氮氧稳定自由基法

班级：1020741

姓名： 张鹏

学号： 01

目录

可控/活性自由基聚合及其应用研究

摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1

1.1 可控/ 活性聚合的应用„„„„„„„„„„„„„„ 2

1.1.1 合成聚合物„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2

1.1.1.1 原子转移自由基聚合„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2

1.1.1.2 氮氧调控自由基聚合„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2

1.1.1.3 可逆加成- 裂解链转移自由基聚合„„„„„„„„„„„„„ 3

1.1.2 合成聚合物“刷子”„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4

1.1.2.1 氮氧调控聚合„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4

1.1.2.2 可逆加成— 断裂链转移自由基聚合„„„„„„„„„„„„„ 5

1.1.2.3 原子转移自由基聚合„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 5

第二章 可控/ 活性自由基聚合制备聚合物

2.1 前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 7

2.2 氮氧稳定自由基聚合机理„„„„„„„„„„„„„„ 7

2.3 PS P4-VP 的合成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 8

2.3.1 引发剂4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基 (HTEMPO·) 制备„„„ 8

2.4 PS P4VP“活性”聚合的结果与讨论„„„„„„„„„„ 9

2.4.1 PS 的结果与讨论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 9

2.4.1.1 苯乙烯的“ 活性” 聚合反应„„„„„„„„„„„„„„„„„ 9

2.5 聚苯乙烯的热分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 10

2.6 结 论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 11

结论与展望„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 12

可控/活性自由基聚合及其应用研究

摘要

可控/“活性”聚合是一种较新的合成方法目前在高分子科学领域是一个研究的热点之一主要的合成方法有“活性”开环聚合“活性”阴离子聚合“活性”阳离子聚合可逆加成-断裂链转移自由基聚合原子转移自由基聚合和氮氧调控自由基聚合等

本文采用氮氧稳定自由基聚合方法制备了聚苯乙烯PS 聚4 -乙烯吡啶P4-

VP 和聚苯乙烯与聚4-乙烯吡啶嵌段共聚物PS-b-P4-VP 聚合物的分子量分子

量分布以及结构分别用凝胶渗透色谱GPC 和红外IR 进行了表征并用原子

力显微镜AFM 研究了PS-b-P4-VP 对PS 与P4-VP 共混体系的增容性结果表明

在氮氧稳定自由基 ( HTEMPO· ) 存在下用过氧化苯甲酰( BPO ) 引发苯乙烯聚

合所制备聚苯乙烯的分子量分布在1.15 -1.25 范围将该聚苯乙烯溶于4-乙烯吡啶

在135 ± 2 _ 时可以继续引发 4-乙烯吡啶进行聚合反应且4-乙烯吡啶的聚合反应

具有“活性”聚合的特征共聚物的分子量分布在1.12 - 1.3 范围分子量在14000 g /

mol 20000 g / mol 范围内IR 谱图说明共聚物为嵌段共聚物AFM 结果说明所

合成的嵌段共聚物PS-b-P4-VP 是PS 与P4-VP 的良好增溶剂

另外本文采用氮氧稳定自由基聚合方法在单晶硅表面制备了聚苯乙烯聚苯乙

烯与4-乙烯吡啶无规共聚物以及聚苯乙烯与4-乙烯吡啶嵌段共聚物“刷子” 此方法分以下几步进行: (_) 将3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷接枝到单晶硅表面(_) 以过氧化二苯甲酰 ( BPO ) 为催化剂将2,2,6,6-四甲基哌啶-N-氧基-1-羟( HTEMPO· ) 引入3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的末端(_) 在HTEMPO· 存在下 苯乙烯和4-乙烯吡啶在单晶硅的表面进行“活性”自由基聚合反应从而在单晶硅表面制备出聚苯乙烯与4-乙烯吡啶无规共聚物以及聚苯乙烯与4-乙烯吡啶嵌段共聚物“刷子” 可控/“活性”自由基聚合反应可以精确控制聚合物的分子量及其分布光电子能谱( XPS ) 的测试结果表明带有引发剂的烷氧基链

