乳液聚合的机理

时间:2019-10-08 23:26来源:未知 作者:admin 点击:

  5.5 乳液聚合 二、 乳液聚合的机理 着重讨论 理想乳液聚合体系的真正乳液聚合的机理。 理想乳液聚合体系的真正乳液聚合的机理。 理想乳液聚合体系: 理想乳液聚合体系: 难溶于水的单体,如苯乙烯 其溶解度为0.02%); 难溶于水的单体 如苯乙烯 ( 其溶解度为 ; 水溶性引发剂,如过硫酸钾 水溶性引发剂 如过硫酸钾K2S2O8 ; 如过硫酸钾 阴离子型乳化剂,如硬脂酸钠 17H35COONa; 阴离子型乳化剂 如硬脂酸钠C 如硬脂酸钠 介质水 5.5 乳液聚合 ⒈ 聚合前乳液聚合体系中的三相 聚合前体系中存在三相:水相、胶束相和油相。 聚合前体系中存在三相:水相、胶束相和油相。 ⑴ 水相 引发剂分子溶于水中,少量的乳化剂硬脂酸钠(按 引发剂分子溶于水中,少量的乳化剂硬脂酸钠 按CMC) 溶于水中, 极少量的单体(按溶解度 按溶解度0.02%)溶于水中 构成水 溶于水中,构成水 溶于水中 , 极少量的单体 按溶解度 溶于水中 相。 ⑵ 胶束相 大部分的乳化剂分子形成胶束,极大部分的胶束中增溶有 大部分的乳化剂分子形成胶束 极大部分的胶束中增溶有 一定量(2%)的单体 极少量的胶束中没有增溶单体 增溶胶束 的单体,极少量的胶束中没有增溶单体 一定量 的单体 极少量的胶束中没有增溶单体,增溶胶束 的直径为6nm~10nm, 没有增溶的胶束直径为 nm~5 nm。 没有增溶的胶束直径为4 的直径为 。 ⑶ 油相 极大部分的单体(> 分散成单体液滴, 极大部分的单体 >95%)分散成单体液滴 直径为 分散成单体液滴 直径为1000nm, 单体液滴表面吸附了一层乳化剂分子,形成带电的保护层 形成带电的保护层。 单体液滴表面吸附了一层乳化剂分子 形成带电的保护层。 5.5 乳液聚合 引发剂分子 图5.5 乳液聚合前体系中的三相 ⒉ 乳液聚合的三个阶段 乳液聚合的全过程, 可以划分为三个阶段: 乳液聚合的全过程 可以划分为三个阶段: 增速期、恒速期和降速期。 增速期、恒速期和降速期。 乳液聚合的第一阶段----增速期 乳胶粒生成期) 增速期( ⑴ 乳液聚合的第一阶段----增速期(乳胶粒生成期) K2S2O8 2K + 2 SO4 初级自由基生成后, 初级自由基生成后,在哪一场所引发单体聚合是乳液聚 合的核心问题。 合的核心问题。 5.5 乳液聚合 因此,乳液聚合的场所是在增溶单体的胶束中。 因此 乳液聚合的场所是在增溶单体的胶束中。 乳液聚合的场所是在增溶单体的胶束中 单体自由基或短链自由基进入增溶单体的胶束中进行链 增长,形成新相 乳胶粒。 增长,形成新相——乳胶粒。 乳胶粒 形成乳胶粒的过程叫成核过程,或称为乳胶粒生成过程。 形成乳胶粒的过程叫成核过程 或称为乳胶粒生成过程。 或称为乳胶粒生成过程 单体液滴就好像是供应单体的仓库。 单体液滴就好像是供应单体的仓库。 随聚合反应的进行,乳胶粒数目增加 聚合速率增加 因此 随聚合反应的进行 乳胶粒数目增加,聚合速率增加 因此, 乳胶粒数目增加 聚合速率增加,因此 第一阶段称为增速期,又称为乳胶粒生成期。 第一阶段称为增速期,又称为乳胶粒生成期 乳胶粒生成期。 ? ? 