溶液聚合

溶液聚合

溶液聚合為單體、引發劑(催化劑)溶於適當溶劑中進行聚合的過程。溶劑一般為有機溶劑,也可以是水,視單體、引發劑(或催化劑)和生成聚合物的性質而定。如果形成的聚合物溶於溶劑,則聚合反應為均相反應,這是典型的溶液聚合;如果形成的聚合物不溶於溶劑,則聚合反應為非均相反應,稱為沉澱聚合,或稱為淤漿聚合。

定義及簡介

溶液聚合為單體、引發劑(催化劑)溶於適當溶劑中進行聚合的過程。溶劑一般為有機溶劑,也可以是水,視單體、引發劑(或催化劑)和生成聚合物的性質而定。如果形成的聚合物溶於溶劑,則聚合反應為均相反應,這是典型的溶液聚合;如果形成的聚合物不溶於溶劑,則聚合反應為非均相反應,稱為沉澱聚合,或稱為淤漿聚合

特點

聚合體系的粘度本體聚合低,混合和散熱比較容易,生產操作和溫度都易於控制,還可利用溶劑的蒸發以排除聚合熱。若為自由基聚合,單體濃度低時可不出現自動加速效應,從而避免爆聚並使聚合反應器設計簡化。缺點是對於自由基聚合往往收率較低,聚合度也比其他方法小,使用和回收大量昂貴、可燃、甚至有毒的溶劑,不僅增加生產成本和設備投資、降低設備生產能力,還會造成環境污染。如要製得固體聚合物,還要配置分離設備,增加洗滌、溶劑回收和精製等工序。所以在工業上只有採用其他聚合方法有困難或直接使用聚合物溶液時,才採用溶液聚合。

溶劑選擇

溶劑應不能同單體、引發劑(或催化劑)直接反應,否則將導致聚合的失敗。在聚合條件下溶劑必須是穩定的。若進行沉澱聚合或淤漿聚合,需選用聚合物不溶的溶劑,且所得漿液需經分離提純後使用,所用溶劑應容易分離並脫除有害雜質。離子聚合或配位聚合過程中循環使用的溶劑,必須脫除微量水分及累積的有害雜質。溶劑的來源、價格、毒性、可燃性以及回收分離難易,必須綜合考慮。

套用

工業上根據聚合體系的性質、產物的用途以及是否容易大型化等因素,選擇套用聚合方法(見表)。①對於離子聚合或配位聚合反應,由於聚合常採用有機金屬化合物和路易斯酸作催化劑,催化劑易被水破壞,所以不能選用以水為介質的懸浮聚合乳液聚合方法,只能在非質子有機溶劑中進行溶液聚合或本體聚合。②對於平衡常數大的逐步聚合或縮聚反應,由於容易達到平衡,獲得高分子量產物,也常選用溶液聚合,如聚醯胺合成前期,聚碸、聚苯醚的合成等;有的單體,其熔點很高或熔點高於分解溫度,也選用溶液聚合。③直接使用聚合物溶液的場合,如塗料、浸漬劑、紡絲液、膠粘劑,或使聚合物繼續轉化等,採用溶液聚合。
溶液聚合溶液聚合

工業上溶液聚合可採用連續法和間歇法,大規模生產常用連續法。聚合反應器一般為攪拌釜,有的釜頂裝有冷凝器供溶劑回流冷凝;釜內通常不裝內冷管等換熱器以防粘壁。

聚合工藝

溶液聚合流程溶液聚合流程

溶液聚合選用有機溶劑時,引發劑為可溶於有機溶劑的過氧化物或偶氮化合物。根據反應溫度和引發劑的半衰期選擇適當的引發劑。
用水作為溶劑時,採用水溶性引發劑,如過硫酸鹽及其氧化-還原體系。
溶液聚合反應溫度在溶劑的回流溫度下進行,所以大多選用低沸點溶劑。為了便於控制聚合反應溫度,溶液聚合通常在釜式反應器中半連續操作。直接使用的聚合物溶液,在結束反應前應儘量減少單體含量,或採用化學方法或蒸餾方法將殘留單體除去。要得到固體物料須經過後處理,即採用蒸發、脫氣擠出、乾燥等脫除溶劑與未反應單體,製得粉狀聚合物。
改變引發劑用量,單體與溶劑的用量比,添加分子量調節劑等方法來控制產物的分子量。

參考書目
S.L.Rosen.Fundamental Principles of Polymeric Materials, John Wiley & Sons. New York.1982.

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