stringtranslate.com

Ступенчатая полимеризация

Общее представление ступенчатой ​​полимеризации. (Одиночные белые точки представляют собой мономеры, а черные цепи представляют собой олигомеры и полимеры) [1]
Сравнение молекулярной массы и графика конверсии между полимеризацией со ступенчатым ростом и полимеризацией с ростом живой цепи

В химии полимеров ступенчатая полимеризация относится к типу механизма полимеризации , при котором бифункциональные или многофункциональные мономеры реагируют с образованием сначала димеров , затем тримеров , более длинных олигомеров и, в конечном итоге, полимеров с длинной цепью . Многие природные 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, держащихся за руки, образуя человеческую цепь — у каждого человека две руки (= реактивные центры). Также возможно наличие более двух реакционных центров на мономере: в этом случае происходит получение разветвленных полимеров.

ИЮПАК отказался от термина « ступенчатая полимеризация» и рекомендует использовать термины «полиприсоединение» (когда этапы распространения представляют собой реакции присоединения и молекулы не образуются на этих этапах) и «поликонденсация» (когда этапы распространения представляют собой реакции конденсации , и во время них образуются молекулы ). шаги).

Исторические аспекты

Большинство природных полимеров, использовавшихся на ранних этапах развития человеческого общества, относятся к конденсационному типу. Синтез первого по-настоящему синтетического полимерного материала, бакелита , был объявлен Лео Бэкеландом в 1907 году посредством типичного метода ступенчатой ​​полимеризации фенола и формальдегида . Пионер науки о синтетических полимерах Уоллес Карозерс в 1930-х годах в качестве руководителя исследовательской группы в компании DuPont разработал новый способ получения полиэфиров посредством ступенчатой ​​полимеризации . Это была первая реакция, разработанная и проведенная с конкретной целью создания молекул высокомолекулярного полимера, а также первая реакция полимеризации, результаты которой были предсказаны научной теорией. Карозерс разработал серию 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 более математические аспекты ступенчатой ​​полимеризации, включая кинетику, стехиометрию, распределение молекулярной массы и т. д. Каротерс также хорошо известен своим изобретением нейлона .

Конденсационная полимеризация

«Ступенчатая ростовая полимеризация» и конденсационная полимеризация — это два разных понятия, не всегда идентичных. Фактически полиуретан полимеризуется путем аддитивной полимеризации (поскольку при его полимеризации не образуется малых молекул), но механизм его реакции соответствует ступенчатой ​​полимеризации.

Различие между «аддитивной полимеризацией» и «конденсационной полимеризацией» было введено Уоллесом Каротерсом в 1929 году и относится к типу продуктов соответственно: [2] [3]

Различие между «полимеризацией со ступенчатым ростом» и «полимеризацией с ростом цепи» было введено Полом Флори в 1953 году и относится к механизмам реакции соответственно: [4]

Отличия от полимеризации с ростом цепи

Этот метод обычно сравнивают с полимеризацией с ростом цепи , чтобы показать его характеристики.

Классы полимеров ступенчатого роста

Примеры мономерных систем, подвергающихся ступенчатой ​​полимеризации. [5] Выделены реактивные функциональные группы.

Классы полимеров ступенчатого роста: [6] [7]

Разветвленные полимеры

Мономер с функциональностью 3 или более приведет к разветвлению полимера и в конечном итоге образует сшитую макроструктуру или сетку даже при низкой фракционной конверсии. Точка, в которой древовидная топология переходит в сеть, известна как точка геля, поскольку о ней сигнализирует резкое изменение вязкости . Один из самых ранних так называемых термореактивных материалов известен как бакелит . При ступенчатой ​​полимеризации не всегда выделяется вода: при метатезисе ациклических диенов или ADMET диены полимеризуются с потерей этена .

Кинетика

Кинетику и скорость ступенчатой ​​полимеризации можно описать с помощью механизма полиэтерификации. Простая этерификация представляет собой процесс, катализируемый кислотой, при котором за протонированием кислоты следует взаимодействие со спиртом с образованием сложного эфира и воды. Однако для этой кинетической модели необходимо сделать несколько допущений. 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 используется только один спирт и одна кислота.

Это общий закон скорости полимеризации для полиэтерификации, где n = порядок реакции.

