Радикальная сополимеризация акрилат- и метакрилатгуанидинов с виниловыми мономерами

Радикальная сополимеризация акрилат- и метакрилатгуанидинов с виниловыми мономерами

При радикальной полимеризации и сополимеризации водорастворимых мономеров природа реакционной среды существенно влияет на кинетические параметры синтеза и характеристики образующихся сополимеров. Это обусловлено изменением реакционной способности реагирующих частиц вследствие их ионизации, сольватации, комплексообразования и межмолекулярных взаимодействий в реакционной среде. Поэтому осложнённый характер сополимеризации ионогенных мономеров также определяет актуальность изучения особенностей образования гуанидинсодержащих сополимеров с виниловыми мономерами.

Учитывая сказанное, синтез и исследование свойств новых гуанидинсодержащих сополимеров открывает новые возможности для синтеза полимеров с необходимым набором свойств для конкретной области применения. В связи с этим цель данной работы заключалась в исследовании возможности получения новых высокомолекулярных сополимеров на основе АГ и МАГ с акриламидом (АА) и мономалеинатом гуанидина (ММГ) в водных растворах и, с учетом этих результатов, направленном синтезе новых полимеров катионной природы с биоцидными свойствами, изучении механизма и кинетики особенностей этих реакций. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследование возможности получения новых сополимеров на основе АГ и МАГ с АА и ММГ и синтеза на их основе новых катионных полиэлектролитов.

2. Установление основных кинетических закономерностей радикальной сополимеризации АГ и МАГ с АА и ММГ в водных растворах, определение констант сополимеризации и характеристической вязкости.

3. Изучение влияния строения и свойств полимеризующихся частиц на кинетику и механизм радикальной сополимеризации.

4. Исследование физико-химических, бактерицидных, токсикологических и флоккулирующих свойств синтезированных мономерных и полимерных продуктов.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Глава I. Кинетические особенности реакций радикальной полимеризации акриловой и мет-акриловой кислот в водных и органических растворителях

1.1 Водные растворы. Изменение рН растворов добавлением NaOH

К числу ранних работ, посвященных исследованию реакции полимеризации метакриловой кислоты (МАК) в водных растворах, относятся труды, выполненные в 50-е годы группой английских ученых [1, 2], в которых авторы выявили влияние рН реакционного раствора на общую скорость полимеризации МАК, где в качестве инициатора использовалась Н2О2. В указанных работах установлено, что в кислых средах при рН 2 скорость полимеризации МАК сильно уменьшается с увеличением рН (симбатно измененялись и молекулярные массы (ММ) образующихся полимеров), а при рН 5,5 полимеризация МАК не наблюдалась вообще.

Поскольку известно, что в исследованном диапазоне рН происходит увеличение степени ионизации мономера, Качальский и Блауэр высказали предположение [1, 2], что мономер МАК лишь в неионизованной форме способен участвовать в реакции роста цепей, т.е. «истинная» константа общей скорости полимеризации kр связана с наблюдаемой константой роста k соотношением kp = k/(1-), где - степень ионизации мономера. В других исследованиях [3, 4] авторы, использовавшие в качестве инициатора персульфат калия, показали, что полимеризация МАК в водных растворах происходит до высоких значений рН (около 13) [3]. Возможно, что Качальский и Блауэр не смогли установить это в более ранних работах вследствие того, что выбранный ими инициатор Н2О2 был неэффективен при более высоких (больше 6) значениях рН.

Выявив, что метакрилатанион легко сополимеризуется при pH = 7 с N,N-диэтиламино-2-этилметакрилатом и акрилонитрилом и основываясь на этих данных, Пиннер с сотрудниками пришли к выводу, что падение скорости полимеризации МАК с ростом pH в интервале pH = 2,5-6 можно объяснить сополимеризацией неионизованной МАК и метакрилатаниона, и связали наблюдаемое падение скорости полимеризации при увеличении pH с возрастанием содержания метакрилатаниона в исходной смеси [4].

