1、第 二 章 高分子合成原理及方法 第七節(jié)高分子材料的合成方法-以自 由 基 聚 合 反 應(yīng) 為例高 分 子 材 料 導(dǎo) 論1第七節(jié) 高分子材料的合成方法-以自 由 基 聚 合 反 應(yīng) 為例7.1 本體聚合 自由基聚合反應(yīng)的實施方法主要有本體聚合、溶液聚合、懸浮聚合、乳液聚合。本體聚合是單體本身在不加溶劑以及其它分散劑的條件下，由引發(fā)劑或直接由光熱等作用下引發(fā)的聚合反應(yīng)，優(yōu)點：無雜質(zhì)，產(chǎn)品純度高，聚合設(shè)備簡單。缺點：體系粘度大，聚合熱不易擴散，反應(yīng)難以控制，易局部過熱，造成產(chǎn)品發(fā)黃。自動加速作用大，嚴重時可導(dǎo)致暴聚。2工業(yè)上多采用兩段聚合工藝：(i) 預(yù)聚合：在較低溫度下預(yù)聚合，轉(zhuǎn)化率控制在10

2、30%，體系粘度較低，散熱較容易；(ii) 后聚合：更換聚合設(shè)備，分步提高聚合溫度，使單體轉(zhuǎn)化率90%。本體聚合根據(jù)聚合產(chǎn)物是否溶于單體可分為兩類：（i）均相聚合：聚合產(chǎn)物可溶于單體，如苯乙烯、MMA等；第七節(jié) 高分子材料的合成方法-以自 由 基 聚 合 反 應(yīng) 為例3（ii）非均相聚合（沉淀聚合）：聚合產(chǎn)物不溶于單體，如乙烯、聚氯乙烯等，在聚合過程中聚合產(chǎn)物不斷從聚合體系中析出，產(chǎn)品多為白色不透明顆粒。在沉淀聚合中，由于聚合產(chǎn)物不斷析出，體系粘度不會明顯增加。 但不管是均相聚合還是沉淀聚合，都會導(dǎo)致自動加速作用。第七節(jié) 高分子材料的合成方法-以自 由 基 聚 合 反 應(yīng) 為例4本體聚合工業(yè)生

3、產(chǎn)舉例57.2 溶液聚合溶液聚合是將單體和引發(fā)劑溶于適當溶劑中，在溶液狀態(tài)下進行的聚合反應(yīng)。生成的聚合物溶于溶劑的叫均相溶液聚合；聚合產(chǎn)物不溶于溶劑的叫非均相溶液聚合。優(yōu)點：（i）聚合熱易擴散，聚合反應(yīng)溫度易控制；（ii）體系粘度低，自動加速作用不明顯；反應(yīng)物料易輸送；（iii）體系中聚合物濃度低，向高分子的鏈轉(zhuǎn)移生成支化或交聯(lián)產(chǎn)物較少，因而產(chǎn)物分子量易控制，分子量分布較窄；（iv）可以溶液方式直接成品。第七節(jié) 高分子材料的合成方法-以自 由 基 聚 合 反 應(yīng) 為例6缺點：（i）單體被溶劑稀釋，聚合速率慢，產(chǎn)物分子量較低；（ii）消耗溶劑，溶劑的回收處理，設(shè)備利用率低，導(dǎo)致成本增加；（iii

4、）溶劑很難完全除去；（iv）存在溶劑鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)，因此必須選擇鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)小的溶劑，否則鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)會限制聚合產(chǎn)物的分子量；（v）溶劑的使用導(dǎo)致環(huán)境污染問題。第七節(jié) 高分子材料的合成方法-以自 由 基 聚 合 反 應(yīng) 為例787.3 懸浮聚合懸浮聚合是通過強力攪拌并在分散劑的作用下，把單體分散成無數(shù)的小液珠懸浮于水中由油溶性引發(fā)劑引發(fā)而進行的聚合反應(yīng)。在懸浮聚合體系中，單體不溶或微溶于水，引發(fā)劑只溶于單體，水是連續(xù)相，單體為分散相，是非均相聚合反應(yīng)。第七節(jié) 高分子材料的合成方法-以自 由 基 聚 合 反 應(yīng) 為例超臨界流體：性質(zhì)介乎液體與氣體之間，具有液體的溶解能力。超臨界CO2做聚合溶劑：無毒、便

