Galerie de cartes mentales Polymérisation radicalaire sans chimie des polymères
Une carte mentale sur la polymérisation radicalaire sans chimie des polymères, y compris la cinétique de polymérisation (microscopique), Thermodynamique de polymérisation, mécanisme de polymérisation radicalaire, etc.
Modifié à 2023-11-27 17:26:24Polymérisation radicalaire
Mécanisme de polymérisation radicalaire
Sélectivité des mécanismes de polymérisation par les monomères oléfiniques
effet d'induction
Le groupe attracteur d'électrons réduit la densité du nuage d'électrons π à double liaison, ce qui est propice à l'attaque anionique et à la polymérisation anionique.
Le groupe donneur d'électrons augmente la densité du nuage d'électrons π à double liaison, ce qui est bénéfique pour l'attaque cationique et la polymérisation cationique.
effet de conjugaison
Les électrons sont plus mobiles et peuvent facilement induire une polarisation
effet stérique
La structure est plus asymétrique, le degré de polarisation augmente et il est plus facile de s'agréger.
Les monomères oléfiniques 1,2 disubstitués sont généralement difficiles à homopolymériser en raison d'effets d'encombrement stérique et certains ont une symétrie structurelle ou ne peuvent former que des dimères.
L'éthylène tri-tétra-substitué ne peut généralement pas être polymérisé, à l'exception du fluoroéthylène, car le rayon de l'atome de fluor est petit et l'effet d'encombrement stérique peut être ignoré.
Déclencheur de chaîne
Concept : Réaction pour former des radicaux libres monomères (espèces actives).
Processus : Dans la première étape, l'initiateur I se décompose pour former le radical libre primaire R• (réaction endothermique avec une énergie d'activation élevée, une vitesse de réaction faible, étape à vitesse contrôlée) Je—>2R• Dans la deuxième étape, les radicaux libres s'ajoutent aux monomères pour former des radicaux libres monomères (la réaction exothermique a une faible énergie d'activation et une vitesse de réaction élevée, comparable aux réactions de croissance en chaîne. Cette étape est nécessaire pour l'initiation de la chaîne) R•+monomère—>R monomère•
Type d'initiateur
Composés azoïques
L'azobisisobutyronitrile AIBN (poids moléculaire égal à 164) forme de l'azote et deux radicaux cyanopropyle, n'a pas d'activité de décomposition induite, a une faible activité et est sujet aux effets de cage.
L'azobisoheptanitrile (ABVN) a une activité plus élevée et une activité moyenne.
Peroxydes (inorganiques et organiques)
Inorganique : le persulfate est utilisé dans la polymérisation en émulsion et en solution aqueuse pour former un système redox avec des ions ferreux et peut être initié à température ambiante.
Organique : hydroperoxyde d'alkyle, peroxyde de dialkyle, peroxyde de diacyle (faible activité) Peroxyde de dibenzoyle BPO poids moléculaire 242 Caractéristiques : décomposition en deux étapes pour former deux radicaux libres de faible activité Il est facile d'induire une décomposition, ce qui rend l'efficacité de l'initiateur faible, mais il n'est pas facile de provoquer l'effet cage.
système rédox
Faible énergie d'activation, taux d'initiation rapide, faible efficacité de l'initiateur BPO+NN Diméthylaniline
photoinitiateur
Les deux premiers types peuvent produire des radicaux libres par décomposition lumineuse. De plus, les disulfures, le benjoin et la diphényléthylènedione sont également des photoinitiateurs.
Forte sélectivité, contrôlabilité de la lumière, réactivité légère
Cinétique de décomposition thermique de l'initiateur
Taux de décomposition de l'initiateur
Fraction résiduelle de l'initiateur
Demi-vie t1/2
Le temps nécessaire à l'initiateur pour se décomposer à la moitié de sa concentration initiale
Efficacité de l'initiateur f : fraction de radicaux libres primaires générés par la décomposition de l'initiateur qui participent réellement à la réaction d'initiation en chaîne Il est égal à la quantité décomposée (début-dernier initiateur de décomposition) divisée par la quantité totale de décomposition (début-dernier), généralement 0,5-0,8.
décomposition induite
La réaction de transfert de radicaux libres vers l'initiateur produit de nouveaux radicaux libres, le nombre reste inchangé, mais l'initiateur est consommé, réduisant ainsi l'efficacité.
