CN101955555B - 可逆加成断裂链转移乳液聚合实施方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可逆加成断裂链转移乳液聚合实施方法。将20~40重量份的水、0.1~2重量份的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂、1~20重量份的单体、0.005~0.2重量份的小分子可逆加成断裂链转移试剂加入反应器,搅拌混合,搅拌,通氮气,加热升温至50~80℃,加入0.004~0.08重量份的水溶性引发剂,引发聚合10~60分钟时加入含0~2重量份碱的水溶液,继续聚合0.5~5小时。本发明利用特定结构的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂作为乳化剂和链转移剂,将小分子可逆加成断裂链转移与乳液聚合相结合,通过后补加碱提高了乳液稳定性,由于流程简单,能耗低,反应时间短,转化率高,无传统乳化剂,分子量符合设计值,分子量分布<2.0,有很好的工业化前景。
Description
技术领域
本发明涉及乳液聚合,尤其涉及一种可逆加成断裂链转移乳液聚合实施方法。
背景技术
乳液聚合相比其他传统聚合方法,它有着很多优点:聚合反应发生在分散于水相内部的乳胶粒中,尽管在乳胶粒内部粘度很高,但是由于水是连续相,整个体系粘度不高,整个反应过程中体系的粘度变化也不大,这样使得整个体系的传热就很容易;由于存在自由基隔离效应所以在乳液聚合中可以同时实现高的反应速率和高分子量的聚合物;大多数乳液聚合是以水为分散介质,避免了昂贵的溶剂和回收溶剂的麻烦,也减少了对环境的污染。由于上述原因,乳液聚合在工业上获得了广泛的应用。而传统的乳液需要使用传统的乳化剂,这种乳化剂的存在会使最终产品的成膜性能变差。无皂乳液聚合指不用或使用低于临界胶束浓度的乳化剂就能很好的解决这个问题。
可逆加成断裂链转移活性聚合,Reversible Addition-Fragmentationchain Transfer Polymerization,简称RAFT技术,该技术所用的链转移试剂称为可逆加成断裂链转移试剂。由于可逆加成断裂链转移适用的单体范围广,在非均相体系中存在的自由基隔离效应,因此在当今被认为最有工业化前景的一种活性自由基聚合技术。可逆加成断裂链转移技术可以非常有效的控制单体的聚合,实现分子量可控符合目标分子量和窄分子量分布。
如果可以将两种技术结合在一起,则可以得到分子量可控,分子量分布窄,胶体稳定性高的乳液产品。然而,在实际中还没有能够实现有效的小分子可逆加成断裂链转移试剂的乳液聚合:Luo等1人利用苯甲酸2-腈基异丙基二硫代酯作为小分子可逆加成断裂链转移试剂进行乳液聚合,通过大量的乳化剂,大量的引发剂和降低可逆加成断裂链转移试剂的用量可以得到分子量可控,分子量分布窄,胶体稳定性高的聚甲基丙烯酸甲酯乳液产品,但是提高目标分子量时,会造成分子量分布变宽;Monteiro等人2,3和Charmot等人4运用一种特殊的链转移常数很低的可逆加成断裂链转移试剂进行乳液聚合,乳液稳定性好,但是由于很低的链转移常数,最终的分子量分布较宽;Claverie等人5利用酰胺化的可逆加成断裂链转移试剂S-硫代苯甲酰巯基乙酸进行苯乙烯乳液聚合,乳液稳定性好,但最终的分子量分布大于1.70;Morbidelli等人6利用环糊精帮助可逆加成断裂链转移试剂迁移来进行乳液聚合,采用二硫代苯甲酸枯酯作为可逆加成断裂链转移试剂,得到的乳液稳定性好,但是分子量分布偏高,对于甲基丙烯酸甲酯,分子量吻合而且分子量分布约为1.40,但对于苯乙烯,分子量失控而且分子量分布大于2.20。目前失败的主要问题在于他人进行可逆加成断裂链转移乳液聚合所使用的乳化剂结构不合适,聚合反应的结果表现为分子量失控,分子量分布宽,反应阻聚期很长,反应速度缓慢,最终转化率低,乳液不稳定并且存在大量的结块。使用双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂进行乳液聚合目前取得了一定的进展7-11,但是只使用双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂进行乳液聚合,双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂即作为链转移试剂又作为乳化剂,使得在粒径调控,粒子形貌的控制都存在一定的限制:Hawkett等人发现利用中和后的聚丙烯酸-聚丙烯酸丁酯双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂进行乳液聚合,得到的粒子往往是核壳结构12,并且该双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂造成反应最终的分子量偏离理论值,分子量分布变宽13。
参考文献
(1)Luo,Y.;Cui,X.J.Polym.Sci.,Part A:Polym.Chem.2006,44,2837-2847.
