氯乙烯—聚(乙二醇)甲醚甲基丙烯酸酯乳液共聚合研究

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聚氯乙烯(PVC)是世界上最主要的热塑性塑料之一,因其良好的物理和机械性能而被广泛地应用于建材、包装、玩具、汽车零部件等行业,也因其与血红蛋白无特异性吸附等优异的生物特性广泛应用于医疗器械领域。然而,PVC由于本征结构的强极性和弱碳氯键特征导致其加工性能和热稳定性较差。因此,通常对PVC进行物理或化学改性来满足不同加工方式和应用领域对PVC材料的需求。功能性单体与氯乙烯单体(VCM)的无规共聚合相比于物理改性和其他化学改性如接枝聚合等而言是一项简单而有效的PVC改性技术。一方面,功能链段在PVC主链上的随机分布可以有效阻止PVC的脱HCl反应,提高聚合物耐热性;另一方面,引入的功能链段能为PVC链的运动提供“自由体积”,降低共聚物的玻璃化转变温度。在聚合方式的选择方面,相比于其他聚合方式,乳液聚合通常以水为反应介质,能减少挥发性有机溶剂的使用,提高反应热的传递,可以同时实现高转化率和高分子量;而且乳液聚合得到的产物可以直接使用,不需要进一步处理,更为安全环保。本课题采用乳液聚合,选用具有良好生物相容性和亲水性的聚(乙二醇)丙烯酸酯类单体与VCM进行二元和三元共聚反应。论文的主要研究内容和结果:1、将聚(乙二醇)甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMA,Mw~475)和VCM进行乳液共聚反应,当PEGMA含量占单体总质量的10%及以上,可以得到均匀稳定的P(VCM-co-PEGMA)无规共聚物乳液;然而在经典的乳液聚合配方下,反应体系中会出现较高含量的凝胶,通过引入2-巯基乙醇作为链转移剂,可以将体系凝胶含量从约30%降低到5%以下。2、在解决反应体系内凝胶问题的基础上,系统研究各项反应条件如聚合温度、引发剂用量、乳化剂用量、共聚单体的投料比和链转移剂用量等对共聚体系和共聚物结构与性能的影响。实验结果表明:产物共聚组成中VCM/PEGMA比值接近初始投料比,共聚物的玻璃化转变温度从83.1℃降低至59.6℃,热稳定性得到改善,最大分解速率对应的温度从270℃增加到290℃。P(VCM-co-PEGMA)共聚物亲水性得到改善,水接触角从91.7°下降至63.1°,共聚物标准样条的断裂伸长率从2.3%提高到45.85%。3、在VCM/PEGMA初始投料质量比为80:20的条件下,将SDS的用量从1.0%逐渐降低到0.05%(占单体的质量分数),反应体系仍然能够维持稳定,反应过程可以平稳进行,未出现“破乳”现象;而VCM乳液均聚合中,当乳化剂SDS用量降低到0.1 wt%时,反应出现温度失控且产物“破乳爆聚”。PEGMA的加入可以大大降低乳化剂的用量。结合经典乳液聚合理论和VCM-PEGMA的乳液共聚体系的聚合行为,对共聚反应体系提出了合理的聚合机制,即体系内存在胶束成核和由SDS的协同效应产生的均相成核。4、将PEGMA作为功能单体引入到氯乙烯与丙烯酸丁酯(BA)的共聚合中,开展了PEGMA、BA和VCM的三元乳液共聚合实验。实验结果表明:VCM-BA-PEGMA三元乳液共聚反应的单体转化率约为85%,P(VC-co-BA-co-PEGMA)共聚物分子量约为9万,共聚物粒径约为500 nm,产物共聚组成中BA含量高于初始投料比,而PEGMA含量低于初始投料比。共聚物的玻璃化转变温度最低能到31.2℃,热稳定性略微提高,相比于P(VCM-co-BA)二元共聚物,P(VCM-co-BA-co-PEGMA)共聚物的透明性得到显著改善,共聚物薄膜的透光率从74%增大到93%。
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