引发剂英文为initiator ,又称
自由基引发剂,指一类容易受热分解成自由基(即初级自由基)的化合物,可用于引发
烯烃、双烯类
单体的自由基聚合和共聚合反应,也可用于不饱和聚的交联
固化和
有机高分子化合物交联反应。
简介
引发剂一般是带有弱键、易分解成活性种的化合物,其中
共价键有均裂和
异裂两种形式。又称启动剂。能使正常
细胞转变为显性肿瘤细胞的
化学致癌物。引发剂具有下述特点:本身有致癌性,必须在促长剂之前给予,单次接触或染毒即可产生作用,其作用可累加,而不可逆,不存在阈量;可产生亲
电子物质与细胞大分子(
脱氧核糖核酸)共价结合,绝大多数为致突变物。例如,反-4-乙氨基茋为引发剂。
引发剂能引发
单体进行聚合反应的物质。不饱和单体聚合活性中心有
自由基型、
阴离子型、
阳离子型和
配位化合物等,目前在胶黏剂工业中应用最多的是自由基型,它表现出独特的
化学活性,在热或光的作用下发生
共价键均裂而生成两个自由基,能够引发聚合反应。
引发剂在胶黏剂和密封剂的研究和生产中作用很大,
丙烯酸酯溶剂聚合制备压敏胶,
乙酸乙烯溶剂聚合制造建筑胶和建筑
密封胶,合成
苯丙乳液、乙丙乳液、VAE乳液、丁苯胶乳、氯丁胶乳、
聚乙酸乙烯酯等,接枝氯丁胶黏剂,sBs接枝胶黏剂,不饱和
聚酯树脂交联
固化,厌氧胶固化,快固丙烯酸酯结构胶黏剂固化等,都必须利用引发剂。引发剂可以直接影响聚合反应过程能否顺利进行,也会影响聚合反应
速率,还会影响产品的储存期。
分类
引发剂种类很多,在胶黏剂中常用的是
自由基型引发剂,包括过氧化合物引发剂和偶氮类引发剂及氧化还原引发剂等,
过氧化物引发剂又分为
有机过氧化物引发剂和
无机过氧化物引发剂。
1、有机过氧化物引发剂
有机过氧化合物的结构通式为R—O—O—H或R—O—O—R,R为
烷基、
酰基、
碳酸酯基等。.
有机过氧化合物分为如下6类
(1)酰类
过氧化物(
过氧化二苯甲酰、过氧化月桂酰)。
(2)
氢过氧化物(
异丙苯过氧化氢、叔丁基过氧化氢)。
(4)酯类过氧化物(
过氧化苯甲酸叔丁酯、过氧化
特戊酸叔丁基酯).
(6)二
碳酸酯过氧化物(
过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二环己酯)。
有机过氧化物的活性次序为:二
碳酸酯过氧化物\u003e酰类过氧化物\u003e酯类过氧化物\u003e二
烷基过氧化物\u003e氢过氧化物。
无机化合物过氧化合物因溶于水,多用于乳液和
水溶液聚合反应,主要为过硫酸盐类,如
过硫酸钾、
过硫酸钠、
过硫酸铵,其中最为常用的是过硫酸和过硫酸钾。
3、偶氮类引发剂
偶氮类引发剂有
偶氮二异丁腈、
偶氮二,属低活性引发剂。常用的为偶氮二异丁,使用温度范围50~65℃,分解均匀,只形成一种
自由基,无其他副反应。比较稳定,纯粹状态可安全储存,但在80~90℃也急剧分解。其缺点是分解
速率较低,形成的
异丁腈自由基缺乏
脱氢能力,故不能用作接枝聚合的引发剂。
偶氮二异庚腈活性较大,引发效率高,可以取代偶氮二异丁腈。而
偶氮二异丁酸二甲酯(AIBME)引发活性适中,聚合反应易控,聚合过程无残渣,产品转化率高,分解产物无害,是
偶氮二异丁腈(AIBN)的最佳
替代品。
4、氧化还原引发剂
过氧化物引发剂和偶氮类引发剂分解温度较高(50~100℃),限制了在低温聚合反应的应用。氧化还原引发体系是利用
氧化剂和
还原剂之间的
电子转移所生成的
自由基引发聚合反应。因此氧化还原引发剂较之热分解引发剂具有可以在较低温度(0~50℃)下引发聚合反应,其优点可以提高反应
速率,降低能耗。可构成氧化还原体系的有
过氧化二苯甲酰/
蔗糖、叔丁基过氧化氢/
吊白块、叔丁基过氧化氢/
焦亚硫酸钠、过氧化苯甲酰/N,N-二甲基苯胺。
过硫酸铵/
亚硫酸氢钠、
过硫酸钾/亚硫酸氢钠、
过氧化氢/
酒石酸、过氧化氢/吊白块、过硫酸铵/
