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氟原子的电负性为3.98是所有元素中最高的,而范德华半径0.135又是除氢以外最小的,因此氟原子结合电子的能力很强,可极化率低,含氟聚合物大多具有优良的耐氧化性和耐腐蚀性。将氟基团引入传统的丙烯酸酯类聚合物中,由于含氟侧链取向朝外,对主链和内部分子可形成屏蔽保护,可对丙烯酸酯聚合物进行改性。改性后的丙烯酸酯聚合物不仅保持了原有的成膜性好、网络结构较为疏松的特点,还有效提高了聚合物涂层的化学惰性和防水防油的自洁功能,可望在在新材料的开发、理论研究和实际应用如:涂料、纺织工业和表面活性剂等方面获得广泛的应用。
但是,目前丙烯酸氟烷基酯聚合物的应用受到很大的限制。这是由于自由基聚合仍是当前工业上制备含氟丙烯酸酯聚合物的主要方法,而传统的自由基聚合易发生链终止和链转移,分子结构不可控,也无法调节氟原子的分布,大大影响聚合物的性能。部分学者对改善这一问题展开了研究,并提出了一些方法和策略来提高氟元素的利用率。
我们在这方面也开展了一些工作,显著的特征是我们在含氟丙烯酸酯聚合物合成的过程中引入了一种活性自由基聚合的方法-可逆加成断裂链转移(RAFT)聚合。RAFT聚合是分子设计和合成具有特定结构聚合物的一个强有力的工具。它为合成具有新颖结构的嵌段共聚物提供了可能,从而能改进传统共聚物的一些不足,这大大拓宽了共聚物研究的范围。本论文利用RAFT聚合的方法分别在水相和油相中合成了强疏水性的含氟丙烯酸酯嵌段共聚物和两亲性的嵌段共聚物,并对该类聚合物的表面疏水性能以及两亲性嵌段共聚物的乳液性能进行了研究。
本论文含氟丙烯酸酯嵌段共聚物的研究方面主要分成四大部分,具体研究内容如下:
一、油溶性RAFT试剂的合成及其在含氟丙烯酸酯聚合方面的应用
首先合成了一种油溶性的RAFT试剂,并且讨论了该RAFT试剂存在下对甲基丙烯酸六氟丁酯聚合的影响。实验发现RAFT试剂存在下的甲基丙烯酸六氟丁酯均相聚合呈现出明显的活性聚合特征,分子量及其分布的研究表明:转化率随时间呈线性增长,而分子量随转化率又呈线性增长;在RAFT试剂浓度较大时,分子量分布随转化率提高越来越窄;RAFT试剂浓度较小时,反应后期分子量分布反而变宽。
二、含氟丙烯酸酯嵌段共聚物的合成和性能研究
以二硫代苯甲酸苄酯为链转移剂,偶氮二异丁腈(AIBN)作为引发剂,采用RAFT法合成了聚含氟丙烯酸酯-b-聚甲基丙烯酸异丁酯(PFA-b-PMBA),用GPC、FT-IR、H NMR对其结构进行了表征,并进一步研究了它作为固体表面涂膜的憎水憎油性能。通过对含氟丙烯酸酯共聚物乳胶膜表面的接触角和X射线光电子能谱(XPS)的表征,发现氟元素在表面出现明显富集现象,含氟侧链伸向空气界面,并且在结构规整的嵌段共聚物中这种表面富集现象尤为明显。
三、水溶性RAFT试剂的制备及两亲性含氟丙烯酸酯嵌段共聚物的合成
首先合成了一种水溶性的RAFT试剂二硫代苯甲酸(4-氰基戊酸)酯,接着以该RAFT试剂为链转移剂,水溶性的过硫酸胺(NH4)2S2O8作为引发剂,成功实现了强疏水性的甲基丙烯酸十二氟庚酯单体和亲水性的甲基丙烯酸单体的无皂乳液RAFT共聚,并且产物具有较窄的分子量分布。TEM测试结果显示,该两性嵌段共聚物在水溶液中会形成胶束;并且当该乳液用于涂膜后形成的膜,在没有退火前显示出一定的亲水性,当经退火处理后疏水性大大增强。
四、两亲性含氟丙烯酸酯嵌段共聚物的性能研究
以二硫代苯甲酸(4-氰基戊酸)酯为链转移剂,采用RAFT法合成了聚含氟丙烯酸酯-b-聚甲基丙烯酸(PFA-b-PMMA)共聚物,并且通过改变溶剂等调节了该两性含氟丙烯酸酯的乳液形态。由于该胶束以超疏水性的含氟丙烯酸酯嵌段为核,以亲水性的甲基丙烯酸为壳,形成的胶束较稳定,通过TEM成功观察到了球状、棒状和囊泡状的胶束。并且,通过向胶束溶液中滴加疏水性的甲基丙烯酸十二氟庚酯均聚物,成功实现了该胶束对疏水性材料的负载。最后,通过三氟甲苯的萃取,又实现了负载物的卸载。并且得到了中空的球状和管状胶束。