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细乳液体系的MMA的RAFT活性聚合研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第28卷第2期 中南林业科技大学学报 Journal of Central South University of Forestry&Technology Vo1.28 No.2 Apr.2008 2008年4月 文章编号:1673—923X(2008)02—0133—04 细乳液体系的MMA的RAFT活性聚合研究 陈瑶,邵亚军 (湖南第一师范学校,湖南长沙410002) 摘 要: 研究了在甲基丙烯酸甲酯(MMA)的细乳液RAFT聚合体系中,加入了9-CD作为增溶剂,在乳化剂十二烷基硫酸钠 (sDs)和助稳定剂正十六烷(HD)的协同作用下,较好地解决了体系的稳定性问题,并详细研究各种因素对聚合体系的影响,例如:口一 CD用量、引发剂种类、乳化剂用量、聚合反应温度,等等.  。关键词: 化学工程;细乳液聚合,RAFT活性聚合,9-CD 中图分类号:069 文献标志码: A RAFT Polymerization of Mini-emulsion System MMA CHEN Yao,SHAO Ya—jun (The No.1 Normal College of Hunan,Changsha 410000,Hunan,China) Abstract:In this paper we make a study of the reversible addition—fragmentation chain transfer(RAFT)of the mini—emulsion polymerization of methyl methacrylate(MMA)in the presence of ̄cyclodextrih(B—CD)as solubilizer,under the synergistic reaction of sodium dodecyl—sulfate as emulsifier and hexadecane as stabilizer.The problem of poor latex stability has been successfully resolved.In addition,the effects of variable conditions on the mini—emulsion RAFT polymerization of MMA monomer have been discussed,including the dosage of 9-CD,the kind of initiator,the dosage of emulsifier and the reaction temperature. Key words:chemiacl enginerring;mini—emulsion polymerization;RAFT polymerization;口一Cyclodextrin;methyl methacrylate (MMA) RAFT活性聚合是近年来发展起来的一种新的活性自由基聚合方法,在RAFT聚合中,通过改变引发剂 浓度与链转移剂浓度的比值可有效地控制聚合物分子量及多分散性.由于RAFT试剂存在于聚合物链的末 端,从而保持了聚合物的活性;若再加入单体,可生成嵌段、星型和其它具有特殊结构的聚合物,还可以很好地 控制聚合物链端结构,制备带有端基官能团的遥爪型聚合物,该特性可以用于进行分子设计L1].虽然目前对 RAFT聚合的研究尚处于初级阶段,RAFT本身也有一些缺点和不足,但由于RAFT聚合具有其它活性自由 基聚合无法比拟的优点,已成为高分子科学工作者们研究的热点,有非常广阔的应用前景. 目前国内外RAFT活性聚合的研究体系主要集中在均相(ak体和溶液)体系,对多相体系的研究报道相对 较少.目前几篇关于细乳液中RAFT活性聚合的报道中,都提到聚合反应起始阶段体系稳定性较低(出现红色 不溶物)的问题L2 ,本研究旨在解决这个问题. 1 实验 1.1试剂与仪器 甲基丙烯酸甲酯(MMA)(4g学纯),上海试剂站中心化工厂;偶氮二异丁腈(AIBN)(4g学纯),上海试剂四 厂;过硫酸钾(KPS)(化学纯),中国上海爱建试剂厂;过硫酸铵(APS)(4g学纯),中国上海爱建试剂厂;十二烷 基硫酸钠(SDS)(4g学纯),苏州吴县振亚化工厂;正十六烷(HD)(分析纯),MERCK;[ ̄-CD(4g学纯),上海化学 收稿日期{2007—05—30 作者简介:陈] ̄(1964一),女,浙江东阳人.副教授,主要从事化学教学和科研. 维普资讯 http://www.cqvip.com 134 中南林业科技大学学报 第28卷 试剂采购供应站. 超声波粉碎机(上海必能信超声有限公司,CPS一2型). 1.2链转移剂二硫代苯甲酸的合成[5] 1.2.1 合成反应 在装磁力搅拌子、滴液漏斗(100 mL)和温度计的500 mL三颈瓶中,通过橡胶隔膜加入 30 的甲醇溶液90 g(O.5 mo1),通过套管加入无水甲醇125 g,然后,加入硫16 g(O.5 mo1).在室温氮气保护 下,31.5 g(O.5 mo1)苄氯在I h内用滴液漏斗滴加到三颈瓶中.