硫酸亚铁、过氧化氢/硫酸亚铁、过氧化苯甲酰//N,N-二
乙基苯胺、过氧化苯甲酰/
焦磷酸亚铁、过硫酸钾/
硝酸银、过硫酸盐/
硫醇、
异丙苯过氧化氢/
氯化亚铁、过硫酸钾/氯化亚铁、过氧化氢/氯化亚铁、异丙苯过氧化氢/四
乙烯亚胺等。其中叔丁基过氧化氢/焦亚硫酸钠反应速度最为适宜。
特性参数
(1)分解速率常数
在一定的温度下,
单体聚合速度在很大程度上取决于引发剂的分解
速率Rd,其与引发剂浓度[I]一次方成正比,
乙酸乙酯可显著促进
过一硫酸酸盐的
分解反应,其分解速率常数在80℃时由0.248h-1增加至2.08h-1。
甲醇对过硫酸盐的分解也有很大影响,当甲醇浓度为1mol/L时,其分解速率会增大25倍。
乳化剂k12对过硫酸盐的分解也有明显促进作用。
(2)活性氧含量
活性氧含量也称有效氧含量,表示一定质量的
过氧化物分解后产生的
自由基数量。
(3)临界温度
即指过氧化物受热分解产生自由基时的最低温度。临界温度与分解温度稍有区别,分解温度是过氧化物的半衰期为10h(或1min)时的温度。作为引发剂的过氧化物临界温度大都在60~130℃,若低于60℃,则室温很不稳定,不宜用作引发剂。
(4)半衰期
半衰期是指在一定的温度下,引发剂分解至起始浓度一半时所需的时间,用于衡量引发剂活性或反应
速率的大小,例如当60℃时,通常将引发剂在某种
溶剂(苯或
甲苯)中半衰期10h的分解温度称为引发剂的分解温度。
(5)活化能
活化能Ed是决定引发剂分解速率的一个重要因素,可由Arrhenius
实验式求得。活化能大,引发剂不易分解,但较稳定;活化能小,容易分解产生
自由基。
引发剂的分解速率常数、半衰期、分解活化能可作为选择引发剂、聚合温度和生产周期的依据。
选择与使用
不同的聚合方法,不同的工艺条件,不同的产品用途,应当选择不同的引发剂。
(1)溶液聚合应选择适当溶解性的
有机过氧化物或偶氮类引发剂;
水溶液或水乳液聚合则选用
无机过氧化物或水溶性氧化还原体系引发剂及
水溶性偶氮引发剂等。
(2)根据聚合反应温度选择活化能和半衰期适当的引发剂,例如高温(\u003e100℃),活化能138~183kJ/
摩尔的引发剂有
异丙苯过氧化氢、
叔丁基过氧化氢、过氧化二叔丁基;中温(30~100℃),活化能110~138kJ/mol的引发剂有
过氧化二苯甲酰、过氧化月桂酰、
偶氮二异丁腈、过硫酸盐;低温(-10~30℃),活化能63~110kJ/mol的引发剂有异丙苯过氧化氢/
氯化亚铁、过氧化苯甲酰/N,N-二甲基苯胺。一般应选择半衰期与聚合时间同数量级或相当的引发剂。
(3)尽量采用氧化还原引发剂。
(4)所选用的引发剂不应对聚合物的质量和性能有不良影响。
(5)引发剂的用量要适宜,不可过多过少,多则反应速度太快,难以控制;少则不易引发,反应不能正常进行,影响聚合物性能。用量一般为
单体量的0.12%~0.7%,采用两种以上的引发剂复配,可以调整半衰期,效果更好。
(6)储存稳定,安全可靠。
(7)无毒,不危害健康,不对环境产生负面影响。
(8)来源确保,价格适宜。
发展概况
引发剂的发展趋势是氧化还原引发剂、活性自由基引发剂、
大分子引发剂和双官能度及多官能度引发剂。其中氧化还原引发剂又在发展复合型氧化还原引发剂,意指
氧化剂、
还原剂再分别由一个以上的化合物复合而成。例如厌氧胶所用的
过氧化物一
叔胺一
糖精体系(胺体系)和过氧化物一取代一糖精体系(肼体系),能使厌氧胶获得
固化性能和储存稳定性较佳的兼顾。
2007年推出油溶性
偶氮二异丁酸二甲酯(AIBME)和水溶性的偶氮二
异丙基咪唑啉盐酸盐(AIBI)两种新型
偶氮引发剂,因其不含
氰基,分解产物无毒。相比其他引发剂而言,AIBME分解平稳,转化率高,生成的聚合物分解物为液体,聚合过程不出现残渣和结块。AIBI在低温、低浓度下能高效引发聚合,产生高线型和
有机高分子化合物质量聚合物。