Радикальная полимеризация: механизм и кинетика
Радикальная полимеризация - один из главных способов получения пластмасс: так синтезируют полиэтилен, полистирол, полиметилметакрилат (оргстекло), поливинилхлорид и десятки других материалов. В основе - цепной механизм с участием свободных радикалов: короткоживущих частиц с неспаренным электроном, способных последовательно присоединять сотни и тысячи молекул мономера. Чтобы рассчитать скорость реакции и молярную массу полимера, нужны всего три уравнения - попробуйте их в калькуляторе ниже и убедитесь, как концентрация мономера и интенсивность инициирования управляют результатом.
Три стадии цепного механизма
Механизм радикальной полимеризации складывается из трёх последовательных стадий, и каждая из них определяет один из ключевых параметров процесса. Важно понимать, что длина отдельной цепи формируется за доли секунды: активный центр рождается, вырастает до тысяч звеньев и гибнет ещё до того, как конверсия поднимается на заметную величину. Именно поэтому молярная масса полимера практически не зависит от степени конверсии в широком диапазоне - это принципиальное отличие радикальной полимеризации от ступенчатой.
Инициирование - рождение активных центров. Инициатор (чаще всего пероксид или азосоединение) распадается под действием тепла или света на два радикала:
Не все образовавшиеся радикалы успевают атаковать мономер: часть рекомбинирует внутри «клетки» из молекул растворителя. Долю эффективно инициирующих радикалов учитывает коэффициент эффективности (–). Скорость инициирования:
Рост цепи - многократное присоединение мономера к радикальному концу растущей цепи :
Скорость роста пропорциональна концентрации мономера и суммарной концентрации всех растущих радикалов :
Константа скорости роста зависит от природы мономера и температуры; для стирола при 60 °C л/(моль·с). Реакция роста экзотермична: каждый акт присоединения выделяет 50–100 кДж/моль, что при высокой концентрации мономера создаёт значительный тепловой эффект и требует контроля отвода теплоты в промышленных реакторах.
Обрыв цепи - гибель радикалов при столкновении двух растущих цепей. Возможны два механизма: рекомбинация () и диспропорционирование (). В обоих случаях скорость обрыва квадратична по концентрации радикалов:
Стационарное приближение и формула скорости
После короткого индукционного периода концентрация радикалов устанавливается на постоянном уровне: скорость их рождения (инициирование) равна скорости гибели (обрыв). Это стационарное приближение:
Отсюда стационарная концентрация радикалов:
Подставляя в выражение для скорости роста, получаем главную формулу кинетики радикальной полимеризации:
Скорость полимеризации пропорциональна первой степени концентрации мономера и корню из скорости инициирования. Это объясняет, почему удвоение концентрации инициатора ускоряет реакцию лишь в раза, а не вдвое.

