复杂聚合物链结构的可控制备与新材料.pdf
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1、书书书?第?卷?第?期?化?工?学?报?年?月?综述与专论复杂聚合物链结构的可控制备与新材料罗英武?浙江大学化学工程与生物工程学系?化学工程联合国家重点实验室?浙江 杭州?摘要?自由基聚合与配位聚合的产物通常为宽分子量分布的均聚物或无规共聚物?近二十年来?活性?可控自由基聚合?活性?可控配位聚合?链穿梭聚合的研究取得突破?这些方法使得几乎所有的乙烯基单体?特别是廉价易得的单体?都可用作原料来制备原来无法制备得到的两嵌段?多嵌段共聚物?梯度共聚物等更为复杂聚合链结构?合理设计这些复杂的链结构?有望得到高性能?高附加值合成材料?介绍了这些新型聚合原理的机理?新进展?讨论了它们潜在的应用前景?关键词
2、?活性?可控自由基聚合?活性配位聚合?穿梭聚合?嵌段共聚物?中图分类号?文献标志码?文章编号?收到初稿?收到修改稿?联系人?罗英武?男?博士?教授?基金项目?国家重点基础研究发展计划项目?国家基金委?教育部长江学者创新团队项目?引?言高分子材料具有明显的多尺度结构特征?线团半径为?左右的聚合物链是由大小为?左右的单体键合而成?不同聚合物的共混往往不相?容?可形成从几十纳米到微米的相形态结构?高分子材料的性能取决于这些不同尺度的结构及其界面作用?年?有专家预测?年后?年?由常见而便宜的单体制备得到通用高分子材料?聚乙烯?聚丙烯?聚氯乙烯?聚苯乙烯等?占比为?中的大部分将由性能更为优良的工程塑料和
3、特种高分子所取代?形成通用塑料?工程塑料?特种高分子三分天下的局面?年的统计却发现?通用高分子材料的占比并没有下降?反而增加了?特种高分子的比例远小于?纵观过去四十年的历史?仅有极少数?种?由新单体制备而得到新聚合物在市场上取得成功的应用?究其原因?除通用高分子材料具有先发优势?成本低廉以外?更由于高分子化学?高分子物理和高分子工程领域的进步而大幅度提高了研究者对高分子材料多尺度结构的设计与调控能力?进而大幅度提高了通用高分子材料的综合性能?从而不断满足市场对制品性能的要求?事实上?同样是聚乙烯或聚丙烯?其分子链结构已经与?年前有了很大的不同?其力学性能可以在很宽范围内变化?产品涵盖硬塑料到弹
4、性体?应用常见单体?通过改变催化剂?聚合机理?加工方式?可控制备更为复杂的结构以实现材料高性能化正日益成为高分子材料创新主要方式?当今?高分子合成材料的产量已超过每年?亿吨?这其中超过?的产品都是由配位聚合和自由基聚合制备而得?从分子链结构角度来说?配位聚合和自由基聚合产物主要是均聚物和无规共聚物?在链微结构的控制方面?人们可调控平均分子量?平均共聚组成?在配位聚合中?通过催化剂的设计?人们还可以很好地调控聚丙烯?聚丁二烯等的空间立体异构?对于嵌段共聚物?梯度共聚物等更复杂的链结构和分子量分布等调控?传统自由基聚合和配位聚合均无能为力?必须借助于活性?可控聚合?活性聚合的概念早在?年就已提出?
