научная статья по теме МОЛЕКУЛЯРНО-МАССОВЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИБУТИЛАКРИЛАТА: ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ НА ОСНОВЕ КИНЕТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ “ЖИВОЙ” РАДИКАЛЬНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ В РЕЖИМЕ ОБРАТИМОЙ ПЕРЕДАЧИ ЦЕПИ Химия

Текст научной статьи на тему «МОЛЕКУЛЯРНО-МАССОВЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИБУТИЛАКРИЛАТА: ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ НА ОСНОВЕ КИНЕТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ “ЖИВОЙ” РАДИКАЛЬНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ В РЕЖИМЕ ОБРАТИМОЙ ПЕРЕДАЧИ ЦЕПИ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2014, том 33, № 5, с. 82-88

УДК 541(64+127); 547.538.141

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

МОЛЕКУЛЯРНО-МАССОВЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИБУТИЛАКРИЛАТА: ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ НА ОСНОВЕ КИНЕТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ "ЖИВОЙ" РАДИКАЛЬНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ В РЕЖИМЕ

ОБРАТИМОЙ ПЕРЕДАЧИ ЦЕПИ © 2014 г. Н. В. Улитин1*, Т. Р. Дебердеев1, Д. Ш. Калинина1, Е. В. Самарин1, А. А. Берлин2

1Казанский национальный исследовательский технологический университет 2Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва

* E-mail: n.v.ulitin@mail.ru Поступила в редакцию 12.04.2013

На основе кинетической модели "живой" радикальной полимеризации бутилакрилата, протекающей в режиме обратимой передачи цепи, установлены закономерности регулирования молеку-лярно-массовых свойств полимера путем варьирования начальных концентраций реагентов и температуры.

Ключевые слова: "живая" радикальная полимеризация, обратимая передача цепи, полибутилакрилат.

DOI: 10.7868/S0207401X14050148

ВВЕДЕНИЕ

Одним из самых быстроразвивающихся направлений химии высокомолекулярных соединений на сегодняшний день является контролируемый синтез полимеров. Лидирующую позицию в данной области занимает "живая" радикальная полимеризация в режиме обратимой передачи цепи (ОПЦ-полимеризация). В связи с отсутствием систематических представлений о влиянии условий протекания ОПЦ-полимеризации на молекулярно-массовые свойства полимеров нами в этом аспекте в работах [1, 2] путем кинетического моделирования был изучен процесс инициируемой 2,2'-азо-бис-изобутиронитрилом (АИБН) ОПЦ-полимеризации стирола, которая протекает в присутствии дибензилтритиокарбо-ната (ДБТК) как ОПЦ-агента. Данный процесс является кинетически медленным (константа скорости роста имеет порядок 102 л/(моль • с) при температуре 60°С). Однако большой научный и прикладной интерес представляют кинетически быстрые процессы (константа скорости роста порядка 104—106 л/(моль • с) при температуре 60°С). Ясно, что закономерности, полученные в работах [1, 2], для кинетически быстрых процессов соблюдаться не будут. Поэтому целью настоящей работы стало установление закономерностей влияния начальных концентраций реагентов и температуры на молекулярно-массовые свойства полимеров, получаемых в кинетически быстрых

процессах ОПЦ-полимеризации. В качестве типичного кинетически быстрого процесса был выбран процесс инициируемой АИБН ОПЦ-поли-меризации бутилакрилата в присутствии ДБТК. По аналогии с работами [1, 2] достижение поставленной цели было осуществлено в рамках вычислительного эксперимента по кинетической модели рассматриваемого процесса [3].

КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Рассмотрим ключевые моменты кинетического моделирования процесса [3]. В основу модели легла приведенная ниже кинетическая схема, состоящая из стадий, наличие которых подтверждено экспериментально:

1. Вещественное инициирование:

I ——^ 2К(0).

2. Рост цепи:

Я(0) + М ——— Я(1), Я' + М ——— Я(1), що + М ——— Я(г + 1).

