Gyakorlati útmutatás a szálképző polimerek fizikai-kémiai vizsgálatára

5.2. Fázis POLIMERIZÁCIÓ

A lépésenkénti polimerizáció a polimerképződés folyamata a monomer molekulák egymáshoz történő fokozatos hozzáadásával, egy atom vagy atomcsoport minden elemi aktusában a kötelező migrációval. A polimer elemi összetétele teljesen azonos a monomerek összetételével.

A lépésenkénti polimerizáció a polikondenzációs folyamatoknak tulajdonítható, mivel kinetikusan független bimolekuláris reakciók sorozata. A polimer szintézise alacsony molekulájú reakciótermékek izolálása nélkül folytatódik.

A lépésenkénti polimerizációt az alábbi jellemzők jellemzik:

  • 1) a képződött köztitermékek stabilak és elválaszthatók a reakciógömbtől;
  • 2) a köztitermékek és a kiindulási monomerek reakcióképessége azonos;
  • 3) a polimer lánc növekedésének minden szakasza nagy aktivációs energiával jár;
  • 4) lépésenkénti polimerizáció reverzibilis folyamat.

Az alábbi példák a lépésenkénti polimerizáció és kopolimerizáció:

a formaldehid polimerizációja víz nyomainak jelenlétében

etilén-oxid bázisok jelenlétében történő polimerizációja

a diolok és diizocianátok kopolimerizálása poliuretánok előállítására

diaminok és diizocianátok kopolimerizálása poliureák előállítására:

A lépésenkénti polimerizáció hidrolitikus szerek (víz, savak, bázisok) jelenlétében történik, ezért gyakran hidrolitikusnak nevezik. Az eljáráshoz hozzájáruló anyagokat aktivátoroknak nevezik. A legfontosabb, hogy a polimerizációs ciklusok, azzal jellemezve, hogy a polimer nem fordul elő kémiai kötések más jellegű, mint hogy a rendelkezésre álló kezdő ciklusban, és csak a változások a sorrendben elrendezése ezen kötvények a szintetizált makromolekula.

A polimerizációs képességet minden olyan ciklus rendelkezik, amely elegendően poláris vagy polarizálható kötéseket tartalmaz. Ezek közé tartoznak az O, S, N és más heteroatomokat tartalmazó ciklusok. A ciklusoknak a polimerizációhoz való viszonya a kötések erejével függ össze. Így az öt- és hattagú ciklusok, mint általában, nem polimerizálódnak. A ciklusban kisebb és nagyobb számú atomot tartalmazó vegyületek képesek polimerizálni. A reakciót a következő reakcióvázlat szemlélteti:

Ha x értéke 3 vagy 4, akkor a reakciót balra toljuk. Ha a ciklusban lévő metiléncsoportok száma nagyobb vagy kisebb, mint ezek x értékei. a reakció a polimer túlnyomórészt képződik. Tekintsük ezt a folyamatot a kaprolaktám példáján. A lépésenkénti polimerizáció négy szakaszból áll:

1) a kiindulási ciklusos monomer reverzibilis hasítása (ez a folyamat leglassabb szakasza)

2) a polimer lánc nukleációja

3) a polimer anyaglánc növekedése

E folyamat minden egyes szakaszában egy másik bimolekuláris reakció valósul meg. A monomer átalakulása a polimerhez az egyensúly eléréséig folytatódik.

4) a polimer lánc növekedésének megszüntetése akkor történik meg, amikor az egyensúly elérése történik.

Víz jelenlétében két egyensúlyi folyamat lép fel a laktámok polimerizációja során:

a) bármelyik amidkötés hidrolízise a makromolekulán belül (az úgynevezett "amid egyensúly")

b) a terminális összeköttetés leválasztása a makromolekulából és ciklusba való konvertálás

+ H 2O NH- (CH 2) 5-CO +

Az első reakció meghatározza a polimer átlagos molekulatömegét, és a második reakció meghatározza annak hozamát.

Így a lépésenkénti hidrolitikus polimerizáció a szintézis és a pusztítás egyensúlyi reakcióinak komplex rendszere, amelyet polimerizációs egyensúlynak neveznek. Ahogy az aktivátor koncentrációja nő, a polimerizációs sebesség emelkedik és a molekulatömeg csökken. A polimerizáció átlagos mértékét a képlet adja meg

ahol Ka jelentése az amid egyensúlyi állandója; n a polimer egy elemére jutó vízmólók száma.

A Ka kiszámításához a következő empirikus egyenletet javasoljuk:

ahol T az abszolút hőmérséklet, K.

Ha nem aktivátorokat használnak a víz kivételével, akkor

A feladat. Számítsd ki a 260 ° C-on kapott polikaproamid átlagos polimerizációs fokát és az 1,0 és 1,2 # 37 rendszer víztartalmát; (Wt.).

A megoldás. Az (5,54) alkalmazásával az amid egyensúlyi állandóját 260 ° C hőmérsékleten számoljuk ki:

A molekulasúly M0 = 113: egy monomer monomerére számított víz móljainak számát számítjuk ki:

Megtaláljuk az átlagos P n polimerizációs fokot az (5.53) képlet szerint:

Így a reakcióközeg víztartalmának növekedése a P n csökkenéséhez vezet.

A monomerek koncentrációjának növelése a reakcióelegyben egy bizonyos optimumig a polimer hozamának növekedéséhez vezet.

A reakcióhőmérséklet növekedése felgyorsítja a polimerizációs folyamatot, de a polimerizációs egyensúlyt, mint bármely más egyensúlyt, megváltoztatja a monomer és oligomer termékek kialakulása felé.

A megoldás. A polimerizáció átlagos mértékét számítjuk ki:

Az (5.54) képlet alkalmazásával az amid egyensúlyi állandóját találjuk:

Az egyenlet (5.53) alkalmazásával meghatároztuk az enantolaktám móljára vonatkoztatott vízmólók számát:

Kapcsolódó cikkek