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(8)Rieger,J.;Osterwinter,G.;Bui,C.;Stoffelbach,F.;Charleux,B.Macromolecules 2009,42,5518-5525.
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发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种可逆加成断裂链转移乳液聚合实施方法。
一种可逆加成断裂链转移乳液聚合实施方法是:将20~40重量份的水、0.1~2重量份的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂、1~20重量份的单体、0.005~0.2重量份的小分子可逆加成断裂链转移试剂加入反应器,搅拌混合,搅拌,通氮气,加热升温至50~80℃,加入0.004~0.08重量份的水溶性引发剂,引发聚合10~60分钟时加入含0~2重量份碱的水溶液,继续聚合0.5~5小时。
另一种可逆加成断裂链转移乳液聚合实施方法是:将20~40重量份的水、0.1~2重量份的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂、1~20重量份的第一单体、0.005~0.2重量份的小分子可逆加成断裂链转移试剂加入反应器,搅拌混合,搅拌,通氮气,加热升温至50~80℃,之后加入0.004~0.08重量份的水溶性引发剂,引发聚合10~60分钟时加入含0~2重量份碱的水溶液,之后0~3小时的时间段内加入总量为1~20重量份的第二单体至第N单体,继续聚合0.5~4小时。
所述的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂的化学结构通式为:
其中Z基团为:苯基、苄基、甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基及其异构体,戊基及其异构体、乙氧基、甲氧基硫醇、乙巯基、异丙巯基、丁巯基、C12巯基;R基团为:1-甲基苯甲基、1,1-二甲基苯甲基、异丙酸基、2-二异丁酸基、2-异丁腈基、腈基戊酸基、3-苯甲酸基。亲水性单体为丙烯酸,甲基丙烯酸,甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵,丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵,丙烯酰胺;亲油性单体为苯乙烯,丙烯酸酯类,甲基丙烯酸酯类,丙烯腈,丁二烯,异戊二烯。其中m与n分别为亲水性单体和亲油性单体的数目,m与n的比值在2∶1到7∶1之间。
所述的小分子可逆加成断裂链转移试剂的化学结构通式为:
其中Z基团为:苯基、苄基、甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基及其异构体,戊基及其异构体、乙氧基、甲氧基硫醇、乙巯基、异丙巯基、丁巯基或C12巯基;R基团为:1-甲基苯甲基、1,1-二甲基苯甲基、异丙酸基、2-二异丁酸基、2-异丁腈基、腈基戊酸基或3-苯甲酸基。
所述的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂的数均分子量为1000~10000的双亲性齐聚物。
所述的第一单体、第二单体、第N单体是苯乙烯、丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类、丙烯腈中的一种或多种混合物。
所述的水溶性引发剂为过硫酸盐或过氧化氢及其衍生物。
所述的过硫酸盐为过硫酸钾或过硫酸铵。
所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠或碳酸氢钾。
本发明利用乳液聚合,结合可逆加成断裂链转移活性自由基技术,利用双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂与小分子可逆加成断裂链转移试剂相结合来制备分子量可控,分子量分布<2.0,结块量少,胶体稳定性高的聚合物乳液。本专利的一大创新是在乳液聚合反应过程中,利用特殊设计的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂同时作为乳化剂和链转移试剂,成功的将小分子可逆加成断裂链转移试剂与乳液聚合相结合,并且通过后补加碱液的方法提高了乳液的稳定性。该方法的优点还有:(1)反应阻聚期短,反应速度快,最终转化率高,节省了反应时间,提高了生产效率;(2)可以实现间歇聚合,将单体,水,可逆加成断裂链转移试剂在反应前全部加入水中而无需反应过程中连续加入,简化了流程设备;(3)以水为分散介质,传热效果好,对环境友好;(4)通过后补加碱的技术可以提高乳液稳定性;(5)通过引入了小分子可逆加成断裂链转移试剂,在分子量调控方面可以不光依靠双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂,减弱了双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂对反应体系的限制。本发明的创新点不仅是将乳液聚合技术与可逆加成断裂链转移活性聚合技术的优点相结合,更是为可逆加成断裂链转移活性聚合技术工业化提出了一种新颖、高效、简单的方法。