Степень полимеризации и молярная масса
Число-средняя степень полимеризации - среднее число мономерных звеньев в цепи - определяется из соотношения скорости роста к скорости обрыва. В отсутствие передачи цепи:
Из формулы видно два ключевых следствия:
- : в два раза больше мономера - в два раза длиннее цепи;
- : снижение скорости инициирования вчетверо удваивает длину цепи.
Это означает, что управление молярной массой и управление скоростью реакции - во многом противоположные задачи. Для получения высокомолекулярного полимера нужна низкая концентрация инициатора и высокая концентрация мономера: реакция идёт медленно, зато цепи вырастают длинными. Для быстрого синтеза олигомеров или смол с низкой молярной массой, напротив, берут много инициатора.
Молярная масса полимера:
где - молярная масса мономерного звена (для стирола г/моль, для метилметакрилата г/моль).
Степень полимеризации и скорость реакции «тянут» в разные стороны: высокая концентрация инициатора ускоряет реакцию, но снижает молярную массу полимера. Компромисс выбирают под требования к материалу.
Передача цепи: ограничение молярной массы
Реальная молярная масса часто ниже расчётной по формуле . Причина - передача цепи: растущий радикал отрывает атом водорода (или другой атом) у молекулы растворителя, мономера или специально добавленного регулятора - и гибнет, а новый (короткий) радикал начинает другую цепь. Уравнение Мэйо учитывает этот вклад через константы передачи цепи , :
Тиолы и некоторые галогенсодержащие соединения используют как регуляторы молярной массы - небольшие добавки снижают на порядок, не меняя скорости реакции. Например, при синтезе синтетического каучука додецилтиол добавляют в долях процента, чтобы получить материал с нужной эластичностью: слишком длинные цепи дают высоковязкий продукт, с которым трудно работать, а слишком короткие - хрупкий. Управление позволяет воспроизводимо попадать в окно молярных масс – г/моль, где свойства материала оптимальны.
Отдельный класс методов - контролируемая радикальная полимеризация (ATRP, RAFT, NMP): в ней обрыв цепи намеренно подавляют, и цепи растут почти синхронно, как при анионной полимеризации. Индекс полидисперсности падает до –, а состав блок-сополимеров можно задавать с точностью до звена. Однако обсуждение этих методов выходит за рамки классического механизма.
Инициирование: тепловое и фотохимическое
Выбор инициатора задаёт «рабочий диапазон» температур. Азобисизобутиронитрил (АИБН) распадается при 60–80 °C ( ч при 65 °C) - стандартный инициатор для растворной полимеризации. Пероксид дибензоила активен при 80–100 °C. Для фотополимеризации (УФ-отверждаемые покрытия, 3D-печать) используют фотоинициаторы: свет вместо тепла генерирует радикалы, и процесс идёт при комнатной температуре.
Скорость инициирования при фотолизе: , где - квантовый выход, - поглощённая интенсивность света. Управляя мощностью излучения, можно точно контролировать и, значит, молярную массу полимера. В 3D-принтерах на фотополимерах именно этот механизм обеспечивает избирательное отверждение: засвеченный слой полимеризуется за секунды, незасвеченный остаётся жидким.
Ингибиторы - ещё одна практически важная группа добавок. Молекулярный кислород, гидрохинон и пространственно затруднённые фенолы перехватывают растущие радикалы, не давая им присоединять мономер. Именно поэтому мономеры при хранении стабилизируют гидрохиноном: без него спонтанная полимеризация при нагреве или облучении может превратить бочку стирола в монолит полистирола. Перед использованием стабилизатор удаляют перегонкой или промывкой щёлочью.
Частые ошибки
- Путаница и . - скорость роста цепей (расход мономера); - скорость рождения радикалов (расход инициатора). В стационарном режиме , но (каждый радикал успевает присоединить тысячи мономеров).
- Неправильная зависимость от инициатора. Многие считают, что удвоение удваивает и , и . На самом деле , а .
- Игнорирование коэффициента . При расчёте без получают завышенную концентрацию радикалов. Типичное значение – снижает вдвое.
- Применение стационарного приближения за его пределами. В начальный индукционный период и при глубоких конверсиях (гель-эффект) не постоянна - формулы Rp и Xn нужно корректировать.
- Забытая передача цепи. Расчётная из формулы без члена может оказаться в разы выше реальной, если реакция идёт в растворе с активным растворителем.
FAQ
Почему скорость полимеризации пропорциональна корню из скорости инициирования, а не самой скорости? Потому что стационарная концентрация радикалов : обрыв цепи квадратичен по , а инициирование линейно. Баланс этих двух процессов и даёт корень.
Что такое гель-эффект Трокунаса-Смита и как он влияет на кинетику? При высокой конверсии полимер повышает вязкость среды, и диффузия макрорадикалов замедляется. Скорость обрыва резко падает, растёт, реакция самоускоряется. На практике это может привести к неконтролируемому разогреву реактора.
Чем радикальная полимеризация отличается от ионной (катионной, анионной)? Радикальный процесс нечувствителен к примесям воды и кислорода (он на них реагирует, но терпит их), прост в масштабировании и подходит для большинства мономеров с двойной связью. Ионная полимеризация требует абсолютной сухости и инертной атмосферы, зато даёт более узкое молекулярно-массовое распределение (– против – у радикальной).
Коротко
Механизм радикальной полимеризации включает три стадии: инициирование (рождение радикалов), рост цепи (последовательное присоединение мономера) и обрыв (рекомбинация или диспропорционирование двух радикальных концов). В стационарном приближении скорость полимеризации пропорциональна концентрации мономера и корню из скорости инициирования, а степень полимеризации растёт при снижении интенсивности инициирования. Молярная масса полимера определяется как .
Читайте также

Критическая масса: определение и от чего зависит
Критическая масса: определение простыми словами. От чего зависит её величина, как влияют плотность, форма и отражатель нейтронов, типичные значения для урана-235 и плутония-239.

Анионная полимеризация: механизм, формулы и расчёт
Анионная полимеризация простыми словами: как идут инициирование и рост живых цепей, почему нет обрыва, как считать степень полимеризации, молярную массу и узкую полидисперсность Mw/Mn.

Степень полимеризации средняя: расчёт
Как рассчитать среднюю степень полимеризации: формула через молекулярную массу полимера и мономера, среднечисленная и среднемассовая величины, связь с полидисперсностью.