3. Передача цепи на мономер:

Я(;) + М —П(;, 0,0,0,0,0) + Я(1).

4. Обратимая передача цепи:

Я(/) + RAFT(0,0)

Тп1(/, 0,0)

RAFT(/,0) + R',

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

к.

1п1( ¿0)

>RAFT(/, /) + R',

Щк) + RAFT( I, /) <=

^п1(г, /, к).

5. Обрыв цепей: квадратичный обрыв радикалов —

R(0) + ^0)-R (0) + R,-

R' + R'-

R(0) + Щ;) —

R(0) - R(0), R(0) - R,,

^R' -

-*Щг',0,0,0,0,0),

R, + R( ;') —к R (/) + R( I - /)-

-*И(г, 0,0,0,0,0), ——> П(', 0,0,0,0,0);

перекрестный обрыв радикалов и интермедиатов —

R(0) + 1пг(г,0,0)-

-*П(г',0,0,0,0,0),

R(0) + 1пг(, /, 0) ——— П(, /, 0 , 0 , 0 , 0), R(0) + 1пг(г,/, к) —— П( ¡, /, к, 0,0,0), R, + 1пг(г,0,0) —— П(г, 0,0,0,0,0),

R, + 1пг(г, /,0) -R, + 1пг(г, /, к) — R( /) + 1пг(г, 0,0)-R(k) + 1пг(г, /,0)-R(т) + 1пг(г,/, к)-

П( I, /,0,0,0,0), -*П(г, /, к, 0,0,0),

П( /, 0,0,0,0), П( /, к,0,0,0),

—> П(;', /, к, т, 0,0); квадратичный обрыв интермедиатов —

1пг(г, 0,0) + 1пг(/, 0,0) ——— П(, /,0,0,0,0), 1пг(, 0,0) + 1пг(/,к,0) ——— п(, /, к,0,0,0),

Ш(г,0,0) + 1Ш(/, к, т)-1пг(г, /,0) + Ш(к, т, 0) -1т(;, /, 0) + 1п1(к, т, п) -1п1((, /, к) + 1п1(т, п, р) -

-*П(г, /, к, т, 0,0), -*П(г, /, к, т,0,0),

П(;', /, к, т, п, 0), -^П(г, /, к, т, п, р).

номер, присоединения радикалов к низкомолекулярному ОПЦ-агенту, присоединения радикалов к высокомолекулярному ОПЦ-агенту, фрагментации интермедиатов, квадратичного обрыва радикалов, перекрестного обрыва радикалов и интермедиа-тов и квадратичного обрыва интермедиатов соответственно (табл. 2).

Представленная кинетическая схема описывается следующей системой уравнений [3] (уравнения для [1пг(/,0)], [1п1(/к)], [RAFT(,/)], [П(, /, к,0,0,0)], [П(/, /, к, т,0,0)], [П(/, /, к, т, п,0)] и [П(/, /, к, т, п, р)] не приведены, так как они записываются по аналогии с уравнениями для [1п1(',0,0) ], [RAFT(/, 0) ] и [П(/, /, 0,0,0,0) ]):

В этой кинетической схеме: I, R(0), R(/), R,, М, RAFT(/,у), 1п1(/,у, к), П(/,у, к, т, п,р) — компоненты реакционной системы (табл. 1); /,у, к, т, п,р — число мономерных звеньев в цепи; ка — константа скорости реакции вещественного инициирования; кр, кГг, ка1, ка2, к, кл, ка, ка — константы скоростей реакций роста цепи, передачи цепи на мо-

<[1]/<, = -кЛ1], да) ]/<, = 2/к<[1] - ^(0)](кр[М] + кп

(

2[R(0) ] +

+ [R'] + ВД) + к,2

£[1п1(/,0,0)]

+

V 1=1

да да да

\\

+ ХХ^ /'°)]+ХХХрш' / к)]

1=1 /=1 1=1 /=1 к=1 ))

ту* = - (kp([R(°)]+т+[R])+к,и)[мь

да

¿[К*^<И = -кр^'][М] + 2к/Х[1п1(г,0,0)] -

г=1

да

- kв2[R^Х[RAFT(/'°)] +

да да да да

^ к/ХХ^п^/,0)] - ka2[R']ХХ[RAFT(/'/)] -

'=1 /=1

'=1 /=1

(

- №

( да

к,l([R(0)] + 2^'] + [R]) +

+ кг.

