加成或链生长的聚合物,根据定义,是由链锁反应形成的大分子.如同所有的链锁反应一样,它包括三个明显的过程:链引发、链增长和链终止.此三个反应的反应式和热化学已经在前面文章中讨论过了;本文先讨论自由基聚合的反应历程.离子型聚合的动力学、历程和立体化学将在后面文章中讨论.
自由基聚合的初始反应,即起始自由基的形成,已经讨论过了;现在讨论起始自由基与单体的反应以及其后发生的反应.起始自由基加到单体双键上以后,可能有几种不同的反应:
R·+X=Y → R—X—Y· (17-1)
1.若新生成的自由基R—X—Y·,对于进攻其它的X=Y分子有足够的反应活性,那么,(1)这个加成反应可以产生一个单一的自由基,从而导致链增长并形成线形高聚物;或(2)加成可引起更多新自由基的形成,即链反应支化,引起爆炸.
2.若新形成的自由基太不活泼,以致不能有效地加上单体,则聚合速率很慢.以这种方式降低聚合速率的物质叫做缓聚剂.
3.若新形成的自由基无能力使链进一步增长,X=Y只起到“抓住”并最终“消灭”起始自由基的作用.这种用来阻止聚合的物质叫做阻聚剂.
在实验中,我们将讨论链增长和与它相关的反应.链一旦开始增长,就将继续长到无穷大,除非增长着的链被终止了.实际上,由于有大量的分子同时在增长,或者由于存在着竞争的链终止反应,所谓无限长的分子只不过是个幻想.
自由基链锁反应的终止可以通过如下几种方式实现:通过两个自由基的相互碰撞(偶合);通过从生长着的链的活性位置提取一个氢原子(歧化);或者通过自由基与未分解的引发剂分子、单体、溶剂或其它聚合物分子的活性部分反应,将自由基转移到其它分子上去(链转移).前面已说明了各种终止反应,链转移则将在后面文章中单独讨论.
最常用的乙烯类单体可用式子CH2=CXY来代表.不管X和Y这两个字母代表什么样的不同基团,它们都必须对与其相连的碳原子上的自由基起离域化作用,而且贡献要比氢原子大.从能量上说,反应(17-2)比(17-3)的可能性要大得多.所以,在自由基聚合中,头尾排列占优势.
自由基聚合通常在25-100℃之间进行,因为这个范围的温度对于促进引发剂的初始分解是必要的.而且,自由基反应本身对于极性溶剂的影响不是特别敏感的(这样说并不意味着自由基反应与溶剂效应无关).在这些条件下,单体对活性末端基的进攻在立体化学上是无规的,因此,通过一般均相的自由基聚合所产生的聚合物,挂在聚合物链上的化学基团是无规排列的,就是说,自由基聚合物一般是无规的.如果自由基聚合是在低温下引发的(如由γ射线引发),或者链生长是在多相催化剂上发生的时候,聚合物可能是立体规整的,即等规的.