【摘 要】
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逐步聚合反应是通过分子链上功能基团之间的反应逐步进行的,是制备各种特种聚合物最重要的方法。在逐步聚合过程中,聚合体系的黏度不断增加,不仅易出现混合不均,造成局部区域反应基团摩尔失衡,发生封端副反应,而且会阻碍分子扩散,导致聚合反应难以进一步进行,不易获得高分子量的聚合产物。强化流动混合可以增加分子链运动和提高反应基团分布的均匀性,促进逐步聚合反应。但是,不同链长和刚柔性分子的扩散、空间分布以及取向
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逐步聚合反应是通过分子链上功能基团之间的反应逐步进行的,是制备各种特种聚合物最重要的方法。在逐步聚合过程中,聚合体系的黏度不断增加,不仅易出现混合不均,造成局部区域反应基团摩尔失衡,发生封端副反应,而且会阻碍分子扩散,导致聚合反应难以进一步进行,不易获得高分子量的聚合产物。强化流动混合可以增加分子链运动和提高反应基团分布的均匀性,促进逐步聚合反应。但是,不同链长和刚柔性分子的扩散、空间分布以及取向等对流动混合作用的敏感性存在差异,很大程度上影响了聚合反应过程以及最终的产品质量。论文围绕流动混合对不同分子结构单体的逐步聚合反应动力学和聚合产物链结构的作用机制开展研究。首先,以4,4’-二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)、短链二胺——间苯二胺(MPD)和长链二胺——聚氧丙烯二胺(D2000)为单体合成线形共聚脲为研究对象,系统考察了宏观混合和微观混合对共聚脲反应过程强化效果以及聚合产物分子链结构的影响,揭示了流动混合对不同分子链长单体聚合的作用规律;然后以制备聚苯撑苯并二噁唑(PBO)的缩聚反应为研究对象,考察了流动混合对刚性链分子聚合反应的影响,探明了混合效率和流动模式对刚性链分子缩聚反应的作用机制。论文取得了以下研究结果:(1)对于MDI/MPD/D2000三元共聚反应体系,由于MDI与D2000的本征反应速率比MDI与MPD的快得多,MDI先和D2000反应生成-(D2000-MDI)n-链段,然后与MPD生成-(MPD-MDI)n-链段。通过改变二胺原料配比可调控共聚脲组成、序列结构及其机械性能。随着短链单体MPD用量的增加,共聚脲中MPD-MDI-MPD序列含量提升,微相尺寸和微相分离程度减小,拉伸模量和抗拉强度大幅增大;而随着长链单体D2000用量的增加,D2000-MDI-D2000序列含量提升,柔性分子链大幅变长、微相分离程度增大,共聚脲表现出更好的柔顺性。(2)在桨叶式反应器(PIR)中,考察了搅拌转速对MDI/MPD/D2000聚合体系的影响,结果表明相比于短链单体MPD,长链单体D2000与MDI的反应更易从反应控制转变为扩散控制,并且增强宏观混合可显著降低D2000/MDI反应受扩散的阻碍效应而不影响MPD/MDI反应。因此,通过改变搅拌转速可以调控MDI/MPD/D2000共聚脲的序列结构和性能:随着搅拌转速从100 rpm提高至800 rpm,MPD-MDI-MPD序列含量从57 mol%下降至15 mol%,而MPD-MDI-D2000和D2000-MDI-D2000序列含量分别从39 mol%和4 mol%上升至64 mol%和21 mol%;共聚脲的邵氏A硬度、拉伸强度和伸长率分别从81、56 MPa和65%变为 68、40 MPa 和 188%。(3)相比PIR,微通道混合器(MC)和动态混合器(DM)可将微观混合时间缩短1~2个数量级。对于MDI/MPD/D2000(摩尔比为2/1/1)共聚反应体系,由于高效的微观混合能力,在MC中进行共聚时,反应时间0.1 s内即可获得分子量高于4.0×104 g·mol-1的共聚脲,而具有更长停留时间的DM中共聚脲的最高分子量为6.8×104 g·mol-1,比PIR提高了 40%,并且随着转速加快,可促进低分子量齐聚物-(MDI-D2000)n-参与反应,使得MPD-MDI-MPD序列含量相对下降。(4)在制备刚性链分子PBO的缩聚反应中,聚合初始阶段,随着混合效率的提高,分子链的平移和旋转扩散系数大幅增加,表观反应速率显著加快。但是,随着刚性链分子变长,平移和旋转扩散系数都急剧下降,混合效率的提升对于缩聚反应的促进作用变得不再显著,尤其是在聚合后期,由于旋转扩散系数降至零,缩聚反应难以继续进行。相比于拉伸流,刚性聚合物分子在旋转流中更有可能处于平行的取向,能更有效强化刚性链分子的聚合反应,提升PBO产物的分子量。
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