吡啶共聚物以及聚苯乙烯与4-乙烯吡啶共聚物以化学键的方式被锚接到了单晶

1 硅上接枝聚合物层的厚度可由反应时间控制随着接枝时间的增加表面趋于平坦

1.1 可控/ 活性聚合的应用

1.1.1 合成聚合物

1.1.1.1 原子转移自由基聚合

原子转移自由基聚合反应 ( ATRP ) 是最近几年发展起来的一种“活性”聚合方法是由王锦山等和Sawamoto 等分别独立发现的 利用原子转移自由基聚合可以制备AB型ABA型ABC型以及多嵌段型的各种嵌段共聚物

程广楼等[6]用此方法合成了苯乙烯( St ) 与丙烯酸丁酯 ( BA ) 和 St 与 MMA

的嵌段共聚物以及丙烯酸甲酯 ( MA ) 与异丁基乙烯基醚( IBVE ) 的嵌段共聚物 刘等[7-11]合成了苯乙烯与甲基丙烯酸对硝基苯酯( NPMA ) 的嵌段共聚物

PS-b-PNPMA并研究了其在氯仿和二甲基亚砜中不同的自组装行为华曼[12-14]等以á -溴代丙酸乙酯为小分子为引发剂氯化亚铜和联二吡啶组成的混合体系为催化剂引发苯乙烯单体聚合得到端基为卤原子的单分散 PS-X 预聚体 并以此为大分子引发剂氯化亚铜和N,N, N_,N_,N_- 五甲基二亚乙基三胺/ 联二吡啶组成的混合体系为催化剂 引发甲基丙烯酸叔丁酯聚合得到相对分子量可控分子量分布窄的聚苯乙烯与聚甲基丙烯酸叔丁酯嵌段共聚物最后使该共聚物在酸性条件下水解从而得到了两亲性的嵌段共聚物聚苯乙烯与聚甲基丙烯酸用红外光谱仪核磁共振仪凝胶色谱仪等对产物的结构与性能进行了表征

Davis 等[15]报道了利用ATRP 方式合成的多种ABC 型三嵌段聚合物 参与聚合的单体包括苯乙烯丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯乙烯基吡啶等Eastwood 等[ 16-27]报道了苯乙烯( St ) 和甲基丙烯酸甲酯 ( M ) 多嵌段共聚物的合成 如五嵌段共聚物P(M-S-M-S-M) 和 P(S-M-S-M-S)

1.1.1.2 氮氧调控自由基聚合

大量研究表明2, 2, 6, 6-四甲基-1-哌啶氧化物 ( TEMPO· ) 是用于苯乙烯及其衍生物进行“活性”聚合的引发剂如: 周其凤等[28, 29]首次成功地将TEMPO· 引发

2 体系用于液晶基元单体2, 5 - 双 ( 4-甲氧基苯氧羰基) 苯乙烯的“活性”自由基聚合合成了高分子量窄分子量分布的甲壳型液晶聚合物并和第二单体苯乙烯聚合得到了窄分子量分布的二嵌段共聚物邹友思等[ 30] 合成了一系列不同分子量

分子链末端带有稳定自由基( TEMPO· ) 的聚苯乙烯大分子引发剂 分别引发甲基丙烯酸丁酯( BMA ) 甲基丙烯酸乙酯( EMA ) 甲基丙烯酸甲酯( MMA ) 丙烯酸二甲胺基乙酯( DAEA ) 等极性单体形成两嵌段共聚物氮氧稳定自由基这类引发体系聚合的一大特点是聚合工艺较简单可合成一些具有特殊结构的大分子如树枝-线状杂化结构聚苯乙烯嵌段共聚物[ 31-33 ]等其缺点是氮氧自由基的价格较贵合成困难目前较多采用的仅有TEMPO及其一些衍生物在聚合过程中增长链自由基和氮氧自由基可发生歧化终止的副反应而影响控制的程度

