научная статья по теме ПСЕВДОЖИВАЯ РАДИКАЛЬНАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ БУТИЛАКРИЛАТА В ПРИСУТСТВИИ ТРИТИОКАРБОНАТОВ: МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ И РЕГУЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНО-МАССОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ПСЕВДОЖИВАЯ РАДИКАЛЬНАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ БУТИЛАКРИЛАТА В ПРИСУТСТВИИ ТРИТИОКАРБОНАТОВ: МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ И РЕГУЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНО-МАССОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРА»

УДК 541(64+127):547.538.141

ПСЕВДОЖИВАЯ РАДИКАЛЬНАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ БУТИЛАКРИЛАТА В ПРИСУТСТВИИ ТРИТИОКАРБОНАТОВ: МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ И РЕГУЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНО-МАССОВЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРА

© 2015 г. Н. В. Улитин, К. А. Терещенко, Т. Р. Дебердеев, И. И. Насыров,

Е. В. Самарин, Д. Ш. Калинина

Казанский национальный исследовательский технологический университет

n.v.ulitin@mail.ru Поступила в редакцию 13.05.2013 г.

Проведено математическое моделирование кинетики, инициируемой 2,2'-азобис(изобутиронитри-лом) псевдоживой радикальной полимеризации бутилакрилата в присутствии тритиокарбонатов. Особенностью разработанной модели стало включение в кинетическую схему специфических стадий квадратичного обрыва интермедиатов. Адекватность модели показана сопоставлением теоретических и экспериментальных значений молекулярно-массовых характеристик полимера. В рамках модели проведен вычислительный эксперимент для определения влияния управляющих процессом факторов на молекулярно-массовые характеристики полибутила-крилата.

Б01: 10.7868/80040357115010145

ВВЕДЕНИЕ

К настоящему времени, по сравнению с классическим процессом радикальной полимеризации, протекающей в условиях обратимой передачи цепи (ОПЦ) по механизму присоединения-фрагментации с использованием серосодержащих соединений типа Z—С(=Б)—8—Я', ОПЦ-полимеризация в присутствии симметричных ОПЦ-агентов (например, тритиокарбонатов Я'—8—С(=8)—8—Я) исследована недостаточно [1, 2]. На данный момент механизм и кинетика данного типа ОПЦ-полимеризации рассмотрены лишь в общем виде [2], и до сих пор не было создано математическое описание процесса. Поэтому в работе [3] нами было проведено кинетическое моделирование инициированной 2,2'-азобис(изобутиронит-рилом) (АИБН) псевдоживой радикальной полимеризации стирола, протекающей с обратимой передачей цепи по механизму "присоединения-фрагментации" в присутствии дибензилтритио-карбоната (ДБТК). Однако кинетика полимеризации бутилакрилата отличается от кинетики полимеризации стирола наличием специфических стадий квадратичного обрыва, в связи с чем закономерности, полученные в работе [3], не могут быть использованы для описания процесса синтеза полибутилакрилата. Поэтому в представленной работе было проведено моделирование инициированной АИБН кинетики псевдоживой ра-

дикальной полимеризации бутилакрилата в присутствии ДБТК с учетом специфических стадий квадратичного обрыва интермедиатов и изучено влияние управляющих процессом факторов для регулирования молекулярно-массовых характеристик полимера.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для оценки адекватности модели были приготовлены полимерные образцы. Мономер — бути-лакрилат — был двукратно очищен от примесей 5%-ным (масс.) раствором МаОИ и высушен над СаС12 с последующей перегонкой под вакуумом.

АИБН и ДБТК готовили к полимеризации по методикам, описанным в работе [3].

ОПЦ-полимеризация бутилакрилата осуществлялась в массе при температуре 60°С в ампулах. Изучение кинетики полимеризации и молекулярно-массовых характеристик образцов полимеров проводилось по методикам, приведенным в работе [3].

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Кинетическая схема включает в себя следующие стадии.

1. Вещественное инициирование

I ———2Я(0).

2. Рост цепи

R' + Int(i, j, 0)-

-*n(i, j, 0,0,0,0),

R(0)+ B R' + B -

R(1), R(1),

R' + Int(i, j, k)-

-*П(г, j,k, 0,0,0),

R(i) + B-^ R(/' + 1).