5、并相继发明了活性阴离子聚合?和活性阳离子聚合?但阴离子聚合和阳离子聚合适用单体少?应用局限性大?近二十年来?在高分子化学领域出现了活性配位聚合?链穿梭技术?活性?可控自由基聚合?等重要突破?为量大面广的聚合物材料的复杂聚合物链结构的可控制备提供基础?这些领域的文献极为浩繁?且已有许多综述发表?各方法的详细进展可参见综述文献?本文先简要介绍这些新技术的基本原理?在此基础上着重介绍这些技术在复杂链结构制备的新进展?讨论活性?可控聚合对高分子合成工业?高分子合成材料领域的潜在影响?活性?可控聚合化学机理超过?的合成高分子由自由基聚合和配位聚合机理制得?自由基聚合和配位聚合均属连锁聚合?其高分子链的形
6、成分链引发?链增长和链终止?个步骤?图?描述了传统自由基聚合的聚合机理?其链引发是一个?慢?过程?在反应过程中?不断有活性中心的形成和死亡?在自由基聚合中?终止反应是主要副反应?在传统自由基聚合中?链终 止 速 率 极 快?约 为?活性中心?自由基?形成后?迅速与单体发生加成反应?在经历大约?量级次加成增长反应后?活性链经偶合或岐化反应随机终止?形成分子量?万左右死链?传统自由基聚合反应的特点被总结为?慢引发?快增长?速终止?单根聚合物图?传统自由基聚合与?聚合机理比较?化?工?学?报?第?卷?链从引发?增长?终止?时间一般不到?配位聚合机理相似?但其引发是一个单体与金属空轨道配位的快过程?活
7、性链的失活?副反应?包括向活性链中的?转移和金属离子的终止反应?配位催化剂可对含手性中心的单体?如丙烯?的空间立构有高度的选择性?传统自由基聚合和配位聚合生成的聚合物分子量分布宽?共聚物链上的结构单元一般呈无规分布?无规共聚物?无法制备嵌段共聚物?活性聚合是高分子链形成的理想过程?在活性聚合中?要求所有高分子链几乎同时引发?形成增长活性中心?随后所有活性中心同时增长?无链转移和终止等副反应?直到单体消耗殆尽?反应结束?形成预设分子量的聚合物链?继续加入单体?聚合物链可进一步增长?因此可以通过序列加入不同单体来制备嵌段共聚物?世纪?年代?活性聚合首先在阴离子聚合中实现?世纪?年代?阳离子聚合实现
8、活性聚合?阴?阳离子聚合适用乙烯基单体少?采用有机金属催化剂?仅适于溶液聚合工艺?聚合过程能耗高?仅用于?等少数聚合物的生产?对于量大面广的自由基聚合和配位聚合的活性?可控聚合方法的研究直到?世纪末才取得突破?鉴于其对高分子合成工业的巨大的潜在影响?学术界和工业界均投入大量的人力?物力进行了广泛的研究?发表了大量的论文和专利?现已形成?聚合?等活性?可控自由基聚合?活性配位聚合?链穿梭聚合?等重要方法?活性?可控自由基聚合阴离子聚合可以实现无活性中心终止和链转移等形成死链的副反应?是真正意义上的活性聚合?对于自由基和配位聚合?终止和链转移等副反应无法根除?对这些体系?所谓活性?可控聚合?关键在
9、于从动力学角度抑制活性链的转移和终止反应?在活性自由基聚合中?人们通过引入反应速率与增长反应速率相当的可逆终止或可逆转移反应?迅速将活性链转化为无增长活性的休眠链?在后续反应中?这些休眠链通过可逆反应快速地?与增长速率相当?在活性和休眠状态间切换?实现分子链的?同时?增长?分子链的表观生长时间等同于单体的消耗时间?小时量级?为抑制终止反应?图?为自由基?反应过程中?活性链的稳态浓度必须维持在一个极低的水平?一般比传统自由基低一个量级?使得反应过程中不可逆终止反应形成的死聚物?副产物?含量大大低于休眠链的数目?对?聚合?机理见图?这通常通过控制引发剂种类和用量来实现?机理见图?和?机理与?类似?