Самокатализируемая полиэтерификация

Если не добавлять кислотный катализатор, реакция все равно будет продолжаться, поскольку кислота может действовать как собственный катализатор. Затем скорость конденсации в любой момент времени t можно определить по скорости исчезновения групп -СООН и

Член второго порядка возникает в результате его использования в качестве катализатора, а k — константа скорости. Для системы с эквивалентными количествами кислоты и гликоля концентрацию функциональной группы можно записать просто как

После интегрирования и замены из уравнения Карозерса окончательный вид будет следующим:

Для самокаталитической системы среднечисленная степень полимеризации (X n ) растет пропорционально . [11]

Внешняя катализируемая полиэтерификация

Некатализируемая реакция протекает довольно медленно, и высокое значение X n достигается нелегко. В присутствии катализатора происходит ускорение скорости и кинетическое выражение изменяется на [1]

что является кинетически первым порядком в каждой функциональной группе. Следовательно,

и интеграция дает наконец

Для системы с внешним катализом среднечисловая степень полимеризации растет пропорционально .

Распределение молекулярной массы при линейной полимеризации

Продукт полимеризации представляет собой смесь молекул полимера с разной молекулярной массой. По теоретическим и практическим причинам интересно обсудить распределение молекулярных масс при полимеризации. Распределение молекулярной массы (MWD) было получено Флори с помощью статистического подхода, основанного на концепции равной реакционной способности функциональных групп. [12] [13]

Вероятность

Ступенчатая полимеризация — это случайный процесс, поэтому мы можем использовать статистику для расчета вероятности обнаружения цепи с х-структурными единицами («х-мер») в зависимости от времени или конверсии.

Вероятность того, что функциональная группа «А» прореагировала

Вероятность обнаружить букву «А» непрореагировавшей

Объединение двух приведенных выше уравнений приводит к .

Где P x — вероятность найти цепочку длиной x единиц и непрореагировавшую букву «A». По мере увеличения x вероятность уменьшается.

Распределение числовых дробей

Кривая распределения числа-фракции для линейной полимеризации. График 1, р=0,9600; график 2, р=0,9875; график 3, р=0,9950.

Числовое распределение фракций представляет собой долю х-меров в любой системе и равняется вероятности найти его в растворе.

Где N — общее количество молекул полимера, участвующих в реакции. [14]

Распределение весовых фракций

График распределения массовых долей при линейной полимеризации. График 1, р=0,9600; график 2, р=0,9875; график 3, р=0,9950.

Распределение массовых долей представляет собой долю х-меров в системе и вероятность их обнаружения в пересчете на массовую долю. [1]

Примечания:

  • M o – молярная масса повторяющейся единицы ,
  • N o – исходное число молекул мономера,
  • N количество непрореагировавших функциональных групп.

Подставив из уравнения Карозерса

Теперь мы можем получить:

ПДИ

Индекс полидисперсности (PDI) является мерой распределения молекулярной массы в данном образце полимера.

Однако для ступенчатой ​​полимеризации уравнение Каротерса можно использовать для замены и преобразования этой формулы в следующую.

Следовательно, при ступенчатом росте, когда p=1, PDI=2.

Контроль молекулярной массы при линейной полимеризации

Необходимость стехиометрического контроля

Есть 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. Молекулярные массы выше или ниже желаемой массы в равной степени нежелательны. Поскольку степень полимеризации является функцией времени реакции, желаемую молекулярную массу можно получить путем гашения реакции в подходящее время. Однако полученный таким способом полимер нестабилен, что приводит к изменению молекулярной массы, поскольку концы молекулы полимера содержат функциональные группы, которые могут в дальнейшем 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 одной и той же функциональной группой из группы, 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 только с одной функциональной группой. Монофункциональный мономер, часто называемый стопором цепи, контролирует и ограничивает полимеризацию бифункциональных мономеров, поскольку растущий полимер дает концы цепей, лишенные функциональных групп и, следовательно, неспособные к дальнейшей реакции. [13]

Количественные аспекты

Чтобы правильно контролировать молекулярную массу полимера, необходимо точно отрегулировать стехиометрический дисбаланс бифункционального мономера или монофункционального мономера. Если нестехиометрический дисбаланс слишком велик, молекулярная масса полимера будет слишком низкой. Важно понять количественное влияние стехиометрического дисбаланса реагентов на молекулярную массу. Кроме того, это необходимо для того, чтобы узнать количественный эффект любых реакционноспособных примесей, которые могут присутствовать в реакционной смеси либо изначально, либо образоваться в результате нежелательных побочных реакций. Примеси с функциональными группами A или B могут резко снизить молекулярную массу полимера, если их присутствие не принимается во внимание количественно. [13]

Более полезно то, что точно контролируемый стехиометрический дисбаланс реагентов в смеси может обеспечить желаемый результат. Например, избыток диамина над хлорангидридом в конечном итоге приведет к образованию полиамида с двумя концевыми аминогруппами, неспособным к дальнейшему росту, когда хлорангидрид полностью израсходуется. Это можно выразить в расширении уравнения Карозерса следующим образом:

где r – соотношение числа молекул реагентов.

