В химии полимеров ступенчатая полимеризация относится к типу механизма полимеризации , в котором бифункциональные или многофункциональные мономеры реагируют с образованием сначала димеров , затем тримеров , более длинных олигомеров и, в конечном итоге, длинноцепочечных полимеров . Многие встречающиеся в природе и некоторые синтетические полимеры производятся путем ступенчатой полимеризации, например , полиэфиры , полиамиды , полиуретаны и т. д. Из-за природы механизма полимеризации для достижения высокой молекулярной массы требуется высокая степень реакции . Самый простой способ визуализировать механизм ступенчатой полимеризации — это группа людей, которые протягивают руки, чтобы сформировать человеческую цепь — у каждого человека две руки (= реактивные участки). Также существует возможность иметь более двух реактивных участков на мономере: В этом случае происходит производство разветвленных полимеров.
ИЮПАК исключил термин «полимеризация ступенчатого роста » и рекомендует использовать термины «полиприсоединение» (когда этапы роста представляют собой реакции присоединения , и на этих этапах молекулы не выделяются) и «поликонденсация» (когда этапы роста представляют собой реакции конденсации , и на этих этапах молекулы выделяются ).
Большинство природных полимеров, используемых на ранней стадии человеческого общества, относятся к конденсационному типу. Синтез первого по-настоящему синтетического полимерного материала, бакелита , был объявлен Лео Бакеландом в 1907 году с помощью типичной ступенчатой полимеризации фенола и формальдегида . Пионер науки о синтетических полимерах Уоллес Карозерс разработал новый способ получения полиэфиров с помощью ступенчатой полимеризации в 1930-х годах в качестве руководителя исследовательской группы в DuPont . Это была первая реакция, разработанная и проведенная с конкретной целью создания высокомолекулярных полимерных молекул, а также первая реакция полимеризации, результаты которой были предсказаны научной теорией. Карозерс разработал ряд математических уравнений для описания поведения систем ступенчатой полимеризации, которые до сих пор известны как уравнения Карозерса. Сотрудничая с Полом Флори , физико-химиком, они разработали теории, описывающие больше математических аспектов ступенчатой полимеризации, включая кинетику, стехиометрию, распределение молекулярной массы и т. д. Карозерс также хорошо известен своим изобретением нейлона .
«Полимеризация ступенчатого роста» и конденсационная полимеризация — это два разных понятия, не всегда идентичные. Фактически полиуретан полимеризуется с помощью аддитивной полимеризации (потому что его полимеризация не производит малых молекул), но его механизм реакции соответствует полимеризации ступенчатого роста.
Различие между «полимеризацией присоединения» и «полимеризацией конденсации» было введено Уоллесом Карозерсом в 1929 году и относится к типу продуктов, соответственно: [2] [3]
Различие между «ступенчатой полимеризацией» и «цепной полимеризацией» было введено Полом Флори в 1953 году и относится к механизмам реакции , соответственно: [4]
Эту технологию обычно сравнивают с полимеризацией с ростом цепи, чтобы показать ее характеристики.
Классы полимеров ступенчатого роста: [6] [7]
Мономер с функциональностью 3 или более вносит разветвления в полимер и в конечном итоге образует сшитую макроструктуру или сеть даже при низкой фракционной конверсии. Точка, в которой древовидная топология переходит в сеть, известна как точка геля , поскольку она сигнализируется резким изменением вязкости . Один из самых ранних так называемых термореактивных полимеров известен как бакелит . Не всегда вода выделяется при ступенчатой полимеризации: при ациклическом диеновом метатезисе или ADMET диены полимеризуются с потерей этена .
Кинетику и скорости ступенчатой полимеризации можно описать с помощью механизма полиэтерификации. Простая этерификация — это катализируемый кислотой процесс, в котором за протонированием кислоты следует взаимодействие со спиртом для получения эфира и воды. Однако для этой кинетической модели необходимо сделать несколько предположений. Первое предположение заключается в том, что вода (или любой другой продукт конденсации) эффективно удаляется. Во-вторых, реакционная способность функциональных групп не зависит от длины цепи. Наконец, предполагается, что на каждом этапе задействован только один спирт и одна кислота.
Это общий закон скорости степени полимеризации для полиэтерификации, где n = порядок реакции.
Если не добавлять кислотный катализатор, реакция все равно будет протекать, поскольку кислота может действовать как свой собственный катализатор. Скорость конденсации в любой момент времени t может быть выведена из скорости исчезновения групп -COOH и
Член второго порядка возникает из-за его использования в качестве катализатора, а k — константа скорости. Для системы с эквивалентными количествами кислоты и гликоля концентрация функциональных групп может быть записана просто как
После интегрирования и подстановки из уравнения Карозерса окончательная форма имеет следующий вид:
Для самокаталитической системы среднечисловая степень полимеризации (X n ) растет пропорционально . [11]
Некатализированная реакция довольно медленная, и высокое значение X n нелегко достичь. В присутствии катализатора скорость увеличивается, и кинетическое выражение изменяется на [1]
который кинетически является первым порядком в каждой функциональной группе. Следовательно,
и интеграция дает в конечном итоге
Для внешне катализируемой системы среднечисловая степень полимеризации растет пропорционально .