但 Moad 等[34] 认为这些缺点可以避免他们采用新的一类氮氧自由基2, 2, 5, 5-

( tetraalkylimidazolidin-4-one-1-oxyl) 或其衍生物替代TEMPO· 组成的聚合体系

得到了分子量控制和窄分子量分布的均聚物无规共聚物和嵌段共聚物等认为这类聚合反应具有比TEMPO· 聚合体系更好的“活性”聚合特征并且这类氮氧自由

基具有较易合成无挥发性和聚合副反应较少等优点

1.1.1.3 可逆加成- 裂解链转移自由基聚合

澳大利亚Moad 等于1998年报道了一种新的控制自由基聚合的方法即二硫代酯的可逆加成-裂解链转移( RAFT ) “活性”自由基聚合机理[35] 从现有的RAFT 研究报道来看所采用的链转移试剂分为两类一类是双硫酯这是在最早报道中所采用的链转移剂较为常用的有双硫苯甲酸酯和双硫氨基甲酸酯它们的制备方法较为复杂需要多步有机合成才能完成另一类是三硫酯Rizzardo等的研究表明三硫碳酸酯是一种有效的链转移试剂三硫碳酸酯的显著特征是它们可以由一个或两个好的均裂离去基团制得其制备方法较为简便而且产率较高伯或仲双烷基三硫碳酸酯是通过在相转移催化剂存在的条件下用KOH 水溶液加 CS2 处理卤代烷制得[36] 由于RAFT 适用的单体范围广反应条件变化范围宽因而是一种有效的分子设计手段对于嵌段共聚物和其它结构更复杂物质的合成十分有利例如在8_0

时以双硫苯甲酸酯为链转移试剂用偶氮二异丁腈( AIBN ) 引发马来酸酐与苯乙3 烯共聚所得产物具有窄的分子量分布并且组分间物质的量之比接近为1_1

杨润苗等以双硫酯作为链转移剂AIBN 作为引发剂用可逆加成-断裂链转移

( RAFT ) “活性”自由基聚合方法合成了PS大分子链转移剂然后在 AIBN 引发下

以制得的大分子为链转移剂以DMF 为溶剂 8_0 下采用 RAFT 方法 合成了两嵌段共聚物

尽管RAFT的研究仅停留在实验阶段距实现工业化的仍有较大差距, 但其广阔的应用前景和无与伦比的优越性是有目共睹的

1.1.2 合成聚合物“刷子”

在聚合物“刷子”的合成中分子链与表面或界面的连接方式可分为物理吸附和化学键连接两种方法所谓物理吸附是指具有表面“活性”的聚合物分子或末端带有功能基团的聚合物分子在材料表面或界面的自组装是一种可逆过程[37-39] 但由于基体与聚合物分子链之间多以范德华力或氢键连接相互作用力较弱所以聚合物“刷子”在热或溶剂作用下表现出不稳定性[40] 而化学键连接法可以克服物理吸附法存在的缺点因而本文重点介绍化学键连接法

所谓化学键连接是指聚合物分子链以共价键方式连接于基体的表面这一过程

是不可逆的是更有效的修饰材料表面的方法已成为当今的主要发展趋势共价键

连接法又可分为“接枝到表面”和“从表面接枝”两种技术

1.1.2.1 氮氧调控聚合

氮氧调控聚合 ( NMP ) 是一种基于氮氧稳定自由基的“活性”聚合Husseman等[52]

使用此方法已成功地合成了聚苯乙烯“刷子”( 如Fig.1.7 ) 首先将含稳定自由基引发剂的分子键合在硅片表面继而在120 _的条件下引发聚合16 小时内可得到超过100nm 厚的聚苯乙烯“刷子” 带有引发剂基团的硅片加热到120 _时烷氧胺会解离生成一个烃自由基和一个稳定的氮氧自由基 ( TEMPO· ) TEMPO· 自由基对增长的聚合物链进行封端的过程是可逆的故可用来控制链增长这一点可与原子转移自由基聚合( ATRP )相比在ATRP 中卤素原子在过渡金属化合物和增长链之间发生可逆转移Blomberg 等[53]用表面引发NMP 技术制备了交联中空的

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