В более поздних исследованиях Блауэр и сотр. [5, 6], измеряя кинетику полимеризации МАК, инициированной динитрилоазобисизомасляной кислотой (ДАК), показали, что при pH 6 полимеризация МАК также имеет место, и реакция при этом имеет первый порядок по концентрации мономера (при pH = 6; 9.5; 11). На основании этого авторы полагали, что первый порядок по мономеру сохраняется во всем интервале значений pH. Порядок скорости реакции по инициатору при pH = 10,6-11,6 оказался близким к 0,5. В щелочной области pH скорость полимеризации вначале несколько увеличивается с ростом pH, а затем снижается. Таким же образом изменяются и молекулярные массы полимеров. В этих работах впервые было установлено также, что при добавлении низкомолекулярных электролитов (нейтральных солей) в интервале pH = 6,8 - 9,6, скорость полимеризации ощутимо возрастает (табл. 1).

Таблица 1

Зависимость константы общей скорости полимеризации метакриловой кислоты от ионной силы раствора (61,4 С)

Для объяснения некоторого возрастания скорости полимеризации метакриловой кислоты в щелочной области Блауэр предположил, что с ростом рН уменьшается константа скорости бимолекулярного обрыва цепей из-за электростатического отталкивания заряженных макрорадикалов. Если это предположение верно, то увеличение ионной силы реакционных растворов при добавлении низкомолекулярных солей, способствуя столкновениям одноименно заряженных частиц, должно было бы привести к увеличению константы скорости бимолекулярного обрыва, т.е. к уменьшению общей скорости полимеризации. В то же время на опыте наблюдается обратное явление (табл. 1).

Кинетика полимеризации другой слабой непредельной кислоты - акриловой (АК) - в водных растворах изучалась японскими исследователями [7, 8]. И для этого мономера, как видно на (рис. 1), скорость полимеризации также зависит от рН реакционного раствора.

Авторами показано также, что увеличение ионной силы реакционного раствора при рН = 7,2, в результате добавления в него NaCl, как и в случае МАК, приводит к росту скорости полимеризации АК и увеличению ММ образующихся полимеров.

Наиболее полное и систематическое исследование кинетических особенностей и механизма реакций радикальной полимеризации АК и МАК в различных средах, в том числе в водных растворах, проводилось В.А. Кабановым, Д.А.Топчиевым и сотр. [9-21]. Ими было установлено, что в водных растворах во всем исследованном интервале рН (2,5-13,0) при использовании инициатора ДАК, как при полимеризации АК, так и для МАК, (рН раствора создавалось добавлением щелочи NaOH) сохраняется половинный порядок скорости реакции по концентрации инициатора, что свидетельствует о бимолекулярном механизме обрыва цепей. Первый порядок по концентрации мономера наблюдается при полимеризации МАК при рН 2,5. В случае же акриловой кислоты порядок по мономеру оказался равен 1,5. Аналогичные порядковые закономерности при полимеризации АК в водных растворах отмечались также и другими авторами [22, 23].

Детальное исследование кинетических особенностей и закономерностей радикальной полимеризации АК и МАК в водных растворах показало, что зависимость скоростей полимеризации указанных мономеров от рН реакционного раствора имеют вид, указанный на рис. 2.

Так, при полимеризации АК и МАК в водных средах, в интервале рН = = 2,5-7,0 наблюдается значительное падение скорости полимеризации соответствующих мономеров. Значения ММ образующихся полимеров изменяются симбатно. В соответствии со значением констант ионизации для АК рka= 4,2, а для МАК рka = 4,32 (эффективная константа ПАК рka = 6,4, ПМАК рka = 7,0), можно заключить, что в области pH 6 с увеличением pH реакционного раствора при полимеризации АК и МАК рост цепей происходит на незаряженных макрорадикалах поликислоты. В области рН 6 зависимость общей скорости полимеризации акрилат- и метакрилатанионов от рН, как было показано на рис. 2, носит экстремальный характер. С ростом рН в области рН = 7-11 и 7-12 соответственно, наблюдается возрастание общей скорости полимеризации и ММ образующихся полимеров. Важно, что скорость инициирования в интервале рН = 8-10 как в присутствии, так и в отсутствие низкомолекулярных неполимеризующихся солей, практически неизменна [15, 16].

