Кіріспе

Полимер химиясында еркін радикалдарды полимерлеу (FRP) – полимерлендіру әдісі, онда полимер еркін радикал құрылыс блоктарының (қайталама бірліктердің) тізбектей қосылуы арқылы қалыптасады. Еркін радикалдар түрлі механизмдер арқылы пайда болады, көбінесе жеке бастаушы молекулаларды қатыстырады. Пайда болғаннан кейін бастаушы еркін радикал (радикал емес) мономерлік бірліктерді қосып, полимер тізбегін ұлғайтады. Еркін радикалдар полимерлендіруі – әртүрлі полимерлер мен материалдар композиттерін алудың маңызды синтез жолы болып табылады. Еркін радикалдардың химиялық өзара әрекеттесуінің салыстырмалы айқындығы осыны қолжетімді полимерлендірудің ең әмбебап түрлерінің бірі етеді және полимерлік еркін радикал тізбектерінің және басқа химиялық заттардың немесе субстраттардың оңай реакцияларына мүмкіндік береді. 2001 жылы АҚШ-та өндірілген 110 миллиард фунт полимердің 40 миллиарды еркін радикалдар полимерлендіру арқылы өндірілді. Еркін радикалдар полимерлендіруі – аниондық, катиондық және координациялық полимерлендірумен қатар тізбекті өсіру полимерлендіруінің бір түрі.

Іске қосу

Инициация – полимерлену процесінің алғашқы қадамы. Инициация кезінде полимерлік тізбек пайда болатын белсенді орталық құрылады. Барлық мономерлер барлық типтегі инициаторларға сезімтал бола бермейді. Радикалды инициация винил мономерлерінің көміртек-көміртек екі байланысы және альдегидтер мен кетондардағы көміртек-оттек екі байланысы үшін ең жақсы жұмыс істейді. Фотолиз сәулеленуі гомолиттік жолмен бір байланысты үзіп, екі радикал жасайды (2-сурет). Бұл әдіс көбінесе металл иодидтері, металл алкилдері және азоқосылыстармен қолданылады. 300–400 нм диапазонында жоғары сіңіру қабілеті. Винил мономерлерінің алкен екі байланысына шабуылдайтын радикалдарды тиімді өндіру. Преполимер + мономер қоспасындағы байланыстырғыш жүйеде жеткілікті ерігіштік. Салған материалдың сарғаюына немесе жағымсыз иіске ие болуына жол болмайды. Фотоинициатор және оның қолданылуынан туындаған барлық қосалқы өнімдер уытты емес болуы керек. Редокс реакциялары: Темірдің сутек пероксидін немесе алкил сутек пероксидін тотықтыруы (3-сурет). Плазма: Газ тәрізді мономер төмен қысымда электр разрядына орналастырылады, онда плазма (иондалған газ молекулалары) пайда болады. Кейбір жағдайларда, жүйе плазма жасауға көмектесу үшін қыздырылады және/немесе радиожиілік өрісіне орналастырылады. Бұл инициация жүйесі металлоцен, инициатор және гетероароматты дикетокарбоксил қышқылын қамтиды. Металлоцендер инициаторлармен бірге поли(метилметакрилат) полимерленуін үдетіп, тар молекулалық салмақ таралымы бар полимер жасайды. Мұнда көрсетілген мысал инденилцирконий (металлоцен) және бензоил пероксидінен (инициатор) тұрады. Сондай-ақ, осы мысалдағы 3,6-бис(о-карбоксибензоил) N-изопропилкарбазол сияқты гетероароматты дикетокарбоксил қышқылдарын қамтитын инициация жүйелері бензоил пероксидінің ыдырауын катализдейтіні белгілі. Осы нақты гетероароматты дикеткарбоксил қышқылымен инициация жүйелері полимердің микроқұрылымына әсер ететіні де белгілі. Бұл компоненттердің – металлоцен, инициатор және гетероароматты дикетокарбоксил қышқылының – барлығының бірігуі полимерленуді үдетіп, жоғары жылутөзімділігі және тұрақты микроқұрылымы бар полимерлерді өндіретін үштік инициация жүйесін береді. Инициатордың тиімділігін төмендетуі мүмкін реакциялардың келесі түрлері: Біріншілік рекомбинация: Екі радикал тізбек басталар алдында рекомбинацияланады (8-сурет). Бұл еріткіш қуысында болады, яғни жаңа радикалдардың арасына әлі еріткіш кірген жоқ. Этен мономерінде бір электрон жұбы сигма байланыста екі көміртек арасында берік ұсталады. Екіншісі пи байланысында әлсіз ұсталады. Эркін радикал пи байланысынан бір электронды алып, көміртек атомымен тұрақты байланыс жасайды. Екінші электрон екінші көміртек атомына оралып, бүкіл молекуланы басқа радикалға айналдырады. Бұл полимерлік тізбектің басталуы. 12-суретте этилен мономерінің орбиталдары радикалды инициатормен қалай өзара әрекеттесетіні көрсетілген. Тізбек басталганнан кейін, тізбек мономерлердің таусылғанға дейін (тірі полимерлену) немесе тоқтағанға дейін таралады (13-сурет). Радикалдық және тізбектік реактивтілік, еріткіш және температура сияқты бірнеше факторларға байланысты бірнеше мыңдаған таралу қадамдары болуы мүмкін. Тізбекті тарату механизмі мынадай:

Аяқтау

Радикалдардың жоғары реактивтілігіне байланысты радикалдық полимерлендіруде тізбек тоқтатуы қажетсіз. Тоқтату бірнеше әртүрлі механизмдер арқылы жүруі мүмкін. Егер ұзын тізбектер қажет болса, инициатордың концентрациясы төмен ұсталуы керек; әйтпесе, көптеген қысқа тізбектер түзіледі. Тізбек берудің әсерлері: Тізбек берудің ең айқын әсері – полимер тізбегінің ұзындығының қысқаруы. Егер беру жылдамдығы таралу жылдамдығынан әлдеқайда жоғары болса, тізбек ұзындығы 2-5 қайталанатын бірліктерден тұратын өте кішкентай полимерлер пайда болады (теломерлену). Майо теңдеуі тізбек берудің тізбек ұзындығына (xn) тигізетін әсерін бағалайды: мұнда ktr – тізбек берудің жылдамдық тұрақтысы, ал kp – таралудың жылдамдық тұрақтысы. Майо теңдеуі еріткішке берудің негізгі тоқтату механизмі екенін болжайды.

Термодинамика

Тізбекті өсіру полимерлендіруінде полимер мен мономерлер арасындағы тепе-теңдіктің орнын полимерлендірудің термодинамикасы арқылы анықтауға болады. Полимерлендірудің Гиббс еркін энергиясы (ΔGp) полимерлік реакцияның бағытын сандық бағалау үшін жиі қолданылады. Егер ΔGp < 0 болса, полимерлендіруге қолайлы жағдай туады; ал егер ΔGp > 0 болса, полимер деполимерлендіруге ұшырайды. Термодинамикалық теңдеуге сәйкес ΔG = ΔH – TΔS, теріс энтальпия және энтропияның өсуі тепе-теңдікті полимерлендіру бағытына қарай жылжиды. Жалпы, полимерлендіру экзотермиялық процесс, яғни энтальпиялық өзгеріс теріс болады, себебі өсіп келе жатқан полимер тізбегіне мономер қосылғанда π байланыстары σ байланыстарына айналады немесе циклдік мономердегі сақиналық кернеуді босататын сақина ашылу реакциясы жүзеге асады. Осы аралықта полимерлендіру кезінде көптеген кіші молекулалар бірігіп, айналу және орын ауыстыру еркіндік дәрежелерін жоғалтады. Нәтижесінде жүйеде энтропия төмендейді, барлық полимерлендіру процестері үшін ΔSp < 0 болады. Деполимерлендіруге әрқашан энтропиялық жағдай қолайлы болғандықтан, ΔHp қолайсыз энтропиялық мүшесін толықтыру үшін жеткілікті теріс болуы керек. Тек осы жағдайда ғана полимерлендіру термодинамикалық тұрғыдан тиімді болады, нәтижесінде ΔGp теріс мәнге ие болады. Іс жүзінде полимерлендіру төмен температурада тиімді: TΔSp шамалы. Деполимерлендіру жоғары температурада жақсы жүзеге асады: TΔSp үлкен. Температураның жоғарылауымен ΔGp теріс мәні азаяды. Белгілі бір температурада полимерлендіру тепе-теңдікке жетеді (полимерлендіру жылдамдығы = деполимерлендіру жылдамдығы). Бұл температура төбе температурасы (Tc) деп аталады. ΔGp = 0.