具体实施方法
本发明中所使用的小分子可逆加成断裂链转移试剂为一种二硫代酯或三硫代酯,其化学结构通式为
本发明实施例中所用的小分子可逆加成断裂链转移试剂化学结构简式主要有以下四种:
小分子可逆加成断裂链转移试剂(1),Z基团为C12巯基,R基团为2-异丁腈基。
小分子可逆加成断裂链转移试剂(2),Z基团为C4巯基,R基团为异丙酸基。
小分子可逆加成断裂链转移试剂(3),Z基团为C15巯基,R基团为腈基戊酸基。
小分子可逆加成断裂链转移试剂(4),Z基团为C12巯基,R基团为异丙酸基。
双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂可以通过可逆加成断裂链转移试剂与一定的单体和引发剂反应,可以得到不同长度,不同亲水亲油基团比的双亲性大分子乳化剂,并且可以进一步去除可逆加成断裂链转移硫酯基团。
本发明实施例中所用的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂化学结构简式主要有以下七种:
双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(1),由丙烯酸和苯乙烯共聚到十二烷基-2-异丙酸三硫酯得到,其中丙烯酸的聚合度为16,苯乙烯聚合度为4。
双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(2),由丙烯酸和苯乙烯共聚到十二烷基-2-异丙酸三硫酯得到,其中丙烯酸的聚合度为27,苯乙烯聚合度为5。
双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(3),由丙烯酸和苯乙烯共聚到十二烷基-2-异丙酸三硫酯得到,其中丙烯酸的聚合度为43,苯乙烯聚合度为7。
双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(4),由甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和丙烯酸丁酯共聚到十二烷基-2-异丁腈三硫酯得到,其中甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的聚合度为10,丙烯酸丁酯聚合度为5。
双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(5),由甲基丙烯酸和甲基丙烯酸丁酯共聚到十二烷基-3-腈基戊酸三硫酯得到,其中甲基丙烯酸的聚合度为27,甲基丙烯酸丁酯的聚合度为5。
双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(6),由丙烯酸和苯乙烯共聚到苯基乙酸-1-苯基乙醇二硫酯得到,其中丙烯酸的聚合度为27,苯乙烯聚合度为5。
双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(7),由丙烯酰胺和丁二烯共聚到十二烷基-2-异丙酸三硫酯得到,其中丙烯酰胺的聚合度为27,丁二烯聚合度为10。
实施例1:
将40克的水,0.1克的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(1),4克的丙烯酸丁酯,0.01克的小分子可逆加成断裂链转移试剂(1)加入反应器,搅拌混合,搅拌,通氮气20分钟,加热升温至80℃,加入0.004克的过硫酸铵,引发聚合,反应20分钟时加入含0.01克氨水的水溶液,继续聚合0.5小时。
实施例2:
将40克的水,1克的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(2),5克的苯乙烯,5克的甲基丙烯酸甲酯,0.01克的小分子可逆加成断裂链转移试剂(2)加入反应器,搅拌混合,搅拌,通氮气30分钟,加热升温至70℃,加入0.04克的过硫酸钾,引发聚合,聚合2小时。
实施例3:
将40克的水,1.7克的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(3),5克的苯乙烯,5克的丙烯腈,0.1克的小分子可逆加成断裂链转移试剂(3)加入反应器,搅拌混合,搅拌,通氮气20分钟,加热升温至50℃,加入0.01克的过硫酸铵,引发聚合,反应3小时时加入含2克碳酸氢钠的水溶液,继续聚合5小时。
实施例4:
将20克的水,1克的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(4),20克的苯乙烯,0.1克的小分子可逆加成断裂链转移试剂(4)加入反应器,搅拌混合,搅拌,通氮气30分钟,加热升温至70℃,加入0.08克的过硫酸钾,引发聚合,反应30分钟时加入含0.1克氢氧化钠的水溶液,继续聚合3小时。
实施例5:
