ВВЕДЕНИЕ
Что такое сополимеры?
Cополимеры - разновидность полимеров, цепочки молекул которых состоят из двух или более различных структурных звеньев. Различают регулярные и нерегулярные сополимеры (коих большинство). Различные структурные звенья нерегулярных сополимеров беспорядочно расположены вдоль цепочки. В регулярных же сополимерах различные структурные звенья расположены упорядоченно и, следовательно, регулярные сополимеры могут быть представлены как обычные полимеры с большими структурными звеньями.
Типы сополимеров:
Мономеры, из которых изготавливаются сополимеры, могут быть по-разному скомбинированы. Наиболее вероятные способы:
- чередующийся (A-B)n
- периодический (A-B-A)n
- статистический (A-A-B-A-A-A-B-B-A-B)
- блок-сополимер (A)n-(B)m
- привитой (A-A-A-A-A-A-A-A-A-A)
| |
B B
| |
B B
| |
B B
| |
[1]
Блок-сополимеры
Cостоят из линейных макромолекул, содержащих чередующиеся блоки полимеров различного состава или строения, соединенные между собой химическими связями. Строение макромолекул м. блок-сополимеры представлено, например, схемами:
*(А)n-(В)m;
*(А)n-(В)m-(А)l-(В)k;
*(А)n-(В)m-(С)l;
*(А)n-Х-(В)m-Х-(А)l,
где А, В, С-мономерные звенья;
n, m, l, k-число этих звеньев в блоке;
Х - фрагмент молекулы бифункционального низкомолекулярного вещества (сшивающего агента). [2]
Частный случай блок-сополимеров – стереоблок-сополимеры, содержащие в макромолекуле блоки одинакового состава, но различной пространственной структуры.
Число мономерных звеньев в блоке должно быть достаточным для проявления в нем всей совокупности свойств данного полимера.
Если блоки состоят из несовместимых полимеров, то блок-сополимеры приобретают микрогетерогенную структуру и в них сочетаются с вещества полимеров, образующих отдельные блоки. На этом основан один из эффективных путей химического модифицирования полимеров.
К числу блок-сополимеры, имеющих важное промышленное значение, относятся термоэластопласты, макромолекулы которых состоят из блоков термопластов (полистирол, полиэтилен, полипропилен) и гибких блоков эластомеров (полибутадиен, полиизопрен, статистические сополимеры бутадиена со стиролом или этилена с пропиленом).
Блок-сополимеры, образуемые полимерами, резко различающимися по растворимости (напр., полиэтиленоксид - полипропиленоксид), используют для получения неионогенных ПАВ.
Гидрофилизация волокнообразующих полимеров, например полиэтилентерефталата, введением в их макромолекулы гидрофильных блоков, например полиэтиленоксидных, - один из способов повышения восприимчивости полимеров к красителям. [3]
Привитые сополимеры
Разветвленные высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из основной цепи и боковых ответвлений, различающихся по составу и/или строению. Схематично привитые сополимеры можно изобразить так:
~AAA - (A)n - AAA~ ~AAA - (A)n - AAA~
| | | |
(B)k (B)l X X
| |
(B)k (B)l
(А и В - мономерные звенья различного типа, Х – промежуточная группа, k, n и l показывают число мономерных звеньев в последовательностях). Основная и боковые цепи могут быть гомо- (показаны на схеме) и сополимерами. [3]
Привитые сополимеры, состоящие из последовательностей дифильного характера, претерпевают микрорасслаивание не только в растворах, но и в твердой фазе. Этот процесс может происходить уже при синтезе и выделении привитые сополимеры либо при послед. их переработке. Химические связи между различными частями препятствуют его макрорасслаиванию. Это свойство резко отличает привитые сополимеры от соответствующих термодинамически неустойчивых механических смесей полимеров, поэтому привитые сополимеры применяют там, где необходимы совместимые полимерные системы.
Благодаря наличию микрообластей, обогащенных тем или иным компонентом, привитые сополимеры существенно отличаются по свойствам от статистических сополимеров того же состава и характеризуются в большинстве случаев аддитивностью физико-механических свойств. Последняя отчетливо обнаруживается при термомеханических испытаниях.
Для таких привитых сополимеров, состоящих из несовместимых или мало совместимых компонентов обнаружено существование двух температур стеклования, а температура их течения определяется максимальной температурой течения одного из компонентов, что позволяет в ряде случаев расширить температурный интервал высокоэластичного состояния. Пластификация таких привитых сополимеров осуществляется строго селективно путем растворения пластификатора в соответствующих микрообластях.
