ATRP原子转移自由基 氢氧化镁Preparation and characterization of PGMA grafted from Mg(OH)2 via SI-ATRP

ATRP原子转移自由基 氢氧化镁Preparation and characterization of PGMA grafted from Mg(OH)2 via SI-ATRP
ATRP原子转移自由基 氢氧化镁Preparation and characterization of PGMA grafted from Mg(OH)2 via SI-ATRP

Applied Surface Science 258 (2012) 6127–6135

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Applied Surface

Science

j o u r n a l h o m e p a g e :w w w.e l s e v i e r.c o m /l o c a t e /a p s u s

c

Preparation and characterization of poly(glycidyl methacrylate)grafted from magnesium hydroxide particles via SI-ATRP

Jianhui Liu a ,Na Feng a ,?,Suqin Chang b ,Hongliang Kang c

a

School of Textile and Materials Engineering,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China b

China Leather and Footwear Industry Research Institute,Beijing 100015,China c

State Key Laboratory of Polymer Physics and Chemistry,Joint Laboratory of Polymer Science and Material,Beijing National Laboratory for Molecular Sciences (BNLMS),Institute of Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080,China

a r t i c l e

i n f o

Article history:

Received 4September 2011

Received in revised form 30January 2012Accepted 3March 2012

Available online 11 March 2012

Keywords:

Surface modi?cation ATRP

Magnesium hydroxide particles Grafting from Polymers

a b s t r a c t

In order to improve the compatibility of magnesium hydroxide particles [Mg(OH)2]and polymer matrix,poly(glycidyl methacrylate)(PGMA)grafted from magnesium hydroxide particles were synthesized via surface-initiated atom transfer radical polymerization (SI-ATRP).In this work,two approaches for the immobilization of ATRP initiator on the magnesium hydroxide particles surface were compared and selected.The density of initiator was signi?cantly increased by the method of introducing more hydroxyl groups via ATRP of 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA)on the surface.The percentage of bromine atom for the initiator-functionalized magnesium hydroxide particles [Mg(OH)2-g-PHEMA–Br]reached to 1.75%,compared to 0.48%for Mg(OH)2–Br determined by XPS analysis.The surface-initiated ATRP of glycidyl methacrylate (GMA)can be conducted in a controlled manner,as revealed by the linear kinetic plot,linear increase of number average molecular weight (M n )with monomer conversions,and the rela-tively narrow molecular weight distributions (M w /M n ~1.4)of PGMA chains.The percentage of grafting PG (%)and the thickness of the grafted polymer layer increased with the increasing of polymerization time and reached to 116.6%and 197.6nm after 300min respectively.As for the polymerization with dif-ferent initial monomer concentration,the number average molecular weights (M n )and weight average molecular weights (M w )of PGMA increased with the increasing of initial monomer concentration.TGA indicated that the initial decomposition temperature of Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA composite particles (253?C)was much lower than that of unmodi?ed magnesium hydroxide particles (337?C).

? 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

1.Introduction

Organic/inorganic composite materials have both the advan-tages of organic polymers and inorganic materials,and have become a new hotspot in materials science [1,2].Inorganic com-pound magnesium hydroxide [Mg(OH)2]as a smokeless and non-toxic additive has been extensively used in halogen-free ?ame-retardant polymeric materials [3–6].However,the disadvan-tage of Mg(OH)2is the high ?lling levels (more than 60%,w/w)required to achieve the desired ?ame retardant effect,which leads the mechanical properties of a ?ame-retardant polymeric material to drop down sharply due to its agglomeration and poor compati-bility with polymer matrix [7,8].In order to overcome this obstacle,the surface treatment of Mg(OH)2is an important way to improve their compatibility.The traditional method of treating the ?ller surface with low-molecular-weight coupling agents or surfactants

?Corresponding author.Tel.:+8641186323683;fax:+8641186323683.E-mail address:fengna12@https://www.360docs.net/doc/8d14275077.html, (N.Feng).

has been found to be reasonably effective [9,10].However,low-molecular-weight compounds have a tendency to migrate out from the interface to the surface of the composites.As a consequence,there is degradation of the mechanical and physical properties of the composites.Also,an undesirable surface appearance occurs because of surface scorching or bulging.

In recent years,grafting polymer brushes on inorganic par-ticles in order to elaborate organic/inorganic composites have lead to an increasing interest [11].Here the grafting of polymer chains onto the particles will serve to improve the compatibility between the particles (hydrophilic)and the polymer matrix (gen-erally hydrophobic).In literature,different strategies for attaching polymer brushes are described.They include the “grafting to”method,in which the end-functionalized polymers react with an appropriate surface [12]and the “grafting from”method,in which polymer chains are grown from the surface-attached initiator [13,14].The “grafting from”technique is a promising candidate to achieve both high stability of polymer layer and high graft density.Surface-initiated graft polymerization has been extensively studied [15–22].In our previous work [23–29],the

0169-4332/$–see front matter ? 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.doi:10.1016/j.apsusc.2012.03.017

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surface-initiated in situ polymerization of styrene(St)on the surface of Mg(OH)2was performed,and the effects of polystyrene-encapsulated magnesium hydroxide on varies properties of high impact polystyrene(HIPS)/magnesium hydroxide composites were investigated.However,the effects of molecular weight and molec-ular weight distribution of the grafted PS on?ame retardant properties were not investigated because molecular weight and its distribution of PS could not be controlled over the above method [16,17].

Living/controlled polymerization techniques were successfully applied to surface-initiated graft polymerization to prepare a dense polymer layer with controlled structures[18–22].Compared to conventional polymerizations,living/controlled processes are advantageous as they can provide control on molecular weight, molecular weight distribution,polymer architecture,and end func-tionality.Among the different living/controlled polymerization techniques,surface-initiated atom transfer radical polymerization (SI-ATRP)is one of the most investigated controlled radical poly-merization techniques and allows the synthesis of polymers at mild temperature and in aqueous or organic solvents[30–33].Previ-ous literatures on SI-ATRP mainly focus on nanoparticles(such as SiO2,TiO2,Fe3O4),?bers,peptide etc.[34–38].They have smaller diameter,larger speci?c surface area,so it is ef?cient to immobilize the ATRP initiator on the surface due to they have adequate active groups on the surface.

However,magnesium hydroxide particles used in this study have larger diameter(1.5?m)and smaller speci?c surface area (5.0m2/g),the amount of hydroxyl groups on Mg(OH)2particle sur-face was very limited,so it is dif?cult to introduce enough ATRP initiator on the Mg(OH)2surface.Glycidyl methacrylate(GMA)is a functional monomer to graft as the polymer incorporates a large number of epoxy groups on the surface that are capable to react with a variety of functional groups(hydroxyl,amino,carboxyl etc.)

[39].Further on,the reactivity of GMA in ATRP allows for polymer-ization at moderate temperatures in various solvents as reported in several studies[40–42].

There have been few reports about the surface modi?cation of magnesium hydroxide particles with glycidyl methacrylate(GMA) by surface-initiated ATRP.There are two research purposes of this article:on the one hand,to increase the amount of ATRP initiator on Mg(OH)2surface,as that can contribute to the polymerization of GMA effectively;on the other hand,to prepare the poly(glycidyl methacrylate)grafted from magnesium hydroxide particles.In this work,two approaches for the immobilization of ATRP initiator on the magnesium hydroxide particles surface were compared and selected to produce the poly(glycidyl methacrylate)grafted from Mg(OH)2particles[Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA]via SI-ATRP.The typical samples were characterized by FT-IR,SEM,TGA,XPS and GPC.The molecular weight,molecular weight distribution of the grafted PGMA,the percentage of grafting PG(%),thickness of the grafted polymer layer and the thermal properties of Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA composite particles were studied.

2.Experimental

2.1.Materials

Magnesium hydroxide,Mg(OH)2,was a high-purity untreated grade(Magni?n H5)supplied by Martinswerk GmbH.The average volume particle size was1.5?m and the speci?c sur-face area was5.0m2/g.?-Bromoisobutyryl bromide(BiBB,98%, Aldrich),N,N,N ,N, N -pentamethyldietylenetriamine(PMDETA, 99%,Aldrich),ethyl2-bromoisobutyrate(EBiB,98%,Yancheng Creator chemical Co.,Ltd,China)were used without any fur-ther puri?cation.3-Aminopropyltriethoxy silane(APTES)was purchased from Jingzhou Jianghan Fine Chemical Co.,Ltd.(China). In order to remove copper(II),copper(I)bromide(CuBr)(Tianjin Jinke Fine Chemical Co.,Ltd.,Tianjin,China)was puri?ed via stirring in acetic acid and washing with ethanol and then dried in vacuo. 2-Hydroxyethyl methacrylate(HEMA,98%)was obtained from Tianjin Chemical Reagent Research Institute.Glycidyl methacry-late(GMA,99%)was provided by Nanjing Chemical Co.,Ltd.HEMA and GMA were passed through a column of neutral alumina to remove inhibitor prior to use.Toluene,dichloromethane(DCM), N,N-dimethylformamide(DMF)were distilled on calcium hydride before use.All the other relevant chemicals were of analytical grade and dried by anhydrous magnesium sulfate.

2.2.Characterization

Fourier transform infrared(FT-IR)spectra were recorded on a Tensor27FT-IR spectrometer(Bruker,Germany)by KBr disk in the range4000–400cm?1with a spectral resolution of4cm?1.Thermo-gravimetric analysis(TGA)was performed on a Perkin-Elmer Pyris 1TGA with a heating rate of10?C/min from room temperature to 700?C under a nitrogen atmosphere.Particle morphologies were studied using a mode S-4800scanning electron microscope(SEM) (Hitachi Co.,Ltd.)with an accelerating voltage of5.0kV.All samples were coated with a thin layer of gold prior to analysis.Molecular weights and molecular weight distributions of the free polymers produced in solution were determined by a gel permeation chro-matograph(GPC)equipped with a Waters1515Isocratic HPLC Pump,a Waters2414refractive index detector and a set of Waters Styragel columns(HR3,HR4).THF was used as an eluent at a?ow rate of1.0ml/min and the narrow molecular weight polystyrenes were used as the standard.All the measurements were carried out at35?C.X-ray photoelectron spectroscopy data were obtained with an ESCALab220i-XL electron spectrometer from VG Scienti?c using 300W Al K?radiation.The base pressure was about3×10?9mbar. The binding energies were referenced to the C1s line at284.8eV from adventitious carbon.