Таким образом, наблюдаемое увеличение общей скорости полимеризации акрилат- и метакрилатанионов при возрастании рН в щелочной области или при увеличении ионной силы при фиксированном рН, как выяснилось, действительно вызвано возрастанием отношения констант скоростей элементарных реакций роста и обрыва цепей, т.е. величины kр/kо1/2.

На основании рассмотрения литературных и экспериментальных данных В.А.Кабанов и Д.А.Топчиев [14, 19-20], выдвинули гипотезу о кинетической роли ионных пар при радикальной полимеризации ионизирующихся мономеров. Для случаев полимеризации акрилат- и метакрилатанионов в водных растворах эта гипотеза была сформулирована и обоснована следующим образом. В водных растворах при рН 7 АК и МАК полностью

Рис. 1. Зависимость V/Vмин от рН при полимеризации АК в водных растворах.

[АК] = 0,5 моль/л; [I]=2,85 10-3 моль/л; 50 С

Рис. 2. Зависимость V/Vмин при полимеризации АК (1) и МАК (2) от рН

водного раствора, установленного добавлением NaOH. [АК] = 1,2 моль/л;

[ДАК] = 510-3 моль/л; Vмин = 410-6моль/лс; [МАК] = 0,92 моль/л;

[ДАК] = 510-4 моль/л; Vмин=1,1510-6 моль/лс; 60 С.

ионизованы, т.е. в реакционном растворе присутствуют только акрилат- и метакрилатанионы. ПАК и ПМАК в среднем значительно слабее соответствующих мономерных кислот и их ионизация с ростом рН происходит в щелочной области, т.е. наблюдаемым в этой области рН кинетическим эффектам сопутствует изменение химической природы растущих цепей. Возможность изменения эффективной реакционной способности макрорадикалов как раз и предусматривается данной гипотезой. Предполагается, что если ионизованные, т.е. отрицательно заряженные, макрорадикалы роста способны образовывать ионные пары с низкомолекулярными катионами, присутствующими в растворе, в частности, на концах растущих цепей, то это должно приводить к возрастанию скорости реакции роста цепи из-за снятия электростатического отталкивания между растущим радикалом и одноименно заряженным мономером. Тогда должно нивелироваться электростатическое отталкивание при сближении мономерных анионов с одноименно заряженными радикалами в актах роста цепи [19, 20].

Схема 1

С ростом рН должна увеличиваться вероятность образования ионных пар на концах растущих цепей, что в рамках гипотезы должно приводить к увеличению эффективной константы скорости роста kр. Действительно, в соответствии с данными работ [15, 16], повышение концентрации ионов Na+ при данной концентрации мономера и фиксированном значении рН раствора (рН 7) сопровождается увеличением общей скорости полимеризации [16]. (Понятие «ионная пара» используется в терминах Фуосса, т.е. предполагается непосредственный контакт сольватных оболочек противоположно заряженных ионов [20]).

Хорошо известно, что полианионы поликислот способны связывать низкомолекулярные противоионы в водных растворах [24]. Обычно сродство между противоположно заряженными низкомолекулярными ионами, например между Na+ и CH3COO-, в не слишком концентрированных водных растворах недостаточно для стабилизации ионных пар. Образование стабильных ионных пар наблюдается лишь в менее полярных органических растворителях. Однако в случае полиэлектролитов связыванию способствует электростатическое поле всего полииона. Поэтому при высоких степенях ионизации значительная часть противоионов оказывается иммобилизованной в полимерных клубках.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7