3. Передача цепи на мономер

R(i) + B ——— П(/,0,0,0,0,0) + R(1).

R(j) + Int(i, 0, 0) ———.n(i, j,0,0,0,0),

R(k) + Int(i, j,0) ——— П(/, j, k,0,0,0), R(m) + Int(i, j, k) ——— n(i, j, k, m, 0,0)

4. Обратимая передача цепи. Механизм записан и квадратичного обрыва интермедиатов в соответствии с работой [2]. Как и в предыдущей нашей работе [3], в качестве широко используемого в последнее время [4] допущения принимаем, что константа фрагментации интермедиатов не зависит от длины уходящего радикала.

Int(i, 0,0) + Int(j, 0,0) ——— n(i, j,0,0,0,0), Int(i, 0,0) + Int( j, k,0) —n(i, j, k,0,0,0),

R(/) + RAFT(0,0)<

(I)

Int(i,0,0)

:±RAFT(i',0) + R',

R(j) + RAFT(i,0):,

(II)

Inte, 0,0) + Int(j, k, m) Int(i, j,0) + Int(k, m, 0) Int(i, j,0) + Int(k, m, n) Int(, j, k) + Int(m, n, p)

kt.3

kt.3

kt.3

kt.3

kt.3 —

>П(г, j,k,m, 0,0), >n(i, j,k,m,0,0), i-^nc, j, k, m, n,0), 113—> П((, j, k, m, n, p).

Int((,j',0);

:±RAFT((, j) + R',

%.2

R(k) + RAFT(i,j);

-Inf j, k).

В предложенной кинетической схеме: I, R(0), R(i), R', B, RAFT(i, j), Int(i, j, k), П(/, j, k, m, n,p) — (III) компоненты реакционной системы (табл. 1); i, j, k, m, n, p — число мономерных звеньев в цепи; kd — константа скорости реакции вещественного инициирования; kp, ktr, ka1, ka2, kf, kt1, kt2, kt3 — кон-

5. Обрыв цепи. Согласно [2], для ОПЦ-полиме-

ризации бутилакрилата в присутствии тритиокар-

бонатов, помимо реакций квадратичного обрыва станты скоростей реакций роста цепи, передачи це-

радикалов пи на мономер, присоединения радикалов к низко-

R(0) + R (0)-

R(0) - R(0),

R(0) + R' ——— R(0) - R',

R' + R'-

kt i

^ R' - R',

R(0) + R(i) —^-^n(i,0,0,0,0,0),

R' + R(i) —-R(j) + R(i - j)-

-*n(i,0,0,0,0,0),

-*n(i,0,0,0,0,0),

характерны реакции перекрестного обрыва радикалов и интермедиатов

молекулярному ОПЦ-агенту, присоединения радикалов к высокомолекулярному ОПЦ-агенту, фрагментации интермедиатов, квадратичного обрыва радикалов, перекрестного обрыва радикалов и интермедиатов и квадратичного обрыва интермедиатов, соответственно.

Система дифференциальных уравнений, описывающая кинетическую схему:

ё[1 ]/& = -кй[1 ], ё[Л(0>]/& = 2/кй [I] - [Л(0>] (кр [В] +

R(0) + Int(i,0,0) kt.2 ^■n(i,0,0,0,0,0),

R(0) + Int(i'l/,0) kt.2 ^n(i', 7,0,0,0,0),

R(0) + Int(i, j,k)- kt.2 ^■n(i, j, k, 0,0,0),

R' + Int(i, 0,0) kt.2 -> n(i, 0,0,0,0,0),

+ kt.i (2 [R (0)] + [R] + [R]) + k,;

(i,0,0)]

V i=i

ж ж ж

+ (i, j,0)] + (, j, k)

i=1 j=1 i=1 j=1 k=1

d[B]/dt = —(k p([R(0)] + [R] + [R]) + ktr[R])[B],

k

k

k

k

k

2

f

k

<

ж

\

Таблица 1. Компоненты кинетической схемы

Таблица 1. Окончание

RAFT(;, 0) кх 8що П(<, у,к,т, п, 0) 8Щт) Щп)8^8(к)Я 8Щу)