The weight loss of the grafted PGMA on Mg(OH)2surface was calculated by TGA using the following Eq.(1),

W Mg(OH)

2

–Br,700?C

100?W Mg(OH)

2

–Br,700?C

=

W Mg(OH)

2-g-PGMA,700

?C?X

100?W Mg(OH)

2-g-PGMA,700

?C

(1)

where W Mg(OH)

2

–Br,700?C,the weight loss at700?C after graft-ing initiator,W Mg(OH)

2-g-PGMA,700

?C,the weight loss at700?C after grafting PGMA and the“X”is the weight loss of grafted PGMA on Mg(OH)2surface.

The conversion of monomer C(%)and the percentage of grafting PG(%)were calculated according to the following relationships:

C(%)=

PGMA grafted(g)

Monomer used(g)

×100%(2) PG(%)=

PGMA grafted(g)

Mg(OH)2charged(g)

×100%(3)

The thickness of the polymer layer(T)on the magnesium hydroxide particles were calculated by Eq.(4),assuming that the PGMA could be coated evenly on the surface of every particle of Mg(OH)2and that the density of the polymer on the Mg(OH)2par-ticles was the same as in the bulk[43].

T=

W

S(nm)(4) where W is the weight loss of grafted PGMA on per gram magne-sium hydroxide particles, is the density of PGMA( =1.18g/cm3), and the S is the speci?c surface area of magnesium hydroxide par-ticles(S=5m2/g).

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Scheme1.Synthetic route of poly(glycidyl methacrylate)(PGMA)grafted from magnesium hydroxide particles via SI-ATRP.

2.3.Synthesis of amino-functionalized Mg(OH)2particles

Typically,5g of magnesium hydroxide particles(dried at 120?C for6h before use),100ml of toluene and20ml of3-aminopropyltriethoxy silane(APTES)were placed in a250ml ?ask equipped with a magnetic stir bar.The?ask was immersed in an oil bath at115?C.The reaction mixture was re?uxed for 12h,and then the solution was cooled to room temperature.The Mg(OH)2particles were isolated by centrifugation and washed with abundant toluene and acetone in turn to remove excess APTES,then dried under vacuum at room temperature for24h. [Mg(OH)2NH2].2.4.Synthesis of ATRP initiator-functionalized Mg(OH)2particles

In this work,two approaches for the immobilization of ATRP initiator on the magnesium hydroxide particles surface were used to produce the ATRP initiator-functionalized Mg(OH)2particles [Mg(OH)2–Br and Mg(OH)2-g-PHEMA–Br]as shown in Scheme1.

2.4.1.Synthesis of Mg(OH)2–Br

The ATRP initiator-functionalized Mg(OH)2particles [Mg(OH)2–Br]were prepared by the reaction of the amide groups of the Mg(OH)2–NH2surfaces with2-bromoisobutyryl bro-mide.Typically,2.0g of Mg(OH)2–NH2,40ml of dichloromethane

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(DCM)and dry pyridine(6.0ml)were added into a dried100ml ?ask,which was then immersed in an ice/water bath.The solu-tion was stirred and a solution of?-bromoisobutyryl bromide (5ml)in dichloromethane(10ml)was added dropwise under nitrogen atmosphere.The reaction mixture was stirred at0?C for1h and then at room temperature for24h,The product was isolated by centrifugation and washed with abundant dichloromethane,acetone,acetone–water solution(1/1,v/v)in turn,?nally the2-bromoisobutyrate-functionalized Mg(OH)2 particles were dried under vacuum at room temperature for24h. [Mg(OH)2–Br].

2.4.2.Synthesis of Mg(OH)2-g-PHEMA–Br

In order to increase the density of ATRP initiator on Mg(OH)2 surface,the ATRP of2-hydroxyethyl methacrylate(HEMA)from Mg(OH)2–Br surface was carried out to increase the amount of hydroxyl groups on the surface.The procedure was as follows,1.5g of2-bromoisobutyrate-functionalized magnesium hydroxide par-ticles Mg(OH)2–Br,methanol(10ml),HEMA(5.0ml,41mmol)and a magnetic stir bar were placed in a dried?ask which was?tted with a rubber septum.After bubbling with a nitrogen stream for30min, CuBr(57.4mg,0.4mmol)was added under protection of N2?ow, the?ask was then degassed with three evacuate-?lling nitrogen cycles under an ice/water bath.PMDETA(83.0?L,0.4mmol)was deoxygenated with bubbling dry nitrogen before injection into the reaction system via a microsyringe.Then,the?ask was immersed into an oil bath at50?C for5h.The mixture was diluted with ethanol at a solution/ethanol volume ratio of1:5.The?nal product was isolated by centrifugation and washed with methanol and acetone in turn,then dried under vacuum at room temperature for24h. [Mg(OH)2-g-PHEMA]

The subsequent esteri?cation reaction of pendent hydroxyl groups of PHEMA segment with2-bromoisobutyryl bromide was carried out as same as the synthesis of Mg(OH)2–Br,which grafting one bromine moiety on each monomer repeating unit within the PHEMA segment.[Mg(OH)2-g-PHEMA–Br].

2.5.Synthesis of Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA via SI-ATRP

A typical procedure for surface-initiated ATRP of GMA was described below.The ATRP initiator-functionalized Mg(OH)2par-ticles[Mg(OH)2–Br or Mg(OH)2-g-PHEMA–Br](0.3g)were added into a?ask that contained DMF(5.0ml),GMA(5.0ml,35mmol), the solution was degassed with nitrogen for30min,CuBr(43.0mg, 0.3mmol)and free initiator ethyl2-bromoisobutyrate(8.8mg, 0.06mmol)was added under protection of N2?ow,the?ask was then degassed with three evacuate-?lling nitrogen cycles under an ice/water bath.PMDETA(63.0?L,0.3mmol)was deoxygenated with bubbling dry nitrogen before injection into the reaction sys-tem via a microsyringe.Then,the?ask was immersed into an oil bath at30?C.After the polymerization proceeded for a period time, the?ask was removed from the oil bath and opened to air.The mixture was diluted with dichloromethane DCM(15ml).The par-ticles were isolated by centrifugation,and the supernatant was passed through a short column of activated neutral aluminum oxide three times.The particles were dispersed in DCM and separated by centrifugation.This process was repeated three times,and then the particles was dried in a vacuum at30?C for24h for thermo-gravimetric analysis and X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) analyses.The free polymer formed in the solution was precipitated in hexanes and analyzed by GPC relative to polystyrene standards. [Mg(OH)2-g-PGMA,Mg(OH)2

-g-PHEMA–PGMA].Fig.1.FT-IR spectra of(a)bare Mg(OH)2,(b)Mg(OH)2–NH2,(c)Mg(OH)2–Br,(d) Mg(OH)2-g-PHEMA–Br and(e)Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA.

3.Results and discussion

3.1.Characterization of Mg(OH)2–Br macroinitiator

3.1.1.Analysis of FT-IR

Fig.1shows the FT-IR spectra of(a)bare Mg(OH)2particles(b) Mg(OH)2–NH2,(c)Mg(OH)2–Br,(d)Mg(OH)2-g-PHEMA–Br and(e) Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA.In Fig.1a,the characteristic adsorption peak at3700cm?1was associated with O H stretching vibrations of hydroxyl group on the surface of Mg(OH)2particles,the band at 1632cm?1was due to the residual water on the surface of Mg(OH)2 particles.In Fig.1b,for Mg(OH)2NH2,the characteristic absorption peaks at2930cm?1and2850cm?1correspond to C H stretching vibrations of alkyl occurs,the peaks at1121cm?1and1044cm?1 were the absorption bands of Si O stretching vibration due to the presence of an APTES layer on the surface.The content of APTES on the surface of Mg(OH)2particles calculated in accordance to TGA(Fig.2b)was2.43wt%.In Fig.1c,for Mg(OH)2–Br,the char-acteristic absorption peaks at1690cm?1corresponds to the C O stretching vibrations of amide group on Mg(OH)2–Br.Although a large excess of2-bromoisobutyryl bromide was used,however,the peak intensity of amide group is very little,suggesting that the density of ATRP initiator on the surface was limited.According

to Fig.2.TGA curves of(a)bare Mg(OH)2,(b)Mg(OH)2–NH2,(c)Mg(OH)2–Br and (d)Mg(OH)2-g-PHEMA–Br.TGA was performed in nitrogen at a heating rate of 10?C/min.

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Fig.3.XPS spectra of(a)Mg(OH)2–Br and(b)Mg(OH)2-g-PHEMA–Br. TGA(Fig.2c),the grafting percentage of2-bromoisobutyryl bro-mide was only2.32wt%.While in Fig.1d,a new band at1730cm?1 appears,which is a characteristic peak of the C O stretching vibra-tions of PHEMA and the esteri?cation reaction of pendent hydroxyl groups of PHEMA segment with2-bromoisobutyryl bromide,this demonstrated that PHEMA has grafted from the surface of Mg(OH)2 particles and the initiator was immobilized on Mg(OH)2surface. The weight fraction of organic moieties of Mg(OH)2-g-PHEMA–Br was10.44wt%calculated by TGA(Fig.2d).

3.1.2.Analysis of XPS

To further investigate the ATRP initiator content of Mg(OH)2–Br and Mg(OH)2-g-PHEMA–Br,XPS measurement was used.The X-ray photoelectron survey spectra of Mg(OH)2–Br(Fig.3a)and Mg(OH)2-g-PHEMA–Br(Fig.3b)show peaks corresponding to magnesium(49.8eV,Mg(2p);89.0eV,Mg(2s)),oxygen(531.6eV, O(1s)),nitrogen(399.3eV,N(1s)),carbon(284.8eV,C(1s))and bromine(69.9eV,Br(3d);189.3eV,Br(3p))atoms in agreement with the expectations.The bromine signal Br(3d)is notice-ably enhanced compared to Mg(OH)2–Br(I),which indicated that more initiators have been immobilized on the surface of mag-nesium hydroxide particles.Table1summarizes the surface elemental compositions(in atom%)of Mg(OH)2–Br and Mg(OH)2-g-PHEMA–Br determined by XPS analysis.The immobilization of ATRP initiator on Mg(OH)2surface for the second time leaded to Table1

Elemental compositions(in atom%)on the surface of Mg(OH)2–Br and Mg(OH)2-g-PHEMA–Br determined by XPS analysis.

Sample C N O Br Mg

Mg(OH)2–Br22.9 2.2149.90.4824.51 Mg(OH)2-g-PHEMA–Br54.350.6434.7 1.758.57

Table2

Reaction conditions and results for ATRP of HEMA on the surface of Mg(OH)2 particles.

Sample R wt a R mol b Temp./?C Time/h PHEMA wt%c 11:150:1:1505 4.57

22:1100:1:15058.44

34:1200:1:150512.60

a R wt=HEMA:Mg(OH)2–Br(wt:wt).

b R

mol

=HEMA:CuBr:PMDETA(mol:mol:mol).

c PHEMA wt%=PHEMA content of the Mg(OH)2–PHEMA particles calculate

d from TGA data.

a signi?cant increase in the carbon and bromine content as well as concomitant decrease in the magnesium content.The percent-age of bromine atom for Mg(OH)2-g-PHEMA–Br particles reaches to1.75%compared to0.48%for Mg(OH)2–Br.

3.1.3.Analysis of TGA

The polymerization of PHEMA was performed on the surface of Mg(OH)2particles by ATRP in methanol at50?C.The weight feed ratio of HEMA monomer to Mg(OH)2–Br macroinitiator ranged from1:1to4:1.According to the TGA data,the grafting degree of PHEMA increased from4.57%to12.60wt%as the weight feed ratio (R wt)rose from1:1to4:1,as shown in Table2.

The preparation of poly(glycidyl methacrylate)grafted from magnesium hydroxide particles were carried out with the Mg(OH)2–Br and Mg(OH)2-g-PHEMA–Br as ATRP macroinitiator under the same condition respectively.The TGA curves of(a)bare Mg(OH)2,(b)Mg(OH)2-g-PGMA,(c)Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA particles are shown in Fig.4.For the bare Mg(OH)2,the weight loss between30?C and200?C was0.31wt%,which is due to the desorp-tion of physically adsorbed water.The weight loss of bare Mg(OH)2 particles was29.52wt%,which is due to the loss of the endother-mic decomposition of the crystal water from the Mg(OH)2particles. The weight loss of the grafted PGMA for both Mg(OH)2-g-PGMA and Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA were calculated by Eq.(1)and the obtained values were6.05wt%and52.25wt%respectively.

The

Fig.4.TGA curves of(a)bare Mg(OH)2particles,(b)Mg(OH)2-g-PGMA,(c)Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA.TGA was performed in nitrogen at a heating rate of10?C/min.

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Fig.5.Schematic illustration of Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA particle with branched brush polymeric shell.

percentage of grafting PG (%)for Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA par-ticles was much higher than that for Mg(OH)2-g-PGMA particles.Judging by the combination of FT-IR,XPS and TGA results,it was concluded that the density of initiator on the surface of Mg(OH)2particles is obviously increased by the method outlined in Scheme 1.Therefore,the Mg(OH)2-g-PHEMA–Br macroinitiators were selected to use in the following experiments.

3.2.Surface-initiated ATRP of GMA from initiator-functionalized Mg(OH)2particles

Surface-initiated ATRP of GMA from the surface of initiator-functionalized magnesium hydroxide particles was conducted in DMF at room temperature,using CuBr/PMDETA as the catalytic system.The schematic illustration of Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA particle is shown in Fig.5.

3.2.1.Analysis of FT-IR

As shown in Fig.1e,FT-IR spectra of Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA particles shows new epoxy peaks at 908cm ?1,847cm ?1(corre-sponding to the asymmetric vibrations of the epoxy rings)and peak at 1260cm ?1(corresponding to the symmetric

vibrations

Fig.6.SEM images of (a)bare Mg(OH)2,(b)Mg(OH)2-g-PHEMA–Br and (c)Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA.

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Fig.7.TGA and DTG curves of(a)bare Mg(OH)2and(b)Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA. of the epoxy rings),which indicated that PGMA has grafted from the surface of Mg(OH)2particles.Moreover,the peak intensity at 1730cm?1attributable to the carbonyl stretching vibration of the ester group of PGMA was signi?cantly enhanced,at the same time, the absorption peak at3700cm?1associated with O H stretching vibrations of hydroxyl group on the surface of Mg(OH)2particles was weakened.These results demonstrated that the Mg(OH)2par-ticles were encapsulated by PGMA layer.

3.2.2.Analysis of SEM

The surface morphologies of(a)bare Mg(OH)2,(b)Mg(OH)2-g-PHEMA–Br and(c)Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA particles were studied using scanning electron microscope(SEM)as shown in Fig.6.The hexagonal platy morphology of bare Mg(OH)2parti-cles can be seen in Fig.6a,which has?at surface with clear edge. Fig.6b shows the SEM images of Mg(OH)2-g-PHEMA–Br macroini-tiator,compared to bare Mg(OH)2,it is clearly evident that the regular platy shapes of bare Mg(OH)2particles have changed to more round,which indicated that the Mg(OH)2particles were sur-rounded by a organic polymer layer.From Fig.6c,the surface of Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA particles seems rough and entirely cov-ered or buried by a polymer layer as well as a lot of PGMA?akes were observed on the Mg(OH)2surface.

3.2.3.Analysis of TGA

The thermal properties of bare Mg(OH)2particles and Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA composite particles were investigated by TGA (Fig.7).For bare Mg(OH)2,the weight loss during the heating pro-cess can be divided into three stages.The?rst weight loss from room temperature to337?C is due to the adsorption of physi-cally adsorbed water.The second weight loss in the temperature ranging337–426?C is attributed to the decomposition of mag-nesium hydroxide.The decomposition of magnesium hydroxide can release water to decrease temperature and dilute oxygen and ?ammable gases concentrated near the?ame.The?nal weight loss may be caused by the decomposition of some carbonate species added in the manufacturing process.For Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA composite particles,the reason for the?rst and?nal weight loss stages is identical to that of magnesium hydroxide, the weight loss from253to354?C and354to466?C are due to the decomposition of poly(glycidyl methacrylate)and magnesium hydroxide respectively.More importantly,it can be found that the initial decomposition temperature of Mg(OH)2

-g-PHEMA–PGMA Fig.8.TGA curves of(a)bare Mg(OH)2,(b)Mg(OH)2-g-PHEMA–Br,(c–g)Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA for polymerization time of30,60,120,180,300min. composite particles(253?C)is much lower than that of untreated magnesium hydroxide particles(337?C).

Fig.8shows the TGA curves of PGMA grafted from Mg(OH)2par-ticles surface for various polymerization time.The conversion of monomer C(%),percentage of grafting PG(%)TGA and the thickness of the polymer layer(T)on the magnesium hydroxide particles were calculated from TGA data as shown in Figs.9and10.In the process of experiments,the weight of the particles before and after grafting PGMA were weighed respectively,the PG(%)weight of grafted PGMA were calculated from these data and are also shown in Fig.8.As can be seen,the C(%)and PG(%)TGA increase linearly with increasing polymerization time and reaches to7.0%and116.6%,respectively, after a polymerization time of300min.The thickness of the poly-mer layer(T)also increases with polymerization time and reaches to197.6nm after300min.These results exhibited the characteris-tics of a controlled polymerization.What is more,it was found that the PG(%)weight results show the same trend as PG(%)TGA,which indicated that the results were reliable.However,the values of PG (%)weight are less than PG(%)TGA,which could be due to the weight loss in the operating process of

experiment.

Fig.9.The effect of polymerization time on the C(%)and PG(%).PG(%)TGA:the percentage of grafted PGMA calculated from TGA data;PG(%)weight:the percentage of grafted PGMA calculated by weighting particles before and after grafting PGMA.

6134J.Liu et al./Applied Surface Science 258 (2012) 6127–

6135

Fig.10.The thickness of PGMA layer on the Mg(OH)2surface versus polymerization time.

3.2.

4.Analysis of GPC

In this study,the molecular weights and molecular weight distri-butions of the free polymers produced in solution were determined by GPC.It was believed that these values should be close to those of the grafted polymer brushes [44,45].From Fig.11,the kinetic plot of the polymerization of GMA shows a ?rst-order reaction.Fig.12presents the molecular weights and the PDI values versus monomer conversion plots.It could be observed that the num-ber average molecular weights (M n )of the obtained polymers increase linearly with monomer conversion,the polydispersity remained fairly low (~1.4),indicating that the grafting polymer-ization should be “living”/controlled.The molecular weights (M n )are well above the predicted theoretical values (M n ,theoretical ).This might be due to poor initiator ef?ciency reducing the number of growing chains [46,47].Furthermore,three kinds of different initial monomer concentration were used in the experiments to investigate the effect of the initial monomer concentration on the molecular weight and molecular weight distribution,and the results are summarized in Table 3.The GPC results in Table 3shows that the number average molecular weights (M n )and weight average molecular weights (M w )increase with the

increasing

Fig.11.Kinetic plot for the ATRP of GMA in DMF at 30?

C.