Существование областей микрорасслаивания определяет наиболее ценные в практическом отношении механические свойства привитых сополимеров. Связыванием воедино гибких и жестких сегментов в макромолекулах привитые сополимеры получают ударопрочные пластики прививкой бутадиена, изопрена и некоторых а-олефинов на полистирол, полиакрилонитрил, ПВХ (например, АБС-пластик, полистирол ударопрочный). Привитую сополимеризацию широко используют для модификации поверхностных свойств (напр., жесткости, атмосфере-, термо- и химической стойкости, адгезии, электрических характеристик) полимерных и неполимерных материалов, для придания антитромбогенных свойств поверхности искусственных сосудов и др. эндопротезов, для иммобилизации ферментов. С помощью прививки можно регулировать проницаемость полимерных покрытий и мембран.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ БЛОК И ПРИВИТЫХ СОПОЛИМЕРОВ
Блоксополимеры и привитые сополимеры отличаются по свойствам от статистических сополимеров.
Блок- и привитые сополимеры обычно сочетают свойства составляющих компонентов (блоков или основных цепей и привитых цепей), а статистические сополимеры не проявляют свойств, характерных индивидуальным компонентам.
Для получения блок- и привитых сополимеров не подходят методы прямой сополимеризации и используются реакции химических превращений полимеров, которые осуществляются двумя основными способами:
1) реакциями в системе полимер – мономер,
2) реакциями в системе полимер-полимер.
Реакции в системе полимер – мономер
Для получения блок- и привитых сополимеров необходимо в макромолекуле создать реакционные центры, на которых происходит полимеризация. Для этих целей используется радикальная полимеризация и реже – ионная полимеризация.
Радикальную атаку макромолекул можно осуществлять в одну и две стадии и в зависимости от этого будут получаться различные продукты.
(А) Радикальная полимеризация (одностадийный метод)
1) В мономере В растворяют гомополимер, состоящий из звеньев А, и добавляют радикальный инициатор.
2) Под действием радикала, образовавшегося при распаде инициатора, происходит радикальная полимеризация мономера В.
3) Затем осуществляется передача цепи от макрорадикала цепи из звеньев В на полимер из звеньев А путём отрыва подвижного атома водорода.
В результате в основной цепи полимера из звеньев А образуется радикал и происходит привитая полимеризация мономера В.
Например, прививка стирола к полибутадиену идёт по схеме:
Полученный привитой сополимер называется полибутадиен-пр-стирол, где первым в названии указывается мономер, образующий основную полимерную цепь, а вторым – прививаемый мономер.
В результате рассмотренного одностадийного метода образуется смесь продуктов, состоящая из привитого сополимера, гомополимера из звеньев мономера А и гомополимера из звеньев мономера В.
Эффективность такого метода получения привитого сополимера зависит от скорости передачи цепи на полимер, которая определяется температурой, соотношением полимера и мономера, концентрацией инициатора, подвижностью отрываемого от цепи атома, реакционной способностью мономера В и полимера. Метод характеризуется технологической простотой и широко применяется в промышленности.
В общем виде прививку путем передачи цепи можно изобразить схемой:
(Б) Радикальная полимеризация (двухстадийный метод)
Получить привитой сополимер без примесей гомополимеров можно путем проведения реакции в две стадии. На первой стадии на гомополимер действуют свободными радикалами (R•) или γ−облучением, а затем на второй стадии реакции вводят мономер В. Реакция осуществляется по схеме:
Рассматриваемый метод позволяет получить чистый привитой сополимер, однако скорость реакции в этом случае меньше, чем при облучении смеси гомополимера и мономера.
Получение макрорадикалов:
Для получения привитых сополимеров генерирование макрорадикалов может быть осуществлено разными путями:
1) При УФ-облучении полимера:
2) При окислении полимеров на воздухе с последующим разложением гидропероксидных групп при нагреве:
Разложение гидропероксидных групп в макромолекуле возможно в присутствии восстановителя:
Прививку методом передачи цепи проводят в массе, растворе, суспензии и эмульсии. Этим методом в промышленности получают ударопрочный ПС, сополимеры акрилонитрила, бутадиена и стирола (АВС-пластик)
(В) Ионная полимеризация
При анионной полимеризации отсутствие обрыва цепей приводит к образованию “живых” полимеров, когда длительно сохраняется активность растущих цепей. “Живые” полимеры используют для получения блоксополимеров. Получение блоксополимеров осуществляют путем последовательного введения различных мономеров в реакционную смесь, содержащую “живой” полимер. Это позволяет регулировать длину, число и порядок чередование полимерных блоков в макромолекулах сополимеров.
Пример: К “живому” полимеру, состоящему из звеньев мономера А, добавляют второй мономер В и при этом рост цепи продолжается с образованием блока из звеньев мономера В:
“Живые” полимеры можно дезактивировать введением протонодонорного соединения (например, СН3ОН).
