可逆加成—断裂—链转移自由基均聚及共聚机理研究

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可逆加成-断裂-链转移(RAFT)聚合是实现可控/“活性”自由基聚合的一种主要方法。由于其广阔的应用前景,自1998年首次报道以来,迅速成为高分子化学研究领域的热点。RAFT聚合在传统自由基聚合的体系中引入一种被称为RAFT试剂的化合物,通过与自由基进行可逆加成/断裂反应来实现分子链的“活性”增长。RAFT反应过程已基本确立,但对加成/断裂反应速率常数的大小却有争议,是当前RAFT聚合机理研究的主要内容。本文首先通过测定代表性的RAFT自由基聚合体系的平衡常数K,链转移常数Ctr及组合参数(kc/kt)K等主要参数,分析了RAFT聚合反应的机理;接着建立了RAFT二元共聚体系的聚合动力学模型、表观平衡系数模型、共聚表观链转移系数模型,并通过实验验证了模型的可预测性,最后讨论了共聚体系中RAFT试剂的选择性问题。考察了三种有代表性的单体:苯乙烯St,丙烯酸丁酯BA及甲基丙烯酸甲酯MMA和三种RAFT试剂:Z基为苯基的苯甲酸2-腈基异丙基二硫代酯CPDB,Z基为苄基的二硫代苯乙酸1-苯基乙酯PEPDTA及Z基为异丙基的苄基二硫代异丁酸酯BDIB。通过测定不同单体/RAFT聚合体系的K、Ctr及(kc/kt)K,结合文献报道的数据,得到的结论有:对于BA单体的RAFT聚合体系,随着RAFT试剂中Z基团对中间态自由基稳定程度的下降,链转移常数与平衡常数都呈下降趋势,而平衡常数下降的幅度更大,说明RAFT试剂Z基团的变化对断裂速率系数的影响更大;对于相同的RAFT试剂,三种单体的平衡常数满足:KMMA<KSt<KBA,说明RAFT试剂对BA的缓聚作用最明显,St次之,而对MMA的缓聚作用最小;增长自由基向齐聚物RAFT试剂的加成、断裂速率系数仅与增长自由基的稳定性及RAFT试剂的Z基相关,对于Z基相同的齐聚物RAFT,单体自由基的稳定性越大加成越慢断裂越快;对于相同的单体,向Z为苯基的齐聚物加成速率系数大于Z为异丙基的齐聚物RAFT,而断裂速率系数则相反。从RAFT二元共聚基元反应入手,做出以下四点假设:1.总自由基浓度(包括增长自由基及中间态自由基)符合稳态假定;2.不考虑预平衡过程对聚合动力学的影响;3.共聚体系满足长链假定(交叉增长平衡及交叉链转移平衡成立);4.前末端效应对可逆链转移反应无影响(不影响自由基与RAFT试剂的加成与中间态自由基的断裂速率,但对自增长及交叉增长速率有影响)。在此假设成立的前提条件下,建立了RAFT共聚动力学反应模型,得到了影响RAFT共聚反应速率的表达式(1)、共聚表观平衡系数表达式(2),及共聚表观链转移系数的理论表达式(3):此模型说明RAFT对共聚速率的缓聚效应主要由RAFT试剂的浓度及共聚表观平衡系数<K>决定。RAFT二元共聚的<K>是组成的函数,只需测定两均聚体系的平衡常数Kii,即可由式(2)计算任意组成下共聚的平衡常数。RAFT二元共聚表观链转移常数则可由均聚链转移常数Ctr,ii、交叉共聚链转移常数Ctr,ij(i≠j=1,2)按照式(3)计算得到。表观平衡系数模型可以很好地解释MMA/BA/CPDB共聚体系“反常”的动力学行为:常规MMA/BA共聚体系,BA均聚速率远快于MMA,共聚速率随着初始组成中MMA含量的增加而迅速下降,而以CPDB为RAFT试剂时,MMA的均聚反应速率反而大于BA均聚反应速率;而共聚反应速率在MMA的初始组成约为fMMA=0.12处达到最低值,这是由于CPDB对不同组成下共聚速率缓聚作用不同所引起的。共聚体系链转移系数随单体组成的变化也是非线性的,且对不同的共聚单体/RAFT体系其变化规律是不一致的。在以Z为苄基的齐聚物RAFT试剂调控的MMA/BA共聚体系中,链转移常数随fMMA的增加呈现降低趋势,因此随着体系中fMMA的减小可制得分子量分布愈窄的聚合物。而在以Z为异丙基的齐聚物RAFT试剂调控的BA/St体系中,链转移常数在fSt=0.25处有一极小值。文章最后提出了共聚反应体系中RAFT试剂的选择原则:RAFT共聚反应所选用的RAFT试剂即要能够实现产物分子量及分布的可控性(要求Ctr足够大),又不能对共聚速率产生较大的缓聚作用(要求K不能太大),缓聚作用如果很大,不仅延长了聚合时间,还使得聚合体系死聚物含量增大,加宽了产物的PDI。
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