加成聚合的一般歷程已在之前討論過;接下來將專門研究加成聚合的引發(fā)歷程.簡略地講,鏈增長是由自由基、離子,或者通過一種或兩種活化狀態(tài)的結(jié)合體來引發(fā)的.引發(fā)的方式取決于引發(fā)劑、溶劑、溫度、外部能源或催化劑的存在,有時(shí)甚至取決于單體本身.
聚合引發(fā)劑是一種被分解或者容易被分解的物質(zhì),它在足夠長的時(shí)間內(nèi)保持被分解的狀態(tài),使它能加到單體上,形成新的被活化的或活潑的復(fù)合物.這些條件可由下式說明:
式中,I為引發(fā)劑,M為單體,kd和ka分別為分解反應(yīng)和加成反應(yīng)的速率常數(shù).
可以通過電磁輻射或熱的作用使單鍵均裂產(chǎn)生自由基.通常所說的單鍵并不包括C—C鍵,原因是C—C鍵的熱分解所需的反應(yīng)溫度超過450℃,而在這樣的溫度下,大多數(shù)解聚反應(yīng)(在低溫下不明顯,因?yàn)榛罨芨撸┍认鄳?yīng)的聚合反應(yīng)以更快的速率進(jìn)行.因此,在最高聚合溫度(臨界聚合溫度)以上,鏈增長是不可能的.C—Cσ鍵的光分解需要在真空中發(fā)射紫外線的能源,這也是不切實(shí)際的.因此,選擇為自由基引發(fā)劑的物質(zhì)至少必須存在一個(gè)容易分解的鍵.
過氧化物是最普通的自由基引發(fā)劑,因?yàn)镺—O鍵易發(fā)生熱均裂和光化學(xué)均裂:
R—O—O—R1 → R—O·+R1—O· (16-3)
當(dāng)R和R1為H時(shí),這引發(fā)劑是過氧化氫;當(dāng)R為烷基(這里討論中所用的“烷基”是指烷基和芳基,因?yàn)檫@里的比較是在烷基和?;g進(jìn)行的)而R1為H時(shí),此引發(fā)劑為烷基過氧化氫.過氧化氫和烷基過氧化氫在與一還原劑配合使用時(shí),都是有效的低溫引發(fā)劑.雙烷基過氧化物(R和R1都是烷基),過氧酸酯(R為烷基,R1為?;┖碗p酰基過氧化物通常必須加熱或受到輻照才能引起分解.
除了簡單的分解反應(yīng)——這已滿足引發(fā)聚合的需要——之外,還必須考慮到過氧化物,如過氧化二乙?;蜻^氧化二苯甲酰,在進(jìn)行引發(fā)反應(yīng)之前通常先失去CO2:
不過,產(chǎn)生的自由基數(shù)目仍然不變,并且,若CO2失去很快,總的動(dòng)力學(xué)將不受影響.相反地,烷基自由基并非一產(chǎn)生就肯定與單體反應(yīng).已知,自由基可通過兩種可能的反應(yīng)進(jìn)攻另一引發(fā)劑分子:
反應(yīng)(16-5)和(16-6)將導(dǎo)致引發(fā)劑效率的降低.過氧化物也可自動(dòng)催化分解,產(chǎn)生支化類型的鏈鎖反應(yīng)而引起爆炸.此爆炸反應(yīng)的歷程可以說是不清楚的.不過,已知過氧化物的穩(wěn)定性隨其自由基的活性下降而增加,因此,過氧化物穩(wěn)定性的次序是:1°<2°<3°<烯丙基<苯甲基.例如,二甲基或二乙?;倪^氧化物是不安全的,它能產(chǎn)生不穩(wěn)定的一級(jí)甲基自由基;過氧化二苯甲酰(過氧化苯甲酰)產(chǎn)生苯基自由基,二叔丁基過氧化物分解出叔丁基自由基,它們保持冷卻或適當(dāng)加熱時(shí),通常是不會(huì)爆炸的.所有的過氧化物都有潛在的爆炸危險(xiǎn)性,處理時(shí)要十分小心.