Стереохимия

Полимерлендірудің стереохимиясы бірдей химиялық құрамды полимерлерде атомдардың байланысуы мен кеңістіктегі орналасу айырмашылықтарымен айналысады. Герман Штаудингер 1920 жылдардың соңында винил мономерлерінің тізбекті полимерленуі кезінде стереоизомеризмді зерттеді. Полимер өсуінің әрбір таралу сатысы стереоизомеризмге алып келуі мүмкін деген ойды толыққанды қабылдау үшін тағы екі онжылдық уақыт кетті. Стереохимиядағы маңызды қадам 1950 жылдары Зиглер және Натта және олардың әріптестері металл негізіндегі катализаторды жасап, стереорегулярлы полимерлерді синтездеуге мүмкіндік берген кезде жасалды. Полимердің стереохимиясы ерекше қызығушылық тудыратын себебі, полимердің физикалық қасиеттері жалпы химиялық құрамына ғана емес, микроқұрылымдағы одан да нәзік айырмашылықтарға да байланысты. Атактикалық полимерлер стереохимияның кездейсоқ орналасуынан тұрады және төмен физикалық беріктігі бар аморфты (кристалдық емес), жұмсақ материалдар болып табылады. Сәйкесінше, изотактикалық (барлық алмастырғыштар бір жақта орналасқан) және синдиотактикалық (кезектесіп қайталанушы бірліктердің алмастырғыштары бір жақта орналасқан) полимерлер көбінесе жоғары кристалдық материалдар түрінде алынады. Стереорегулярлы полимерлердің кристалдық торға енуі оңай, себебі олар жақсы реттелген, нәтижесінде кристаллизм жоғары физикалық беріктікке, еріткіштерге және химиялық тұрақтылыққа, сондай-ақ кристаллизмге байланысты басқа да қасиеттердегі айырмашылықтарға әкеледі. Стереорегулярлы полимерлердің өнеркәсіптік қолданылуының басты мысалы – полипропен. Изотактикалық полипропен – жоғары балқу температурасы (165 °C), мықты, кристалдық полимер, ол пластик және талшық ретінде қолданылады. Атактикалық полипропен – майлы немесе балауыз тәрізді жұмсақ түрі бар аморфты материал, ол асфальт қоспаларында, майлау материалдарында, герметиктерде және желімдерде қолданылады, бірақ оның көлемі изотактикалық полипропенге қарағанда едәуір аз. Мономердің радикалдық тізбек соңына қосылу кезінде оның стереохимиясын ескеру қажет болатын екі фактор бар: 1) тізбек соңындағы көміртек пен жақындап келе жатқан мономер молекуласы арасындағы өзара әрекеттесу және 2) полимер тізбегіндегі соңғы қайталанушы бірліктің конфигурациясы. Схемада ішкі термодинамикалық тұрақтылық және өтпелі күйдегі полярлық әсерлер ескеріледі. Берілген радикал мен мономердің ішкі реакциялық қабілеті тиісінше Pi және Qj деп есептеледі. Мономерлердің берілген жұбын сополимерлеу үшін екі эксперименталды реакциялық қатынас r1 және r2 (Q1/Q2) және (e1 – e2) мәнін анықтауға мүмкіндік береді. Әрбір мономер үшін мәндер, әдетте, стирол ретінде таңдалған эталондық мономерге қатысты тағайындалады, оның Q = 1,0 және e = –0,8 мәндері кездейсоқ болып табылады. Кардиоваскулярлық стенттер, химиялық беттік белсенді заттар және майлау материалдары. Блоктық сополимерлер желімдер, аяқ киім және ойыншықтар сияқты көптеген қолдану салаларында қолданылады.

Академиялық зерттеулер

Еркін радикалды полимерлендіру көміртек нанотүтікшелерін функционалды етуге мүмкіндік береді. КНТ-ның ішкі электрондық қасиеттері оларды ерітіндіде ірі агрегаттар түзуге итермелейді, бұл тиімді қолдануларға кедерес келтіреді. КНТ қабырғаларына кішкентай химиялық топтарды қосу осы бейімділікті жояды және қоршаған ортаға реакцияны реттеуге мүмкіндік береді. Полимерлерді кішкентай молекулалардың орнына пайдалану КНТ қасиеттерін өзгерте алады (және керісінше, нанотүтікшелер полимерлердің механикалық және электрондық қасиеттерін өзгерте алады). Тізбектік өсу полимерлендіруі ("қаптау") алдын ала анықталған қасиеттері бар полимерді синтездейді. Полимерді тазарту арқылы полимерленуге дейін біркелкі ұзындық таралуын алуға болады. Керісінше, "қаптау" әдісі, атомдық трансферлі радикалды полимерлендіру (ATRP) немесе нитроксидті катализделген полимерлендіру (NMP) сияқты радикалды полимерлендіру техникаларын пайдалана отырып, жоғары молекулалық салмақты полимерлердің жылдам өсуіне мүмкіндік береді. Радикалды полимерлендіру нанокомпозитті гидрогельдерді синтездеуге де көмектеседі. Бұл гельдер суды сіңіре алатын наноөлшемді саз балшықтарынан (әсіресе смектиттерге жататындар) және желілік полимермен қапталғаннан жасалады. Саз балшықтарының сулы дисперсиясы инициатормен, катализатормен және әдетте акриламид болатын органикалық мономермен өңделеді. Полимерлер инициаторлардан өседі, олар өз кезегінде саз балшығына байланысты болады. Рекомбинация және диспропорция реакцияларының нәтижесінде өсіп келе жатқан полимер тізбектері бір-бірімен байланысып, берік, өзара байланысқан желілік полимерді құрайды, ал саз бөлшектері көптеген полимер тізбегі сегменттерінің тармақталу нүктелері ретінде әрекет етеді. Осы контексте қолданылатын еркін радикалды полимерлендіру әртүрлі субстраттардан полимерлерді синтездеуге мүмкіндік береді (қолайлы саз балшықтарының химиясы әртүрлі). Тізбектік өсу полимерлендіруіне тән тоқтату реакциялары икемділігі, механикалық күші және биоүйлесімділігі бар материалды қамтамасыз етеді.