(Г) Механохимический синтез
Для получения блоксополимеров проводят механическую деструкцию смесей гомополимера, состоящего из звеньев мономера А, с мономером В. В результате механической деструкции гомополимера образуются макрорадикалы, на которых протекает полимеризация мономера В:
Механическую деструкцию полимеров проводят путём вальцевания, измельчения, экструзии, вибропомола, облучении ультразвуком, при замораживании растворов полимеров и их размораживании и др. При проведении таких реакций необходимо учитывать протекание побочных реакций деструкции и рекомбинации макрорадикалов.
Реакции в системе полимер – полимер
Основой этого метода получения блоксополимеров и привитых сополимеров является взаимодействие полимеров или олигомеров путем конденсации функциональных групп или путем рекомбинации макрорадикалов различных полимеров.
(А) Конденсационный метод
Получение блоксополимеров и привитых сополимеров возможно реакциями функциональных групп различных гомополимеров, когда функциональные группы одного гомополимера способны реагировать с функциональными группами другого гомополимера. Если функциональные группы гомополимеров являются концевыми, то образуются блоксополимеры:
Если функциональные группы у одного гомополимера рапределены вдоль цепи, а у другого гомополимера являются концевыми, то при их взаимодействии получаются привитые сополимеры:
Пример получения блоксополимера путём конденсации функциональных групп различных гопополимеров:
Пример получения привитого сополимера путём конденсации функциональных групп различных гопополимеров:
Образование привитых сополимеров возможно и с помощью низкомолекулярных бифункциональных сшивающих агентов (диизоцианатов, диаминов, дихлорангидридов и др.)
Пример:
Преимуществом такого способа получения привитых сополимеров является возможность использования в качестве боковых цепей готовых полимеров с требуемыми свойствами, а недостатками является низкая скорость конденсации и небольшие выходы привитых сополимеров вследствие трудности проведения реакции до полного превращения реагентов.
Введение функциональных групп в макромолекулы
сополимер реакция ионный синтез
Если в полимерах нет реакционноспособных функциональных групп для получения блоксополимеров и привитых сополимеров, то необходимые функциональные группы могут быть введены в полимеры несколькими способами:
1) Сополимеризация исходного мономера с набольшими добавками другого мономера, содержащего функциональные группы.
Например, метилметакрилат сополимеризуют с небольшим количеством акриловой кислоты и получают сополимер, содержащий в макромолекулах небольшое число карбоксильных групп:
Аналогично можно ввести в цепи гидроксильные, эпоксидные, изоцианатные и хлорангидридные группы.
2) Функциональные группы в состав макромолекул полимеров можно ввести путем реакций полимераналогичных превращений.
Например, частичный гидролиз нитрильных групп в макромолекулах ПАН приводит к появлению в цепи карбоксильных групп:
Другим примером образования фунциональных групп в макромолекуле полимера путем реакции полимераналогичных превращений является частичный щелочной гидролиз полиакриламида, который используется в промышленности для получения сополимера акриламида с акрилатом натрия:
3) Полимеры с функциональными группами могут быть получены при использовании инициаторов, содержащих эти группы. При распаде таких инициаторов образуются свободные радикалы, содержащие функциональные группы.
Полимерные цепи, растущие на приведенных свободных радикалах, несут на одном конце функциональные группы. При обрыве цепи рекомбинацией получается макромолекула, имеющая на обоих концах функциональные группы, а при обрыве цепи диспропорционированием – функциональные группы будут на одном конце макромолекулы.
(Б) Рекомбинация макрорадикалов
При механических воздействиях на полимер (вальцевание, экструзия, действие ультразвука, гидравлический удар и др.) макромолекулы разрываются с образованием активных осколков цепей (главным образом радикальной природы). Механической деструкцией смеси двух гомополимеров получают макрорадикалы с различными звеньями А и В. Затем в результате рекомбинации различных по природе макрорадикалов получаются блоксополимеры:
Обычно механохимический метод применяют для получении блоксополимеров из различных эластомеров с малыми добавками жесткоцепных полимеров с целью улучшения их физико-механических свойств (прочности, жесткости и др.), а также для повышения ударной прочности ряда жесткоцепных полимеров (ПАН, ПС) путём добавления к ним малых добавок эластомеров.
Однако при механодеструкции образование блоксополимеров осложняется реакциями передачи цепи, диспропорционирования и др. Эти реакции приводят к получению смеси блоксополимеров, разветвленных и сшитых полимеров.
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Википедия (Свободная энциклопедия) http://ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница
2. Ношей А., Мак-Грат Дж., Блок-сополимеры, пер. с англ., М., 1980. В. П. Шибаев.
3. Баттерд Г., Трегер Д., Свойства привитых и блок-сополимеров, пер. с англ., Л, 1970.
4. Цереза Р. Блок- и привитые сополимеры, пер. с англ,, М., 1964.
5. В.Ф. Куренков Химия высокомолекулярных соединений, Конспект лекций, Казань, 2004.