где N BB представляет собой молекулу в избытке.

Приведенное выше уравнение также можно использовать для монофункциональной добавки, которая выглядит следующим образом:

где N B — количество 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]

Многоцепная полимеризация

Мономер с функциональностью 3 имеет 3 функциональные группы, которые участвуют в полимеризации. Это приведет к разветвлению полимера и в конечном итоге может образовать сшитую макроструктуру. Точка, в которой формируется эта трехмерная 3D- сетка, известна как точка геля , о чем свидетельствует резкое изменение вязкости.

Более общий коэффициент функциональности fav определяется для многоцепной полимеризации как среднее количество функциональных групп, присутствующих на единицу мономера. Для системы, содержащей изначально N 0 молекул и эквивалентное количество двух функциональных групп A и B, общее количество функциональных групп равно N 0 f av .

А модифицированное уравнение Карозерса имеет вид [16]

, где p равно

Достижения в области полимеров ступенчатого роста

Движущей силой создания новых полимеров является перспектива замены других конструкционных материалов, особенно металлов, легкими и термостойкими полимерами. К преимуществам легких полимеров относятся: высокая прочность, стойкость к растворителям и химическому воздействию, что способствует множеству потенциальных применений, например, в электрических деталях и деталях двигателей автомобилей и самолетов, покрытиях на кухонной посуде, покрытиях и печатных платах для электронных и микроэлектронных устройств и т. д. Полимерные цепи на основе ароматических колец желательны из-за высокой прочности связи и жесткости полимерных цепей. По той же причине желательны высокая молекулярная масса и сшивание. Сильные диполь-дипольные взаимодействия, взаимодействия водородных связей 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.
2
в жесткую полимерную цепь с использованием подходящего мономера или сомономера. Другой подход включает синтез реакционноспособных телехелатных олигомеров, содержащих функциональные концевые группы, способные вступать в реакцию друг с другом; полимеризация олигомера дает более высокую молекулярную массу, называемую удлинением цепи. [17]

Ароматический полиэфир

Окислительная полимеризация многих 2,6-дизамещенных фенолов с использованием каталитического комплекса соли меди и амина образует ароматические полиэфиры , коммерчески называемые поли(п-фениленоксид) или ПФО. Чистый ППО имеет мало коммерческого применения из-за его высокой вязкости расплава. Доступная продукция представляет собой смесь ППО и ударопрочного полистирола (HIPS).

Полиэфирсульфон

Полиэфирсульфон (ПЭС) также называют полиэфиркетоном, полисульфоном . Его синтезируют путем нуклеофильного ароматического замещения между ароматическими дигалогенидами и солями бисфенолятов. Полиэфирсульфоны частично кристаллические, обладают высокой устойчивостью к широкому спектру водных и органических сред. Они рассчитаны на непрерывную работу при температуре 240–280 °C. Поликетоны находят применение в таких областях, как автомобилестроение, авиакосмическая промышленность, изоляция электрических и электронных кабелей.

Ароматические полисульфиды

Поли(п-фениленсульфид) (ПФС) синтезируют путем реакции сульфида натрия с п-дихлорбензолом в полярном растворителе, таком как 1-метил-2-пирролидинон (NMP). Он по своей природе огнестойкий и устойчив к органическим и водным условиям; однако он несколько чувствителен к окислителям. Применения PPS включают автомобильную промышленность, компоненты микроволновых печей, покрытие кухонной посуды в смеси с фторуглеродными полимерами и защитные покрытия для клапанов, труб, электродвижущих элементов и т. д. [18].

Ароматический полиимид

Ароматические полиимиды синтезируют реакцией диангидридов с диаминами, например пиромеллитового ангидрида с п -фенилендиамином . Этого также можно достичь, используя диизоцианаты вместо диаминов. Из соображений растворимости иногда предлагается использовать полуэфир диангидрида вместо самого диангидрида. Полимеризация осуществляется в два этапа из-за нерастворимости полиимидов. На первой стадии образуется растворимая и легкоплавкая высокомолекулярная полиаминокислота в полярном апротонном растворителе, таком как NMP или N,N-диметилацетамид . Полиаминокислоту затем можно переработать в желаемую физическую форму конечного полимерного продукта (например, пленки, волокна, ламината, покрытия), который является нерастворимым и неплавким.

Телехелатный олигомерный подход

В подходе с использованием телехелатных олигомеров применяется обычный метод полимеризации, за исключением того, что один из них включает монофункциональный реагент для остановки реакции на стадии олигомера, обычно с молекулярной массой 50-3000. Монофункциональный реагент не только ограничивает полимеризацию, но и замыкает концевые группы олигомера функциональными группами, способными к последующей реакции с целью отверждения олигомера. Для этой цели использовались функциональные группы, такие как алкин , норборнен , малеимид , нитрит и цианат . Олигомеры малеимида и норборнена, блокированные по концам, можно отверждать нагреванием. Алкиновые, нитрильные и цианатные олигомеры с концевыми концевыми группами могут подвергаться циклотримеризации с образованием ароматических структур.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abc Коуи Дж. М., Арриги В. (2008). Полимеры: химия и физика современных материалов (3-е изд.). ЦРК Пресс.
  2. ^ Каротерс WH (1929). «Исследования по полимеризации и образованию колец. I. Введение в общую теорию конденсационных полимеров». Журнал Американского химического общества . 51 (8): 2548–2559. дои : 10.1021/ja01383a041.
  3. ^ Флори П.Дж. (1953). Основы химии полимеров. Издательство Корнельского университета. п. 39. ИСБН 0-8014-0134-8.
  4. ^ Селке С.Е., Калтер Дж.Д., Эрнандес Р.Дж. (2004). Пластиковая упаковка: свойства, обработка, применение и правила. Хансер. п. 29. ISBN 1-56990-372-7.
  5. ^ Шамбоек В., Иедема П.Д., Кривень I (февраль 2019 г.). «Динамические сети, которые управляют процессом необратимой ступенчатой ​​полимеризации». Научные отчеты . 9 (1): 2276. doi : 10.1038/s41598-018-37942-4. ПМК 6381213 . ПМИД  30783151. 
  6. ^ Сеймур Р. (1992). Химия полимеров. Введение . Марсель Деккер, Inc. ISBN 978-0-8247-8719-6.
  7. ^ Марк Х.Ф., Бикалес Н.М., Овербергер К.Г., Менгес Г. (1988). Энциклопедия полимерной науки и техники . Нью-Йорк: Wiley-Interscience.
  8. ^ Ван Л, Луо Ю, Сюэ Л, Тянь Дж, Ху Ю, Ци Х и др. (2007). «Получение и свойства новой политриазоловой смолы». Дж. Прил. Полим. Наука . 104 (2): 1038–1042. дои : 10.1002/app.24849.
  9. ^ Ли Ю, Ван Л, Чжоу Х, Хуан Ф, Ду Л (2013). «Новый органогель на основе политриазола, образованный под воздействием ионов меди». Полим. Хим . 4 (12): 3444–3447. дои : 10.1039/C3PY00227F.
  10. ^ ван Дейк М., Ноллет М.Л., Вейерс П., Дешен AC, ван Нострум CF, Хеннинк WE и др. (октябрь 2008 г.). «Синтез и характеристика биоразлагаемых полимеров на основе пептидов, полученных с помощью микроволновой клик-химии». Биомакромолекулы . 9 (10): 2834–43. дои : 10.1021/bm8005984. ПМИД  18817441.
  11. ^ Гнану Ю, Фонтаниль М (2007). Органическая и физическая химия полимеров . Уайли. ISBN 978-0-471-72543-5.
  12. ^ Флори П. (1990). Основы химии полимеров . Издательство Корнельского университета. стр. 321–322. ISBN 9780801401343.
  13. ^ abc Одиан Г (1991). Принципы полимеризации . Джон Уайли и сыновья, Inc. ISBN 978-0-471-61020-5.
  14. ^ Стокмайер В. (1952). «Молекулярное распределение в конденсационных полимерах». Журнал полимерной науки . IX (1): 69–71. Бибкод : 1952JPoSc...9...69S. дои :10.1002/pol.1952.120090106.
  15. ^ Стивенс М (1990). Химия полимеров. Введение . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0195057591.
  16. ^ Уоллес Каротерс (1936). «Полимеры и полифункциональность». Труды Фарадеевского общества . 32 : 39–49. дои : 10.1039/TF9363200039.
  17. ^ Роджерс М.Э., Лонг Т.Э., Тернерс С.Р. Синтетические методы в полимерах ступенчатого роста . Уайли-Интерсайенс.
  18. ^ Уолтон Д., Филипп Л. (2000). Полимеры . Оксфордский университет Pr по запросу. ISBN 978-0-19-850389-7.

Внешние ссылки