当转化率达到15%时 未成核的胶束全部消失, 当转化率达到15%时,未成核的胶束全部消失,乳胶粒的数 目从此不变,固定下来约为10 目从此不变,固定下来约为1014~15个/mLH2O。 乳液聚合的第一阶段——增速期 乳胶粒生成期 。 增速期(乳胶粒生成期 乳液聚合的第一阶段 增速期 乳胶粒生成期)。 5.5 乳液聚合 0% 15% 乳液聚合的第一阶段——乳胶粒生成期 图5.6 乳液聚合的第一阶段 乳胶粒生成期 5.5 乳液聚合 其标志有三: 其标志有三: 从聚合开始到未成核的胶束全部消失; ① 从聚合开始到未成核的胶束全部消失; 转化率从0%~15%,这一阶段乳胶粒直径从 nm~10 这一阶段乳胶粒直径从6 ② 转化率从 这一阶段乳胶粒直径从 nm增长到 nm~40 nm以上; 增长到20 以上; 增长到 以上 约为10 ③乳胶粒的数目从此固定下来,约为 14~15个/mLH2O。 乳胶粒的数目从此固定下来 约为 。 其聚合速率不断增加,亦称为增速期 乳胶粒生成期 其聚合速率不断增加 亦称为增速期(乳胶粒生成期 。 亦称为增速期 乳胶粒生成期)。 5.5 乳液聚合 ⑵ 乳液聚合的第二阶段----恒速期 乳液聚合的第二阶段----恒速期 乳胶粒的数目为10 乳胶粒的数目为 14~15个/mLH2O. 链引发、链增长和链终止反应继续在乳胶粒中进行. 链引发、链增长和链终止反应继续在乳胶粒中进行 单体液滴仍起供应单体的仓库的作用. 单体液滴仍起供应单体的仓库的作用 并且只要单体液滴存在, 并且只要单体液滴存在,乳胶粒中的单体浓度可以基本 保持不变,加上乳胶粒的数目从此固定不变,因而, 保持不变,加上乳胶粒的数目从此固定不变,因而,这一阶段 聚合速率基本不变。 聚合速率基本不变。 随着转化率的提高,乳胶粒的体积逐渐增大 单体液滴的 随着转化率的提高 乳胶粒的体积逐渐增大,单体液滴的 乳胶粒的体积逐渐增大 体积逐渐缩小,当转化率达到 当转化率达到50%时,单体液滴全部消失 单 单体液滴全部消失,单 体积逐渐缩小 当转化率达到 时 单体液滴全部消失 体全部进入乳胶粒中。乳胶粒中单体和聚合物各占一半, 体全部进入乳胶粒中。乳胶粒中单体和聚合物各占一半 此时的乳胶粒称为单体 聚合物乳胶粒,其直径达到最 单体-聚合物乳胶粒 此时的乳胶粒称为 单体 聚合物乳胶粒 其直径达到最 大值约50 大值约 nm~150 nm。 。 乳液聚合的第二阶段——恒速期。 恒速期。 乳液聚合的第二阶段 恒速期 5.5 乳液聚合 15% 50% 乳液聚合的第二阶段——恒速成期 图5.7 乳液聚合的第二阶段 恒速成期 5.5 乳液聚合 其标志有三: 其标志有三: 单体液滴全部消失; ① 单体液滴全部消失; 转化率从15%~50%; ② 转化率从 ; 单体-聚合物乳胶粒中单体和聚合物各占一半 聚合物乳胶粒中单体和聚合物各占一半, ③ 单体 聚合物乳胶粒中单体和聚合物各占一半 乳胶粒中单体浓度基本保持不变,乳胶粒数目恒定 乳胶粒中单体浓度基本保持不变 乳胶粒数目恒定, 乳胶粒数目恒定 聚合速率恒定,单体-聚合物乳胶粒直径最大为 50nm~150nm。 。 5.5 乳液聚合 乳液聚合的第三阶段----降速期 ⑶ 乳液聚合的第三阶段 降速期 单体液滴全部消失,标志着聚合第二阶段结束和第三阶 单体液滴全部消失 标志着聚合第二阶段结束和第三阶 段的开始。 段的开始。 