Choix de l'initiateur
Affecte la vitesse de réaction, le temps et le poids moléculaire
En ce qui concerne la méthode de polymérisation, la suspension de polymérisation en masse (phase huileuse), la solution doit choisir un initiateur soluble dans l'huile tel que le peroxyde azoïque. Solution aqueuse d'émulsion en phase aqueuse, choisir un système persulfate ou rédox
Deuxièmement, regardez la température de polymérisation. Si la température est élevée, choisissez une activité faible. Si la température est basse, choisissez une activité élevée. Si vous souhaitez une polymérisation uniforme, vous avez besoin d'une activité élevée ou faible.
Troisièmement, regardez d'autres facteurs
croissance de la chaîne
Concept : Les radicaux libres monomères s'ajoutent aux monomères pour générer de nouveaux radicaux libres, et ce processus se répète pour générer des radicaux libres en croissance en chaîne.
Caractéristiques : Forte réaction exothermique, chaleur de polymérisation 55-95KJ/mol Faible énergie d'activation, environ 20-34, taux élevé constant, croissance rapide
Comment ajouter une seule unité
Méthode de connexion d'une seule unité
Premier et dernier bonus : représentant 98 à 99 % de l'ensemble. Déterminé par l'effet de conjugaison et l'encombrement stérique des groupes latéraux L'effet de résonance du substituant sur les radicaux libres en chaîne, la résonance est stable et il n'y a pas La résistance stérique de la liaison tête-à-queue est faible, mais la résistance de la liaison tête-à-tête est grande.
Structure de la tête : lorsque des monomères ayant moins d'encombrement stérique sont polymérisés en raison des effets de résonance des substituants, la teneur en têtes augmente. À mesure que la température de polymérisation augmente, l’énergie d’activation augmente et la teneur en structure de tête augmente.
stéréotaxicité
Les radicaux en chaîne de la polymérisation radicalaire sont une hybridation sp² planaire et il n'y a pas de facteur d'orientation.
Lorsque le monomère s'ajoute au radical de chaîne, il peut être ajouté de manière aléatoire depuis le haut ou le bas du plan. Après la réaction radicalaire en chaîne, il passe de l'hybridation sp² à l'hybridation sp3. Le substituant n'a aucune sélectivité pour la configuration spatiale et est aléatoire. Des polymères atactiques sont obtenus. Par conséquent, il est difficile de réaliser une polymérisation directionnelle par polymérisation radicalaire.
Phénomène d’auto-accélération (effet gel)
La terminaison à double base est gênée par le contrôle de diffusion et le taux de terminaison est réduit.
La masse moléculaire relative et la dispersion augmentent
terminaison de chaîne
Concept : Les radicaux libres sont très actifs et ont tendance à se désactiver par réactions mutuelles. La réaction dans laquelle les radicaux de chaîne sont désactivés pour former un polymère stable est appelée réaction de terminaison de chaîne.
Caractéristiques : Principalement des bimolécules (terminaison à double base), faible énergie d'activation, constante de vitesse élevée, terminaison à double base contrôlée par diffusion
Terminaison double base
La coïncidence prend fin - deux deviennent un
La réaction de terminaison dans laquelle les électrons simples de deux radicaux en chaîne se combinent pour former une liaison covalente
Lorsqu'elle est initiée par un initiateur et sans transfert de chaîne, les deux extrémités de la macromolécule sont des résidus initiateurs
Plus l’effet de conjugaison est fort, plus il est probable qu’il se produise
La disproportion prend fin - deux devient deux
Une réaction de terminaison dans laquelle un radical libre dans une chaîne saisit un atome d'hydrogène ou un autre atome d'un autre radical libre
Plus l’effet d’encombrement stérique est important, plus il est probable qu’il se produise
L'augmentation de la température entraîne une augmentation de la disproportion
choisir
Les monomères vinyliques monosubstitués, l'acrylonitrile et le styrène, sont tous terminés par un couplage. Un cas particulier est la fin de la disproportion complète de l'acétate de vinyle.
11 Vinyle disubstitué, dismutation MMA terminée
Terminaison à base unique
Les radicaux libres et les monomères en chaîne subissent un transfert de chaîne et se terminent
transfert en chaîne
Les radicaux libres à chaîne croissante enlèvent des atomes aux autres molécules du système, perdent leur activité et forment des polymères, et les molécules qui enlèvent des atomes génèrent de nouvelles réactions de radicaux libres.
Appartient à une terminaison de base unique
Inhibition de la polymérisation : Si les nouveaux radicaux libres générés après le transfert sont inactifs, la polymérisation du monomère ne pourra pas être initiée ou la réaction de polymérisation sera arrêtée.
Caractéristiques du mécanisme de polymérisation radicalaire
La cinétique de la réaction est caractérisée par une initiation lente, une croissance rapide, une terminaison rapide et un transfert.
