自由基聚合精选PPT.ppt
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1、关于自由基聚合关于自由基聚合第1页,讲稿共38张,创作于星期三2.4 链引发反应链引发反应一、引发剂和引发作用 要产生自由基,最常用的方法是在聚合体系中引入要产生自由基,最常用的方法是在聚合体系中引入引发引发剂剂,其次是采用,其次是采用热热、光光和和高能辐射高能辐射等方法。等方法。容易分解成自由基的化合物,分子结构上具有弱键。容易分解成自由基的化合物,分子结构上具有弱键。弱键的离解能一般要求为弱键的离解能一般要求为100170kJ/mol,分解温度分解温度40100。按这一要求,按这一要求,常用的引发剂常用的引发剂有:有:偶氮化合物、有机过氧化合物、无机盐过氧化合物和氧化偶氮化合物、有机过氧化
2、合物、无机盐过氧化合物和氧化-还原引还原引发体系等。发体系等。引发剂引发剂一般要求:一般要求:第2页,讲稿共38张,创作于星期三1、偶氮类引发剂、偶氮类引发剂特点特点:分解反应几乎全部为一级反应,只形成一种自由基分解反应几乎全部为一级反应,只形成一种自由基,无诱导分解;无诱导分解;比较稳定,能单独安全保存;比较稳定,能单独安全保存;分解时有分解时有N2逸出;偶氮化合物易于离解的动力正是在于生成了逸出;偶氮化合物易于离解的动力正是在于生成了高度稳定的高度稳定的N2,而非由于存在弱键。,而非由于存在弱键。(一)引发剂的种类(一)引发剂的种类代表物:代表物:分解后形成的异丁腈自由基是碳自由基,缺乏脱
3、氢能力,故不能作接分解后形成的异丁腈自由基是碳自由基,缺乏脱氢能力,故不能作接枝聚合的引发剂。枝聚合的引发剂。使用温度:使用温度:45 65,解离能,解离能105kJ/mol。油溶性。油溶性。第3页,讲稿共38张,创作于星期三最简单的过氧化物:过氧化氢。活化能较高,20kJ/mol,一般不单独用作引发剂。过氧化氢分子中一个氢原子被有机基团取代,称为“氢过氧化物”,两个氢原子被取代,称为“过氧化物”。均可用作自由基聚合引发剂。2、有机过氧类引发剂、有机过氧类引发剂第4页,讲稿共38张,创作于星期三 过氧化类引发剂的典型代表:过氧化二苯甲酰(BPO)。BPO中OO键部分的电子云密度大而相互排斥,容
4、易断裂。分解温度:6080,解离能124kJ/mol。BPO的分解分两步,第一步分解成苯甲酰自由基,第二步分解成苯基自由基,并放出CO2。第5页,讲稿共38张,创作于星期三3、无机过氧类引发剂、无机过氧类引发剂代表品种为过硫酸盐,如过硫酸钾(K2S2O8)和过硫酸铵(NH4)2S2O8。水溶性引发剂,主要用于乳液聚合和水溶液聚合。分解温度:6080,解离能109140kJ/mol。过硫酸钾和过硫酸铵的性质相近,可互换使用。第6页,讲稿共38张,创作于星期三 将有机或无机过氧化物与还原剂复合,可组成氧化还原引发体系。优点:活化能低(4060kJ/mol),引发温度低(050),聚合速率大。有水溶
5、性和油溶性氧化还原引发体系之分。前者用于乳液聚合和水溶液聚合,后者用于溶液聚合和本体聚合。反应机理:直接电荷转移或先形成中间络合物。4、氧化、氧化-还原引发体系还原引发体系第7页,讲稿共38张,创作于星期三(1)水溶性氧化)水溶性氧化-还原引发体系还原引发体系氧化剂氧化剂:过氧化氢、过硫酸盐、氢过氧化物等;:过氧化氢、过硫酸盐、氢过氧化物等;还原剂还原剂:无机还原剂(:无机还原剂(Fe2+、Cu+、NaHSO3、NaS2O3等)等)和有机还原剂(醇、胺、草酸等)。和有机还原剂(醇、胺、草酸等)。第8页,讲稿共38张,创作于星期三 组成氧化还原体系后,分解活化能大大降低。例如:过氧化氢:220k