Fig.12.Molecular weight (M n )and polydispersity index (PDI)of PGMA as a function of monomer conversion.GMA/CuBr/PMDETA/EBiB =100/1/1/0.2.

Table 3

GPC results of the polymerization of GMA.

Sample

R m a

M n (g/mol)

M w (g/mol)

M w /M n 1100:1:1:0.2620310,110 1.632200:1:1:0.2711012,459 1.753

400:1:1:0.2

14,098

25,940

1.84

a

R m :the mole ratio of GMA/CuBr/PMDETA/EBiB;(in DMF,at 30?C for 120min).

of the initial monomer concentration,particularly,the number average molecular weights (M n )reaches to 14,098g/mol when GMA/CuBr/PMDETA/EBiB =400/1/1/0.2.However,the PDI of PGMA also increase with the increasing of the initial monomer concen-tration,this can be explained as follow,in ATRP,molecular weights increase linearly with the conversion of monomer,simultaneously,polydispersities (M w /M n )decrease with the conversion,depend-ing on the relative rate of deactivation [48].This means that at the beginning of the process,the polydispersities (M w /M n )is larger,while the monomer conversion is low in our experiments.Thus the polydispersities (M w /M n )remained high after 120min.

4.Conclusions

Controlled grafting of well-de?ned GMA polymer (PGMA)brushes could be carried out by surface-initiated ATRP of GMA on the magnesium hydroxide particles surface at ambient tem-perature.The density of initiator on the surface is signi?cantly increased,the percentage of bromine atom for Mg(OH)2-g-PHEMA–Br reached to 1.75%,compared to 0.48%for Mg(OH)2–Br.The polymerization was conducted in a controlled manner,as revealed by the linear kinetic plot,linear increase of molecular weights (M n )with monomer conversions,and narrow molecular weight distributions of PGMA chains.The percentage of graft-ing PG (%)increased with the increasing of the polymerization time and reached to 116.6%after 300min.The thickness of the grafted polymer layer increased to 197.6nm after 300min.As for the polymerization with different initial monomer concen-tration,the number average molecular weights (M n )and weight average molecular weights (M w )increased with the increasing of initial monomer concentration.TGA indicated that the initial decomposition temperature of Mg(OH)2-g-PHEMA–PGMA com-posite particles (253?C)is much lower than that of unmodi?ed magnesium hydroxide (337?C),which is very helpful to the improvement of ?ame-retardant effectiveness.

J.Liu et al./Applied Surface Science258 (2012) 6127–61356135

Acknowledgements

The authors gratefully acknowledge the?nancial support of the National Natural Science Foundation of China(no.21006125). References

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原子转移自由基聚合及其应用新进展(精)

原子转移自由基聚合及其应用新进展 原子转移自由基聚合(ATRP),是近几年迅速发展并有着重要应用价值的一种活性聚合技术。自从1956 年Szwarc[1]等报道了一种没有链转移和链终止的负离子聚合技术以来,活性聚合的研究性得到了巨大的发展,并一直是高分子学术界高度重视的领域。1983年Webster等[2]成功地实现了适用于丙烯酸酯类单体的基团转移聚合。随后又成功的实现了开环聚合[3]、活性正离子聚合[4,5]、络合负离子聚合[6] 以及无金属离子的活性负离子聚合[7]。1993年Xerox公司在苯乙烯的普通自由基聚合体系中加入有机自由基捕捉剂(Tempo体系)[8],使反应体系在聚合过程中自由基保持较低的浓度,从而抑制了自由基的副反应。第一次实现了" 活性"自由基聚合。与此同时,1995年《美国化学会志》报道了CarnegieMellon大学Matyjaszewski教授和王锦山博士共同开发的原子转移自由基聚合(ATRP)[9],成功地实现了真正意义上的"活性"/可控自由基聚合,取得了活性自由基聚合领域的历史性突破。 1. ATRP基本原理 ATRP的基本原理如Figure 1.1所示: Figure 1.1 Mechanism of atom transfer radical polymerization

式中,R-X是引发剂卤代烃(X-般为Cl或Br),M t n为过渡金属络合物,它由过渡金属离子和配位剂构成。在引发阶段,处于低氧化态的过渡金属络合物(盐)M t n从一有机卤化物-X中夺取卤原子X,生成引发自由基R·及处于高氧化态的金属络合物(盐) M t n + 1 -X。R·引发可给出卤原子X,即M t n + 1-X 与R·/R-M·发生减活反应生成R-X/R-M-X。如果R-Mn-X (n = 1, 2, ...)与R-X-样可与M t n发生促活反应生成相应的R-Mn及M t n + 1-X,同时若R-Mn·与M t n + 1-X又可反过来发生减活反应生成R-Mn-X及M t n,在自由基聚合反应进行的同时,就会始终伴随着一个自由基活性种Mn·与有机大分子卤化物休眠种Mn-X的可逆转换平衡反应。卤原子的可逆转移控制着[Mn·],而一个快速的卤原子转换速率将控制着分子量及分子量分布。图示表明:ATRP的基本原理其实是通过一个交替的“活化—去活”可逆反应使得体系中游离基浓度处于极低,迫使不可逆终止反应被降低到最低程度,而链增长反应仍可进行,从而实现“活性”聚合[10]。由于在这种聚合反应中,只是将自由基活性种的浓度加以控制,链终止和链转移被极大地抑制了,所以这种聚合反应只能是可控聚合或“活性”聚合,而不是真正的活性聚合。同时,在这种可控聚合反应中包含着卤原子从卤化物到金属络合物(盐)、再从金属卤化物转移到自由基这样一个反复循环的原子转移过程,加之反应活性种为自由基,所以称为原子转移自由基聚合。由于已有实验证明某些基团也可发生类似的转移自由基反应,故王锦山等把这样一种反应称为“原子(基团)转移自由基聚合”[11]。 ATRP研究大致可以分成两个体系:一个是美国Carnegie-Mellon

自由基聚合

2.自由基聚合 2.1引言 连锁聚合 根据聚合反应机理分类,聚合反应可以分为 逐步聚合 连锁聚合反应需要活性中心,单体在活性中心上反应形成大分子。活性中心可以是自由基,也可以是阴、阳离子。活性中心的性质与化合物共价键断裂的方式有关。 共价键有两种断裂方式:均裂和异裂 均裂: 共价键上一对电子分属于两个基团,这种带独电子的基团呈电中性,称作自由基或游离基。 异裂: 共价键上一对电子全部归属于某一基团,形成阴离子或负离子,则另一缺电子基团称作阳离子或正离子。 自由基、阴离子、阳离子都有可能成为活性中心,可打开烯类单体或羰基单体中的π键,或使环状单体的σ键断裂开环,使之链引发和链增长,分别成为自由基聚合,阴离子聚合,阳离子聚合,和配位聚合,实际上配位聚合也属于离子聚合的范畴。 Eg: 自由基聚合: 2.2连锁聚合的单体 单体能否聚合,须从热力学和动力学两方面考虑,热力学上能聚合的单体还要求有适当的引发剂、温度等动力学条件,才能保证一定的聚合速度。从热力学考虑可以进行连锁聚合的单体有: 2.2.1适合连锁聚合的单体 大致可以分为三类: 1.含有碳碳双键的烯类单体:包括单烯类、共轭二烯类,甚至炔烃。其中:

单烯类:乙烯基单体中的碳碳双键中π键可以均裂也可以异裂,因此可以进行自由基聚合或离子聚合。具体选择哪种聚合方式,由取代基的性质决定。 共轭二烯类:如苯乙烯,丁二烯,异戊二烯等单体处于共轭体系,在外界的影响下,双键的电子云易流动,诱导极化。因此单体既可以进行自由基聚合,也可以进行离子聚合。 2.羰基化合物如HCHO,CH3CHO,甚至酮类。 Eg: HCHO 羰基的双键有极性,使氧原子带有部分负电荷,而碳原子则带有部分正电荷。 3.杂环化合物 羰基化合物和杂环化合物的极性较强,一般不能自由基聚合,只适合于离子聚合。因此实际上只有碳碳双键的烯类单体可以进行自由基聚合,但也不是所有的都行,其取代基的性质有很大影响。 2.2.2取代基对于乙烯类单体聚合能力的影响。 除了取代基的种类和性质外,取代基的数量和体积也颇有影响,概括起来,分电子效应和位阻效应两个方面。电子效应又有诱导(极性)效应和共轭效应之分。乙烯基单体取代基的诱导效应和共轭效应能改变双键的电子云密度,并且对所形成的活性种的稳定性也有影响,因此决定着对自由基,阴、阳离子聚合的选择性。 1.无取代基时 乙烯结构对称,偶极矩为零,对进攻试剂选择性差。(目前只有两种聚合途径,在高温高压下可进行自由基聚合;在低压下可进行配位聚合。) 2.一取代乙烯 1)取代基为供电基团 供电基团有:烷氧基,烷基、苯基、乙烯基等 它可以(1)使碳碳双键电子云密度增加,有利于阳离子进攻,生成碳阳离子。 (2)使生成的阳离子增长种共振稳定。(碳阳离子生成后,由于供电子基团的存在,使电子云密度缺少的情况有所改善,体系的能量有所降低,碳阳离子的稳定性有所增加。)例如: 从诱导效应来看:烷氧基使双键电子云密度下降,理应进行阴离子或自由基聚合。 从共轭效应看:氧上未共用电子对能和双键形成P-π共轭,使双键电子云密度增加。 一般情况下,共轭效应占主动,所以是碳碳双键上电子云密度增加。同时又因为烷氧基的共轭,使正电荷不单单集中在碳阳离子上,而分散在碳氧两个原子上,使形成的

自由基聚合

自由基聚合及实施方法 一、解释概念: 1、引发剂效率和引发剂半衰期 2、动力学链长及其表达式 3、链自由基的等活性理论 4、自动加速现象/ 自动加速效应 / 自由基聚合的凝胶效应 5、配位聚合、阴离子聚合、阳离子聚合 6、自由基聚合的双基终止,歧化终止、偶合终止 7、阻聚、缓聚、阻聚剂、分子量调节剂 8、链转移常数的定义及表达式 二、回答下列问题: 1、自由基聚合是由哪些基元反应组成的,其中决定聚合反应的速率的基元反应是什么?决定大分子链结构的基元反应是什么?决定聚合物分子量的两对竞争反应是什么与什么的竞争? 2、试总结自由基聚合反应特征。引发剂分解、链增长反应是放热反应还是吸热反应? 3、引发剂有哪些种类?在无引发剂的情况下是否能发生自由基聚合?如何引发? 4、试总结自由基聚合有哪些链转移反应,这些反应对聚合度有何影响?写出自由基聚合产物聚合度的表达式。 5、推导自由基聚合速率方程时作了哪四条基本假设?试写出链引发、链增长、链终止反应的速率方程式。并推导自由基聚合速率方程式。 6、试回答动力学链长与聚合度之间的关系,在无链转移反应时,写出其关系式。 7、试从动力学的角度解释自由基聚合的凝胶效应。对聚合速率及分子量的影响。 8、使引发剂引发效率降低的原因主要什么? 9、在自由基聚合反应中,影响反应速度因素有哪些?如何影响?这些因素对最终产物的分子量有何影响? 10、在自由基聚合反应中和,逐步聚合反应中,单体转化率与时间、产物聚合度与时间的关系是什么?各自延长反应时间的目的是什么? 11、典型乳液聚合的基本组份有哪些?其中乳化剂用量和聚合反应速度、产物分子量有何关系?简述乳液聚合的机理,为什么乳液聚合时,在恒定的引发速率下可同时提高聚合速率和分子量? 12、写出下列物质在高分子合成中的用途:偶氮二异丁腈(AIBN),过硫酸钾,十二烷基硫酸钠,BPO,丁基锂,Lewis酸、正丁硫醇、苯醌。 13、在引发剂引发的自由基聚合、阳离子聚合、阴离子聚合中,其聚合机理的特征是什么?(引发、增

活性自由基聚合的新进展_原子转移自由基聚合

第24卷第1期山 西 化 工V o l.24 N o.1 2004年2月SHAN X I CH E M I CAL I NDU STR Y Feb.2004 活性自由基聚合的新进展 ——原子转移自由基聚合 谭英杰, 梁玉蓉 (华北工学院分院材料工程系,山西 太原 030008) 摘要:活性自由基聚合是目前高分子科学中最为活跃的研究领域之一,原子转移自由基聚合(A TR P)反应 是实现活性聚合的一种颇为有效的途径,也是高分子化学领域的最新研究进展之一。A TR P的独 特之处在于使用了卤代烷作引发剂,并用过渡金属催化剂或退化转移的方式,有效地抑制了自由基 双基终止的反应。A TR P可以同时适用于非极性和极性单体,可以制备多种结构形式的、结构清晰的高 分子化合物。可实现众多单体的活性 可控自由基聚合。介绍了A TR P的研究进展,包括A TR P反应的 特点、聚合反应机理、应用、研究现状及前景展望。 关键词:活性聚合反应;原子转移聚合反应;自由基双基终止;进展;特点;机理;应用;前景 中图分类号:TQ316 文献标识码:A 文章编号:100427050(2004)0120011205 引 言 聚合物合成的控制主要是指聚合物结构的控制和聚合物分子量的控制。活性聚合可以得到分子量分布极窄的聚合物,是控制聚合物分子量最理想的方法。通过活性聚合还能容易地获得预定结构和序列的嵌段共聚物和接枝共聚物。因此,活性聚合的研究受到高度的重视。 活性聚合的概念是1956年Sz w are提出的,即无终止、无转移、引发速率远大于增长速率的聚合反应。 活性聚合中依引发机理的不同,分为阳离子活性聚合、阴离子活性聚合、配位活性聚合、自由基活性聚合等。至今为止发展最完善的是阴离子活性聚合,由此成功地获得了单分散聚合物、预定结构和序列的嵌段共聚物、接枝共聚物。然而,阴离子活性聚合对反应条件要求苛刻,可聚合的单体也比较少,应用范围很有限。 与其他类型聚合反应相比,自由基聚合可聚合 收稿日期:2003210221 作者简介:谭英杰,男,1971年出生,学士学位,讲师,主要从事高分子材料共混改性研究。 的单体多、反应条件温和、易控制,实现工业化生产容易。当今市场上60%以上的合成聚合物产品是由自由基聚合工艺制备的。所以,活性自由基聚合具有极高的实用价值。 但是,自由基不稳定,极易发生双自由基终止反应,难以实现自由基活性聚合。从20世纪70年代开始,人们就努力寻找获得自由基活性聚合的途径[1]。 1 原子转移自由基聚合(A TR P)的特点 新材料的合成技术是21世纪优先发展的三大产业之一。高分子合成化学技术的发展促进了能满足各种要求的新材料不断问世,成为合成材料技术取得日新月异进展的重要基础之一。20世纪50年代配位聚合技术的出现,开辟了立构规整聚合的新纪元;而各种活性聚合技术的发展为合成出结构和组成可控的聚合物材料提供了可能性。自由基聚合产品占了所有聚合物产品的一半以上,因此,发展“可控、活性自由基聚合”成为人们梦寐以求的目标。自1995年中国旅美学者王绵山等首先发明原子转移自由基聚合(A TR P)技术后,立即引起世界各国高分子界专家学者和工业界的极大兴趣。 原子转移自由基聚合技术是近几年迅速发展并有着重要应用价值的一种活性聚合技术,可有效地

可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合概述与最新研究进展

可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合概述与最新研究进展 摘要可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合是一种十分重要的“活性”自由 基聚合方法。这种聚合方式被人们发现以来,RAFT聚合被化学和材料界广泛应用于聚合物的设计和合成上。本文对RAFT聚合的产生、反应机理等做了简要描述,并综述了其最新研究进展。 关键词RAFT聚合“活性”自由基聚合链转移剂 前言 活性聚合最早由美国科学家Szwarc于1956年提出。所谓活性聚合是指那些不存在任何使聚合链增长反应停止或不可逆转副反应的聚合反应。经历了60年的发展,活性聚合已从最早的阴离子聚合扩展到其它典型的链式聚合:如阳离子(1986年),自由基(1993年)等,并在人们的生产和生活中产生了巨大影响。活性聚合是高分子发展史上最伟大的发现之一。 活性聚合中依引发机理的不同,分为阴离子活性聚合、阳离子活性聚合、活性自由基聚合、配位活性聚合等。活性自由基聚合较其它几种聚合方式可聚合的单体多,反应温度范围较宽,能采用的溶剂种类和聚合方法多[1],因而引起了化学和材料界的极大重视。 活性自由基聚合依据其方法可分为引发转移终止(Iniferter)法,稳定自由基聚合(SFRP,NMP)法,原子转移自由基聚合(ATRP)法[2]和可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)法[3]。其中Iniferter法的缺点是聚合过程难以控制,所得聚合物的相对分子质量与理论值偏差较大,相对分子质量分布较宽;NMP的主要缺点表现在需要使用价格昂贵氮氧自由基,而且氮氧自由基的合成较为困难;ATRP 的劣势则表现在当聚合一些能与过渡金属催化剂形成配位键的单体(如丙烯酸)时的控制力不强,而且较难除去金属离子和催化剂,此外还需要较为苛刻的反应条件(对除氧的要求较高)[4]。相比而言,可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)法有着其它几种无法比拟的优点(如反应条件温和、适用单体范围广等),使得“活性”自由基聚合技术的发展又向前迈进了一步[5]。 1RAFT聚合概述 1.1RAFT聚合的提出 1998年,Rizzardo E.等人在第37届国际高分子学术讨论会上提出了一种新的CRP方法即可逆加成-断裂链转移自由基聚合(RAFT)[6]。他们以二硫代酯类化合物为链转移剂,通过增长自由基与二硫代酯类化合物的可逆链转移反应,实现控制聚合体系中增长自由基浓度,达到“活性”/可控的目的。 RAFT技术几乎是在同时被澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的Rizzardo课题组和法国的Charmot等人发现和申请专利的。Charmot等人将他们的发现命名为通过磺酸盐交换的大分子设计(MADLX),他们的专利仅仅限制在磺

自由基聚合机理以及四种常见共聚物

自由基聚合机理 烯类单体的加聚反应多属连锁聚合,连锁聚合反应由链引发、链增长、链终止等基元反应组成,各步的反应速率和活化能相差很大。连锁聚合链引发形成活性中心(或称活性种),活性中心不断与单体加成而使链增长(单体之间并不反应),活性中心的破坏就是链终止。自由基、阳离子、阴离子都可能成为活性中心引发聚合,故连锁聚合又可分为自由基聚合、阳离子聚合、阴离子聚合和配位聚合等,其中自由基聚合产物约占聚合物总产量的60%。 热力学上能够聚合的单体对聚合机理的选择是有差异的,如氯乙烯只能自由基聚合、异丁烯只能阳离子聚合、MMA可以进行自由基聚合和阴离子聚合、苯乙烯则可按各种连锁机理聚合。 自由基聚合产物约占聚合物总产量60%以上,其重要性可想而知。高压聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、聚丙烯酸酯类、聚丙烯腈、丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、ABS树脂等聚合物都通过自由基聚合来生产。本节将对自由基链式聚合反应作较详细的讨论。 自由基聚合的基元反应 烯类单体的自由基聚合反应一般由链引发、链增长、链终止等基元反应组成。此外,还可能伴有链转移反应。现将各基元反应及其主要特征分述如下。 1 链引发 链引发反应是形成单体自由基活性种的反应。用引发剂引发时,将由下列两步组成:(1)引发剂I分解,形成初级自由基R?; (2)初级自由基与单体加成,形成单体自由基。 单体自由基形成以后,继续与其他单体加聚,而使链增长。 比较上述两步反应,引发剂分解是吸热反应,活化能高,约105~150kJ/mo1,反应速

