在本体聚合体系中,除了单体和引发剂外,有时还加少量增塑剂等助剂。气态、液态、固态单体均可进行本体聚合,但以液态单体为主。本体聚合的主要产品有高压聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯等。
本体聚合的优点是成分单一、设备简单、操作方便、产品纯净、透明度高、电性能好。特别适用于实验室研究,如制备少量聚合物,初步鉴定一种新单体的聚合能力及动力学研究和竞聚率测定等。本体聚合的缺点是体系黏度大、散热困难、聚合反应不易控制。解决这一问题的关键是排除聚合热。烯类单体的聚合热比较大,大致为15~25千卡/摩(见表),如不及时排除聚合热,温度将急剧上升,反应失去控制,甚至引起爆聚。
单体 | 聚合热/(kcal·mol-1) |
乙烯 | 22.2 |
丙烯 | 20.1 |
1,3-丁二烯 | 17.4 |
丙烯腈 | 18.3 |
丙烯酸甲酯 | 18.6 |
甲基丙烯酸甲酯 | 13.4 |
苯乙烯 | 17.4 |
氯乙烯 | 17.2 |
乙酸乙烯酯 | 21.0 |
因为本体聚合不加入溶剂,在聚合转化率不高时体系黏度就很大,而使长链自由基扩散困难,从而出现自动加速效应。典型的例子是甲基丙烯酸甲酯(MMA)的本体聚合。图中表示MMA(以0.1%过氧化苯甲酰为引发剂)在60℃进行本体聚合时的转化率与时间的关系(曲线a)以及聚合速率与时间的关系(曲线b)。曲线a大致可分三段,转化率为0%~20%时接近直线,从曲线b可知这是等速阶段;转化率为20%~80%时,曲线a上升,曲线b也上升,这是加速阶段;转化率在80%以上时,曲线a的斜率减小,曲线b往下降,这是减速阶段。由于转化率在20%以上时,出现聚合速率自动上升的情况,这种现象称自动加速效应,它是由于体系黏度的增加,导致长链自由基扩散困难,使终止反应速率大大下降所引起的,因此又称凝胶效应。
控制聚合热和及时散热是本体聚合必须解决的工艺问题。在聚甲基丙烯酸甲酯等本体聚合工业应用中,采用分步聚合,即先在聚合釜预聚,成糖浆状预聚物,渡过聚合诱导期,减少后续聚合过程中的体积收缩。灌入模具后分段加热,即先在45~55℃聚合5小时左右,再升温到55~65℃聚合9小时左右,最后在80~120℃处理8小时。这样减缓放热,便于散热工艺的设计与实施。
通过光聚合进行本体聚合可以降低工艺难度。具有应用价值的这类本体聚合是前端聚合方法,可以是紫外光引发、激光引发、等离子诱导引发等。它是通过局部反应区域在单体中移动而将单体聚合的模式。