Материал: Структура и методы синтеза полимеров

Ионно-координационная полимеризация виниловых мономеров обладает высоким координирующим действием, специфичным для каждого из катализаторов Циглера-Натта, но наиболее востребованы комплексы хлоридов титана с алкилпроизводными алюминия. Они образуют четырехчленный комплекс, который координирует молекулу этилена или его производного у атома титана с образованием π-комплекса и поляризует ее:

,

.

После разделения зарядов одна из связей в комплексе разрушается, и в его структуру входит молекула мономера, образуя новый шестичленный цикл. При последующей его перестройке в новом четырехчленном цикле остается один из атомов углерода молекулы мономера и выделяется исходная этильная группа вместе с другим атомом углерода молекулы мономера:

.

Таким образом, разрыв π-связи в молекуле мономера приводит к образованию σ-связи молекулы мономера с атомом углерода этильной группы и возникновению новой структуры исходного комплекса, в которой с атомами титана и алюминия соединен уже углерод молекулы мономера. Следующая молекула мономера реагирует так же, вытесняя образующуюся полимерную молекулу из структуры катализатора и сохраняя свое строго определенное пространственное расположение относительно плоскости цепи:

.

Мономер присоединяется только по типу «голова к хвосту», в макромолекулах отсутствуют разветвления и возможны два вида стереорегулярных структур: изотактическая и синдиотактическая.

При полимеризации диеновых мономеров образуется π-аллильный комплекс мономера с переходным металлом, который также работает по принципу вытеснения предыдущего мономерного звена последующим. Цепь обрывается путем отщепления растущей макромолекулы от каталитического комплекса и передачи цепи на мономер или при реакции с молекулой триалкилалюминия, не связанного с TiCl3:

Каталитические системы обеспечивают формирование регулярных полимеров, а наиболее важна цис-1,4-структура (табл.6), придающая полимеру высоко-эластические свойства в широком интервале температур. Структура транс-1,4-полидиенов придает им свойства пластмасс - синтетических заменителей гуттаперчи. Структуры типа 1,2 и 3,4 изо- и синдиотактических полидиенов по свойствам близки к структурам виниловых стереорегулярных полимеров. В отличие от атактических, стереорегулярные полимеры с комплексными катализаторами при регулярно чередующихся звеньях имеют правильное пространственное расположение заместителей вдоль цепи.

Таблица 6.

Типы структур полибутадиена и полиизопрена, получаемые на катализаторах Циглера-Натта

Ниже приведены возможные стереорегулярные структуры полибутадиена:

.

Аналогично выглядят и структуры полиизопрена, но есть еще 3,4-структура:

.

Перспективным направлением использования ионной и ионно-коорди-национной реакций - полимеризация с раскрытием циклов циклических мономеров (оксиды этилена и пропилена, триоксан, капролактам). Полимеры линейной природы образуются за счет разрыва в цикле σ-связи:

.

Катализаторы Циглера-Натта позволяют из циклопентена получить различные по структуре полипентенамеры, которые при регулярном строении по типу «голова к хвосту» содержат в каждом мономерном звене одну двойную связь, разделенную тремя метиленовыми группами:

.

Различия в свойствах между цис- и транс-изомерами у них не так велики, как у изомеров полибутадиена или полиизопрена. С производными молибдена формируется цис-структура, а титана или вольфрама - транс-структура. При этом транс-1,5-полипентенамер является хорошим эластомером. Интересным видом реакции полимеризации циклических соединений с вольфрамовым катализатором является реакция метатезиса, при которой из двух молекул циклоолефина образуется через переходное состояние одна молекула циклодиена, способная полимеризоваться за счет разрыва σ-связей:

.

В каждом мономерном звене получаемого полимера содержатся две двойные связи. Эти примеры подтверждают возможности ионно-координационной полимеризации лучше, чем других видов полимеризации, получать полимеры заданной регулярности структуры.

5. Сополимеризация

Сополимеризацию мономеров применяют при синтезе статистических, привитых и блок-сополимеров, но ее закономерности сложны из-за различий в реакционной способности двух мономеров по отношению к инициаторам и катализаторам. При равной реакционной способности радикалов обоих мономеров по отношению к молекулам обоих мономеров сополимеризация будет идеальной, звенья мономеров беспорядочно распределятся в макромолекулах в соотношении, равном соотношению мономеров в их смеси. Если радикал одного мономера реагирует преимущественно с молекулой другого мономера, то сополимеризация будет чередующейся (альтернативная). Например, малеиновый ангидрид один не полимеризуется, но со стиролом или винилхлоридом сополимеризуется с регулярным чередованием звеньев мономеров вдоль цепи макромолекулы независимо от соотношения мономеров в смеси: ~М1-М2-М1-М2-М1-М2~. Чаще имеет место промежуточный вариант, когда звенья мономеров расположены беспорядочно, и состав сополимера отличается от состава смеси мономеров. Такой сополимер называется статистическим. При сополимеризации стирола и винилацетата образуется не сополимер, а смесь двух гомополимеров, т.к. радикалы этих мономеров лучше реагируют с молекулами этих же мономеров.