Х[1п1(/Д0)] + ХХ[Iп1(г'•/''0)]

'=1 '=1 /=1

да да да ^

ХХХ^ к)]

+

))

1=1 /=1 к=1

d[RAFT(0' 0) У Л = -ka1[RAFT(0' 0) ] И +

+

к/ Х[Iпt(/'0'0)]'

'=1

<№1)]/^ = кр[М]([Я(0)] + [Я] - ТО]) -+ кЛЩ/)] [М] - kal[R(1)] [RAFT(°' 0)] +

да

V

да

УЛИТИН и др. Таблица 1. Обозначения компонентов в кинетической схеме

Обозначение

Компонент

Обозначение

Компонент

0Н3 0Н3

N0-

-CN

СНз СНз

1п((, /, 0)

^^ 8Я(/)

Я(0)

он3

N0

Н

0Н3

1п1((,7,к)

8Я(/)

Я'

П(;, 0,0,0,0,0)

i i

О^ ^О ,

О4Н9О ОО4Н9

Я(0) 8Я(/)

Я'

8Я(/)

М

О

ОС4Н9

П(;, у',0,0,0,0)

Я(0)

8Я(/) 8Я(/)

Я'

'(Щ;) 8Я(/)

Я/ 8

8Я(/) 8Я(/)

8Я( ;)

I

8

8

8

Таблица 1. Окончание

Я(0

О

ОС4Н9

П(/,к, 0, 0, 0)

Я(к)8'

Я(0)

~8Я(0, Я(к)8' 8Я(/)

Я'

8Я(/)

RAFT(0, 0)

П(;, к, т,0,0)

Я(к)8'

Я(т)

~8Я(;), 8Я(/)

ЯАРТ(/, 0)

8Я(;)

П(;, к, т, п, 0)

Я(п)8.

8Я(т) .8(к)Я

Ч8Я(;) 8Я(/)

ЯАРТ(/, /)

Я(/)8—1=8 8Я(;)

П(;, к, т, п, р)

Я(п)8. Я(к)8'

8Я(т) - 8Я(р)

Ч8(;)Я 8ЩУ)

1п1( 0,0)

8^ 8 8Я(;)

8

8

8

86

УЛИТИН и др.

Таблица 2. Константы скорости элементарных стадий кинетической схемы [3]

Стадия Константы

Вещественное инициирование / = 0.5; 1 1 со щ15 -15501/Т -1 кй = 1.58 • 10 е ' , с 1

Рост цепи кр = 1.8 • 107е~2074/Т, л/(моль • с)

Передача цепи на мономер к,г = 2.88 • 105е~3922/Т, л/(моль • с)

Обратимая передача цепи ка1 = 1.5СП1кр, л/(моль • с); ка2 = 3Откр, л/(моль • с); кг = каа/ЗК, с-1; К = 1.1 • 10-2е3337/Т, л/моль; СП1 = 220; Сп2 = 220.

Обрыв цепи к,1 х к,2 х 5.14 • 108е~480/Т, л/(моль • с); к,3 = 109е901/Т(кЛ/К2), л/(моль • с)

Примечание: Т — температура, К.

