阴离子聚合原理及合成工艺

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NH2- + H2C CH X
2KNH2 + H2 K+ + NH2-
H2N CH2 CH X
(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
明显的影响:
反离子
锂离子 钠离子 钾离子 铷离子 铯离子
在四氢呋喃中 160 聚合速率常 数L·mol-1·s-1 在二氧六环中 0.94
80 6080 5060 22 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。
(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、 H2O等
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。
第八章 阴离子聚合原理及合成工艺
主要内容
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
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)
CH2CH CHCH2 m
+ H2O
_ CH2 CH p _ 1CH2 CH Li +
C6H5
C6H5
R CH2 CH n CH2CH CHCH2 m CH2 CH p _ 1CH2 CH2
C6H5
C6H5
C6H5
偶合法
2SB Li + COCl2 4 SB Li + SiCl4
双锂引发法
O
SB C BS + 2 LiCl
交叉引发
- - Li+ CH2CH CHCH2 mR CH2CH CHCH2 n Li +
CH CH2
- - Li+ CHCH2 CH2CH CHCH2 mR CH2CH CHCH2 n CH2CH Li +
第二次增长
- - Li+ CHCH2 CH2CH CHCH2 mR CH2CH CHCH2 n CH2CH Li +
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。
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
0.9
1.0
有离子性 有离子性
极性 共价键
1.21.3
1.5
极性弱 极性更弱
引发活性
活泼 引发剂
活泼 引发剂
中活性 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)
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
引发剂
阴离子加成类 引发剂
其他亲核试剂
电子直接转移引发 ——碱金属
CH2CH CHCH2 m
CH2 CH p _ 1CH2 CH2
C6H5
C6H5
SBS
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。
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
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 A + SiCl4
Mn Mn Si Mn
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
接枝共聚 改性工艺
聚合物 改性工艺
机械共混 改性工艺
其它 改性工艺
嵌段共聚 改性工艺

阴离子聚合机理

BS
SB Si BS + 4 LiCl
BS

2CH2 CHCH CH2 + Li R Li
- - 发 Li+ CH2CH CHCH2 R CH2CH CHCH2 Li +
第一次增长
- - Li+ CH2CH CHCH2 R CH2CH CHCH2 Li +
CH2 CHCH CH2
- - Li+ CH2CH CHCH2 mR CH2CH CHCH2 n Li +
最终聚合度
Xn

[M ] [C ]
Xn

2[M ] [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
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
- Na+ 苯乙烯
绿色
Na+ - HC CH2 CH2 CH - Na+
H2C CH - Na+ +
红色
引发聚合
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:
(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)n 缔烷合烃
C4H9Li 单非体溶极剂性C4H9(LCi4H9Li)n 烷烃
C4H9Li 单体
4H9Li M 解缔
聚合方法
本体聚合 溶液聚合 悬浮聚合 乳液聚合
√ 淤浆法
√ 溶液法
×
×
2、影响因素 (1)) 溶剂 作用:排除聚合热和提供必要的反应介质。
溶剂
正己烷 苯
二氧六环 乙醚
介电常数
2.2 2.2 2.2 4.3
电子给予 指数
2 5 19.2
溶剂
介电常数
四氢呋喃
7.6
丙酮
20.7
硝基苯
34.5
二甲基甲酰胺
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。
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。
橙红
R CH2 CH n C6H5
_ CH2CH CHCH2 m _ 1 CH2CH CHCH2 Li +
+ p CH2 CH C6H5
无色
R CH2 CH n C6H5
CH2CH CHCH2 m
+ H2O
CH2
CH p _ 1CH2
_ CH
Li +
C6H5
C6H5
橙红
SB - SBS -
R CH2 CH n C6H5
电子直接向 单体转移 引发
(i)碱金属:如金属钠引发丁二烯聚合

聚合过程中通常是把金属与惰性溶剂加热到金属的熔
合 方
点以上,剧烈搅拌,然后冷却得到金属微粒,再加入聚
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法 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 +
H2C CH - Na+ 2
RLi + n CH2 CH C6H5
_ R CH2 CH n _ 1 CH2 CH Li +
C6H5
C6H5
+ m CH2 CH CH CH2
R CH2 CH n C6H5
_ CH2CH CHCH2 m _ 1 CH2CH CHCH2 Li +
+ p CH2 CH C6H5
R CH2 CH n C6H5
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。
解离
LiC4H9
Li
C4H9 非常快
Li
高分子活

性链引发
阳离子聚合机理

增长另一

单体聚合
配位聚合机理
工业上合 成嵌段共
的 合
自由基聚合机理
聚物最重 要的方法


两种聚合物端基之间的缩合反应机理

8.2.1 SBS热塑性弹性体
在常温常显示橡胶的 弹性,高温下又能够塑化 成型的材料。
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。
R M + H2C CH X
R CH2 CH M X
聚合
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
SBS
苯乙烯

链段




二烯链段
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。
RLi + n CH2 CH C6H5
_ R CH2 CH n _ 1 CH2 CH Li +
C6H5
C6H5
S-
+ m CH2 CH CH CH2
升高温度
离解平衡常数降低
聚合速率加快 相反
聚合速率减慢
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。
(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
CH CH2
- - Li+ CHCH2 q CH2CH CHCH2 mR CH2CH CHCH2 n CH2CH p Li +
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。
35
电子给予 指数 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。
(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 对离子对离解平衡常数的影响
C4H9 + CH2 CH
CN
C4H9
CH2 CH
Li
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
2、带共轭取代基的乙烯基单体
活性增强
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 阴离子聚合链增长速率常数:
塑料
• 与 PS 共混改性, 改善 PS 的脆性, 且透明性好, 广泛用 作透明板材、仪表外壳以及各种装饰制品等。
SBS 改性沥青
• 用 SBS 改性的沥青路面抗车辙能力可提高一倍, 抗裂缝 能力可增加 两倍, 抗疲劳寿命可提高一倍。
C(4C(HC49H4MH9L9LLi)iin)n 烷烷烃烃 C4CHC4H94LH9iL9Li iM单单体体 CC4H4CH9L49HLi i9M Li
聚合 CC4H4H9L9Li i MM
CC4H4H9M9MLLi i
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)。
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