这时体系中只剩下水相和单体 聚合物乳胶粒两相。 这时体系中只剩下水相和单体-聚合物乳胶粒两相。 单体 聚合物乳胶粒两相 水相中只有引发剂和初级自由基,单体已无补充的来源 水相中只有引发剂和初级自由基 单体已无补充的来源, 单体已无补充的来源 链引发、链增长只能消耗单体-聚合物乳胶粒中的单体。 聚合物乳胶粒中的单体。 链引发、链增长只能消耗单体 聚合物乳胶粒中的单体 因而,聚合速率随单体-聚合物乳胶粒中单体浓度的下 因而,聚合速率随单体 聚合物乳胶粒中单体浓度的下 降而下降,最后单体完全转变成聚合物。 降而下降 最后单体完全转变成聚合物。 最后单体完全转变成聚合物 此时,单体 聚合物乳胶粒称为聚合物乳胶粒。 单体-聚合物乳胶粒称为聚合物乳胶粒 此时 单体 聚合物乳胶粒称为聚合物乳胶粒。 这就是乳液聚合的第三阶段——降速期。 降速期。 这就是乳液聚合的第三阶段 降速期 5.5 乳液聚合 50% 100% 聚合的第三阶段——降速期 图5.8 乳液 聚合的第三阶段 降速期 5.5 乳液聚合 标志有二: 标志有二 转化率从50%增至 增至100%; ⒈ 转化率从 增至 单体已无补充的来源,链引发 链引发、 ⒉ 单体已无补充的来源 链引发 、 链增长只能消耗单 聚合物乳胶粒中的单体。 体-聚合物乳胶粒中的单体。 聚合物乳胶粒中的单体 聚合速率随单体-聚合物乳胶粒中单体浓度的下降而 聚合速率随单体 聚合物乳胶粒中单体浓度的下降而 下降,最后单体完全转变成聚合物。 下降 最后单体完全转变成聚合物。 最后单体完全转变成聚合物 5.5 乳液聚合 三、 乳液聚合动力学 根据上述乳液聚合机理分析,乳液聚合过程速率的变化可 根据上述乳液聚合机理分析 乳液聚合过程速率的变化可 分为增速期、恒速期和降速期。 分为增速期、恒速期和降速期。乳液聚合动力学着重研究第二 阶段——恒速期动力学方程 恒速期动力学方程。 阶段——恒速期动力学方程。 ⒈ 乳液聚合的速率方程 动力学研究着重研究恒速期乳胶粒中的聚合速率。 动力学研究着重研究恒速期乳胶粒中的聚合速率。 因此,单体浓度应该是只考虑乳胶粒中单体的浓度, 因此,单体浓度应该是只考虑乳胶粒中单体的浓度,而不是 整个聚合体系中单体的浓度。 整个聚合体系中单体的浓度。 乳胶粒的体积很小,同一时刻往往只能容纳一个自由基。 乳胶粒的体积很小,同一时刻往往只能容纳一个自由基。 统计平均来说, 统计平均来说 , 有一半乳胶粒中各含有一个自由基进行聚 而一半乳胶粒中不含自由基没有聚合。 合,而一半乳胶粒中不含自由基没有聚合。 所以自由基的浓度应为乳胶粒数目的一半,如果乳胶粒的 所以自由基的浓度应为乳胶粒数目的一半 如果乳胶粒的 数目为N个 则自由基的浓度c(M·)为 数目为 个/mLH2O,则自由基的浓度 则自由基的浓度 为 5.5 乳液聚合 N ×103 c(M? ) = 2NA 因此乳液聚合的速率为 (5.1) Rp = kpc(M c(M? ) ) N ×103 Rp = kpc(M) 2NA (5.2) 第二阶段中,未成核的胶束消失,不再有新的乳胶粒形成, 第二阶段中,未成核的胶束消失,不再有新的乳胶粒形成, 乳胶料数目N恒定,单体液滴存在,不断向乳胶粒补充单体, 乳胶料数目N恒定,单体液滴存在,不断向乳胶粒补充单体,使 乳胶粒中单体浓度c(M)恒定 恒定。 