率小,分解速率常数约10-4~10-6s-1。初级自由基与单体结合成单体自由基这一步是放热反应,活化能低,约20~34kJ/mo1,反应速率大,与后继的链增长反应相似。但链引发必须包括这一步,因为一些副反应可以使初级自由基不参与单体自由基的形成,也就无法继续链增长。 有些单体可以用热、光、辐射等能源来直接引发聚合。这方面的研究工作不少,苯乙烯热聚合已工业化;紫外光固化涂料也已大规模使用。 2 链增长 在链引发阶段形成的单体自由基,仍具有活性,能打开第二个烯类分子的π键,形成新的自由基。新自由基活性并不衰减,继续和其他单体分子结合成单元更多的链自由基。这个过程称做链增长反应,实际上是加成反应。 为了书写方便,上述链自由基可以简写成,其中锯齿形代表由许多单元组成的碳链骨架,基团所带的独电子系处在碳原子上。 链增长反应有两个特征:一是放热反应,烯类单体聚合热约55~95kJ/mol;二是增长活化能低,约20~34KJ/mol,增长速率极高,在0.01~几秒钟内,就可以便聚合度达到数千,甚至上万。这样高的速率是难以控制的,单体自由基一经形成以后,立刻与其他单体分子加成,增长成活性链,而后终止成大分子。因此,聚合体系内往往由单体和聚合物两部分组成,不存在聚合度递增的一系列中间产物。 对于链增长反应,除了应注意速率问题以外,还须研究对大分子微观结构的影响。在链增长反应中,结构单元间的结合可能存在“头-尾”和“头-头”或“尾-尾”两种形式。经实验证明,主要以头-尾形式连接。这一结果可由电子效应和空间位阻效应得到解释。对一些取代基共轭效应和空间位阻都较小的单体聚合时头-头结构会稍高,如醋酸乙烯酯、偏二氟乙烯等。聚合温度升高时,头-头形式结构将增多。

自由基聚合习题参考答案

第3章自由基聚合-习题参考答案 1、判断下列单体能否进行自由基聚合并说明理由 H2C CHCl H2C CH H2C CCl2H2C CH2H2C C H2C CHCN H2C C(CN)2H2C CHCH3F2C CF2ClHC CHCl H2C C CH3 COOCH3H2C C CN COOCH3 HC CH OC CO O 答: (1)可以。Cl原子的诱导效应为吸电性,共轭效应为供电性两者相抵,电子效应微弱,只能自由基聚合。 (2)可以。为具有共轭体系的取代基。 (3)可以。结构不对称,极化程度高,能自由基聚合。 (4)可以。结构对称,无诱导效应共轭效应,较难自由基聚合。 (5)不能。1,1—二苯基乙烯,二个苯基具有很强的共轭稳定作用,形成的稳定自由基不能进一步反应。 (6)可以。吸电子单取代基。 (7)不可以。1,1双强吸电子能力取代基。 (8)不可以。甲基为弱供电子取代基。 (9)可以。氟原子半径较小,位阻效应可以忽略不计。 (10)不可以。由于位阻效应,及结构对称,极化程度低,难自由基聚合 (11)可以。1,1-双取代。 (12)可以。1,1-双取代吸电子基团。 (13) 不可以。1,2-双取代,空间位阻。但可进行自由基共聚。 2、试比较自由基聚合与缩聚反应的特点。

答: 自由基聚合:(1)由链引发,链增长,链终止等基元反应组成,其速率常数和活化能均不等,链引发最慢是控制步骤。 (2)单体加到少量活性种上,使链迅速增长。单体-单体,单体-聚合物,聚合物-聚合物之间均不能反应。 (3)只有链增长才是聚合度增加,从一聚体增加到高聚物,时间极短,中间不能暂停。聚合一开始就有高聚物产生。 (4)在聚合过程中,单体逐渐减少,转化率相应增加 (5)延长聚合时间,转化率提高,分子量变化较小。 (6)反应产物由单体,聚合物,微量活性种组成。 (7)微量苯酚等阻聚剂可消灭活性种,使聚合终止。 缩聚反应:(1)不能区分出链引发,链增长,链终止,各部分反应速率和活化能基本相同。 (2)单体,低聚物,缩聚物中任何物种之间均能缩聚,使链增长,无所谓活性中心。 (3)任何物种之间都能反应,使分子量逐步增加,反应可以停留在中等聚合度阶段,只在聚合后期才能获得高分子产物。 (4)聚合初期,单体缩聚成低聚物,以后再由低聚物逐步缩聚成高聚物,转化率变化微小,反应程度逐步增加。 (5)延长缩聚时间分子量提高,而转化率变化较小。 (6)任何阶段都由聚合度不等的同系缩聚物组成。 (7)平衡和基团非等当量可使缩聚暂停,这些因素一旦消除,缩聚又可继续进行。 3、解释下列概念: 歧化终止,偶合终止,引发剂效率,笼蔽效应,诱导效应,自动加速现象,诱导期,聚合上限温度,悬浮聚合,乳液聚合,增溶作用,临界胶束浓度,胶束,种子乳液聚合, 答: 歧化终止:链自由基夺取另一自由基的氢原子或其他原子终止反应。 偶合终止:两链自由基的独电子相互结合成共价键的终止反应。 引发剂效率:引发剂在均裂过程中产生的自由基引发聚合的部份占引发剂分解总量的分率,

原子转移自由基聚合理论

(1)ATRP介绍 王锦山等[1]采用1-苯-1-氯乙烷作为引发剂,氯化亚铜和联吡啶(bpy)的络合物作为催化剂,在130℃下引发苯乙烯(St)的本体聚合,反应3h产率可达95%。理论分子量和实验值符合较好。为了验证反应的自由基机理,比较了所得聚合物与一般自由基聚合所得聚合物的立构规整度,发现两者比较一致。并且当加入第二单体丙烯酸甲酯时,成功实现了嵌段共聚,具有明显的活性聚合特征。由此他们提出了原子转移自由基聚合(ATRP)。 ATRP是以简单的有机卤化物为引发剂、过渡金属配合物为卤原子载体,通过氧化还原反应,在活性种与休眠种之间建立可逆的动态平衡,从而实现了对聚合反应的控制。 聚合原理 引发阶段,处于低氧化态的转移金属卤化物Mt n,从有机卤化物R-X中吸取卤原子X,生成引发自由基R·及处于高氧化态的金属卤化物Mt n+1-X,自由基R·可引发单体聚合,形成链自由基R-M n·。R-M n·可从高氧化态的金属配位化合物Mt n+1-X中重新夺取卤原子而发生钝化反应,形成R-M n-X,并将高氧化态的金属卤化物还原为低氧化态的Mt n。增长阶段,R-M n-X与R-X一样(不总一样)可与Mt n发生促活反应生成相应的R-M n·和Mt n+1-X,R-M n·与R-M·性质相似均为活性种,同时R-M n·和Mt n+1-X又可反过来发生钝化反应生成R-M n-X和Mt n,则在自由基聚合反应进行的同时始终伴随着一个自由基活性种与大分子卤化物休眠种的可逆转换平衡反应。 由此可见,ATRP的基本原理其实是通过一个交替的“促活—失活”可逆反应使得体系中的游离基浓度处于极低,迫使不可逆终止反应被降到最低程度,从而实现可控/“活性”自由基聚合。 引发剂 ATRP聚合体系的引发剂主要是卤代烷RX(X=Br,C1),另外也有采用芳基磺酰氯、偶氮二异丁腈等。RX的主要作用是定量产生增长链。α-碳上具有诱导或共轭结构的RX,末端含有类似结构的大分子(大分子引发剂)也可以用来引发,形成相应的嵌段共聚物。另一方面,R的结构应尽量与增长链结构相似。卤素基团必须能快速且选择性地在增长链和转移金属之间交换。Br和Cl均可以采用,采用Br的聚合速率大于Cl[2]。 金属催化剂及配体 第一代ATRP催化剂为CuX(其中X为Br,Cl),此后有人采用了RuⅡ,RhⅡ,NiⅡ,FeⅡ,ReⅤ等过度金属卤化物[3]。而最早采用的配位剂是联二吡啶(bpy),后来有了dNbipy,PMDETA,BDE,BPMODA和Me6TREN等高活性的催化剂配

自由基聚合题库

? 1. 目前,悬浮聚合发主要用于生产( )。
A. PVC、PVDC C. PE
正确答案:A.
B. PS D. PP
? 2. 下列单体中可进行自由基、阴离子、阳离子聚合反应的是( )。
A. 氯乙烯 B. 苯乙烯 C. 乙烯 D. 醋酸乙烯 正确答案:B.
? 3. 聚乙烯醇的单体是( )。
A. 乙烯醇 B. 乙醇
C. 乙醛
D. 醋酸乙烯酯
正确答案:D.
? 4. 典型乳液聚合中,主要引发地点是在 ( )。
A. 单体液滴 B. 胶束 C. 水相 D. 单体液滴和胶束 正确答案:B.
? 5. 过硫酸钾引发剂属于( )。
A. 氧化还原引发剂 B. 水溶性引发剂 C. 油溶性引发剂 D. 阴离子引发剂 正确答案:B.
? 6. 在自由基聚合中,若初级自由基与单体的引发速度较慢,则最终聚合速率与单体浓 度呈( )级关系。
A. 1 C. 2
正确答案:B.
B. 1.5 D. 不能确定
? 7. 苯醌是常用的分子型阻聚剂,一般用单体的( )就能达到阻聚效果。
A. 1.0%一 0.5% C. 2.0%一 5.0% 正确答案:D.
B. 1.0%一 2.0% D. 0.1%一 0.001%
? 8. ( )的自由基是引发聚合反应常见的自由基。