Продукт полимеризации представляет собой смесь полимерных молекул с разной молекулярной массой. По теоретическим и практическим причинам интересно обсудить распределение молекулярной массы при полимеризации. Распределение молекулярной массы (ММР) было получено Флори с помощью статистического подхода, основанного на концепции равной реакционной способности функциональных групп. [12] [13]
Ступенчатая полимеризация — это случайный процесс, поэтому мы можем использовать статистику для расчета вероятности обнаружения цепи с x-структурными единицами («x-мер») в зависимости от времени или конверсии.
Вероятность того, что функциональная группа «А» прореагировала
Вероятность обнаружения непрореагировавшего «А»
Объединение двух приведенных выше уравнений приводит к.
Где P x — вероятность обнаружения цепочки длиной в x единиц с непрореагировавшим 'A'. С увеличением x вероятность уменьшается.
Распределение числа фракций представляет собой долю икс-меров в любой системе и равно вероятности их обнаружения в растворе.
Где N — общее количество молекул полимера, присутствующих в реакции. [14]
Распределение массовой доли — это доля икс-меров в системе и вероятность их обнаружения с точки зрения массовой доли. [1]
Примечания:
Подставляя из уравнения Каротерса
Теперь мы можем получить:
Индекс полидисперсности (ИПД) — это мера распределения молекулярной массы в данном образце полимера.
Однако для ступенчатой полимеризации уравнение Карозерса можно использовать для замены и переписать эту формулу следующим образом.
Следовательно, при ступенчатом росте, когда p=1, то PDI=2.
Существует два важных аспекта, касающихся контроля молекулярной массы при полимеризации. При синтезе полимеров обычно заинтересованы в получении продукта с очень специфической молекулярной массой, поскольку свойства полимера обычно сильно зависят от молекулярной массы. Молекулярная масса выше или ниже желаемой массы одинаково нежелательны. Поскольку степень полимеризации является функцией времени реакции, желаемую молекулярную массу можно получить, остановив реакцию в соответствующее время. Однако полимер, полученный таким образом, нестабилен, поскольку это приводит к изменению молекулярной массы, поскольку концы полимерной молекулы содержат функциональные группы, которые могут далее реагировать друг с другом.
Этой ситуации можно избежать, регулируя концентрации двух мономеров так, чтобы они были слегка нестехиометрическими. Один из реагентов присутствует в небольшом избытке. Затем полимеризация продолжается до точки, в которой один реагент полностью израсходован, и все концы цепи обладают той же функциональной группой, которая находится в избытке. Дальнейшая полимеризация невозможна, и полимер стабилен к последующим изменениям молекулярной массы.
Другой метод достижения желаемой молекулярной массы заключается в добавлении небольшого количества монофункционального мономера, мономера с одной функциональной группой. Монофункциональный мономер, часто называемый стоппером цепи, контролирует и ограничивает полимеризацию бифункциональных мономеров, поскольку растущий полимер дает концы цепи, лишенные функциональных групп и, следовательно, неспособные к дальнейшей реакции. [13]
Для надлежащего контроля молекулярной массы полимера необходимо точно отрегулировать стехиометрический дисбаланс бифункционального мономера или монофункционального мономера. Если нестехиометрический дисбаланс слишком велик, молекулярная масса полимера будет слишком низкой. Важно понимать количественное влияние стехиометрического дисбаланса реагентов на молекулярную массу. Кроме того, это необходимо для того, чтобы знать количественное влияние любых реактивных примесей, которые могут присутствовать в реакционной смеси либо изначально, либо которые образуются в результате нежелательных побочных реакций. Примеси с функциональными группами A или B могут резко снизить молекулярную массу полимера, если их присутствие не учитывается количественно. [13]
Более полезно, точно контролируемый стехиометрический дисбаланс реагентов в смеси может обеспечить желаемый результат. Например, избыток диамина над хлоридом кислоты в конечном итоге даст полиамид с двумя концевыми аминогруппами, неспособными к дальнейшему росту, когда хлорид кислоты будет полностью израсходован. Это можно выразить в расширении уравнения Карозерса как,
где r — отношение числа молекул реагентов.
