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采用反应挤出方法接枝改性聚烯烃已有近半个世纪的历史,但人们对挤出机内发生的物理变化和化学反应尚未有规律性的认识,迄今为止,尚未发现高温熔融反应挤出接枝反应速率常数的研究报道。本文以室温下空气中经电子束预辐照的LLDPE为接枝基底,以丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯为接枝单体,利用红外光谱(FTIK)、核磁光谱(1H-NMR)、紫外光谱(UV)、电子自旋共振波谱(ESR)等实验手段,系统地研究了反应挤出接枝过程的反应规律和接枝(均聚)反应动力学,并测量了链增长反应速率常数,进而澄清了链增长反应的本质。
对反应挤出接枝反应的过程研究表明:1.螺杆中的接枝和均聚反应速度很快,大部分产物在第二捏合段之前形成,这主要是由于高温下大分子过氧化物半衰期较短、单体在聚合物中不均匀分布造成的;同时说明,接枝反应所需的时间小于物料在螺杆中停留时间;2.在本反应体系,单体的接枝率总是大于均聚物含量,这是因为用于引发接枝反应的大分子过氧化物浓度大于用于引发均聚反应的过氧化物浓度;_般来说,三种单体中AA的接枝率和均聚物产量最高,MAA次之,MMA最低,这与单体分子体积和反应活性相关;3.接枝率和均聚物产量随着辐照剂量、单体浓度、特定进料速度的变化呈现相同的变化趋势。但增加辐照剂量、单体浓度更有利于均聚反应;4.随着温度的升高,三种单体的接枝率、接枝速率、均聚速率都随之升高,但由于单体的临界反应温度较低,MAA和MMA的最终均聚物产量在高温时反而降低,AA则不受临界反应温度的影响,最终均聚物产量与接枝率呈现相同的变化规律。采用1H-NMR对接枝产物的表征表明:LLDPE-g-AA接枝链主要由短接枝支链组成,LLDPE-g-MAA和LLDPE-g-MMA主要由单个分子组成,说明接枝链向聚合物的链转移在后两者的反应体系是主要的反应。
对反应挤出接枝反应的动力学研究表明:1.接枝和均聚反应呈现两个阶段:线性增长阶段和近似平台增长阶段,说明反应由化学控制转变为扩散控制;链增长自由基的动力学链长较长,单体浓度的变化是第一阶段向第二阶段转化的主要原因;2.接枝和均聚反应的活化能较高(130~145kJmol-1),说明反应温度对接枝(均聚)反应影响较大;临界反应温度对接枝反应和均聚反应速率的不同影响主要是因为接枝链和均聚链链长的不同造成的;3.对于LLDPE/AA体系,起始接枝反应速率与辐照剂量的0.55次幂成正比,与初始单体浓度的1.46次幂成正比,说明,接枝反应主要以双基终止为主,单体加成到大分子自由基上是一步慢反应;起始均聚反应速率与辐照剂量的0.51次幂成正比,与初始单体浓度的1.08次幂成正比,遵循经典的自由基聚合规律。4.对于LLDPE/MAA体系,起始接枝反应速率与辐照剂量的0.91次幂成正比,与初始单体浓度的1.5次幂成正比,说明,接枝反应主要以接枝链向聚合物链转移终止为主,单体加成到大分子自由基上是一步慢反应:起始均聚反应速率与辐照剂量的0.53次幂成正比,与初始单体浓度成正比,同样遵循经典的自由基聚合规律;5.对于LLDPE/MMA体系,起始接枝反应速率与辐照剂量的0.9次幂成正比,与初始单体浓度的1.5次幂成正比;起始均聚反应速率与辐照剂量的0.60次幂成正比,与初始单体浓度成正比。6.实物球反应模型的模拟结果与实验结果基本一致。
使用电子自旋共振波谱和傅立叶转换红外光谱相结合的办法,作者成功的测量了LLDPE接枝三种酸性单体的链增长反应速率常数,研究表明:1.链增长速率常数,kp,g和kp,h基本上不随熔体黏度和起始单体浓度的改变而改变;2。均聚链增长反应速率常数,kp,h总是大于相应温度下接枝链增长反应速率常数,kp,g;3.要获得较高的接枝率,应首先选取反应活性较高的单体;由于反应体系活化能较高,温度升高有助于反应速率的提高;4.高温熔融体系起始反应阶段,链增长反应是化学反应控制的;5.用溶液聚合反应速率常数的外推值分析熔融接枝动力学行为可能是不正确的。