В настоящее время теоретические представления о сополимеризации двух мономеров (М1 и М2) развиты достаточно глубоко. На первой стадии их радикальной сополимеризации возможны четыре типа соединения звеньев:

М*1+М1→М1М1* (1); М*1+М2→М1М2* (2);

М*2+М1→М2М1* (3); М*2+М2→М2М2* (4).

Когда в системе присутствуют два типа растущих цепей, она характеризуется четырьмя константами роста цепи: k11; k12; k21;k22. Скорости расхода мономера по этой схеме выражаются уравнением: d[M1]/dt=k11[М*1][М1]+k21[М*2][М1], если мономер M1 реагирует с радикалами своего (М*1) и «чужого» (М*2) мономеров, или d[M2]/dt=k12[М*1][М2]+k22[М*2][М2], если мономер М2 тоже расходуется в реакции с радикалами своего (М*2) и «чужого» (М*1) мономеров. Относительную скорость (d[М1]/d[М2]) расхода мономера М1 по мономеру М2 получают делением первого уравнения на второе:

.

Наиболее важным для формирования сополимера, а не гомополимеров из М1 и М2, являются скорости реакций (2) и (3) с константами k12 и k21. Если эти скорости равны, то такое состояние называется стационарным, подобным стационарному состоянию в свободнорадикальной гомополимеризации. Тогда

k12[М*1][М2]=k21[М*2][М1], и концентрацию радикалов [М*2] можно выразить через концентрацию радикалов [М*1] и мономеров [М1] и [М2]:

.

Подставляя выражение для [М*2] в уравнение относительной скорости расхода мономеров (d[М1]/d[М2]), получаем окончательный вариант уравнения

,

в котором отношения констант (k11/k12=r1, k22/k21=r2) называют константами сополимеризации. Количественные значения r1 и r2 являются важнейшими характеристиками реакции сополимеризации и определяют состав и структуру сополимера. Они зависят от свойств мономеров и механизма полимеризации.

Направление реакции радикалов определяется значениями констант r1 и r2 (рис.8а). Если r1<1, а r2>1 (кривая 1), то это означает, что радикал М*2 предпочтительнее реагирует со своим мономером М2, и состав обогащается им в сравнении с составом исходной смеси мономеров. При r1>1 и r2<1 (кривая 2) радикал М*1 предпочтительнее реагирует со своим мономером М1, и состав сополимера обогащается им. Для случая, когда r1<1 и r2<1, т.е. оба радикала предпочтительнее реагируют с чужими мономерами, наблюдается близкое соответствие составов сополимера и исходной смеси мономеров (кривая 3), а в одной точке составов они совпадают. Эта точка соответствует условию азеотропной смеси, для которой М1/М2=(r2-1)/(r1-1). Полное соответствие состава сополимера составу исходной смеси мономеров наблюдается в одном случае, когда r1=r2=1, т.е. реакционные способности М*1 и М*2 одинаковы (кривая 3). Это и будет случай идеальной сополимеризации. При сополимеризации по ионному механизму тип каталитической системы и полярность среды влияют на значения констант, состав, структуру и свойства сополимера (рис.8б). Метилметакрилат и стирол образуют статистический сополимер, который при радикальной сополимеризации близок по составу к смеси мономеров (r1<1, r2<1), при катионной сополимеризации с хлоридом олова обогащен стиролом (r1>1, r2<1), а при анионной сополимеризации с металлическим натрием обогащен метилметакрилатом (r1<1, r2>1).

а б

Рис. 8. Зависимость состава статистического сополимера от состава исходной смеси мономеров М1 и М2 при различных значениях констант сополимеризации (а) и при сополимеризации стирола с метилметакрилатом по различным механизмам (б):

-катионная с тетрахлоридом олова; 2-свободнорадикальная с пероксидом бензоила; 3-анионная с металлическим натрием.

Примеры свободнорадикальной сополимеризации различных пар мономеров даны в табл. 7. В соответствии с тремя возможными вариантами значений констант сополимеризации сополимер стирола с метилметакрилатом имеет структуру статистического, с малеиновым ангидридом - чередующегося, а с винилацетатом - оба мономера дают свои гомополимеры. Таким образом, при сополимеризации можно ввести в структуру сополимера мономер, который вообще не способен к гомополимеризации (малеиновый аггидрид), но нельзя получить сополимер из двух мономеров, каждый из которых способен полимеризоваться (стирол и винилацетат). Сополимер этилена с винилацетатом получить удается, так как значения констант лишь незначительно превышают единицу. Состав сополимера в этом случае близок к составу смеси мономеров. Значения констант сополимеризации определяются реакционной способностью мономеров и не зависят от типа инициирующей системы. Для сравнения разных типов полимеризующихся систем по их относительной активности используется произведение констант сополимеризации.

Таблица.7.

