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本论文主要围绕合成含全氟环丁基芳基醚链段的两亲性嵌段共聚物展开,设计并合成了甲基丙烯酸全氟环丁基芳基醚酯单体,用端基为引发官能团的大分子引发剂引发该单体进行原子转移自由基聚合(ATRP),得到了聚乙二醇或聚丙烯酸链段与含全氟环丁基芳基醚链段的嵌段共聚物,并研究了它们在选择性溶剂中的自组装行为。详细内容如下:
一、甲基丙烯酸全氟环丁基芳基醚酯单体的合成与均聚
首先以对甲基苯酚为起始物,经过氟烷基化、脱卤、二聚、单溴化、酯化五步反应得到单体甲基丙烯酸4-(1,2,3,3,4,4-六氟-2-对甲基苯基-环丁基)苄酯(TPFCBBMA)。通过核磁共振氢谱、碳谱、氟谱、红外光谱等对其结构进行了表征。这种新的含全氟环丁基的甲基丙烯酸酯单体可进行自由基聚合,与聚甲基丙烯酸甲酯相比,该单体均聚物的玻璃化转变温度明显提高;与常见含氟聚合物相比,其在常见溶剂中有更好的溶解能力,可望成为一种有应用前景的聚甲基丙烯酸酯类材料。然后我们摸索了该单体进行ATRP聚合的合适条件,研究了小分子引发剂引发单体TPFCBBMA聚合的动力学。聚合反应中,单体的转化率(ln[M]0/[M])与时间成线性关系,表明聚合速率与单体浓度成动力学一级关系,活性自由基的浓度基本保持恒定,而且聚合物分子量随转化率呈线性增加,这证实了该聚合反应的ATRP机理。
二、含全氟环丁基芳基醚链段的嵌段共聚物的合成与自组装研究
首先我们利用单甲基封端的PEG合成了一端含有ATRP引发官能团的PEG单官能团大分子引发剂,然后用其引发TPFCBBMA单体进行ATRP聚合,得到含有PEG链段的两嵌段两亲性含氟嵌段聚合物PEG-b-PTPFCBBMA。同时我们合成出了单体丙烯酸甲氧基甲酯,用ATRP聚合的方法制备了聚丙烯酸甲氧基甲酯大分子引发剂,然后引发TPFCBBMA单体的ATRP聚合合成PMOMA-b-PTPFCBBMA,水解后得到两亲性含氟两嵌段聚合物PAA-b-PTPFCBBMA。另外,我们还利用两端为羟基的PEG合成了两端含有ATRP引发官能团的PEG双官能团大分子引发剂,用这种大分子引发剂引发TPFCBBMA单体的ATRP聚合,得到PEG链段在中间的三嵌段ABA型两亲性嵌段聚合物PTPFCBBMA-b-PEG-b-PTPFCBBMA。
在合成这些两亲性嵌段共聚物后,我们以PNA为荧光探针,测试了两亲性嵌段聚合物PEG-b-PTPFCBBMA和PTPFCBBMA-b-PEG-b-PTPFCBBMA在纯水中的临界胶束浓度(cmc);同时以芘为荧光探针,测试了两亲性嵌段聚合物PAA-b-PTPFCBBMA在纯水中的cmc。它们的cmc在10-6g/mL(10-7 mol/L)数量级,并随着含氟链长度的增加而减小,即含氟链段含量越多,临界胶束浓度越小。我们还考察了盐浓度对PEG-b-PTPFCBBMA的cmc的影响,发现随着盐浓度的增加,cmc升高;同时也考察了pH值对PAA—b-PTPFCBBMA的cmc的影响,发现随着pH值的增加,其cmc升高。
利用透射电子显微镜对共聚物在水溶液中自组装形成的胶束形态和大小进行了研究。一般来说,随着含氟链段的相对增加,胶束形貌由球状变化为“珍珠项链状”,并向棒状发展,这是由球状向棒状转变的过渡状态。接着我们主要考察了直接滴加法和透析法两种不同制备方法对PTPFCBBMA-b-PEG-b-PTPFCBBMA胶束形貌及大小的影响。直接法制备的基本上是球状胶束,透析法制得球状和棒状胶束,随着含氟链段的相对增加,胶束形貌由球状变化为棒状,这是核与水之间的表面张力与核内各疏水链段的伸展两个因素平衡的结果。另外,还用SEM观察了PEG-b-PTPFCBBMA制备的微米尺度蜂窝状多孔膜结构。