10、无催化剂?引发剂为氮氧自由基加成物?体系通过可逆终止的方式来休眠自由基?实现聚合物链的轮换增长?通过选择合适催化剂体系或调控试剂?氮氧自由基?以调控可逆终止的平衡常数来调控稳态自由基浓度?对自由基聚合来说?实现活性?可控聚合的另一要求是快引发?希望体系中绝大部分的链在很低的单体转化率下就形成了?以?聚合为例?机理见图?其采用普通自由基引发剂?但由于?试剂?通常为双硫酯化合物?的引入?其链引发过程还包括向?试剂的转移反应?由于该反应速率远高于引发剂分解反应?因此?一个源自引发剂的自由基?可以发生多次向?试剂的链转移?每一次链转移反应将引发形成一条带?基团的新的活性链?该活性链被迅速休眠?因此?只
11、要?试剂的链转移常数足够高?快引发就可实现?快引发?相对于增长反应?对制备窄分子量分布的聚合物是非常重要的?在?聚合中?通过可逆链转移反应?活性链不断地休眠?激活?使所用链?同时?增长?活性?可控自由基聚合由于无法根除终止反应?聚合过程仍不断有少量死链形成?这一副反应的存在使得活性自由基聚合在均相聚合体系?如溶液聚合和本体聚合?中?难以可控制备高分子量的产物?因此?在活性自由基浩繁的文献中?极少有将目标分子量设在?万以上的?这么低的分子量通常无法作为材料来使用?图?聚合机理?为卤素?为氯化亚铜等金属盐催化剂?代表配体?为休眠链?乳液聚合的场所在原位形成的大小为?左右的乳胶粒子中?由于两个自由基
12、发生终止反应的速率常数极高?约为?在?第?期?罗英武?复杂聚合物链结构的可控制备与新材料这么小的乳胶粒内?同时存在两个自由基的概率极小?因此?乳胶粒内通常要么仅有一个自由基?要么没有自由基?即所谓?模型?体系中?自由基被隔离在分散于水中的乳胶粒内?彼此难以终止?从而大大降低了体系的表观终止速率常数?因而?与均相体系相比?活性自由基乳液聚合可大大降低终止反应的程度?从而大幅度提高体系的活性度?使可控制备高分子量聚合物成为可能?然而?理论和实验研究表明?上述结论仅适用于?聚合?对于?和?体系而言?由于可逆终止平衡大大倾向于形成休眠链?同时除自由基隔离效应外?还存在自由基的空间限制效应?使得乳液体系
13、在一定条件下虽能提高活性度?对聚 合 速 率 有 些 影 响 但 不 是 特 别 大?对?乳液聚合而言?原以为其聚合动力学与通常的乳液聚合体系不应有异?但研究发现由于不活泼的中间自由基的存在?使得聚合速率要慢一些?且其聚合速率与?试剂的平衡常数密切相关?单个乳胶粒内的平均自由基数可用下式表达?其中?和?分别是加和不加?试剂的?细?乳液聚合体系中每个粒子中的增长种自由基数?是?反 应 平 衡 常数?为?试剂浓度?该式对乳液聚合中选择?试剂的结构有重要指导意义?如果选择平衡常数太大的?试剂不仅会大幅度降低聚合速率?同时由于中间态自由基无法进行增长反应但可发生终止反应从而降低活性度?对于甲基丙烯酸甲
14、酯的?乳液聚合?由于向单体链转移常数较大?自由基的隔离效应较弱?使得在聚合前期聚合?聚合速率与本体一致?后期由于凝胶效应的出现?隔离效应增强?导致乳液聚合速率快于本体聚合?凝胶效应会降低链转移常数?使产物结构失控?通过适当提高聚合温度?可解决该问题?在?聚合中?单体与?试剂结构必须匹配?使?试剂有较高的链转移常数?才能对链引发和增长过程有较好的控制?使产物结构可控?这种匹配性使得?共聚合表现出复杂的行为?表观链转移常数与共聚单体组成呈非线性关系?在某些体系中?甚至会出现链转移常数在某一组成下?出现最小值的情况?因此?如果?试剂无法调控某一单体的聚合?引入少量共聚单体也许可以实现可控聚合?另一方
15、面?试剂对两单体的均聚合都能实现可控聚合?但它们的共聚合体系的可控性有可能变差?更有甚者?在聚合过程的后期?由于单体组成漂移?可导致聚合失控?乳液聚合并非像想象中 的 那 么 简 单?研究发现?如果采用经典乳化剂十二烷基磺酸钠?聚合过程会出现漂油现象?胶体失稳?同时分子量失控?分子量分布宽?起初?研究者推测这些现象可能与?试剂处于单体相?难以迁移到乳胶粒内?聚合场所?有关?因而?研究重点转向?细乳液聚合?在细乳液聚合中?试剂自反应开始就处于反应场所细液滴中?但结果发现上述问题仍然存在?等?在理论模拟的基础上?提出?超级溶胀?理论解释上述现象?模拟发现?在反应初期最先成核粒子中反应生成的大量齐聚