A. 高活性 B. 低活性 C. 中等活性 D. 无活性 正确答案:C.
? 9. 某工厂用 PVC 为原料制搪塑制品时,从经济效果和环境考虑,他们决定用( )聚合 方法。
A. 本体聚合法生产的 PVC C. 乳液聚合法生产的 PVC
正确答案:C.
B. 悬浮聚合法生产的 PVC D. 溶液聚合法生产的 PVC
? 10. 自由基链转移反应中,不可能包括活性链向( )的转移。
A. 高分子 B. 单体 C. 引发剂 D. 溶剂
? 1. 对于自由基聚合,在其他条件保持不变的前提下升高聚合温度,得到的聚合物的分 子量将( )。
A. 减小 B. 增大 C. 不变 D. 不一定 正确答案:B.
? 2. 在乙酸乙烯酯的自由基聚合反应中加入少量苯乙烯,会发生( )
A. 聚合反应加速 C. 相对分子量降低 正确答案:B.
B. 聚合反应停止 D. 相对分子量增加
? 3. 传统自由基聚合的机理特征是( )。
A. 慢引发,快增长,速终止 C. 快引发,快增长,难终止
正确答案:A.
B. 快引发,慢增长,不中止 D. 慢引发,慢增长,速终止
? 4. 合成丁基橡胶的主要单体是( )。
A. 异丁烯+丁二烯 C. 异丁烯
正确答案:B.
B. 异丁烯+异戊二烯 D. 丁二烯
? 5. 合成橡胶通常采用乳液聚合反应,主要是因为乳液聚合( )。
A. 产品较纯净
B. 易获得高分子量聚合物
C. 不易发生凝胶效应 D. 聚合反应容易控制

原子转移自由基聚合概述

原子转移自由基聚合概述 1.引言 “活性”/可控自由基聚合不同于传统意义上的自由基聚合反应。它克服了分子量及其分布不可控,难以合成嵌段聚合物等缺陷,做到了分子量可控,分子量分布较窄,聚合物结构可控等一系列要求。这类聚合反应主要是有效降低了增长活性中心的浓度,抑制了双基终止的发生,延长了自由基的寿命和分子量的统一性;使用快引发的方式,保证不同分子链同时增长。目前大致有以下几种不同的机理得到了较为深入地研究:基于引发-转移-终止剂(Initiator-chain transfer-terminator)的活性自由基聚合(Iniferter法)、基于氮氧稳定自由基的活性自由基聚合(Living nitroxide-mediated stable free radical polymerization-SFRP)、原子转移自由基聚合(Atom transfer radical polymerization-ATRP)、基于可逆加成碎裂链转移剂的活性自由基聚合(Living radical polymerization in the presence of reversible addition-fragmentation chain transfer-RAFT)和退化转移自由基聚合(degenerative transfer process-DT)等等。 在这些不同的实现“活性”/可控自由基聚合的方法当中,原子转移自由基聚合是目前最有希望实现工业化的一种方法。 2.原子转移自由基聚合概述 原子转移自由基聚合是1995年由卡内基梅隆大学Matyjaszewski课题组提出的一种“活性”/可控自由基聚合新机理Wang, J-S; Matyjaszewski, K. Controlled/"living" radical polymerization. Atom transfer radical polymerization in the presence of transition-metal complexes. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117: 5614–5615.。在同一年,日本京都大学的泽本光南(Mitsuo Sawamoto)教授也在同时期独立发表了金属催化的活性自由基聚合Kato, M; Kamigaito, M; Sawamoto, M; Higashimura, T. Polymerization of Methyl Methacrylate with the Carbon Tetrachloride/Dichlorotris-(triphenylphosphine)ruthenium(II)/Methylaluminum Bis(2,6-di-tert-butylphenoxide) Initiating System: Possibility of Living Radical Polymerization. Macromolecules. 1995, 28: 1721–1723.,其本质就是原子转移自由基聚合。原子转移自由基聚合主要是依靠大分子活性中心与卤素原子在催化剂的参与下形成增长活性中心(活性种)和与卤素可逆终止的大分子链自由基(休眠种)之间的平衡来控制聚合的。它可以抑制链终止反应,控制聚合速度以保证同时增长,最终达到控制分子量及分布,并实现大分子结构设计的。 2.1.原子转移自由基聚合体系组成 原子转移自由基聚合的体系有以下几个组份。 单体。原子转移自由基聚合适用的单体种类比较多,并无太大限制,最好有可以稳定自由基的基团。但是每一种单体的聚合速率相差较多,需要通过其他因素的控制来调控Matyjaszewski, Krzysztof; Xia, Jianhui. Atom Transfer Radical Polymerization. Chemical Reviews. 2001, 101 (9): 2921–90.。 溶剂。常用的溶剂如甲苯、二甲苯、氯仿、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、水等都可以使用。有些体系直接用单体做本体聚合。 引发剂。聚合要做到活性可控,就要求引发既有较快的引发速率,使所有大分子链几乎在同一时间开始增长来保证分子量窄分布。同时,由于原子转移自由基聚合的机理,一般使用有机卤代物做引发剂,最常用的是卤代烷。溴代烷和氯代烷都可以较好的控制聚合物的分子量,但是溴代烷有更强的活性。同时,一定的引发剂结构可制备不同结构的聚合物。如多卤代烷支链的引发剂可制备星型聚合物。 催化剂。催化剂是ATRP中的重要组份。它既决定了反应速率又一定程度上决定了产品分子量的分布。若催化剂投料较少,则活性种浓度较高,有利于加快反应速率。但会使双基终止等副反应增加,但不利于制备分子量窄分布的聚合物。 最初的催化剂体系是卤化亚铜/联吡啶体系,反应体系是非均相体系。后来在联吡啶上引入油溶性长链,变为均相催化体系,并且有史以来第一次在自由基聚合中获得近似单分散的聚合物。为了开发较为便宜且反应速率较快的催化体系,后来又出现了Fe、Ru、Ni体系,而配体开始用高催化活性的多胺、亚胺等代替。 配体。配体与催化剂形成络合物,以解决催化剂在有机相中的溶解问题。不同配体对此问题

高分子作业-原子转移自由基聚合(ATRP)

研究的意义 原子转移自由基聚合(ATRP)是现阶段研究最为广泛的可控/“活性”自由基聚合法之一,该方法已经被广泛应用。通过原子转移自由基聚合法可以制备出先前无法制备出来的聚合物,比如结构可控的聚合物、分子量明确的聚合物等等。通过此次研究,我们可以更加深入地了解原子转移自由基聚合的机理以及它是如何控制聚合物的分子量大小、分子量分布、聚合物的组成以及聚合物的结构。同时,通过对于这些特殊的纳米级大分子的自组装的研究和讨论,为那些由纳米结构修饰的物质的更好应用提供了新的渠道。 研究内容 本次研究首先简单扼要地阐述了一下可控自由基聚合相比较传统的自由基聚合所拥有的独有的特点和优势。然后又详细地说明了原子转移自由基聚合的机理及与其他可控/“活性”自由基相比,存在的优缺点。随后介绍了原子转移自由基聚合在控制聚合物结构方面的应用。另外还介绍了原子转移自由基聚合在制备嵌段共聚物上的应用,通过分析嵌段共聚物的性质又详细地阐述了更为复杂的共聚物,这些共聚物能够通原子转移自由基聚合实现组装。同时,原子转移自由基聚合还被应用于制备带功能基团的聚合物以及功能纳米材料,显示出了ATRP的应用广泛性和强于其他聚合方法的优越性。 研究结果 通过原子转移自由基聚合可以制备出性能优越的功能化材料,同时还可以准确地合成出一些分子量、组成、形貌可控的大分子聚合物。为一些在纳米结构上能够自组装的聚合物开拓了新的应用前景。另外还研究了聚合物结构和性能的关系,为新结构、更加复杂的聚合物的研究奠定了扎实的基础。 展望 在合成聚合物化学过程中,原子转移自由基聚合是发展最为迅速的方法之一。它将化学和物理及加工联系起来,为理性地设计和制备目标产物提供了有效的方法。正是由于原子转移自由基聚合法的发展催生出了领域的发展,例如有机化学领域中的click体系、表面化学中的响应性分子刷、生物医学中的智能的缓释药物体系等。但是,想要完全地去理解和应用原子转移自由基聚合法还需要付出更多的努力。 心得

自由基聚合链转移 一种新的活性自由基聚合_单电子转移-活性自由基聚合

第8期高分子通报?85? 一种新的活性自由基聚合单电子转移一活性自由基聚合 汤鑫焱,翟光群。,孔立智 (江苏工业学院常州市高分子材料重点实验室软物质与大分子科学研究室,常州213164) 摘要介绍了一种新的活性自由基聚合一单电子转移活性自由基聚合(SET.LRP)。SET—LRP的机理是基 于Cu(I)在某些溶剂中的歧化反应和Cu(o)通过外层电子转移(oSET)使引发剂R—X生成自由基离子 [R—x]一,自由基离子通过异裂生成自由基R?.从而引发单体进行聚合。讨论了引发荆、催化剂、溶剂和配体 对SET_LRP的影响。通过与原子转移自由基聚合(ATRP)的对比.表明用于ATRP的引发剂也能广泛应用于 SET-LRP.而用于SET-LRP的配体必须是能使络合物高度不稳

定、能够使Cu(1)迅速发生歧化反应的配体;通 过比较还显示出SET.LRP巨大的优越性单体适应范围广、反应速率快、反应条件简单、催化剂容易脱除、反应 产物没有颜色变化。总之,SET—LRP将有其广阔的应用前景。 关键词单电子转移一活性自由基聚合I机理;催化剂;原子转移自由基聚合 前言 自0tsu[1]1982年首先报道了iniferter调节的自由基聚合之后,上世纪90年代诞生三种主要活性自由基聚合(LRP)技术。分别为1993年George等[2]报道的氮氧自由基调控活性聚合(NMP)技术,1995年Matyjaszewski[3.引、Sawamoto[s.6]和Percec等[7]三个小组几乎同时独立报道的原子转移自由基聚合(ATRP)技术,1998年澳大利亚CSlRO的Rizzardo等[8_10]报道的可逆加成一断裂链转移聚合技术(RAFT)和黄原酸醋交换法设计大分子(MADIX)技术。 现有的三种活性聚合技术各有优缺点。NMP过程体系简单。但只对苯乙烯类单体可控性较好。而且聚合温度较高,往往超过120。C。RAFT/MA

