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聚电解质与带有相反电荷的表面活性剂通过静电作用及疏水作用可以组装形成分子水平高度有序的复合物(Polyelectrolyte surfactant complexes,PSC)。由于聚电解质-表面活性剂复合物PSC合成方法简单、原料种类丰富而成为一类颇受关注的超分子复合物材料,这种高度有序的分子组装复合体系在生物膜模拟、分离膜、特种涂料、化学传感等领域具有广泛应用前景。引入功能性构筑基元设计具有特殊性质的功能化PSC是该领域近些年的热点研究方向。
以4,4-联吡啶与卤代烷烃通过Menschutkin反应可制得紫精类化合物(viologen),紫精以及含紫精的聚合物有优异的电致和光致变色性能,在新一代电致变色或显示器件以及智能窗等方面有很好的应用前景。紫精聚合物(聚合物的主链、侧链或共混组份中含有紫精基元)由于其含有紫精组份,因此仍具有紫精的功能性,同时它还不失聚合物本身的一些特性,如易成膜、具有一定的力学性能等,且紫精类聚合物具有优异的溶解性及良好的热稳定性,是为数不多兼有热致性液晶和溶致性液晶行为的聚合物之一。但迄今关于聚紫精和表面活性剂形成复合物的研究很少见报道。
本文中首先合成了系列具有不同刚性的主链聚紫精,1H-NMR和特性粘度测试表明所制备的聚合物具有足够高的分子量。首次尝试与不同碳链长度的系列烷基羧酸钠等摩尔比计量组装,形成聚紫精-脂肪酸盐复合物,主要通过XRD,DSC和偏光显微镜观察分析研究复合物的凝聚态超结构及相变行为,并利用热重分析TGA考察样品的热稳定性。
初步考察了半刚性的聚对二甲苯紫精PXV与系列高级脂肪酸盐(Cn-1H2n-1COONa,n=10,12,14,16,18)组装形成复合物的相结构与结晶行为。研究表明PXV-Cn复合物具有典型层状有序结构,侧链垂直于半刚性聚对二甲苯紫精主链,其烃链以尾-尾相对形式双层堆积排布,层周期随脂肪酸盐侧链烷基长度的增加而呈线性增加;从其结晶焓变的DSC定量分析推测侧链烷基超过8个碳以上的亚甲基形成结晶,且碳链越长越有利于形成高有序的六方αH结晶态。半刚性PXV聚电解质增强了主侧链间的相分离结构,侧链结晶方式、熔点均有显著变化。组装复合物200℃以下没有热失重,表现出较高的热稳定性。
对比考察了不同刚性程度的主链聚紫精PXV,P4V,P6V,P10V与月桂酸盐组装形成超分子复合物PV-C12的相行为,研究主链刚性程度、间隔基长短对复合物超分子结构与相行为的影响。结果表明复合物PXV-C12,P4V-12,P6V-C12形成典型层状有序相,随着主链刚性减弱,层状相长周期d值逐渐增加,至主链中含有十个亚甲基柔性间隔基的复合物P10V-C12时,层状结构消失,复合物凝聚态结构有序度显著下降。XRD与谱学研究表明,组装形成的复合物PV-C12中主要为βo和βT两种结晶方式,从PXV-C12到P4V-12再到P6V-C12,随着聚电解质主链刚性减弱,复合物中βo结晶减少,渐变为βT结晶占主导;至复合物P10V-C12烷烃链以无定形态与少量结晶态共存。
两类复合物的有机醇溶液在较低温度(50℃左右)发生明显颜色变化:由黄色变为蓝色,冷却时颜色恢复,表现可逆的热致变色性能。利用聚紫精电解质的可逆氧化还原特性制成具有电致和光致变色性能的功能聚电解质-表面活性剂薄膜的研究工作有待在后续工作中深入开展。