+

кг[1п1(1,0,0)] - кв2[Я(1)]^[ЯАРТ(/,0)]

;=1

+ 2Ь [1т(1,1,0)] -

- кй2[Я(1) £ Х [ЯАРТ(/,./)] + Зк,[1п1(1,1,1)] -

I=1 /=1 (

- [Я(1)]

кд( [Я(0) ] + [Я'] + [Я]) +

+ к, -

Х[1п1(/,0,0)] + ХХ^/)]

+

V;=1

да да да

I =1 1=1 \\

ХХХ« /, к)]

;=1 / =1 к=1

, / = 2,..,

))

<[Я(/)]М = кр\М\(№ -1)] - [Я()]) -

- кЛЯ©] [М] - -оМ] [RAFT(0,0)] +

да

+ кг[1п1(/,0,0) ] - кв2[ЯО £ [ЯАРТ(/,0) ] +

да да

+ 2кг[1п1(/, ], 0)] - кв2[Я(0]Х Х [ЯАРТ(/, /) ] ■

/=1 } =1

3к( [1п1(/, /, к)] - [Я(/)]

к,1([Я(0)] + [Я'] + [Я])

Х[1п1(/,0,0)] + ХХРп«/', /, 0)]

да да да

, / = 2,...,

+ ХХХ^', /, к)]

1=1 /=1 к=1 у

¿[Ы(/,0,0)]/ <И = ка1[ЯАРТ(0,0)] [Я(/)] -- 3кг[1т(/, 0, 0)] + ка2[Я'] [ЯАРТ(,0)] -

- [Тп1(/, 0,0)]

к,2([Я(0)] + [Я'] + [Я]) -

Х[1п1(/,0,0)] + ХХ^/)]-

V 1=1 1=1 /=1

да да да

\\

+ ХХХ^С, /, к)]

1=1 ]=1 к=1 //

<[ЯАРТ(/, 0)]/<И = Щ[1Ш(/, 0,0)] -- ка2[Я'] [ЯАРТ(/, 0)] - ка2[ЯАРТ(/, 0)] [Я] + 2ку [1т(/, 7,0)], <Ш(/,0,0,0,0,0)]/ <И = = [Я(0](кд([Я(0)] + [Я']) + к,ЛМ]) +

¡-1

+

+ (к,^2)Х[Я(/)Ш - /)]

}=1

+ к,2[1п1(/,0,0)]([Я(0)] + [Я']),

<[П(/, 0,0,0,0) V = кс

[1п1(/,/,0)]([Я(0)] +

[Я]) + Х [Я(/)][1п1(/,0,0)]

/+/=2

+

+

(кй/2) Х [1ш(/, 0,0)] [1т(/, 0,0)],

1+]=2

где / — эффективность инициирования АИБН,

Хот

1 [Я(/)] — суммарная концентрация макрорадикалов.

Для перехода от этой системы к системе уравнений относительно неизвестных моментов моле-кулярно-массового распределения (ММР) использовался метод производящих функций. Численное решение системы уравнений относительно неизвестных моментов ММР позволяет проводить

г

г

да

Г

да

да

Зависимость Мп (а) и PD (б) от конверсии мономера (См) при начальной концентрации инициатора 0.01 моль/л, начальной концентрации мономера 7.0 моль/л, начальной концентрации ДБТК 0.01 моль/л, Т = 60 (1), 75 (2), 90°С (3).

оценку влияния начальных концентраций реагентов и температуры на молекулярно-массовые свойства полибутилакрилата (ПБА) — среднечис-ленную молекулярную массу (Мп), коэффициент полидисперсности (РЭ) и среднемассовую молекулярную массу (М№):

Мп = (X X ^0 ) MвA, РЭ = (X И 2 X И <>/£ И1)2), М„ = РЭМп,

где X И0, X ^ 1, X ^2 — суммы всех нулевых, первых и вторых моментов ММР; М^ = 128 — молекулярная масса бутилакрилата.

То, что разработанная модель адекватна, было подтверждено хорошим совпадением расчетных и экспериментальных значений молекулярно-массовых свойств ПБА [3]. Таким образом, становится возможным проведение с использованием этой модели вычислительного эксперимента с целью определения влияния управляющих процессом факторов на молекулярно-массовые свойства ПБА.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Вычислительный эксперимент заключался в варьировании значений управляющего процессом фактора в интервалах начальных концентраций АИБН — 0.001—0.1 моль/л, мономера - 3.5-7.0 моль/л, ДБТК - 0.001-0.1 моль/л, температур - 60-90°С при равенстве прочих условий процесса.

Установлено, что пр

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