甲基丙烯酸甲酯悬浮态乳液聚合成粒机理和动力学研究

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悬浮态乳液聚合是一种兼有传统乳液聚合和悬浮聚合部分特征,能制备疏松、多孔结构聚合物的新型聚合方法。疏松、多孔结构的树脂在吸附处理、固定酶催化等方面有很广泛的应用,因此悬浮态乳液聚合的研究具有理论和应用意义。本文在探索甲基丙烯酸甲酯(MMn)悬浮态乳液聚合工艺基础上,着重研究了MMA悬浮态乳液聚合的反应动力学和成粒机理。 与单体/聚合物不溶体系的悬浮态乳液聚合相比,对于MMA悬浮态乳液聚合,需要加入聚合物的不良溶剂,如环己烷,才能得到疏松、多孔结构的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)树脂。研究了环己烷/MMA质量比、水油比、引发剂浓度、乳化剂和分散剂对树脂颗粒特性的影响。发现:随着环己烷/MMA和水油比增大,树脂的孔隙率增加;引发剂浓度对树脂孔隙率影响较小;随着引发剂浓度增大,颗粒粒径分布变宽,平均粒径下降,细粒子所占比例增大;提高乳化剂浓度,细粒子所占比例增高;使用聚乙烯醇(PVA)分散剂后,颗粒的平均粒径增大,分布变宽,树脂的吸油率降低。 电导测定表明,在无和存在Tween20乳化剂,及实验采用的水/油比条件下,水相为分散相,而油相为连续相。通过对无和存在Tween20乳化剂时,不同聚合时期取样的PMMA乳液或颗粒粒径分布和形态研究发现:聚合前期形成稳定的PMMA乳液,乳胶(初级)粒子平均粒径及分布和形态与普通MMA乳液聚合相近;随着聚合转化率增加,初级粒子逐渐增大;达到一定转化率后,初级粒子开始凝聚,PMMA颗粒平均粒径增大,粒径分布变宽;最终得到以初级粒子凝聚而成的PMMA颗粒为主的聚合产物。PMMA颗粒的扫描电镜显示颗粒由基本不熔结、形态完整的初级粒子组成,初级粒子尺寸分布较为均一;初级粒子在颗粒内部堆积密度小,孔隙率高,而在颗粒表层的堆积密度高,孔隙率低。 根据以上结果,提出了在分散水滴内乳液聚合形成初级粒子-生长-凝聚的MMA悬浮态乳液聚合成粒机理:引发剂水相分解引发聚合,水相中的自由基链达到临界链长后析出,析出的自由基链卷曲形成原始微粒,原始微粒捕捉自由基链继续生长生成初级粒子核,初级粒子核不稳定并聚并为初级粒子,由于PMMA不溶于环己烷/MMA混合液,而初级粒子又不稳定,因此凝聚形成疏松PMMA树脂。 MMA悬浮态乳液聚合动力学研究发现:聚合初始速率与水油比成正比,与引发剂浓度的0.72次方成正比,与乳化剂浓度的0.58次方成正比;用过硫酸钾引发时,MMA 浙江大学硕士学位论文 u悬浮态乳液聚合的活化能为 124KJ/mol。悬浮态乳液聚合 PMMA的数均分子量随聚合温度增加而减小,与引发剂浓度的一0.4次方成正比;当环己烷/MMA质量比为1.二时,分子量最小。 采用优化的聚合工艺,得到转化率大于 95%、颗粒由基本不熔结的初级粒子堆积而成、DOP吸附量为 120g/100gPMMA的树脂。
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