反应混合物在油浴中加热到67_C,保温10 h. 1.2.2 固体分离洗涤 保温结束后,冰浴将反应混合物冷却到7 C,过滤分离沉淀物(氯化钠),真空干燥除去 二硫代苯甲酸盐中的溶剂(甲醇).除去溶剂后的二硫代苯甲酸盐(紫红色溶液),用250 mL去离子水溶解,溶液 再次过滤,滤液转移到1 L的分液漏斗中,粗制的二硫代苯甲酸钠溶液用100 mL乙醚洗涤3次. 1.2.3萃取纯化在分液漏斗中加入乙醚1OO mL和1.0 mol/L的盐酸溶液250 mL(pH小于7),萃取3 min,二 硫代苯甲酸被萃取到乙醚相中,弃去下层水相.在分液漏斗中加入去离子水150 mL和1.0 mol/L的NaOH溶液 300 mL.二硫代苯甲酸钠被萃取到水相,弃去乙醚相.萃取过程再重复2次,最终得到双硫代苯甲酸钠溶液产品. 1.2.4双硫代苯甲酸二硫化物的合成将32.9 g(O.1 mo1)铁溶解在500 mL去离子水中,350 mL双 硫代苯甲酸钠溶液转移到1 L放有磁力搅拌子的锥形瓶中,在强力搅拌下,1 h之内,用滴液漏斗将铁溶 液滴加到双硫代苯甲酸钠溶液中.红色沉淀用滤纸过滤,并用去离子水洗涤至无色.固体在真空干燥箱中于室 温烘至过夜.用无水乙醇重结晶后即得粗产品. 1.4聚合反应 将MMA、CTA、HD和油溶性引发剂AIBN按设定比例充分混匀,加入溶有SDS和 一CD的水溶液中,磁力 搅拌15 min,然后在超声波粉碎机下(上海必能信超声有限公司,CPS一2型)以脉冲方式处理5 min,得到细乳 液.上述细乳液倒入四颈瓶中,机械搅拌,加热到设定温度. 2结果与讨论 2.1 p-CD用量对体系的影响 CD是7个分子D一葡萄糖组成的低聚糖化合物,分子呈环形圆桶状,外表面亲水,内表面疏水,具有较好 的两亲性[6].其独特的结构使它具有增加强疏水性物质在水中溶解度的能力. 在体系中加入少量 一CD后,加快了RAFT试剂及其低分子量自由基在各液滴和乳胶粒之间的迁移速 率 ],使单体聚合场所中的RAFT试剂更加均匀,改善了聚合物的分子量分布,使PMMA的分子量分布指数 PDI从1.68降到1.13.在我们的细乳液聚合体系中,加入p-CD,还可消除聚合体系中常见的“漂红”现象,获得 了稳定的聚合过程E9 J. 表1列出上述两种条件下的细乳液聚合所得PMMA的分子量和PDI.显然,在少量 增溶剂存在下,PMMA的分子量分布变窄. 不同浓度的』3一CD对反应活性的影响如 图1所示.聚合体系配方和聚合反应条件为: T一70 C. 十 (CTA): (AIBN)(mole ratio)一4:1;m(MMA):m(H20):m (SDS):m(HD) m(AIBN)一20;80:0.4:0.2;0.02, 一65℃. 表1在不同量的 cD下MMA细乳液聚合结果 Table 1 The results of MMA miniemulsion polymerization with different content of p—CD n(CTA): (AIBN)(mole ratio)一4:1, (MMA)、:m(H20):m(SDS):m(HD):m(AIBN)一20:80:0.4:0.2:0.02. 口一CD在一定的范围内,聚合物分子量随转化率的增长呈较好的线性增长,分子量分布也较好,PDI小于1. 5. 一CD用量为0.02 g时,活性特征尤为明显,PDI值介于1.1~1.2之间. 2.2不同引发剂对体系的影响 对于不同结构类型的引发剂,产生自由基的场所不同将直接影响细乳液聚合.油溶性引发剂在单体液滴中 产生自由基,而水溶性引发剂在水相中产生自由基.尽管二者对单体的引发机理相似,但水溶性引发剂由于在 水相产生的自由基需迁移到单体液滴中,才能引发单体聚合.这就使得水溶性引发剂的引发效率比油溶性引发 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 陈瑶等:细乳液体系的MMA的RAFT活性聚合研究 剂略低.Choi等人的口胡研究表明,油溶性引发剂的引发 效果往往更好. 从表2可以看出,以AIBN引发的聚合体系,聚合物 分子量分布较窄;而APS或KPS则较宽.GPC测试结果 显示,以KPS引发的体系,聚合物有较宽的双峰,说明 KPS引发的体系中有多个活性中心.这可能是由于 AIBN直接溶于MMA液滴中,而APS或KPS需要一个 从水相到油相的迁移过程,引发效果受到.而且,由 水溶性引发剂引发所形成的低分子活性自由基易从反应 场所(乳胶粒)中析出,或者在水相中的引发剂自由基直 接引发单体成核,从而导致聚合物的分子量分布变宽. 2.3链转移剂与引发剂的摩尔比对体系的影响 图1在不同量口一CD下PMMA细乳液聚合体系 在MMA细乳液RAFT反应中,增加引发剂的量可以 中分子量和分散度随转化率变化 提高反应速率,但过高的引发剂用量又会使分子量分布变 Fig.1 The changes of molecular mass and molecular mass PD1 with conversion under 宽.同时,聚合体系要求RAFT试剂相对于引发剂足量.因 different content of p—CD 此,链转移剂与引发剂的摩尔比对RAFT聚合体系有较大 的影响.陈昊鸿_1 等发现链转移剂与引发剂的摩尔比为 表2在不同引发剂下MMA细乳液聚合结果 Table 2 The results of MMA miniemulsion polymerization 4:1时聚合效果较好,且与聚合实施方法无关. with different initiators 由图2可以看出,随引发剂AIBN用量增加,聚合反 引发剂 转化率/% PDI 应速率明显加快.