Le degré de polymérisation change peu et le but de prolonger le temps de polymérisation est d'augmenter le taux de conversion des monomères.
Lorsqu'un certain taux de conversion est atteint, la viscosité augmente, entraînant une augmentation simultanée du taux de polymérisation et du poids moléculaire (accélération automatique), et le contrôle de la diffusion provoque des phénomènes cinétiques macroscopiques.
thermodynamique de polymérisation
concept de base
La valeur positive ou négative de la différence d'énergie libre de polymérisation △G est le critère permettant de savoir si le monomère peut être polymérisé. △G=△H-T△S est inférieur à 0 et peut être polymérisé sinon il sera dépolymérisé. Réaction de réduction de l'entropie, donc la chaleur de polymérisation doit être inférieure à 0 - plus △H est grand, plus la tendance à la polymérisation est grande.
chaleur de polymérisation
La calorimétrie directe, la méthode de la chaleur de combustion, la méthode de l'équilibre thermodynamique peuvent être utilisées pour la mesure réelle, ou elles peuvent être calculées à partir de la chaleur standard de formation.
Facteurs qui influencent
effet stérique
Réduire la chaleur de polymérisation (un substituant méthyle réduit la chaleur de polymérisation de 9 kJ/mol)
effet de conjugaison
Réduisez la chaleur de polymérisation. Il existe une conjugaison π-π, p-π et σ-π dans le monomère oléfinique, qui fait la moyenne du nuage électronique et réduit l'énergie thermodynamique. La conjugaison fait la moyenne du nuage électronique, L'énergie thermodynamique du monomère diminue.
Électrégativité du substituant
La chaleur de polymérisation est augmentée et l'énergie de liaison substituée par des groupes atomiques fortement électronégatifs est considérablement augmentée.
liaison hydrogène
Il réduit la chaleur de polymérisation et la liaison hydrogène réduit l'énergie interne. L'acide acrylique a une interaction intermoléculaire plus forte que l'acide polyacrylique, de sorte que la chaleur de polymérisation est plus faible en raison de l'encombrement stérique et de la liaison hydrogène.
solvatation
Réduire la chaleur de polymérisation
Température limite supérieure de polymérisation
La polymérisation et la dépolymérisation sont dans un état d'équilibre dynamique à ce moment, la température est appelée température limite supérieure (de polymérisation) Tc = △H standard / △S standard.
concentration de monomères à l'équilibre
Effet de la pression sur l'équilibre de polymérisation-dépolymérisation
Le volume du système diminue et la pressurisation réduira la distance entre les molécules, ce qui est bénéfique pour la polymérisation et peut augmenter la température limite supérieure de polymérisation.
Cinétique de polymérisation (microscopique)
vitesse de réaction
Taux de conversionC Le pourcentage de monomères ayant participé à la réaction jusqu'à la teneur en monomère de départ M = M0 (1-C) M est le monomère
C-t Figure 1. Période d'induction : les impuretés inhibant la polymérisation mettent fin aux radicaux libres primaires et aucun polymère n'est produit. 2. Étape initiale de vitesse uniforme 3 étapes d'accélération intermédiaires (accélération automatique) 4. Étape de décélération ultérieure
trois hypothèses
Hypothèse de chaîne longue Supposons que le degré de polymérisation est élevé et que le taux de polymérisation total est égal au taux de croissance de la chaîne
L'équiactivité suppose que les constantes de taux à chaque étape de la croissance de la chaîne sont égales.
Hypothèse d'état d'équilibre : la génération et la destruction de radicaux libres sont en équilibre, la concentration de radicaux libres reste inchangée et l'état d'équilibre Rt = Ri l'initiation de la chaîne est égal au taux de terminaison de la chaîne.
une prémisse
Au début de la polymérisation, il n’y a pas de dépolymérisation, de double terminaison radicalaire et aucune influence sur le transfert de chaîne.
Facteurs affectant le taux de polymérisation
Structure monolithique
Effet de conjugaison : plus l'effet de conjugaison du substituant est faible, plus l'activité du monomère est faible, plus le radical libre est actif et plus la vitesse de réaction est élevée.
Plus la polarité est forte, plus la vitesse de réaction est élevée
Effet d'encombrement stérique : plus le volume du substituant est grand, plus le kp est petit
longueur moyenne de la chaîne cinétique
Définition - Dans la polymérisation en chaîne, chaque espèce active, du début à la fin (y compris le transfert de chaîne Le nombre moyen de molécules de monomères consommées au cours de la suite de la réaction.
La disproportion termine Xn=v Le couplage termine Xn=2v
La température est défavorable au degré moyen de polymérisation