第八章 阴离子聚合原理及合成工艺

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+ H2C CH X R CH2 CH M X 聚合
R M
R M
主要有:
金属氨基化合物(MtNH2)、醇盐(RO-)、酚盐 (PhO-)、有机金属化合物(MtR)、格利雅试剂 (RMgX)等。
(i)金属氨基化合物:
金属氨基化合物一般认为是通过自由负离子方式引发 聚合反应:
以KNH2为例 2K + NH3 KNH2 NH2- + H2C CH X 2KNH2 + H2 K+ + NH2H2N CH2 CH X -
非常快 CH2 CH Li
C4H9 + CH2
C4H9
CN 阴离子引发中心
阴离子聚合机理的特点:快引发,慢增长,无终止
8.1.2 阴离子聚合单体
1、带吸电子取代基的乙烯基单体
活性增强
2、带共轭取代基的乙烯基单体
3、一些杂环化合物
单体结构对阴离子聚合速率影响明显。聚合条件是四氢 呋喃为溶剂,聚合温度25℃,反离子为钠离子,一些单体的
这种聚合物在室温具有橡胶的弹性,在高温又具 有塑料的热塑性,可用热塑性塑料的加工方法加工, 故称为热塑弹性体。
4、制备星型聚合物
通过偶联剂将聚合物链阴离子连接起来,可获得 星型聚合物。
Mn
Mn A + SiCl4
Mn Si M n Mn
8.2 阴离子嵌段共聚合制备SBS热塑性弹性体
交叉渗透 交联 改性工艺
RLi + n CH2 CH C6H5 R CH2 CH C6H5 CH CH CH2 _ 1 CH2CH n_ 1 CH2 _ CH Li + C6H5
S-
+ m CH2
R CH2 CH C6H5 n CH2CH
橙红
CHCH2 _ Li +
CHCH2 CH
m
SB -
+ p CH2
无色
CH2 CH C6H5 CH2 p_1 CH _ Li +
引发活性
活泼 引发剂
活泼 引发剂
不能直接 引发
不能引发
8.1.4 阴离子聚合的工艺及影响因素
1、聚合工艺
(1) 引发剂遇水发生反应; (2)
本体聚合 溶液聚合
√ 淤浆法 √ 溶液法
聚合方法
悬浮聚合 乳液聚合
×
×
2、影响因素 (1)) 溶剂
溶剂
作用:排除聚合热和提供必要的反应介质。
介电常数 电子给予 指数 2 5 19.2 溶剂 介电常数 电子给予 指数
Li + CH2CH CHCH2
-
CHCH CH2 + Li
R
Li
R CH2CH CHCH2 Li +
-
第一次增长
Li + CH2CH CHCH2 CH2 Li +
-
R CH2CH CHCH2 Li +
-
CHCH CH2 R CH2CH CHCH2 n Li + m
-
CH2CH CHCH2
-
交叉引发
-
CH CH2
Li +
-
CHCH2 q CH2CH CHCH2
R CH2CH CHCH2 n CH2CH p Li + m
-
SBS 的重要用途
橡胶
• 代替硫化橡胶和聚氯乙烯制作的弹性鞋底,色彩美观, 质软耐磨、穿着舒适不臭脚,可回收再利用,成本适中。
胶黏剂
• 冶金粉末成型剂,木材粘结胶,胶带用胶,密封胶,一 般强力胶,万能胶,不干胶等。
阴离子聚合链增长速率常数:
单体 -甲基苯乙烯 p-甲氧基苯乙烯 o-甲基苯乙烯 kp L· mol-1· s-1 2.5 52 170 单体 苯乙烯 4-乙烯基吡啶 2-乙烯基吡啶 kp L· mol-1· s-1 950 3500 7300
8.1.3 引发剂和溶剂
1、分类
电子转移类 引发剂
电子直接转移引发 ——碱金属 (如Na、K等) 电子间接转移引发— —碱金属络合物 (如萘钠等) 有机金属化合物 (如BuLi等) R3P、R3N、ROH、 H2 O等
BuLi + H2C CH X Bu CH2 CH - Li+ X
有机金属化合物的活性与其金属的电负性有关, 金属的电负性越小,活性越高。
引发剂
烷基钾
烷基钠
烷基锂
烷基镁
烷基铝
金属电负性
金属-碳键的 极性
0.8
有离子性
0.9
有离子性
1.0
极性 共价键 中活性 引发剂
1.21.3
极性弱
1.5
极性更弱
+ H2O
n CH2CH CHCH2 m CH2
C6H5
R CH2
CH C6H5
CH C6H5
CH p_1 2