Уравнение выше можно также использовать для монофункциональной добавки, которая выглядит следующим образом:
где N B — число добавленных монофункциональных молекул. Коэффициент 2 перед N B необходим, поскольку одна молекула B имеет тот же количественный эффект, что и одна избыточная молекула BB. [15]
Мономер с функциональностью 3 имеет 3 функциональные группы, которые участвуют в полимеризации. Это приведет к разветвлению полимера и в конечном итоге может сформировать сшитую макроструктуру. Точка, в которой формируется эта трехмерная 3D- сетка, известна как точка геля , сигнализируемая резким изменением вязкости.
Более общий фактор функциональности f av определяется для многоцепочечной полимеризации как среднее число функциональных групп, присутствующих на единицу мономера. Для системы, содержащей N 0 молекул изначально и эквивалентные числа двух функциональных групп A и B, общее число функциональных групп равно N 0 f av .
А модифицированное уравнение Карозерса [16]
Движущей силой в разработке новых полимеров является перспектива замены других конструкционных материалов, особенно металлов, с помощью легких и термостойких полимеров. Преимущества легких полимеров включают: высокую прочность, стойкость к растворителям и химическим веществам, способствующие разнообразию потенциальных применений, таких как электрические и двигательные детали в автомобильных и авиационных компонентах, покрытия для посуды, покрытия и печатные платы для электронных и микроэлектронных устройств и т. д. Полимерные цепи на основе ароматических колец желательны из-за высокой прочности связей и жестких полимерных цепей. Высокая молекулярная масса и сшивание желательны по той же причине. Сильные диполь-дипольные, водородные связи и кристалличность также улучшают термостойкость. Для получения желаемой механической прочности необходимы достаточно высокие молекулярные массы, однако снижение растворимости является проблемой. Одним из подходов к решению этой проблемы является введение некоторых гибких связей, таких как изопропилиден, C=O и SO
2в жесткую полимерную цепь с использованием соответствующего мономера или сомономера. Другой подход включает синтез реакционноспособных телехелатных олигомеров, содержащих функциональные концевые группы, способные реагировать друг с другом, полимеризация олигомера дает более высокую молекулярную массу, называемую удлинением цепи. [17]
Окислительная полимеризация многих 2,6-дизамещенных фенолов с использованием каталитического комплекса соли меди и амина образует ароматические полиэфиры , коммерчески называемые поли(п-фениленоксид) или ППО. Чистый ППО имеет мало коммерческого применения из-за его высокой вязкости расплава. Его доступными продуктами являются смеси ППО с ударопрочным полистиролом (HIPS).
Полиэфирсульфон (ПЭС) также называют полиэфиркетоном, полисульфоном . Он синтезируется путем нуклеофильного ароматического замещения между ароматическими дигалогенидами и бисфенолятными солями. Полиэфирсульфоны частично кристалличны, обладают высокой устойчивостью к широкому спектру водных и органических сред. Они рассчитаны на непрерывную работу при температурах 240-280 °C. Поликетоны находят применение в таких областях, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, изоляция электро-электронных кабелей.
Поли(п-фениленсульфид) (ППС) синтезируется путем реакции сульфида натрия с п-дихлорбензолом в полярном растворителе, таком как 1-метил-2-пирролидинон (НМП). Он по своей природе огнестойкий и устойчив к органическим и водным условиям; однако он несколько восприимчив к окислителям. Применения ППС включают автомобилестроение, компоненты микроволновых печей, покрытия для посуды при смешивании с фторуглеродными полимерами и защитные покрытия для клапанов, труб, электродвигательных ячеек и т. д. [18]
Ароматические полиимиды синтезируются путем реакции диангидридов с диаминами, например, пиромеллитового ангидрида с п -фенилендиамином . Это также может быть достигнуто с использованием диизоцианатов вместо диаминов. Соображения растворимости иногда предполагают использование полукислотного полуэфира диангидрида вместо самого диангидрида. Полимеризация осуществляется двухстадийным процессом из-за нерастворимости полиимидов. На первой стадии образуется растворимая и плавкая высокомолекулярная полиаминовая кислота в полярном апротонном растворителе, таком как NMP или N,N-диметилацетамид . Затем полиаминовая кислота может быть переработана в желаемую физическую форму конечного полимерного продукта (например, пленка, волокно, ламинат, покрытие), который нерастворим и неплавок.
Подход с использованием телехелического олигомера применяет обычный способ полимеризации, за исключением того, что он включает монофункциональный реагент для остановки реакции на стадии олигомера, как правило, с молекулярной массой 50-3000. Монофункциональный реагент не только ограничивает полимеризацию, но и блокирует олигомер функциональными группами, способными к последующей реакции для достижения отверждения олигомера. Для этой цели использовались функциональные группы, такие как алкин , норборнен , малеимид , нитрит и цианат . Олигомеры с концевыми группами малеимида и норборнена можно отверждать нагреванием. Олигомеры с концевыми группами алкина, нитрила и цианата могут подвергаться циклотримеризации, давая ароматические структуры.