5、宜、易從聚合產(chǎn)物中除去和循環(huán)使用。910但聚合反應(yīng)發(fā)生在各個單體液珠內(nèi)，對每個液珠而言，其聚合反應(yīng)機理與本體聚合一樣，因此懸浮聚合也稱小珠本體聚合。單體液珠在聚合反應(yīng)完成后成為珠狀的聚合產(chǎn)物。均相聚合：得到透明、圓滑的小珠；非均相聚合：得到不透明、不規(guī)整的小珠。在懸浮聚合過程不溶于水的單體依靠強力攪拌的剪切力作用形成小液滴分散于水中，單體液滴與水之間的界面張力使液滴呈圓珠狀，但它們相互碰撞又可以重新凝聚，即分散和凝聚是一個可逆過程。第七節(jié) 高分子材料的合成方法-以自 由 基 聚 合 反 應(yīng) 為例11為了阻止單體液珠在碰撞時不再凝聚，必須加入分散劑，分散劑在單體液珠周圍形成一層保護膜或吸附在單體

6、液珠表面，在單體液珠碰撞時，起隔離作用，從而阻止或延緩單體液珠的凝聚。懸浮聚合分散劑主要有兩大類：(i)水溶性的高分子：如聚乙烯醇、明膠、羥基纖維素等；(ii) 難溶于水的無機物：如碳酸鈣、滑石粉、硅藻土等。水溶性高分子難溶于水的無機物第七節(jié) 高分子材料的合成方法-以自 由 基 聚 合 反 應(yīng) 為例12懸浮聚合產(chǎn)物的顆粒尺寸大小與攪拌速度、分散劑用量及油水比（單體與水的體積比）成反比。由于懸浮聚合過程中存在分散-凝聚的動態(tài)平衡，隨著聚合反應(yīng)的進行，一般當單體轉(zhuǎn)化率達25%左右時，由于液珠的粘性開始顯著增加，使液珠相互粘結(jié)凝聚的傾向增強，易凝聚成塊，在工業(yè)生產(chǎn)上常稱這一時期為“危險期”，這時特別

7、要注意保持良好的攪拌。由于懸浮聚合在液珠粘性增大后易凝聚成塊而導(dǎo)致反應(yīng)失敗，因此，該方法不適于制備粘性較大的高分子，如橡膠等。第七節(jié) 高分子材料的合成方法-以自 由 基 聚 合 反 應(yīng) 為例13缺點：（i）存在自動加速作用；（ii）必須使用分散劑，且在聚合完成后，很難從聚合產(chǎn)物中除去，會影響聚合產(chǎn)物的性能（如外觀、老化性能等）；（iii）聚合產(chǎn)物顆粒會包藏少量單體，不易徹底清楚，影響聚合物性能。優(yōu)點：（i）聚合熱易擴散，聚合反應(yīng)溫度易控制，聚合產(chǎn)物分子量分布窄；（ii）聚合產(chǎn)物為固體珠狀顆粒，易分離、干燥。第七節(jié) 高分子材料的合成方法-以自 由 基 聚 合 反 應(yīng) 為例149.4 乳液聚合乳液

8、聚合是在乳化劑的作用下并借助于機械攪拌，使單體在水中分散成乳狀液，由水溶性引發(fā)劑引發(fā)而進行的聚合反應(yīng)。乳化劑：能使油水混合物變成乳狀液的物質(zhì)成為乳化劑。通常是一些兼有親水的極性基團和疏水（親油）的非極性基團的表面活性劑。按其結(jié)構(gòu)可分三大類（按其親水基類型）：反相懸浮聚合：把水溶性的單體分散于有機溶劑中由水溶性引發(fā)劑引發(fā)的聚合反應(yīng)。第七節(jié) 高分子材料的合成方法-以自 由 基 聚 合 反 應(yīng) 為例15（i）陰離子型：親水基團一般為-COONa, -SO4Na, -SO3Na等，親油基一般是C11C17的直鏈烷基，或是C3C6烷基與苯基或萘基結(jié)合在一起的疏水基；（ii）陽離子型：通常是一些胺鹽和季銨

