃之间的反应，测得了加成产物的双锂结构，并分离出聚合度为1～6的双锂低聚物，由此证明了聚合不是通过自由基进行的。但属于何种聚合机理并未确证。1955年，Firestone研究组报告了锂催化体系能制备高顺式1,4聚异戊二烯（＞90%）的结果，引起人们的关注。第五页，共二十二页，2022年，8月28日1956年，ShellDevelopment公司开始异戊二烯锂系引发剂的研究，发现了烷基锂引发剂。并提出，如果体系的纯度足够高，聚合反应将没有链终止步骤。1959年，高顺式聚异戊二烯在ShellDevelopment公司投入工业化生产。1956年，Szwarc在高真空条件下用萘钠引发苯乙烯及二烯烃聚合，得到活性聚合物，正式确立了阴离子聚合机理。第六页，共二十二页，2022年，8月28日由于萘钠双阴离子引发剂需要使用极性溶剂（如四氢呋喃），导致聚合物中3,4结构含量很高，因此Szwarc的结果不能直接用于热塑性弹性体的聚合。1961年，ShellChemical研究用烷基锂制备苯乙烯-丁二烯和苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物。1965年，活性阴离子嵌段共聚物SBS和SIS热塑性弹性体在ShellChemical公司开始工业化生产。我国在70年代后期正式开始阴离子聚合研究。锂系橡胶和热塑性弹性体的开发列入国家“七·五”规划。第七页，共二十二页，2022年，8月28日四．阴离子聚合特征与普通连锁聚合反应一样，可分为链引发、链增长、链终止三个步骤。与自由基聚合相比，阴离子聚合有以下几个明显的特征：聚合反应速度极快在引发阶段，引发剂可迅速全部转变为活性种，浓度可高达10-2～10-3mol/l，而自由基聚合中自由基浓度约为10-7～10-9mol/l。因此阴离子聚合可在几分钟内完成。第八页，共二十二页，2022年，8月28日单体对引发剂有强烈的选择性对于A、B两种都能进行阴离子聚合的单体，某种引发剂能引发单体A聚合，但不一定能引发单体B聚合。如烷基锂能引发苯乙烯和硝基乙烯聚合，而吡啶只能引发硝基乙烯聚合。阴离子聚合的引发剂可看作Lewis碱。碱性越强越活泼。单体可看作是Lewis酸，其酸值用pKa表示。pKa为电离平衡常数的负对数。其值越小，酸性越强，所对应的阴离子越稳定。因此单体的pKa越小越活泼。第九页，共二十二页，2022年，8月28日碱性强的引发剂可引发酸性弱的和强的单体，碱性弱的引发剂只能引发酸性强的单体。第十页，共二十二页，2022年，8月28日活性聚合阴离子聚合最典型的特征是不存在链终止反应。在自由基聚合中，链终止反应速度常数比链增长反应速度常数大104倍，偶合和歧化的活化能接近于零，自由基的平均寿命只有1～几秒。而阴离子聚合活性链端带有相同的电荷，不可能发生偶合或歧化终止。因从活性链上脱去H-十分困难，用烷基锂引发苯乙烯、丁二烯在脂肪烃、苯或醚类溶剂中聚合基本上不存在链转移反应，因此活性种不会自动消失。阴离子活性链极易被水、酸、醇等带有活泼氢的化合物所终止。因此如果体系不纯，也得不到活性聚合物。第十一页，共二十二页，2022年，8月28日多种活性种共存阴离子聚合的另一个特征是在同一个反应体系中可同时存在两种或两种以上的活性种。例如：在极性溶剂中，可存在离子紧对、离子松对和自由阴离子。聚合活性次序为：自由离子≥松对≥紧对。随着溶剂介电常数和给电子指数的增加（极性增加），有利于松对和自由离子的形成。第十二页，共二十二页，2022年，8月28日在非极性溶剂中，引发剂存在单量体和缔合体两种形式。单量体的聚合活性大于缔合体。