ЯАРТ(г, у) Щу)8. |=8 8Я(0 П(<, у, к, т, п, р) 8Я(т) Щп)8^8Я(р) 8Щу)

1пг(г,0,0)

+

ё[ Я']/& = -кр[Я*][В] +

ТО ТО

2к,0,0)] - £а.2[Я'Е[ЯЛ/Т(/,0)]

+

1=1

ТО ТО

+ к,X ^ [/й/(/, ], 0) ] - ка.2[Я'£ X [КЛРТ('',./) ] -

<■=1 у=1 <=1 у=1

- [Л'](к,1([Л(0)] + 2[Я'] + [Я]) +

+ к

1.2

V <=1 <=1 j=l

+

ТО ТО ТО

j, к)]

<■=1 у=1 к=1

ё[ЛЛ/Т(0,0)]/ё? =

то

-ка1[ЯЛ/Т(0,0)][Я] + к Х[!п?(/,0,0)],

<■=1

ё[Я(1)]/ё/ = кр[В]([Я(0)] + [Я'] - [Я(1)]) +

+ ил(0][ В] - ка.1[ Я(1)][ЯЛ^Т (0,0)] +

+ к[1пК1,0,0)] - ка.2[Я(1)] X

то

X Х[ЯЛрт(<,0)] + 2кг[Ш(1,1,0)] —

1=1

- ка.2[Я( 1)]Х X[ЯЛГТ(<, у)] +

<=1 у=1

+ 3^/^(1,1,1)] - [Я(1)](к,1([Я(0)] + [Я'] + [Я]) +

+ к,2

X[Iní(/,0,0)] + XX« У)]-

V<=1 <=1 у=1

то то то

+ ХХХ[!п?(,-,к)]

<■=1 у=1 к=1 )

< = 2,...,

ё[я 0)]/^ = кр[В]([Я(< -1)] - [[]) -- к1г[Я(<)] [В] - ка.1[Я(<)] [ЯЛТТ(0,0)] + + к[1Ш(/,0,0)] - ка 2[Я(/)] X

то

X X[ЯЛFT(■ /,0)] + 2к,[/,у,0)] -

1=1

то то

- ка.2[Я( /)]ХХ[ЯЛ^Т(<,у)] +

<=1 У =1

+ 3к\!м(I,у,к)] - [Я(/)](к,1([Я(0)] + [Я'] + [Я]) +

+ К,

Х[!п?(<,0,0)] + XX[!п'(<,У, 0)]'

V <=1 1=1 у=1

то то то

, / = 2,...

+ XXX«/, У, к)]

<■=1 у=1 к=1 у

<\[Ы((,0,0>)]1 & = ка1[ЯЛ/Т(0,0)][Я(<)] -

- 3к{[ 1п(0,0)] + ка 2[Я'] [ЯЛГТ((,0)] -

- [/п?(<,0,0)](к,2([Я(0)] + [Я'] + [Я]) +

+ к

1.3

V <=1

X [!п?(<,0,0)] + XX«', ¿0)]

<■=1 у=1

ТО ТО ТО Л

XXX« < , у, к)]

<■=1 у=1 к=1 у

Г

\

+

Л

Таблица 2. Кинетические константы

/= 0.5, к& = 1.58 х 1015е-15501'Т, о"1 [5]

кр = 1.8 х 107е ~2074/Т, л/(моль с) [6]

к1г = 2.88 х 105е ~3922/Т, л/(моль с) [6]

ка.1 = 1.5х 1г1кр, л/(моль с); ка.2 = 3х 1г.2кр, л/(моль с); к{ = ка2/(3К), о-1; ^ = 1.1 х 10-2 е3337/г, л/моль Температурная зависимость константы равновесия реакции (III) выведена, исходя из данных микрокалориметрического исследования кинетики полимеризации при температурах 60 и 80°С

X 1г.1 = 220, х 1г.2 = 220 [2]

к\.2 ~ К 2 « 5.14 х 108е~480/Т, л/(моль с) [6]