聚合反应条件为: AIBN 7o.0 1.23 T一70 C. APS 88.0 2.O1 (MMA) (H2O)。 (SDS) 。 (HD): KPS 89.4 (AIBN): (j3一CD)一20:8O:0.4:0.2:0.02:0.08. 十 (CTA); (AIBN)(mole-,r ̄itio)一4:1;m(MMA) m (H20):m(SDS):m(HD):m(AIBN):m(8一CD)一20;8O 2.4乳化剂用量对体系的影响 :0.4:0.2;0.02:0.O8,T一7O℃. 在细乳液聚合中,一般采用离子型乳化剂.由于同性 离子相斥,可避免使小单体液滴相互碰撞形成大液滴,从 而起到稳定细乳液的作用.本研究采用阴离子型乳化剂 SDS实施乳化,SDS用量对体系的影响如表4所示. 由表3可以看出,在一定范围内,随SDS用量的增 加,乳化效果逐渐增强.当SDS用量为0.2 g时,反应中 有淡红色的絮状物粘在搅拌浆上.而当SDS取0.6 g时, 可以得到较为稳定的乳细液体系,分子量分布系数达 1.16,活性聚合特征更为明显. 2.5助稳定剂用量对体系的影响 细乳液体系本身处于热力学不稳定状态,使用了乳 化剂以及助稳定剂后,细乳液体系才能稳定.笔者采用助 图2不同链转移剂与引发剂的摩尔比条件下 稳定剂十六烷(HD),乳化剂SDS,有效地保证了体系的 MMA细乳液聚合体系动力学曲线 Fig.2 The kinetic curves of MMA miniemulsion 稳定.一定范围内增加HD的量,聚合物的活性聚合特征 polymerization under different mole ratio 更加明显,结果见表4. of chain transfer agent and initiators 2.6聚合温度对体系的影响 聚合温度可以影响引发剂分解速率常数,同时,对活性自由基向链转移剂的链转移反应速率常数也有影 响.因此,可以通过控制聚合温度达到对聚合过程控制的目的. 维普资讯 http://www.cqvip.com 136 中南林业科技大学学报 第28卷 表3在不同量的乳化剂下MMA细乳液聚合结果 表4在不同量的助稳定剂下MMA细乳液聚合结果 Table 3 The results of MMA miniemulsion polymerization Table 4 The results of MMA miniemulsion polymerization with different content of emulsifiers(SDS) with different content of co—stabilizer(HD) 十 H(CTA) (AIBN)(mole ratio)一4:1;m(MMA):m 十 (CTA) n(AIBN)(mole ratio):4:1;m(MMA):m (H20):m(HD)m(AIBN):m(B—CD)一20:80:0.2:0.02 (H20):m(SDS):m( CD)一20:80:0.4:0.08,T一 :0.08。T一70 C. 70℃. 本文中,研究了三种不同温度下的细乳液聚合过程, 聚合反应条件为: ,2(CTA)。,2(AIBN)(mole ratio)一4:1,T一70C, m(MMA):m(H,O) m(SDS)。m(HD):m (AIBN):m(8一CD)一20:8O:0.4:0.2:0.02:0.08, 结果如图3和表5所示.由此可以看出,在65~75 C 的温度区间内,温度升高,反应速率增加,而分子量的分 布并没有明显的变化. 表5在不同的温度下MMA细乳液聚合结果 Table 5 The results of MMA miniemulsion polymerization under different temperature 时间/min 图3在不同温度下MMA细乳液聚合转化率随时间变化 Fig.3 The changes of MMA miniemulsion polymerization conversion with conversion under different 十 (CTA): (AIBN)(mole ratio)一4{1;m(MMA);m(H20) temperature :m(SDS):m(HD):m(AIBN);m(6-CD)一20:80{0.4:0.2: 0.02:0.08,T一70℃. 3结论 在MMA的细乳液RAFT聚合中,加入 一CD作为增溶剂,成功解决了体系中常见的“漂红”问题,获得了稳 定的聚合过程,同时获得粒子分布更为均匀、聚合物分子量分布更窄的聚合物乳液.不同实验条件下的研究结 果表明,在增容剂 —CD存在时,采用油溶性引发剂AIBN可以获得比使用水溶性引发剂APS和KPS活性特征 更为明显的细乳液RAFT聚合过程. 参考文献: [1] Michael J,Monteiro M.Synthesis of butyl acrylate—styrene block copolymers in emulsion by reversible addition—fragmentation chain transfer:effect of surfactant migration upon film formatio[J]. 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