随着溶剂的极性增加，平衡相左移动，有利于单量体的形成。溶剂性质的改变影响活性种的类型和相对量，因此对聚合速度有极大影响。例如：正丁基锂引发苯乙烯的聚合，在THF中聚合比在环己烷中聚合的表观速度达1000倍左右。同时溶剂还影响聚合产物的微观结构。第十三页，共二十二页，2022年，8月28日分子量分布很窄在自由基聚合中，由于瞬间自由基浓度随转化率上升而变化，以及聚合活性链存在各种形式的终止和转移，因此聚合产物的分子量分布很宽。阴离子聚合中虽然存在多种活性种，每种活性种的增长速率常数不同。如果活性种之间的转换速度比增长速度慢，则最终的分子量分布就会出现两个峰。但在通常情况下活性种之间的转换速度远远大于链增长速度，因而多种活性种的存在并不影响产物的分子量分布。第十四页，共二十二页，2022年，8月28日

许多阴离子聚合的分子量分布接近Poisson分布，其前提是：相对于链增长反应，引发速度非常快。无链终止或转移反应。与增长反应相比，解聚反应速度非常慢。试剂能有效混合。Poisson分布函数非常窄，平均分子量为500000的聚合物，有95%的聚合物分子量与平均分子量相差在10%以内。按此计算，多分散指数等于1.002。实际上的分子量分布指数≤1.1.第十五页，共二十二页，2022年，8月28日五．其他活性聚合5.1阳离子活性聚合阳离子活性聚合是制备聚异丁烯和丁基橡胶的重要的聚合反应。但是阳离子活性聚合的研究并不象负离子活性聚合那样广泛。近些年所开发的CHMOMP/TiCl4体系可使异丁烯在－78℃活性聚合。CHMOMP：第十六页，共二十二页，2022年，8月28日另外，用非金属卤代物引发剂（如HI/I2）进行的异丁基乙烯基醚和对甲氧基苯乙烯的聚合也是一种活性聚合。活性阳离子聚合也适用于制备嵌段共聚物，如用HI/I2引发体系制备的PEVE（聚乙基乙烯基醚）/PMOS（聚对甲氧基苯乙烯）的嵌段共聚物。第十七页，共二十二页，2022年，8月28日5.2配位阴离子活性聚合α-烯烃的络合阴离子聚合可以合成嵌段共聚物（如PE—PP），但由于聚合过程中易脱氢导致链转移，所以不易进行活性聚合。最近发现乙酰乙酸酯钒/烷基氯化铝在－70℃可使丙烯活性聚合，得到等同构型聚丙烯，Mw/Mn＝1.05～1.12。第十八页，共二十二页，2022年，8月28日5.3自由基活性聚合自由基活性聚合更加困难，长期以来一直受到人们的关注。传统的自由基聚合具有单体广泛、合成工艺多样、操作简便、工业化成本低等优点，目前约60%的高分子材料来自自由基聚合。自由基聚合存在与活性聚合相矛盾的基元反应或副反应，如自由基的偶合、歧化和转移反应，使聚合反应过程难以控制。

第十九页，共二十二页，2022年，8月28日1993年加拿大Xerox公司的研究人员首先报道了TEMPO（2，2，6，6-四甲基-1-哌啶氧化物自由基）/BPO引发苯乙烯的高温（120℃）本体聚合。这是有史以来第一例活性自由基聚合体系。但是除苯乙烯以外，TEMPO不能使其他种类的单体聚合。另外TEMPO的价格昂贵，难以工业化应用。第二十页，共二十二页，2022年，8月28日1994年Wayland等采用四（三甲基苯基）卟啉-2,2’-二甲基丙基合钴[（TEM）Co-CH2(CH3)3]引发丙稀酸甲酯的聚合反应，发现聚丙烯酸甲酯的分子量与单体转化率呈线性增长关系，且其分子量分布很窄（1.10～1.21），因此是一种活性自由基聚合[14]。但此体系也不能使其他种类的单体聚合，而且价格昂贵，难有工业化前途。第二十一页，共二十二页，2022年，8月28日1995年，美国Carnegie