基于三嵌段共聚物的超两亲体系构筑及其在水溶液中的流变行为

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超分子自组装体系是指不同分子间通过非共价物理作用构建起来的复杂而有序的聚集体。以聚合物为构筑基元之一的超分子自组装体系较传统聚合物的自组装具有较多优势。聚合物型超分子自组装不仅制备过程简易,可调控性强,还可以丰富纳米世界的结构、制备功能性材料,因此这类组装仍然具有较为广泛的研究价值和应用前景。构建超分子体系的常用非共价作用有氢键作用、静电相互作用、疏水作用、主客体识别等,其中静电作用力具有简单、便利、作用强等特点,是较为常用的非共价手段,因此静电作用驱动的聚合物型超分子自组装体系的构筑受到了广泛关注。然而多数这一领域的研究是针对构筑基元的分子设计和识别的,对超分子在溶液中的聚集、凝胶以及流变行为的研究较为缺乏,为此我们设计并构建了几种不同类型的基于嵌段聚合物的超分子体系,并讨论了具有不同搭配组合的超分子聚合物对自组装和流变性能的影响。该工作对建立具有凝胶效应的聚合物型超分子体系,以及对理解超分子网络结构和流变行为具有一定意义。本文的主要研究内容和成果如下:1.设计并合成了一种ABA型超两亲三嵌段缔合聚合物(超两亲TAP),用到的是三嵌段双亲水聚电解质聚(甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐)-b-聚乙二醇-b-聚(甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐)(PKSPMA-b-PEG-b-PKSPMA)和带有相反电荷的十二胺盐酸盐表面活性剂(DAHC)。我们考察了两组分间的聚集行为。结果表明,DAHC与PKSPMA嵌段通过静电作用形成的这种超两亲TAP可以缔合成胶束,且胶束间可以形成缔合网络,进而出现凝胶化现象,这与传统TAP分子的聚集行为极为相似。进一步对超两亲TAP的浓溶液进行流变研究。溶液的粘弹行为不仅受复合物浓度影响,对两组分的化学计量比、盐浓度、p H值以及温度都有依赖性。通过对不同浓度、不同盐浓度溶液、不同p H值的模量曲线分别进行时间-浓度、时间-盐、时间-p H叠加,发现溶液的松弛行为主要受离子对中的静电相互作用控制,而不是由胶束核内部的疏水缔合作用所控制的。这项工作不仅为构建超分子粘弹性凝胶提供了一种新方法,而且使我们更好的了解超两亲三嵌段缔合型聚合物在水溶液中的流变行为。2.设计了一种超两亲聚合物水凝胶,利用的是两种不同聚合度的三嵌段共聚物聚丙烯酸-b-聚乙二醇-b-聚丙烯酸(PAA35-b-PEG-b-PAA35,PAA22-b-PEG-b-PAA22)和具有不同碳链长度的脂肪族伯胺(辛胺OA,十二胺DA)。总共形成了四组复合体系,通过多种方法对这四个复合体系中两组分间的聚集和流变行为进行了讨论。表面张力和DLS测试结果表明,PEG-(PAA35)2/OA复合物的临界聚集浓度(CAC)最小,PEG-(PAA35)2/DA的CAC最大,并且OA复合胶束较DA复合胶束更容易缔合成聚集体,其中PEG-(PAA35)2/OA更容易在胶束间搭桥形成聚集体。进一步研究了四种复合体系的流变行为。结果显示,PAA嵌段的长度以及伯胺中脂肪链的长度不仅影响胶束的稳定性,而且影响网络的交联密度。其中,PEG-(PAA35)2/OA形成的网络弹性链密度最大,致使平台模量也最大。由于PEG-(PAA35)2/OA的CAC最低,因此其聚集数也会最小,所以胶束数、桥链数最多,网络交联密度最大,故弹性链数量密度最大,平台模量也是最大的。PEG-(PAA35)2/OA分子的疏水性最强,且疏水嵌段也最长,因此疏水端脱离胶核会更难,松弛也会更慢。值得一提的是,PEG-(PAA)2与正己胺(HA)混合是没有凝胶效应的,说明PEG-(PAA)2/HA分子中C6侧链的疏水性不足以使其缔合成胶束乃至网络结构。以上结果表明,我们提出了一种新的制备超分子水凝胶的方法,这种方法不仅简便、有效,而且对于我们了解聚合物与小分子之间的超分子自组装过程有帮助,也为软物质材料的制备提供更多可能。3.设计制备了一款聚电解质复合超分子水凝胶,用到的是三嵌段共聚物聚丙烯酸-b-聚乙二醇-b-聚丙烯酸(PAA-b-PEG-b-PAA)和均聚物支链型聚乙烯亚胺(bPEI)。利用多种测试方法对两者之间的自组装以及两组分在水中混合后的溶液流变行为进行了研究。结果显示,PAA-b-PEG-b-PAA与bPEI复合后的临界聚集浓度(CAC)要低于PAA-b-PEG-b-PAA自身单独存在时的CAC,表明二者之间可以通过聚电解质间的静电作用形成以离子凝聚主体为核心的胶束,并且这种胶束在较低浓度下就可以缔合成聚集体而不会孤立存在。两者间的凝胶化作用是由于复合凝聚主体间搭桥形成了足够完善的交联网络结构。进一步研究了聚电解质复合浓溶液的流变行为,发现溶液的粘弹行为对聚合物总浓度、化学计量比、温度都有依赖性,而且溶液动态仅由网络结构的紧密度控制。这章工作不仅为我们提供了一种构建聚电解质水凝胶的有效方法,而且使我们更好的了解聚电解质凝聚作用所带来的溶液流变行为。
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