Значения констант сополимеризации некоторых пар мономеров

Таким образом, по сравнению со свободнорадикальной сополимеризацией стирол более реакционноспособен в катионной сополимеризации, а метилмет-акрилат - в анионной. В зависимости от механизма сополимеризации из одного и того же состава смеси мономеров можно получить сополимер близкого состава (свободнорадикальный), с более высоким содержанием стирола (катионный) или метилметакрилата (анионный). Влияние констант r1 и r2 на состав сополимеров можно суммировать так:

·        при r1<1 и r2<1, r1>1 и r2<1, r1<1 и r2>1 происходит статистическая сополимеризация, и составы сополимеров и исходных смесей мономеров различны, кроме одной точки азеотропа при r1<1 и r2<1;

·        при r1.r2=1 или (частный случай) r1=r2=1 происходит идеальная сополимеризация, и состав сополимера соответствует составу смеси мономеров;

·        при r1=r2=0 (k11=k22=0) происходит чередующаяся сополимеризация, соотно-шение мономеров в исходной смеси не влияет на состав сополимера, так как звенья регулярно чередуются, и в каждой макромолекуле их поровну, а сополимеризация идет до исчерпания того мономера, которого в смеси меньше;

·        при r1=r2=∞ образуется смесь гомополимеров, т.е. сополимеризация не происходит из-за реакций растущих радикалов только со своим мономером.

Классическим примером радикальной статистической сополимеризации бутадиена и стирола является синтез бутадиен-стирольного каучука:

СН2=СН-СН=СН2+mСН2=СНAr → [~СН2-СН=СН-СН2~]n-[~СН2-СНAr~]m.

Аналогичным методом сополимеризации бутадиена и акрилонитрила получают большую группу бутадиен-нитрильных каучуков для маслобензостойких резиновых изделий. Путем добавки 1-10% третьего винилового мономера с функциональной группой (2-метил-5-винилпиридина, метакриловой кислоты, метакриламида, винилпероксида и других) получают тройные сополимеры, способные к межмакромолекулярным реакциям формирования уникальных сетчатых структур. При сополимеризации бутадиена и стирола с небольшим количеством (0,3-0,5%) тетрафункционального мономера, например дивинилбензола, получается эластомер, пространственно сшитый в пределах глобул латекса, что придает ему свойства эластичного наполнителя, повышающего каркасность и технологические свойства резиновых смесей. Как и гомополимеризация, сополимеризация включает инициирование, рост, обрыв и передачу цепи. Однако все стадии осложнены присутствием нескольких мономеров, взаимодействие которых проходит с различной интенсивностью, что влияет на кинетику процесса, состав и свойства получаемых сополимеров.

Статистическая сополимеризация изобутилена с малым количеством изопрена (до 3%) по катионному механизму положена в основу технологии синтеза бутилкаучука. Сополимеризацию этилена и пропилена осуществляют на катализаторах Циглера-Натта. В последние годы разработана технология производства статистических стереорегулярных бутадиен-стирольных каучуков с содержанием виниловых звеньев до 80%, в том числе и с концевыми функциональными группами. Более сложны по технологическому оформлению и воспроизводству структуры и свойств полимера процессы сополимеризации трех и более мономеров. Сополимеризацией этилена, пропилена и небольшого количества мономера с двойными связями (этилиденнорборнена) получают полимер, способный к вулканизации серой. Получают также тройные сополимеры бутадиена, изопрена и стирола с 60% транс-звеньев,

Кроме статистических и чередующихся, можно получить сополимеры, содержащие участки большой протяженности звеньев (блоки) одного и затем другого мономера. В привитом сополимере блоки являются боковыми ответвлениями цепей одного мономера от основной цепи из звеньев другого мономера, а в блок-сополимере - расположены вдоль цепи макромолекулы. Продуктом привитой сополимеризации стирола с бутадиеновым или бутадиен-стирольным каучуком по радикальному механизму является ударопрочный полистирол. Привитой сополимеризацией стирола и акрилонитрила с бутадиеновым или бутадиенстирольным каучуком получают ударопрочные пластики АБС. Привитые сополимеры можно получить также с помощью механохимических реакций полимеров. Блок-сополимеры со свойствами термоэластопласта получают анионной полимеризацией мономера в среде полярного растворителя (тетрагидрофурана) на комплексном катализаторе с последующим добавлением к полученному «живому» полимеру, макромолекулы которого являются отрицательно заряженными ионами, другого мономера. Другим способом получения блок-сополимеров является разрыв цепей эластомера под воздействием излучений или механической энергии и полимеризация стирола, этилена или пропилена на свободных радикалах в местах разрыва цепей с образованием больших жестких блоков. Известны термоэластопласты типа полистирол-полибутадиен-полистирол, содержащие концевые полистирольные блоки с ММ 15-20 тыс. и центральный полибутадиеновый блок с ММ 50-70 тыс. ед. (рис.9). Жесткие блоки образуют в матрице эластичных блоков плотно упакованные структуры, называемые доменами, существенно упрочняющие всю систему. Блок-сополимеры прочны и эластичны при комнатной температуре и термопластичны при 80-100оС.