活性自由基聚合的新进展_原子转移自由基聚合

第24卷第1期山 西 化 工Vo l.24 N o.1 2004年2月SHA N XI CHEM ICA L IN DU ST R Y F eb.2004 活性自由基聚合的新进展 ——原子转移自由基聚合 谭英杰, 梁玉蓉 (华北工学院分院材料工程系,山西 太原 030008) 摘要:活性自由基聚合是目前高分子科学中最为活跃的研究领域之一,原子转移自由基聚合(A T R P)反应 是实现活性聚合的一种颇为有效的途径,也是高分子化学领域的最新研究进展之一。A T R P的独 特之处在于使用了卤代烷作引发剂,并用过渡金属催化剂或退化转移的方式,有效地抑制了自由基 双基终止的反应。A T R P可以同时适用于非极性和极性单体,可以制备多种结构形式的、结构清晰的高 分子化合物。可实现众多单体的活性/可控自由基聚合。介绍了AT RP的研究进展,包括A T RP反应的 特点、聚合反应机理、应用、研究现状及前景展望。 关键词:活性聚合反应;原子转移聚合反应;自由基双基终止;进展;特点;机理;应用;前景 中图分类号:T Q316 文献标识码:A 文章编号:1004-7050(2004)01-0011-05 引 言 聚合物合成的控制主要是指聚合物结构的控制和聚合物分子量的控制。活性聚合可以得到分子量分布极窄的聚合物,是控制聚合物分子量最理想的方法。通过活性聚合还能容易地获得预定结构和序列的嵌段共聚物和接枝共聚物。因此,活性聚合的研究受到高度的重视。 活性聚合的概念是1956年Szware提出的,即无终止、无转移、引发速率远大于增长速率的聚合反应。 活性聚合中依引发机理的不同,分为阳离子活性聚合、阴离子活性聚合、配位活性聚合、自由基活性聚合等。至今为止发展最完善的是阴离子活性聚合,由此成功地获得了单分散聚合物、预定结构和序列的嵌段共聚物、接枝共聚物。然而,阴离子活性聚合对反应条件要求苛刻,可聚合的单体也比较少,应用范围很有限。 与其他类型聚合反应相比,自由基聚合可聚合 收稿日期:2003-10-21 作者简介:谭英杰,男,1971年出生,学士学位,讲师,主要从事高分子材料共混改性研究。的单体多、反应条件温和、易控制,实现工业化生产容易。当今市场上60%以上的合成聚合物产品是由自由基聚合工艺制备的。所以,活性自由基聚合具有极高的实用价值。 但是,自由基不稳定,极易发生双自由基终止反应,难以实现自由基活性聚合。从20世纪70年代开始,人们就努力寻找获得自由基活性聚合的途径[1]。 1 原子转移自由基聚合(AT RP)的特点 新材料的合成技术是21世纪优先发展的三大产业之一。高分子合成化学技术的发展促进了能满足各种要求的新材料不断问世,成为合成材料技术取得日新月异进展的重要基础之一。20世纪50年代配位聚合技术的出现,开辟了立构规整聚合的新纪元;而各种活性聚合技术的发展为合成出结构和组成可控的聚合物材料提供了可能性。自由基聚合产品占了所有聚合物产品的一半以上,因此,发展“可控、活性自由基聚合”成为人们梦寐以求的目标。自1995年中国旅美学者王绵山等首先发明原子转移自由基聚合(AT RP)技术后,立即引起世界各国高分子界专家学者和工业界的极大兴趣。 原子转移自由基聚合技术是近几年迅速发展并有着重要应用价值的一种活性聚合技术,可有效地

聚合反应实施方法1

第二章聚合反应的工业实施方法 第一节连锁聚合反应的工业实施方法 工业实施方法主要有:本体聚合、悬浮聚合、溶液聚合、乳液聚合等。 一、本体聚合——适用于自由基、离子型聚合反应 1.定义:在不加溶剂或分散介质情况下,只有单体本身在引发剂(有时也不加)或光、热、辐射的作用下进行聚合反应的一种方法。 基本组成:单体、引发剂。有时也加入增塑剂、抗氧剂、紫外线吸收剂和色料等。 2.分类 (1)根据单体与聚合物相互混溶的情况可分为:均相、非均相聚合(或沉淀聚合)两种。 均相聚合反应:凡单体与所形成的聚合物能相互混溶,在聚合过程中无分相现象发生的反应。 沉淀聚合反应:单体与所形成的聚合物不能相互混溶,在聚合过程中,聚合物逐渐沉析出来的反应。 (2)根据参加反应的单体的状态,可分为气相、液相、固相本体聚合,其中液相本体聚合应用最广泛。 (3)工业上分,间歇法、连续法。 3.特点: (1)聚合方法简单,生产速度快,产品纯度高,设备少。 (2)易产生局部过热,致使产品变色,发生气泡甚至爆聚。 (3)反应温度不易恒定,所以反应产物的相对分子质量分散性较大。 (4)产品容易老化。 1

4.主要产品: PS树脂、PMMA树脂、PE树脂、PVC树脂等。 5.主要影响因素: (1)单体的聚合热 会放出大量的热量,如何排除是生产中的第一个关键问题。 工业生产中:一般采用两段式聚合 第一段在较大的聚合釜中进行,控制10%~40%以下转化率;第二 段进行薄层(如板状)聚合或以较慢的速度进行。 (2)聚合产物的出料 是本体聚合的第二个问题,控制不好不但会影响产品的质量,还会造成生产事故。 解决办法:根据产品特性,选出料方式 浇铸脱模制板材或型材, 熔融体挤出造粒, 粉状出料。 6.优点;产物纯净,适于生产板材、型材等透明制品,也可生产电绝缘材料和医用材料。 7.应用:实验室研究(如单体聚合能力、动力学研究、竟聚率测定。 二、溶液聚合 1.定义:将单体和引发剂溶解于适当溶剂中进行聚合反应的一种方法。 基本组成→单体、引发剂、溶剂 2.类型: (1)根据溶剂与单体和聚合物相互混溶的情况分为:均相、非均相溶液聚合(或沉淀聚合)两种。 均相聚合反应:凡溶剂与单体和聚合物能相互混溶,得到的产物为高聚物溶液

原子转移自由基共聚(ATRP)反应的实例及研究进展

原子转移自由基共聚(ATRP)反应的研究进展 摘要:活性自由基聚合是目前高分子科学中最为活跃的研究领域之一。原子转移自由基聚合(A TRP)反应是实现活性聚台的一种颇为有效的途径,也是高分子化学领域的最新研究进展之一。ATRP的独特之处在于使用了卤代烷作引发剂,并用过渡金属催化剂或退化转移的方式,有效地抑制了自由基双基终止的反应。ATRP可以同时适用于非极性和极性单体,可以制备多种结构形式的、结构清晰的高分子化合物。可实现众多单体的活性/可控自由基聚合。介绍了ATRP的研究进展,包括ATRP反应的特点、聚合反应机理、应用、研究现状及前景展望。 关键词:原子转移自由基聚合,机理,反应体系,共聚,研究进展 活性聚合是高分子化学的重要技术,是实现分子设计,合成一系列结构不同、性能特异的聚合物材料,如嵌段、接枝、星状、梯状、超支化等特殊结构的聚合物的重要手段.活性聚合可分为阳离子活性聚合、阴离子活性聚合、配位活性聚合、活性自由基聚合等.迄今为止发展最完善的是阴离子活性聚合,然而,阴离子活性聚合对反应条件要求苛刻、可聚合的单体也较少,应用范围很有限.与其它类型聚合反应相比,活性自由基聚合集活性聚合与自由基聚合的优点为一身,不但可得到相对分子量分布极窄,相对分子量可控,结构明晰的聚合物,而且可聚合的单体多,反应条件温和易控制,容易实现工业化生产.所以,活性自由基聚合具有极高的实用价值,受到了高分子化学家们的重视. 但是,自由基聚合存在与活性聚合相矛盾的基元反应或副反应,使聚合过程难以控制。因此,自由基的活性聚合或可控聚合一直是人们努力探索的课题。受有机合成中利用过渡金属催化原子转移自由基加成合成新的c—c键方法的启发,1995年,王锦山博士在卡内基一梅隆大学首次提出了原子转移自由基聚合(ATRP)的概念,并成功地将其应用于合成结构可控的聚合物,从而实现了活性自由基聚合领域的历史性突破,引起了世界各国高分子学家的极大兴趣。本文将对A TRP的研究进展进行综述。 1原子转移自由基聚合原理 ATRP的基本原理是通过一个“活化一去活”的可逆过程,使得体系中的游离基浓度极低,迫使不可逆终止反应被降到最低程度,从而实现活性/可控聚合(如图1)。 图中,M t n,M t n+1分别为还原态和氧化态的过渡金属化合物;L为配位剂;R—M n一x 为聚合物卤化物;R—Mn·为其失去卤原子所对应的自由基;k p为增长反应速率常数。R—Mn一x可与M t n进行原子转移反应,生成有引发活性的自由基R—Mn·。R—Mn-进行链增长反应,生成新的自由基R—M t n+1·,可以和x M t n+1反应生成相应的卤化物。而卤化物则不能和单体发生反应。ATRP就是这样以过渡金属络合物为卤原子载体.通过氧化还原反应,在活性种与休眠种之问建立可逆动态平衡,实现对聚合反应的控制。 2 ATRP反应体系的研究进展 2.1引发剂的改善 引发剂一直是ATRP研究的中心问题。在最初的报道中,其有效引发剂是分子结构中含

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