乳胶粒中单体浓度c(M)恒定。 因此,在该阶段聚合速率恒定。 因此,在该阶段聚合速率恒定。 第一阶段和第三阶段。 式(5.2)同样适用于第一阶段和第三阶段。 )同样适用于第一阶段和第三阶段 5.5 乳液聚合 ⒉ 平均聚合度方程 聚合物的平均聚合度也应从一个乳胶粒的增长速率和引发 速率着手。 速率着手。 Ri Ri ? NA 1 rp = k p c(M ) ? 2 ri = 3 = N ×10 N ×103 NA 1 rp kpc(M) ? 2 kpc(M) ? N ×103 kpc(M) ? N Xn =ν= = = = Ri ? NA ri 2Ri NA 2ρ N ×103 Ri ? NA ρ= 103 rp——一个乳胶粒的增长速率 -1; 一个乳胶粒的增长速率,s 一个乳胶粒的增长速率 ri——一个乳胶粒的引发速率 -1; 一个乳胶粒的引发速率,s 一个乳胶粒的引发速率 ρ—— 初级自由基的生成速率 (mL.s)-1。 初级自由基的生成速率, 5.5 乳液聚合 乳液聚合动力学特点: 乳液聚合动力学特点: ⑴ 乳液聚合的场所在增溶单体的胶束中 , 而增溶单体 乳液聚合的场所在增溶单体的胶束中, 的胶束的体积很小,往往在同一时刻只能容纳一个自由基, 的胶束的体积很小,往往在同一时刻只能容纳一个自由基, 所以乳液聚合中的终止方式一般认为是一个长链自由基与一 个短链自由基(或单体自由基)的双基终止, 个短链自由基(或单体自由基)的双基终止,可以看作是单 基终止,因而不存在自动加速现象 不存在自动加速现象。 基终止,因而不存在自动加速现象。 不存在链转移反应, ⑵ 不存在链转移反应,聚合物的平均聚合度用动力学链 长表示, 长表示,即 Xn = ν ⑶ 增加乳胶粒的数目可以同时增加聚合速率和聚合物 的相对分子质量。 的相对分子质量。 N × 10 3 Rp = k p c(M) 2N A Xn = ν = k p c(M) ? N 2ρ 5.5 乳液聚合 四、 乳液聚合的特点 ⒈ 乳液聚合的优点 以水做介质,价廉安全 乳液聚合中,聚合物的相对分 价廉安全。 ⑴以水做介质 价廉安全。乳液聚合中 聚合物的相对分 子质量可以很高,但体系的粘度却可以很低 故有利于传热、 但体系的粘度却可以很低,故有利于传热 子质量可以很高 但体系的粘度却可以很低 故有利于传热、 搅拌和管路输送,便于连续操作 便于连续操作。 搅拌和管路输送 便于连续操作。 聚合速率大,聚合物相对分子质量高 利用氧化-还原 聚合物相对分子质量高,利用氧化 ⑵ 聚合速率大 聚合物相对分子质量高 利用氧化 还原 引发剂可以在较低的温度下进行聚合。 引发剂可以在较低的温度下进行聚合。 直接利用乳液的场合如乳胶粘合剂、 ⑶直接利用乳液的场合如乳胶粘合剂、乳液泡沫橡胶和 糊用树脂更宜采用乳液聚合。 糊用树脂更宜采用乳液聚合。 ⒉乳液聚合的缺点 需要固体聚合物时,乳液需要经凝聚 过滤、洗涤、 乳液需要经凝聚、 ⑴需要固体聚合物时 乳液需要经凝聚、过滤、洗涤、干 燥等工序,生产成本较悬浮聚合高 生产成本较悬浮聚合高。香港马会开码结果直播 开奖结果! 燥等工序 生产成本较悬浮聚合高。 产品中的乳化剂难以除净,影响聚合物的电性能 影响聚合物的电性能。 ⑵产品中的乳化剂难以除净 影响聚合物的电性能。 作业: 作业:⒑⒒⒓⒙