ຫໍສະໝຸດ Baidu
CH2 C6H5
偶合法
2 SB Li + COCl2 4 SB Li + SiCl4
O SB C BS + 2 LiCl BS SB Si BS + 4 LiCl BS
双锂引发法
引 发
2 CH2
正己烷 苯
二氧六环 乙醚
2.2 2.2
2.2 4.3
四氢呋喃
丙酮 硝基苯 二甲基甲酰胺
7.6
20.7 34.5 35
20.0
17.0 4.4 30.9
结论:溶剂的介电常数越大,极性越强;溶剂的电子给予指 数越大,溶剂化作用越大。这两种情况均会导致引发中心更 容易地形成疏松的离子对,甚至是自由离子,聚合速率加快, 但对控制产物的立构规整性不利。
接枝共聚 改性工艺 机械共混 改性工艺
聚 合 物 改性工艺
其它 改性工艺
嵌段共聚 改性工艺
嵌 段 共 聚 物 的 合 成 途 径
阴离子聚合机理
高分子活 性链引发 增长另一 单体聚合
阳离子聚合机理
配位聚合机理
自由基聚合机理
工业上合 成嵌段共 聚物最重 要的方法
两种聚合物端基之间的缩合反应机理
SBS 8.2.1 SBS热塑性弹性体
8.1 阴离子聚合原理
8.1.1 阴离子聚合反应
定义
借阴离子引发剂使单体形成阴离子
引发中心(阴离子活性种),通过连锁 反应机理进行链增长,形成的增长链端
基带有负电荷的聚合反应。
3
阴离子聚合反应属于连锁机理,包括链的引发、增长 、转移、终止四步基元反应。
LiC4H9 Li
解离
Li CH CN
C4H9
SBS
SBS合成路线方法
单体顺序加料法、
偶合法、
双锂引发法
单体顺序加料法
RLi + n CH2 CH C6H5 R CH2 CH C6H5 n_ 1 CH2
_ CH Li + C6H5
+ m CH2 CH CH CH2
R CH2 CH C6H5 n CH2CH CHCH2 + p CH2 CH C6H5 R CH2 CH C6H5 n CH2CH CHCH2 m CH2 CH C6H5 CH p_1 2 CH _ Li + CH2CH CHCH2 m_ 1 _ Li +
Li +
-
CH2CH CHCH2
m
R CH2CH CHCH2 n Li +
-
CH CH2 Li +
- CHCH2
CH2CH CHCH2
R CH2CH CHCH2 n CH2CH Li + m
-
第二次增长
Li +
- CHCH2
CH2CH CHCH2
R CH2CH CHCH2 n CH2CH Li + m
(4)缔合现象 研究发现,烷基锂在非极性溶剂如苯、甲苯、己烷中存在
不同程度的缔合作用,而只有处于单分子状态的烷基锂才具有
引发活性,缔合的烷基锂必须解缔合后才能引发聚合。
C4H9Li
烷烃 C4H9Li)n 缔合
烷烃 单体 非极性 (C H Li)n C4H9Li4 9
溶剂
C4H9Li
单体
4H9Li
M 解缔
引发剂
阴离子加成类 引发剂 其他亲核试剂
阴离子聚合引发剂从链引发机理上可分为两大类: (1)电子转移类 如碱金属、碱金属与不饱和或芳香化合物的复合物。
由于碱金属原子最外层电子只有一个价电子,容易转移给 单体或其他物质,生成负离子,引发聚合,这类引发反应 称为电子转移引发。
电子直接向 单体转移 引发
在常温常显示橡胶的 弹性,高温下又能够塑化 成型的材料。
弹 性
苯乙烯 链段

模 型
二烯链段
室温下苯乙烯链 段处于玻璃态,起 到物理交联点的作 用,而二烯链段处 于高弹态,因此材 料表现出橡胶的弹 性。因为是线形高 分子结构,因此升 高到一定温度,可 进行热塑性加工。
SBS 弹性体的作用原理模型
SBS 弹性体聚合原理: SBS 是一个三嵌段共聚物。烷基锂引发,经三段嵌段聚合, 然后加终止剂终止反应。
(i)碱金属:如金属钠引发丁二烯聚合
聚 合 方 法
聚合过程中通常是把金属与惰性溶剂加热到金属的熔 点以上,剧烈搅拌,然后冷却得到金属微粒,再加入聚 合体系,属非均相引发体系。
(ii)碱金属与不饱和或芳香化合物的复合物(碱金属络合物): 如金属钠+萘引发苯乙烯聚合
- Na + Na+ 苯乙烯 + H2C CH Na+
遥爪聚合物:
指分子链两端都带有活性官能团的聚合物,两个 官能团遥遥位居于分子链的两端,就象两个爪子,故 称为遥爪聚合物。
双阴离子聚合可得到遥爪聚合物。