9、鹽（iii）非離子型：聚乙烯醇，聚環(huán)氧乙烷等。乳液聚合最常使用的是陰離子型乳化劑，而非離子型乳化劑一般用做輔助乳化劑與陰離子型乳化劑配合使用以提高乳液的穩(wěn)定性。第七節(jié) 高分子材料的合成方法-以自 由 基 聚 合 反 應(yīng) 為例16乳化劑的作用主要有三點：（i）降低表面張力，便于單體分散成細小的液滴，即分散單體；（ii）在單體液滴表面形成保護層，防止凝聚，使乳液穩(wěn)定；（iii）增溶作用：當乳化劑濃度超過一定值時，就會形成膠束（micelles)，膠束呈球狀或棒狀，膠束中乳化劑分子的極性基團朝向水相，親油基指向油相，能使單體微溶于膠束內(nèi)。 乳化劑能形成膠束的最低濃度叫臨界膠束濃度（簡稱CMC），CM

10、C越小，越易形成膠束，乳化能力越強。第七節(jié) 高分子材料的合成方法-以自 由 基 聚 合 反 應(yīng) 為例1718乳液聚合的引發(fā)劑為水溶性引發(fā)劑，常使用水溶性的氧化-還原引發(fā)體系。如K2S2O8/Fe2+等。乳液聚合機理：在乳液聚合體系中存在單體液滴、微溶有單體的增溶膠束、空膠束以及以分子狀態(tài)分散在水中的單體和乳化劑分子。典型的乳液聚合可分為三個階段：（i）M/P乳膠粒的形成：反應(yīng)開始時，水中的引發(fā)劑分解產(chǎn)生的初級自由基擴散到增溶膠束內(nèi)，引發(fā)其中的單體進行聚合，從而形成同時含單體與聚合物的增溶膠束，稱M/P乳膠粒，隨著膠束中單體的消耗，膠束外的單體分子逐漸地擴散進膠束內(nèi)，使聚合反應(yīng)持續(xù)進行。第七節(jié)

11、高分子材料的合成方法-以自 由 基 聚 合 反 應(yīng) 為例19在此階段，單體增溶膠束與M/P乳膠粒并存，M/P乳膠粒逐漸增加，聚合速率加快，直至單體轉(zhuǎn)化率10%轉(zhuǎn)入第二階段；（ii）單體液滴與M/P乳膠粒并存階段：單體轉(zhuǎn)化率1050%，隨著引發(fā)劑和單體增溶膠束的消耗，M/P乳膠粒數(shù)量不再增加，聚合速率保持恒定，而單體逐漸消耗，單體液滴不斷縮小，單體液滴數(shù)量不斷減少；（iii）單體液滴消失、M/P乳膠粒子內(nèi)單體聚合階段：M/P乳膠粒內(nèi)單體得不到補充，聚合速率逐漸下降，直至反應(yīng)結(jié)束。第七節(jié) 高分子材料的合成方法-以自 由 基 聚 合 反 應(yīng) 為例20在乳液聚合中，初級自由基進入增溶膠束引發(fā)單體聚合后，當另一個自由基進入時，由于自由基濃度高，兩者立刻發(fā)生雙基終止，因此，每一個膠束內(nèi)要么只有一個自由基，要么沒有自由基，從統(tǒng)計角度看，由于膠束濃度很大，多在10101015個/mL,而初級自由基的生成速率較小，約為1013個/s mL,即平均要間隔10100s才會有自由基進入膠束，因此在第二個自由基進入膠束以前，有足夠的時間生成高分子量的聚合產(chǎn)物，因此乳液聚合常能得