将40克的水,1克的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(5),1克的苯乙烯,0.005克的小分子可逆加成断裂链转移试剂(4)加入反应器,搅拌混合,搅拌,通氮气30分钟,加热升温至70℃,加入0.01克的过硫酸钾,引发聚合,反应至20分钟时加入含0.1克氢氧化钠的水溶液,反应至30分钟时加入20克丙烯酸丁酯,之后继续聚合2小时。
实施例6:
将40克的水,2克的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(6),20克的苯乙烯,0.005克的小分子可逆加成断裂链转移试剂(4)加入反应器,搅拌混合,搅拌,通氮气30分钟,加热升温至70℃,加入0.007克的过硫酸钾,引发聚合,反应至40分钟时加入含0.1克氢氧化钠的水溶液,反应至150分钟时加入1克丙烯酸丁酯,之后继续聚合30分钟。
实施例7:
将40克的水,1克的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(2),10克的苯乙烯,0.2克的小分子可逆加成断裂链转移试剂(4)加入反应器,搅拌混合,搅拌,通氮气40分钟,加热升温至70℃,加入0.04克的过硫酸钾,引发聚合,反应至40分钟时加入含0.2克氢氧化钠的水溶液,继续聚合1小时。
实施例8:
将40克的水,1克的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(2),10克的苯乙烯,0.1克的小分子可逆加成断裂链转移试剂(4)加入反应器,搅拌混合,搅拌,通氮气30分钟,加热升温至70℃,加入0.02克的过硫酸钾,引发聚合,反应至45分钟时加入含0.1克氢氧化钾的水溶液,继续聚合2小时。
实施例9:
将40克的水,1克的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(2),10克的苯乙烯,0.1克的小分子可逆加成断裂链转移试剂(4)加入反应器,搅拌混合,搅拌,通氮气30分钟,加热升温至70℃,加入0.04克的过硫酸钾,引发聚合,反应至25分钟时加入含0.1克氢氧化钠的水溶液,继续聚合2小时。
实施例10:
将40克的水,1克的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂(7),10克的苯乙烯,0.1克的小分子可逆加成断裂链转移试剂(4)加入反应器,搅拌混合,搅拌,通氮气30分钟,加热升温至70℃,加入0.04克的过硫酸钾,引发聚合,反应至30分钟时加入含0.1克氢氧化钠的水溶液,继续聚合2小时。
乳液反应速度与最终转化率:
实施例 | 反应时间/分钟 | 最终转化率 | 结块量 |
1 | 50 | 90% | 0% |
2 | 120 | 92% | 0.13% |
3 | 480 | 95% | 0.19% |
4 | 210 | 91% | 0.8% |
5 | 150 | 93% | 0% |
6 | 180 | 90% | 0% |
7 | 100 | 90% | 0.76% |
8 | 165 | 92% | 0.28% |
9 | 145 | 94% | 0.20% |
10 | 150 | 92% | 0.29% |
反应时间,最终转化率是利用质量法测得的。反应结束结块可能出现在搅拌桨和反应器器壁上,小心收集并烘干称重,结块量是结块占反应配方中所有有机相的重量分数。
乳液稳定性:
实施例 | 乳液稳定性 |
1 | 好 |
2 | 好 |
3 | 好 |
4 | 好 |
5 | 好 |
6 | 好 |
7 | 好 |
8 | 好 |
9 | 好 |
10 | 好 |
乳液稳定性的标准采用存储稳定性:GB6753.3-86。
乳液分子量控制性能:
实施例 | 分子量设计值(g/mol) | 分子量实验值(g/mol) | 分子量分布 |
1 | 63500 | 69600 | 1.57 |
2 | 27000 | 28900 | 1.62 |
3 | 16500 | 17400 | 1.37 |
4 | 32100 | 37400 | 1.65 |
5 | 79900 | 85400 | 1.82 |
6 | 28400 | 29600 | 1.26 |
7 | 9100 | 9900 | 1.44 |
8 | 14700 | 17400 | 1.37 |
9 | 14700 | 15900 | 1.39 |
10 | 14500 | 16900 | 1.45 |
分子量设计值由
公式计算,其中Mn,theo指反应结束后乳液中聚合物的分子量设计值,Mn,mRAFT指未进行聚合反应前的双亲性大分子乳化剂,MsRAFT指未进行聚合反应前的可逆加成断裂链转移试剂的分子量,Mmonomer指单体的分子量,x指乳液聚合反应的转化率,[M]代表单体的摩尔浓度,[RAFT]代表小分子可逆加成断裂链转移试剂和双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂的摩尔浓度之和。分子量实验值和分子量分布PDI由凝胶渗透色谱Waters1525-2414-717GPC测得,以聚苯乙烯为标样。
Claims (7)
