剪切流场中高分子反应体系的动力学研究

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过去对化学反应动力学的研究,考虑了在理想的混合效果下反应粒子间的碰撞可能性与碰撞能垒,但没有考虑流场对于缠结大分子链形态变化的影响以及由此造成的体系粘度变化、扩散的各向异性与碰撞次数的改变。单从化学结构变化角度进行分析虽能抓住化学反应的本质,但忽略了反应体系所处的物理场的作用,以及由此引起的分子链形态的改变,不能反映聚合物粘弹体系的反应实质。本文以聚乙烯的交联、支化与接枝反应体系为例,通过实验研究在不同流场作用下的反应动力学过程,分析流场对反应的影响,并由此建立了相关的理论模型。 交联反应以聚乙烯/过氧化物引发剂体系为例,采用自创的"浸泡压片"法成功制备了无预反应试样,在旋转流变仪上进行反应,施以不同的振幅,记录反应过程中的模量曲线,用以研究振动剪切流场对交联反应的影响。首先结合流变学与反应动力学,计算得到大分子自由基浓度,对比顺磁共振实验曲线,合乎情理;然后导出一个新公式计算大分子偶合终止反应速率常数(Kt).比较发现,增大振幅能加速偶合反应,这是因为分子运动能力提高,导致碰撞机会增加。通过扩展经典的Arrhenius方程,将速率常数与复数粘度关联起来,发现Kt与η*的关系分为三段:低粘度段、中粘度段与高粘度段,这体现出不同的体系环境对反应的影响。、枝化反应以聚乙烯/低含量过氧化物引发剂体系为例,首次提出了一种流变学方法计算引发剂参与偶合反应的转化率。对比用化学滴定与顺磁共振测量的结果(引发剂参与所有反应的转化率)、常规方法计算的结果(相对转化率),分别表示了不同的物理意义。研究发现,引发剂偶合效率与自由基浓度成线性正比关系;终转化率与剪切速率有如下关系,偶合反应速率常数与剪切速率成反向关系,这与流场作用下大分子链各向异性的扩散能力相关。从高分子链构象球模型的概念进行解释,这是由于构象球在流场方向上取向,使得法向扩散受限,导致偶合反应变慢。 接枝反应以聚乙烯/马来酸酐/过氧化物引发剂体系为例,对比无引发剂的体系,发现接枝反应相对速率常数(S<,N>)与反应过程中外加的剪切速率(γ)成S型增长关系:S〈,N〉-235=2.35*[l.0.64γ)]:提出了一个流变学方法半定量计算接枝大分子自由基、聚乙烯大分子自由基自身(Kgg与Kpp)、交叉终止(Kpg)的速率常数,发现Kgg/Kpp与外加剪切速率也成SK型关系:Kgg/Kpg=4.86*[1-0.23*exp(-16f)]。 S<,N>受小分子运动影响为主,kgg/Kpg受大分子运动影响为主,而稳态剪切流场对小分子与大分子运动能力的影响并不同步,这使得这两条曲线的变化并不同步。基于实验认识,提出了一个理论模型,计算稳态剪切流场中均相体系内扩散控制的高分子间偶合反应的速率常数,并与构象张量关联:k=2C<,F>N<,A>R<,O>D<,O>*exp[det(C]通过进一步与体系粘度、温度的关联,通用于不同反应条件。与实验相比,模拟计算结果可精确到数量级。剪切速率与扩散共同决定着速率常数,使得速率常数曲线分为三段(扩散决定、共同决定、剪切决定)。还发现粘度、时间对分子运动有相同的效果,不同粘度下的速率常数曲线通过平移可以重合,平移因子是粘度、松驰时间的函数。计算得到反应活化能,发现它随剪切速率增加而增加,这说明流场对分子运动及 ij。卷反应的影响。 以聚乙烯/过氧化物引发剂交联体系为例,提出一种“2.5维格子模型”的Mont Calo方法来模拟高分子的交联反应,预测在凝胶点处所需的交联点分数(cP)及此时的凝胶量(GG):CP≈2×10<'5>M<,n>/M,,w'2>,此方法运算量小,模拟结果与实验一致,为实验中引发剂量的选择提供了参考。
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