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作为应用最广泛的一种可控/活性自由基聚合方法,可逆加成断裂转移(RAFT)聚合受到了国内外学者们的极大关注。它不仅为合成各种特殊结构的聚合物,如嵌段、接枝、星形、环形和超支化等结构,提供了一种简单有效的方法,也为合成各种具有光、电、磁等性能的功能性高分子提供了广阔的技术平台。本论文中,我们采用RAFT聚合方法合成了具有良好溶解性能和特殊光学性质的导电聚合物;采用聚合诱导自组装方法在RAFT体系中获得了具有各种不同形貌的聚合物纳米材料;为了解决RAFT聚合体系中存在的水解问题,我们提出了一种新型活性聚合方法——RAFT冷冻聚合,并运用这种方法合成了高分子量的聚合物和具有特殊孔洞结构的水凝胶。具体研究内容及结果如下:
1. 采用RAFT聚合和氧化偶联聚合反应,成功合成了聚吡咯-g-聚(N-异丙基丙烯酰胺)/银纳米粒子(Ppy-g-PNIPAM/Ag)复合物。这是一种简单有效的合成聚吡咯接枝聚合物的方法。首先合成出一种含有吡咯功能团的链转移剂,通过NIPAM的RAFT聚合得到端基带有吡咯基团的聚合物,以此作为大分子单体,和吡咯单体进行氧化偶联聚合得到接枝聚合物。氧化偶联反应中作为氧化剂的AgNO3被还原成Ag纳米粒子,吸附于接枝聚合物表面,形成Ppy-g-PNIPAM/Ag复合物。Ppy-g-PNIPAM/Ag复合物具有良好的溶解性能,并且在水中表现出温度响应性能,它的紫外吸收和荧光发射也表现出温度响应性能。Ag的存在提高了导电聚合物中电子传输的能力,使复合物在多巴胺的检测中具有良好的效果。
2. 通过聚合诱导自组装方法,在RAFT聚合体系中一步法合成出一系列不同形貌的聚合物纳米材料。采用端三硫代碳酸酯的大分子聚丙烯酸作为链转移剂,在选择性溶剂中进行苯乙烯的RAFT聚合。由于甲醇是聚苯乙烯的不良溶剂,生成的嵌段共聚物就会自发形成各种形貌的聚丙烯酸-嵌段-聚苯乙烯(PAA-b-PS)的聚集体,比如球形胶束、棒状胶束、囊泡和复合囊泡等。我们通过透射电镜、扫描电镜和光散射等手段对这个过程进行了研究,并讨论了多个反应条件对聚集体形貌的影响。改变不同的聚合反应条件,聚集体的形貌都会发生由胶束到囊泡再到复合囊泡的转变,延长反应时间、增大St/PAA的值和增强溶剂的溶解性都能使这种转变发生,另外选用较高链长的PAA作为链转移剂会使这种转变延迟,而向体系中加入交联剂则导致这种转变加快。
3. 研究了一种新型的RAFT聚合方法——RAFT冷冻聚合。RAFT聚合特别是水相RAFT聚合中硫代酯的水解会降低聚合的活性特征,这一直是困扰化学家们的难题。我们尝试了通过低温来抑制其水解,开发出一种新型的聚合反应——水相RAFT冷冻聚合。我们采用氧化还原引发剂,在体系的凝固点以下进行聚合,达到了预期的效果。通过核磁共振谱和凝胶排除色谱等手段跟踪聚合反应的过程,发现:聚合反应的动力学曲线呈线性;聚合物的分子量随单体转化率的增大而线性增加,聚合物的分子量分布曲线是对称的单峰,且分子量分布都较窄;通过嵌段聚合反应得到嵌段共聚物,其分子量可控、分子量分布较窄。这些结果表明水相RAFT冷冻聚合是活性聚合。我们将水相RAFT聚合应用于凝胶的制备中,向反应体系中加入含有二硫键的交联剂——双丙烯酰胱胺,得到了具有相互贯穿的孔洞结构的水凝胶,它在还原环境中可完全降解为可溶解的高分子链,在生物工程和医药上具有巨大的应用前景。
4. 我们将水相RAFT冷冻聚合方法应用于有机溶剂中,实现了有机相中的RAFT冷冻聚合反应,研究了丙烯酰胺类单体和丙烯酸酯类单体的RAFT冷冻聚合的活性特征。聚合反应为一级反应,聚合物的分子量随单体转化率的增大而线性增加,聚合物分子量分布曲线是对称的单峰,且分子量分布都较窄,扩链反应得到的嵌段聚合物分子量可控,分子量分布较窄。这些实验结果表明,丙烯酰胺类单体和丙烯酸酯类单体的RAFT冷冻聚合是活性聚合。我们通过RAFT冷冻聚合成功地合成分子量为300多万的高分子量聚合物,说明RAFT冷冻聚合具有比普通RAFT聚合更好的控制性。