1.一种可逆加成断裂链转移乳液聚合实施方法,其特征在于:将20~40重量份的水、0.1~2重量份的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂、1~20重量份的单体、0.005~0.2重量份的小分子可逆加成断裂链转移试剂加入反应器,搅拌混合,搅拌,通氮气,加热升温至50~80℃,加入0.004~0.08重量份的水溶性引发剂,引发聚合10~60分钟时加入含0~2重量份碱的水溶液,继续聚合0.5~5小时;
所述的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂的化学结构通式为:
其中Z基团为:苯基、苄基、甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基及其异构体,戊基及其异构体、乙氧基、甲氧基硫醇、乙巯基、异丙巯基、丁巯基、C12巯基;R基团为:1-甲基苯甲基、1,1-二甲基苯甲基、异丙酸基、2-二异丁酸基、2-异丁腈基、腈基戊酸基、3-苯甲酸基,亲水性单体为丙烯酸,甲基丙烯酸,甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵,丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵,丙烯酰胺;亲油性单体为苯乙烯,丙烯酸酯类,甲基丙烯酸酯类,丙烯腈,丁二烯,异戊二烯,其中m与n分别为亲水性单体和亲油性单体的数目,m与n的比值在2∶1到7∶1之间;
所述的小分子可逆加成断裂链转移试剂的化学结构通式为:
其中Z基团为:苯基、苄基、甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基及其异构体,戊基及其异构体、乙氧基、甲氧基硫醇、乙巯基、异丙巯基、丁巯基或C12巯基;R基团为:1-甲基苯甲基、1,1-二甲基苯甲基、异丙酸基、2-二异丁酸基、2-异丁腈基、腈基戊酸基或3-苯甲酸基。
2.一种可逆加成断裂链转移乳液聚合实施方法,其特征在于:将20~40重量份的水、0.1~2重量份的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂、1~20重量份的第一单体、0.005~0.2重量份的小分子可逆加成断裂链转移试剂加入反应器,搅拌混合,搅拌,通氮气,加热升温至50~80℃,之后加入0.004~ 0.08重量份的水溶性引发剂,引发聚合10~60分钟时加入含0~2重量份碱的水溶液,之后0~3小时的时间段内加入总量为1~20重量份的第二单体至第N单体,继续聚合0.5~4小时;
所述的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂的化学结构通式为:
其中Z基团为:苯基、苄基、甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基及其异构体,戊基及其异构体、乙氧基、甲氧基硫醇、乙巯基、异丙巯基、丁巯基、C12巯基;R基团为:1-甲基苯甲基、1,1-二甲基苯甲基、异丙酸基、2-二异丁酸基、2-异丁腈基、腈基戊酸基、3-苯甲酸基,亲水性单体为丙烯酸,甲基丙烯酸,甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵,丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵,丙烯酰胺;亲油性单体为苯乙烯,丙烯酸酯类,甲基丙烯酸酯类,丙烯腈,丁二烯,异戊二烯,其中m与n分别为亲水性单体和亲油性单体的数目,m与n的比值在2∶1到7∶1之间;
所述的小分子可逆加成断裂链转移试剂的化学结构通式为:
其中Z基团为:苯基、苄基、甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基及其异构体,戊基及其异构体、乙氧基、甲氧基硫醇、乙巯基、异丙巯基、丁巯基或C12巯基;R基团为:1-甲基苯甲基、1,1-二甲基苯甲基、异丙酸基、2-二异丁酸基、2-异丁腈基、腈基戊酸基或3-苯甲酸基。
3.根据权利要求1或2所述的一种可逆加成断裂链转移乳液聚合实施方法,其特征在于所述的双亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂为双亲性齐聚物,双亲性齐聚物的数均分子量为1000~10000。
4.根据权利要求1或2所述的一种可逆加成断裂链转移乳液聚合实施方法,其特征在于所述的第一单体、第二单体、第N单体是苯乙烯、丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类、丙烯腈中的一种或多种混合物。
5.根据权利要求1或2所述的一种可逆加成断裂链转移乳液聚合实施方法,其特征在于所述的水溶性引发剂为过硫酸盐或过氧化氢。
6.根据权利要求7所述的一种可逆加成断裂链转移乳液聚合实施方法,其 特征在于所述的过硫酸盐为过硫酸钾或过硫酸铵。
7.根据权利要求1或2所述的一种可逆加成断裂链转移乳液聚合实施方法,其特征在于所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠或碳酸氢钾。
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