3、制备嵌段共聚物
利用活性聚合,先制得一种单体的活性链,然后 加入另一种单体,可得到希望链段长度的嵌段共聚物。
M1 A + M2
M1M2
M2 A
工业上已经用这种方法合成了St-B、St-B-St 两嵌段和三嵌段共聚物。
绿色
H2C CH Na 2 +
Na - HC CH2 CH2 CH - Na+
+
引发聚合
红色
电子间接向 单体转移引发
红色 实施聚合反应时,先将金属钠与萘 在惰性溶剂中反应生成萘钠,然后再加 入聚合体系引发聚合反应,若采用极性 溶剂,则属均相引发体系,提高了碱金 属的利用率。
(2)阴离子加成引发
催化剂离解产生的负离子与单体加成引发聚合反应:
(3)反离子 反离子—金属阳离子的半径及其溶剂化程度对聚合速率有 明显的影响:
反离子 聚合速率常 数L· mol-1· s-1 在四氢呋喃中 锂离子 160 钠离子 80 钾离子 6080 铷离子 5060 铯离子 22
在二氧六环中
0.94
3.4
19.8
21.5
24.5
非极性溶剂中:溶剂化作用小。随着离子半径的增大,离子对之间的 静电作用力减小,离子对变得疏松,有利于单体的插入增长反应。 极性溶剂中:溶剂化作用对活性中心离子对的形态起决定作用。离子 半径越小,与溶剂的溶剂化作用越强,离子对越疏松,越有利于链增 长反应。
C6H5 R CH2 CH C6H5 n CH2CH CHCH2 m
SBS -
+ H2O
n CH2CH CHCH2 m CH2
C6H5
橙红
CH C6H5 p_
1
R
CH2
CH C6H5
CH2
CH2 C6H5
SBS
SBS为线形三嵌段共聚物
聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯 聚苯乙烯链段,分子量约为1万 ~1.5万; 聚丁二烯链段,分子量约为5万 ~10万。
(2) 反应温度 对链增长速率常数的影响
升高温度
链增长速率常数增加
聚合速率加快
相反 聚合速率减慢
对离子对离解平衡常数的影响 升高温度 离解平衡常数降低
较疏松的离子对或自由离子的浓度降低
研究证明,温度对阴离子聚合速率的影响相对较小。 此外,聚合体系中的一些活性杂质对活性链的终止也会随着温度 的升高而明显。因此,阴离子聚合温度一般在2080℃下进行。
(ii)醇盐、酚盐:
醇(酚)盐一般先让金属与醇(酚)反应制得 醇(酚)盐,然后再加入聚合体系引发聚合反应。 如:
2 Na + 2 CH3OH → 2 CH3ONa + H2
CH3O-Na+ + H2C CH X H3CO CH2 CH - Na+ X
(iii)有机金属化合物:
有机金属化合物是最常用的阴离子聚合引发剂。 多为碱金属的有机金属化合物(如丁基锂),Ca和Ba 的有机金属化合物也具引发活性,但不常用。
烷烃 烷烃 (C H Li)n 4 9 (C H Li)n 4 9 C H M Li 4 9 M 4H 9Li M CC 4H 9Li
单体 单体 C H Li C H Li M Li 4 9 C4H9Li 4C 9H C H Li 4 9 C4H9Li M 4 9 Li 4H 9M CC Li 4H 9M
第八章 阴离子聚合原理及合成工艺
8.1 阴离子聚合原理 8.2 阴离子嵌段共聚合制备 SBS热塑性弹性体 8.3 环氧丙烷阴离子开环聚合制备 聚醚多元醇
主要内容
1、教学重点与难点:
阴离子聚合原理、影响SBS及环氧乙烷开环聚合过程及
产物性能的关键因素。 2、教学要求: (1)了解阴离子聚合产品及主要原材料的理化性质、贮运要 求、性能及用途; (2)理解阴离子聚合的工艺过程及其流程图解; (3)掌握阴离子聚合原理、聚合方法及影响SBS及环氧乙烷 开环聚合过程及产物性能的关键因素。 3、教学时数:4学时(含课堂交流)
聚合
8.1.5 阴离子聚合的工业应用
1、合成均一分子量的聚合物
这是目前合成均一特定分子量的唯一方法, 为GPC提供标准样品(高度单分散的聚苯乙烯)。 最终聚合度
[M ] Xn [C ] [M ] Xn 2 [C ]
单阴离子活性中心引发
双阴离子活性中心引发
2、制备带有特殊官能团的遥爪聚合物
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