к13 = 109е901/Т (кг1/К2), л/(моль с) Выведено, исходя из данных микрокалориметрического исследования кинетики полимеризации при температурах 60 и 80°С

ё[1п'(/, /,0)Vdt = ка.2 [МГГ(1,0)] [Я(/)] -

- 3к[Ы(1, /, 0) ] + кл,2[К][ЯЛ¥Т(/, /)] -

- [1п'(/,/,0)](к,2([Л(0)] + [Я'] + [Л]) +

+ К-

^}ти0,0)]+ХЕ^'О/)]-

V /=1 /=1 /=1

да да да

+ ЕЕЕ^, /, к)]

1=1 /=1 к=1 у

ё[1п'(и /,к)]/& = К.2[ЯЛГТ(1,/)][Я(к)] -- 3к{[1п'(/,/, к)] - [1п'(/,/, к)](к,2([Я(0)] +

+ [Я'] + [Я]) + к,3

Е[1п'( ',0,0)]

V '=1

да да да

+ ХЕ[1п'(/, 0) ]+ЕЕЕ[1п'(', /, к)]

1=1 /=1 1=1 /=1 к=1 у

й[ЯЛГТ( /,0)]/& = 2к[Ы(/,0,0)] -

- ка.2[Я'][ЛЛ/Т( /,0)] - ка.2[ЯЛВТ(/,0)][Я] +

+ 2 кг[1п'( /, /,0)], й[ЯЛГТ (/, /')]/& = кг[1п'(/,/,0)] -

- ка.2[Я'][ЯЛВТ(/, /)] - ка.2[ЯЛВТ(/, /)][Я] +

+ 3кг[1п'( /, /', к)], ё[П(/,0,0,0,0,0)]/& = [Я( /)](ки([Я(0)] + [Я']) +

/-1

+

ёП[(/,/,0,0,0,0)^ё' = к12([1Ш(/,/,0)] х

да

с ([Я(0)] + [Я']) + Е [Я(/)][1п'(/,0,0)])

+

/+/=2

+ (к,.3/2) Е [1п'(/,0,0) ] [1п'(/,0,0)],

/+/=2

ёП[( /, /', к,0,0,0) ]/& = к12([1п'(/, /', к)] х

да

([Я(0)] + [Я']) + Е [Я(к)][1п'(/,/,0)])

/+/+к=3

да

+ к13 Е [1п'(/,0,0)][1п'(/',к,0)],

/+/+к=3

ёП[( /, /', к, т, 0,0)]/&* =

да

= к,2 Е [Я(т)][1п'(/, /', к)] +

/+/+к+т=4

Е [1п'(/,0,0) ][1п'(/, к, т) ]

V/+/+к+т=4

+ ^.3

+ (1/2) Е [1п'(/, 7,0 )][1п'(к, т,0)]

/+/+к+т=4

Ш[( /, /', к, т, п ,0)]/<1? =

к1г[В]) + (ки/2)Е[Я(/')][Я( / - 7')] +

/'=1

+ к,2[1п'( /,0,0)]([Я(0)] + [Я']),

= к1.3 Е [1п'(/',0)11п'(к, т, п)],

/+/'+к+т+п=5

Г

да

\

да

\

>

M„ х

14 12 10 8 6 4 2

10-

(а)

Mn X 10-4

0

PD

2.0 г

1.5

0.4 0.6 0.8 СВ (б)

1.0

0.5

_i_I_I_L_

PD

2.0

1.5

2

0.2 0.4 0.6 0.8 СВ (б)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 Св

Рис. 1. Зависимость среднечисленной молекулярной массы Мп (а) и коэффициента полидисперсности РБ (б) полибутилакрилата от конверсии мономера (Св) для инициируемой АИБН ([1]0 = 0.01 моль/л) ОПЦ-полимеризации бутилакрилата в массе при 60°С в присутствии ДБТК (линии — расчет по модели; точки — эксперимент): [ЯЛ^Т(0,0)]0 = 0.005 моль/л (1), 0.0086 моль/л (2), 0.0307 моль/л (3), 0.085 моль/л (4).

ёП[ (<, у,

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком