本體、溶液、懸浮以及乳液等許多不同的方法都可用來進行加成聚合.而其中乳液聚合具有非常顯著的優(yōu)點,由它所得聚合物分子量高,分子量分布窄,低溫下轉化率高,同時對于放熱聚合反應可以有效地進行控制.
乳液一詞在這里是用來描述一種液相在另一液相中的分散(它的分散顆粒大小一般相當于膠體).與溶液不同,它在重力作用下會產(chǎn)生沉淀,引起分散的消失.然而,乳液變質的速度是緩慢的,并由兩個可變實驗參數(shù)決定——顆粒大小和界面張力.在分散足夠大、界面張力已減小的體系里將完全看不到沉淀.由聚合物的分散相和水的連續(xù)相組成的穩(wěn)定乳液稱之為膠乳.
乳液聚合所用的兩種液體是互不混溶的,因為它們是不同的溶劑類型,一為高極性的,另一為非極性的.水和烴就是一個典型的例子.水分子是極性的,并以氫鍵締合在一起.當水與其它極性物質混合時,由于水與親水基團的混溶或溶劑化使水締合的范圍增大,烴類化合物也與其它非極性物質混溶,但這與極性物質間的混溶不同.非極性物質分子間的結合是通過較弱的色散力.因為色散力沒有選擇性,所以非
極性物質間能混溶并在混溶過程中能量變化很??;事實上,這種混溶物和單獨存在的任一組成差別很小,當極性物質和非極性物質放在一起時,由于非極性物質沒有足夠的能量使極性溶劑分子間強的內(nèi)聚偶極力或氫鍵分開,所以它們不能混溶.
有些稱為表面活性劑的分子,是一種兩性的分子,即在一個簡單分子上存在著兩種不同溶劑類型的基團.表面活性劑是由一個帶親水末端基的離子和長的疏水碳氫鏈組成的,脂肪酸的鈉鹽(肥皂),陰離子去污劑如烷基化的芳基磺酸鈉(Ⅰ),和陽離子去污劑如十六烷基三甲基銨的氯化物(Ⅱ)就是典型的例子.
因為表面活性劑分子有一極性末端基,當加入水中時將可以溶解.然而,每個表面活性劑分子的非極性末端基則處于不相容的環(huán)境中.當超過表面活性劑的最低臨界濃度時,表面活性劑的疏水端便聚集成叫做膠束的聚集體.雖然膠束確切的結構至今仍是一個謎,但一般認為是由50-100個分子組成的,它們的碳氫鏈不規(guī)則地纏結在一起,聚集在膠束的中心.分布在表面的離子親水基團起到保護與穩(wěn)定膠束的作用.膠束的直徑大約是組成膠束的表面活性劑分子伸展開長度的兩倍.
由動力學數(shù)據(jù)并結合所得產(chǎn)物具有高聚合度和窄的分子量分布的現(xiàn)象,可以明顯地看到乳液聚合的機理與溶液聚合有很大的不同.雖然乳液聚合的整個機理已有許多著者討論,但至今沒有取得一致.
根據(jù)W.D.哈肯斯(Harkins)的定性描述,史密斯-埃瓦特(Smith-Ewart)提出了關于乳液聚合定量的理論(這定量的理論已用來測定聚合物分子量),并為大多數(shù)人所公認.當加肥皂到水中時,肥皂形成膠束.隨著加入單體和水溶性引發(fā)劑,開始聚合反應.引發(fā)劑留在水相中;單體一部分分散成油珠不穩(wěn)定地懸浮在水中,一部分在溶液中,還有一部分分散在膠束的中心.在油珠或在水相中的單體都沒有發(fā)生明顯的聚合.反應初期聚合是在膠束中進行的.
當聚合只進行了百分之幾時,膠束就陷入在它內(nèi)部生長的聚合物中,而水相的表面張力也就恢復到水的表面張力;從此時起,必須攪拌混合物以維持懸浮狀態(tài),這時生長著的聚合物顆粒就是聚合的場所.
因為單體懸浮在水相,引發(fā)劑溶于水中,而生長著的聚合物顆粒是聚合的場所,所以單體和引發(fā)劑都必須通過水相擴散到聚合物顆粒內(nèi)進行反應.再則由于聚合場所很?。?0-4厘米),在任何時候聚合物顆粒內(nèi)不能超過一個引發(fā)劑自由基,否則由于偶合就會產(chǎn)生終止,最后,只要懸浮在水中的單體庫(油珠)向生長的聚合物顆粒轉移單體的速率足以維持溶于水中單體的濃度,則聚合速率就保持不變.因此,只要仍有單體保持懸浮狀態(tài),乳液聚合的速率就是零級,并且在另一引發(fā)劑自由基進入聚合物顆粒所需的時間內(nèi),聚合物鏈將繼續(xù)無阻擋地生長,而后鏈再突然終止,因為由水相護散引發(fā)劑到聚合物顆粒是在等速下進行的,所以引發(fā)-終止的序列不再由統(tǒng)計規(guī)律控制,所得聚合物基本上是單分散性的.同樣,如果引發(fā)劑分解的速率是緩慢的,乳液聚合就有可能生成非常高分子量的產(chǎn)物.
梅德維捷夫(Medvedev)對史密斯-埃瓦特理論除了聚合的場所外都同意.梅德維捷夫認為,在生長的聚合物顆粒內(nèi)粘度非常大,足以阻止捕獲任何單體或引發(fā)劑,所以聚合必然被限制在聚合物顆粒的表面.雖然史密斯-埃瓦特乳液聚合理論很快得到承認,但最近許多著者感受到梅德維捷夫理論預示乳液聚合可能涉及不止一種機理.
現(xiàn)有全部的乳液聚合機理都要求引發(fā)劑是水溶性的,這個限制排除考慮常用的油溶性的自由基引發(fā)劑如有機過氧化物和偶氮化合物,而需要其它類的自由基引發(fā)劑.無機化合物一般都是水溶性的,當配合成氧化還原體系時,它們可在室溫或接近室溫下產(chǎn)生自由基.這有兩個有利條件:在低溫下可得到高速的聚合;可保護對溫度敏感的乳液.實驗中將使用過硫酸鹽引發(fā)劑,它在還原劑(R·)存在下分解.
S2O8=+R· → SO4=+SO4-·+R+ (7-1)
實驗的目的,除了說明乳液聚合方法外,還給學生引進共聚物的概念,共聚物是它的主鏈由超過一種單體鏈節(jié)組成的聚合物,共聚物的組成由單體濃度和單體的競聚率決定.這些名稱的意義將在后面實驗里詳細探討.
共聚物的性質被認為具有類似于兩種物質混合物的性質;也就是說它的物理和機械性質比純組成的性質要低,而且隨組成變化而迅速降低,最后達到低共熔點.這樣,就可事先預計共聚物的性能,如熔點、硬度與軟化溫度(象混合熔點那樣).丁二烯與苯乙烯或丁二烯與丙烯腈的聚合物就是共聚物現(xiàn)象有效應用的典型.
丁二烯,因為它是雙烯,所以能以兩種不同形式聚合:
1,2-加成:
因為可有多種構型(與構象)存在,所以聚丁二烯非常柔軟,而且在拉伸時也不易結晶.
聚苯乙烯是脆性的塑料;因此,按適當?shù)拇钆浔揭蚁┡c丁二烯的共聚,可得到較堅固的聚丁二烯或較柔軟的聚苯乙烯,其性質決定于共聚物的組成.聚丙烯腈是高度結晶的、耐溶劑的聚合物;它與丁二烯的共聚物比純聚丙烯腈柔軟,但比純聚丁二烯堅韌與耐溶劑.苯乙烯-丁二烯共聚物是最早應用的合成橡膠(GRS或現(xiàn)在的SBR),丙烯腈-丁二烯共聚物可提供優(yōu)良的耐油彈性體.
實驗中各種共聚物是按第二次世界大戰(zhàn)時制備合成橡膠著名的公開配方經(jīng)改進后合成的.有許多配方可以應用,可以在不很苛刻的條件下得到高質量的產(chǎn)品;然而,至今還不能合成全面超過天然橡膠的合成生膠,所以天然生膠仍不能完全被取代.
實驗中作的改變是為了在實驗時間內(nèi)有利于單體轉化為聚合物,而不是為了改進產(chǎn)物.連續(xù)相是水,分散相是單體,乳化劑是肥皂,引發(fā)劑為過硫酸鉀與還原劑,鏈轉移劑為十二烷基硫醇.