加成或鏈生長的聚合物,根據(jù)定義,是由鏈鎖反應(yīng)形成的大分子.如同所有的鏈鎖反應(yīng)一樣,它包括三個明顯的過程:鏈引發(fā)、鏈增長和鏈終止.此三個反應(yīng)的反應(yīng)式和熱化學(xué)已經(jīng)在前面文章中討論過了;本文先討論自由基聚合的反應(yīng)歷程.離子型聚合的動力學(xué)、歷程和立體化學(xué)將在后面文章中討論.
自由基聚合的初始反應(yīng),即起始自由基的形成,已經(jīng)討論過了;現(xiàn)在討論起始自由基與單體的反應(yīng)以及其后發(fā)生的反應(yīng).起始自由基加到單體雙鍵上以后,可能有幾種不同的反應(yīng):
R·+X=Y(jié) → R—X—Y· (17-1)
1.若新生成的自由基R—X—Y·,對于進(jìn)攻其它的X=Y(jié)分子有足夠的反應(yīng)活性,那么,(1)這個加成反應(yīng)可以產(chǎn)生一個單一的自由基,從而導(dǎo)致鏈增長并形成線形高聚物;或(2)加成可引起更多新自由基的形成,即鏈反應(yīng)支化,引起爆炸.
2.若新形成的自由基太不活潑,以致不能有效地加上單體,則聚合速率很慢.以這種方式降低聚合速率的物質(zhì)叫做緩聚劑.
3.若新形成的自由基無能力使鏈進(jìn)一步增長,X=Y(jié)只起到“抓住”并最終“消滅”起始自由基的作用.這種用來阻止聚合的物質(zhì)叫做阻聚劑.
在實驗中,我們將討論鏈增長和與它相關(guān)的反應(yīng).鏈一旦開始增長,就將繼續(xù)長到無窮大,除非增長著的鏈被終止了.實際上,由于有大量的分子同時在增長,或者由于存在著競爭的鏈終止反應(yīng),所謂無限長的分子只不過是個幻想.
自由基鏈鎖反應(yīng)的終止可以通過如下幾種方式實現(xiàn):通過兩個自由基的相互碰撞(偶合);通過從生長著的鏈的活性位置提取一個氫原子(歧化);或者通過自由基與未分解的引發(fā)劑分子、單體、溶劑或其它聚合物分子的活性部分反應(yīng),將自由基轉(zhuǎn)移到其它分子上去(鏈轉(zhuǎn)移).前面已說明了各種終止反應(yīng),鏈轉(zhuǎn)移則將在后面文章中單獨討論.
最常用的乙烯類單體可用式子CH2=CXY來代表.不管X和Y這兩個字母代表什么樣的不同基團(tuán),它們都必須對與其相連的碳原子上的自由基起離域化作用,而且貢獻(xiàn)要比氫原子大.從能量上說,反應(yīng)(17-2)比(17-3)的可能性要大得多.所以,在自由基聚合中,頭尾排列占優(yōu)勢.
自由基聚合通常在25-100℃之間進(jìn)行,因為這個范圍的溫度對于促進(jìn)引發(fā)劑的初始分解是必要的.而且,自由基反應(yīng)本身對于極性溶劑的影響不是特別敏感的(這樣說并不意味著自由基反應(yīng)與溶劑效應(yīng)無關(guān)).在這些條件下,單體對活性末端基的進(jìn)攻在立體化學(xué)上是無規(guī)的,因此,通過一般均相的自由基聚合所產(chǎn)生的聚合物,掛在聚合物鏈上的化學(xué)基團(tuán)是無規(guī)排列的,就是說,自由基聚合物一般是無規(guī)的.如果自由基聚合是在低溫下引發(fā)的(如由γ射線引發(fā)),或者鏈生長是在多相催化劑上發(fā)生的時候,聚合物可能是立體規(guī)整的,即等規(guī)的.