6、J/mol;过氧化氢+亚铁盐:40kJ/mol 过硫酸钾:140kJ/mol;过硫酸钾+亚铁盐:50kJ/mol 异丙苯过氧化氢:125kJ/mol;异丙苯过氧化氢+亚铁盐:50kJ/mol 还原剂用量一般应较氧化剂少,否则还原剂进一步与自由基反应,使活性消失。若还原剂过量若还原剂过量:第9页,讲稿共38张,创作于星期三 亚硫酸盐和硫代硫酸盐常与过硫酸盐构成氧化还原体系,形成两个自由基。高锰酸钾和草酸单独均不能作为引发剂,组合后可成为引发体系,活化能39kJ/mol,可在1030下引发聚合。第10页,讲稿共38张,创作于星期三(2)油溶性氧化)油溶性氧化-还原引发体系还原引发体系氧化剂氧化剂:
7、氢过氧化物、过氧化二烷基、过氧化二酰基;:氢过氧化物、过氧化二烷基、过氧化二酰基;还原剂还原剂:叔胺、环烷酸盐、硫醇、有机金属化合物:叔胺、环烷酸盐、硫醇、有机金属化合物 (Al(C2H5)3、B(C2H5)3等)。等)。如如BPO与与N,N-二甲基苯胺二甲基苯胺(DMBA)。)。此此引发体系引发体系可用作不饱可用作不饱和聚酯固化体系。和聚酯固化体系。该氧化该氧化-还原引发体系较单纯的还原引发体系较单纯的BPO引发剂具有大的多的引发剂具有大的多的分解速率常数。分解速率常数。第11页,讲稿共38张,创作于星期三 BPO在苯乙烯中90下的分解速率常数:1.3310-4S-1;(BPO)/(DMBA
8、)60时分解速率常数:1.2510-2 L.mol.-1S-1;30时分解速率常数:2.2910-3 L.mol.-1.S-1。第12页,讲稿共38张,创作于星期三(二)引发剂分解动力学(二)引发剂分解动力学(二)引发剂分解动力学(二)引发剂分解动力学研究研究引发剂浓度引发剂浓度与与时间时间、温度温度间的间的定量关系定量关系。1 1、分解速率常数及半衰期、分解速率常数及半衰期、分解速率常数及半衰期、分解速率常数及半衰期(1)分解速率常数)分解速率常数 引发剂分解属于动力学引发剂分解属于动力学一级反应一级反应,即分解速率,即分解速率Rd与与引发剂浓度引发剂浓度I的一次方成正比,微分式如下:的一次
9、方成正比,微分式如下:(2-1)负号负号代表代表I随时间随时间t的增加而减少;的增加而减少;kd分解速率常数,单位为分解速率常数,单位为s-1、min-1或或h-1。第13页,讲稿共38张,创作于星期三将上式积分,得:将上式积分,得:或:(2-2-a)(2-2-b)I0引发剂的起始浓度,单位为引发剂的起始浓度,单位为mol/L。I 时间为时间为t时的引发剂浓度,单位为时的引发剂浓度,单位为mol/L。式(2-2-a)代表引发剂浓度随时间变化的定量关系引发剂浓度随时间变化的定量关系。固定温度,测定不同时间固定温度,测定不同时间t下的引发剂浓度变化,以下的引发剂浓度变化,以ln(I/I0)对对t作
10、图,由斜率可求出引发剂的分解速率常数作图,由斜率可求出引发剂的分解速率常数kd。第14页,讲稿共38张,创作于星期三(2)半衰期)半衰期半衰期半衰期 指引发剂分解至起始浓度一半所需的时间,指引发剂分解至起始浓度一半所需的时间,以以t1/2表示,单位通常为表示,单位通常为h。令令I=I0/2代入式代入式(2-2-b),得:,得:(2-3)分解速率常数分解速率常数和和半衰期半衰期是表示是表示引发剂活性引发剂活性的两个物理量,分的两个物理量,分解速率常数愈大,或半衰期愈短,引发剂的活性愈高。解速率常数愈大,或半衰期愈短,引发剂的活性愈高。工程上常将一级反应的反应速率用半衰期表示。工程上常将一级反应的
11、反应速率用半衰期表示。第15页,讲稿共38张,创作于星期三 半衰期用来表示其活性的大小。t1/2 6h,低活性 t1/2 1h,高活性 6h t1/2 1h,中等活性 实际应用时,常选择半衰期与聚合时间相当的引发剂。第16页,讲稿共38张,创作于星期三2、分解速率常数与温度间的关系、分解速率常数与温度间的关系 引发剂的分解速率常数与温度关系遵循引发剂的分解速率常数与温度关系遵循Arrhenius经验公式:经验公式:(2-4)R 摩尔气体常数,其值为:;T 热力学温度(t273)K;常用引发剂的常用引发剂的kd约约10-410-6s-1,Ed约约105150kJ/mol,单个分子,单个分子的的A
12、d一般在一般在10131014。Ed 分解活化能;A 频率因子。由于由于Ed为正值,从式(为正值,从式(2-4)可知,)可知,随温度升高,随温度升高,kd增大增大。(2-5)或或第17页,讲稿共38张,创作于星期三(三)引发剂效率(三)引发剂效率聚合体系中的引发剂并不是全部分解可以引发聚合的,聚合体系中的引发剂并不是全部分解可以引发聚合的,还还有一部分引发剂由于有一部分引发剂由于诱导分解诱导分解和和/或或笼蔽效应笼蔽效应伴随的副伴随的副反应而损耗,因此,需引入反应而损耗,因此,需引入引发剂效率引发剂效率的概念。的概念。引发剂效率引发剂效率(f)引发聚合的部分引发剂占引发剂分引发聚合的部分引发剂
13、占引发剂分解或消耗总量的分率解或消耗总量的分率。引发剂效率引发剂效率是一个经验参数,与引发剂本身引发剂本身、单体及其浓度、溶单体及其浓度、溶剂、温度等剂、温度等因素有关。第18页,讲稿共38张,创作于星期三1 1、诱导分解、诱导分解、诱导分解、诱导分解 诱导分解诱导分解实际上是实际上是自由基向引发剂的转移反应自由基向引发剂的转移反应。尤其是过尤其是过氧化合物引发剂氧化合物引发剂。转移的结果是链自由基夺取引发剂分子中的一部分,变成了稳转移的结果是链自由基夺取引发剂分子中的一部分,变成了稳定分子,剩余的引发剂残片形成自由基。定分子,剩余的引发剂残片形成自由基。整个过程中自由基数量整个过程中自由基数
14、量没有增加,但消耗了一个引发剂分子没有增加,但消耗了一个引发剂分子,从而使引发剂效率降低。,从而使引发剂效率降低。氢过氧化物氢过氧化物也容易发生诱导分解。也容易发生诱导分解。第19页,讲稿共38张,创作于星期三 偶氮类引发剂一般不易发生诱导分解。单体活性较高时(如丙烯腈、苯乙烯等),能与引发剂作用,因此引发剂效率较高。而单体活性较低时(如醋酸乙烯酯等),对自由基的捕捉能力较弱,则容易发生诱导分解,引发剂效率较低。过氧类引发剂(如过氧类引发剂(如BPO)易发生诱导分解,使易发生诱导分解,使f 值下降。值下降。第20页,讲稿共38张,创作于星期三2 2、笼蔽效应及其伴随的副反应、笼蔽效应及其伴随的
15、副反应、笼蔽效应及其伴随的副反应、笼蔽效应及其伴随的副反应笼蔽效应笼蔽效应当体系中引发剂浓度较低时,引发剂分子处于单体当体系中引发剂浓度较低时,引发剂分子处于单体或溶剂的包围中而不能发挥作用,称为或溶剂的包围中而不能发挥作用,称为笼蔽效应。笼蔽效应。自由基在单体或溶剂的“笼子”中的的平均寿命约为10-1110-9,如来不及扩散出笼子,就可能发生副反应,形成稳定分子。结果是消耗了引发剂,降低了引发剂效率。偶氮二异丁腈在笼子中可能发生的副反应:第21页,讲稿共38张,创作于星期三 过氧化二苯甲酰在笼子的反应可能按下式进行:笼蔽效应与单体、溶剂、体系黏度等因素均有关。笼蔽效应所引起的引发剂效率降低的
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