16、物可吸收大量细液滴中的单体?从而使自己被溶胀成接近微米级的液滴?这些大液滴在浮力和搅拌的作用下形成了漂油?该理论受到系列实验的支持?后来该理论又被推广到乳液聚合体系?在该理论的指导下?现已成功实现了?细乳液?和乳液聚合?在?乳液聚合中?澳大利亚?等?提出用双亲性?试剂作为乳化剂来解决?试剂必须从单体液滴迁移到乳 胶 粒 中 的 问 题?他 们 合 成 了 由 较 短 丙 烯 酸?链段和较长疏水链段组成的双亲性?试剂?将?链 段 中 和后?作为乳化剂应用于乳液聚合?发现聚合过程中胶体稳定?但分子量与理论预计不符?分子量分布过宽?法国?等?将双亲型?试剂的亲水链段设计成聚氧乙烯醚?进行丙烯酸丁酯的
17、?乳液聚合?发现目标分子量较低时?聚合过程稳定?可控?但当目标分子量提高后?出现凝聚物?等?将?试剂设计成较长的?链段和较短的疏水链段?在不中和的情况下?进行苯乙烯和丙烯酸丁酯的?乳液聚合?发现乳液稳定?分子量与理论预计相符?分子量分布窄?在制备高分子量?万?聚合物时?成核期结束后中和部分羧酸?聚合过程乳液稳定?产物结构可控?等?的研究还表明?通过选择合适的小分子?试剂?试剂可在聚合早期就从单体液滴迁移到乳胶粒子中?从而实现快引?化?工?学?报?第?卷?发?其 原 因 在 于?在 胶 束 中 当 自 由 基 转 移 到?试剂时?形成的新自由基会迅速逃逸到水中?无法引发聚合反应?该过程会一直持续
18、到大部分?试 剂 分 子 转 化 后?这一 有 趣 的 现 象 使?试剂在很低的单体转化率下就实现了迁移?活性配位聚合活性配位聚合的实现主要是发现可大幅度抑制链转移和链终止反应的催化剂?年?等?首先报道了钒催化的活性配位聚合?此后?随着烯烃催化剂理性设计研究领域的进展?过渡金属催化活性配位聚合研究变得活跃?年?三井化学公司的研究人员发现氟代钛系?催化剂?结构见图?在?活化下对乙烯和丙烯聚合均表现出活性聚合特征?且可大幅度提高活性聚合产物的分子量?通过量化计算和产物结构的表征结果发现?配体苯环上邻位上氟原子与增长链末端的?氢形成氢键?大大降低了活性中心夺取?氢的链转移反应的速率?使体系表现出活性
19、聚合的特征?在?以下?氟代?催化剂对烯烃的均聚和共聚合均表现出很好的活性聚合特征?随着温度升高?活性聚合特征变差?这可从氢键作用较弱得到理解?其聚乙烯产物基本为直链结构?聚丙烯产物则有较高的间规选择性?最近?等?报道了高等规选择性?丙烯活性聚合的催化剂?在活性配位聚合中?每个金属活性中心仅能催化一根活性链?其催化活性大约为?聚合物?催化剂?仅为现有工业化催化剂的千分之一?图?催化剂及其配位物结构?为氟带苯基?为?年?等?报道了一个极有创意的震荡式?丙烯催化聚合体系?体系中含两种催化剂?一种可制备高等规度聚丙烯?熔点约为?常温下高模量?硬?另一种催化得到无规聚丙烯?无定型态?常温下低模量?软?在
20、链的增长过程中?增长链可逆地在两种活性中心上络合?从而形成由软硬链段交替而成的多嵌段聚丙烯?年?化学公司的科学家根据上述不同催化剂间切换增长和可逆链转移的思想?提出?链穿梭?聚合的概念?在?链穿梭?聚合中?采用至少两种催化剂和至少一种穿梭剂?穿梭剂实际上是烯烃配位聚合的链转移剂?如二烷基锌?烷基铝等?在聚合过程中?活性增长链会从催化剂活性中心转移到链穿梭剂上?从而休眠?形成休眠链?休眠链可转移到另一催化活性中心继续增长?通过穿梭剂的作用?聚合物链可在不同催化活性中心中分段增长?最终形成聚合物链?当不同催化活性中心具有不同的共聚能力时?链穿梭聚合即可制备出不同性能的嵌段共聚物?低共聚能力的催化剂
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- 复杂 聚合物 链结 可控 制备 新材料
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