另一類有用的自由基引發(fā)劑為有機(jī)偶氮化合物.根據(jù)偶氮化合物產(chǎn)生自由基的歷程、在它失去穩(wěn)定分子N2時(shí),引起能量從偶氮化合物向自由基的傳遞:
R—N=N—R → 2R·+N2 (16-7)
因此偶氮化合物不容易受到誘導(dǎo)分解(反應(yīng)16-5),并且其分解速率與產(chǎn)生的自由基的反應(yīng)活性成正比.
最常用的偶氮引發(fā)劑偶氮二異丁腈(AIBN):
的分解是主要課題.雖然已闡明了分解的歷程,AIBN在產(chǎn)生聚合物時(shí)并不是100%的有效.引發(fā)劑效率的降低被認(rèn)為是由于溶劑妨礙了所有的自由基在溶液中充分、迅速地?cái)U(kuò)散的結(jié)果.這種“籠蔽效應(yīng)”使得一些自由基在有機(jī)會(huì)與單體作用以前發(fā)生偶合:
在不存在單體的情況下,發(fā)生自由基的偶合[反應(yīng)(16-8)],四甲基丁二腈是主要的反應(yīng)產(chǎn)物.雖然會(huì)發(fā)生異丁腈自由基的某種異構(gòu)化[反應(yīng)(16-9)],使反應(yīng)動(dòng)力學(xué)復(fù)雜化了,但在本計(jì)算中將不考慮這種異構(gòu)化作用.
在自由基聚合中,引發(fā)速率是由引發(fā)劑的分解[反應(yīng)(16-1)]所決定的,因?yàn)槌跏甲杂苫鶎?duì)單體的加成[反應(yīng)(16-2)]發(fā)生很快.因此,由受熱均裂的化合物引起的引發(fā)速率方程是:
Ri=2fkd[I] (16-10)
式中,f是引發(fā)劑效率,kd是反應(yīng)(16-1)的速率常數(shù),[I]是引發(fā)劑濃度.系數(shù)2是用來照顧這樣一個(gè)事實(shí),即在反應(yīng)(16-1)中,有效的引發(fā)劑I*等于2I.
因?yàn)樵S多單體受光和熱活化時(shí)能變成它們自身的引發(fā)劑,所以這里將提到光引發(fā)和熱引發(fā).一分子受到可被它吸收的一定頻率的多色光照射時(shí),變?yōu)榭梢砸l(fā)聚合的活化狀態(tài).由于大部分烯類單體能吸收在3000Å附近——一般紫外光源所產(chǎn)生的頻率范圍——的輻射,因而能發(fā)生光引發(fā)的自動(dòng)聚合.引發(fā)速率與被吸收的光量成正比,并且,由于被吸收的光量又與入射的光照量及單體(引發(fā)劑)的濃度有關(guān),方程(16-10)可改變?yōu)椋?/span>
Rip=2fkI0[M] (16-11)
此處I0為入射光密度,k為吸收系數(shù),某些物質(zhì)能比單體更有效地吸收光;這些光吸收劑能將它們的激發(fā)能傳遞給單體,從而引發(fā)單體自動(dòng)聚合,或通過光化學(xué)分解產(chǎn)生自由基.這種少量存在便能優(yōu)先吸收輻射并將所吸收的輻射能傳遞給單體從而引發(fā)聚合的物質(zhì),叫做光敏劑.用光敏劑引發(fā)的光聚合服從下列方程式:
Rips=2fkI0[PS] (16-12)
式中[PS]為光敏劑濃度.
有時(shí),單體受熱能自發(fā)聚合.雖然熱引發(fā)的動(dòng)力學(xué)是清楚的:
Rit=2kit[M]2 (16-13)
但其歷程卻不清楚.簡單地打開單體的π電子從而形成雙自由基,這在熱力學(xué)上是困難的.但是,對(duì)此進(jìn)一步提出了兩個(gè)有趣的似乎有理的意見:第一個(gè),假設(shè)由雙分子結(jié)合反應(yīng)形成比較穩(wěn)定的雙自由基:
這已證明是錯(cuò)誤的;第二個(gè),對(duì)芳基取代的單體熱引發(fā)歷程還涉及環(huán)的鄰位*.