甲壳型聚电解质的设计、合成与表征

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本论文的研究工作主要围绕不同侧基和不同带电基团的甲壳型聚电解质本体自组装和溶液链构象的研究展开。通过小角X射线散射(SAXS)、光散射以及单分子力谱对影响甲壳型聚电解质链刚性的因素进行了深入的探讨,跟踪了甲壳型聚电解质前体脱保护前后链刚性的变化。以甲壳型聚电解质为主链,通过静电和氢键等非共价键构建了具有不同液晶相结构的超分子甲壳型液晶高分子。研究工作主要包括以下几个部分:  1.设计合成了新型的以三联苯为侧基刚性核、磺酸基为带电基团的棒状甲壳型聚电解质,聚2,5-二(4-钠盐磺苯基)苯乙烯(PSBSS)。PSBSS的前体热解脱保护前后,由六方柱状(ΦH)液晶相转变成近晶A相(SmA)。通过SAXS测试,研究了PSBSS溶液散射的浓度依赖性,计算得到PSBSS水溶液的临界交叠浓度c*p为0.8 wt%。通过对散射数据进行傅里叶变换,得到距离分布函数,确认PSBSS在稀溶液中采取直径为2.4 nm、长度为25 nm的柱状构象。通过修正的蠕虫状链(WLC)模型拟合得到其持续长度为11.50±0.09 nm。持续长度随盐浓度变化较小,盐浓度继续增加时,主链疏水性增加导致聚集。  2.设计合成了以二联苯为侧基刚性核、磺酸基为带电基元的甲壳型聚电解质,聚3-乙烯基二联苯-4,4-磺酸钠(PSVPS)。研究了盐浓度、侧基长度和分子量对聚合物链刚性的影响。通过比较PSVPS溶液样品的SAXS实验结果,发现PSVPS在水溶液中为柱状构象,且在较高盐浓度时无聚集现象发生,说明其相比于PSBSS亲水性增加。加盐可以使得分子尺寸有明显变小,持续长度有较为明显的降低,这是由于静电屏蔽使得聚电解质静电持续长度降低造成的。随着分子量的降低,由于长径比的减小,粒子的外观形状由柱状转变为椭球状,但持续长度随着分子量的减小而升高。通过对PSVPS和PSBSS同表面活性剂分子十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、双十二烷基二甲基溴化铵(DDAB)的复合物相结构的研究,发现PSVPS-CTAB、PSBSS-CATB和PSBSS-DDAB复合物均可在一定的投料比条件下形成六方柱状结构。且主链分子量越小时,形成的结果越规整。随着季铵基和磺酸基比例(N/S)的不同,有序相规整度和尺寸发生变化,盐浓度对此体系的复合基本没有影响。  3、设计合成了羧酸基为带电基团的甲壳型聚电解质,研究了不同中和度时聚电解质的溶液性质。以聚2,5-二(4-叔丁氧基羰基)苯乙烯(PTBPS)和其对应的聚电解质聚2,5-二(4-羟羰基)苯乙烯(PBCPS)为例,研究了其在脱保护前后链刚性的变化。通过SAXS和光散射的结果发现PBCPS在碱性水溶液中为柱状构象,其持续长度要高于在DMF溶液中的持续长度,也高于PTBPS在四氢呋喃中的持续长度。通过单分子力谱的表征,发现PTBPS相比于PBCPS在真空中有更大的链刚性,叔丁基对主链的刚性起到了主要贡献。通过比较相近聚合度、不同侧基长度的聚电解质的持续长度,发现在聚电解质水溶液中侧基刚性核为二联苯的聚电解质链刚性大于侧基刚性核为三联苯的链刚性,侧基刚性核为一个苯的链刚性最小。在四氢呋喃溶液中,侧基刚性核为三联苯的聚电解质前体聚合物链刚性最大。  4.通过非共价作用力构建甲壳型液晶高分子,以PBCPS为氢键给体,吡啶衍生物为氢键受体,制备了氢键复合物,并对其液晶性质进行了研究。设计合成了结构明确的8种吡啶衍生物,同PBCPS复合形成了1∶1的复合物。通过对氢键复合物进行SAXS和一维广角X射线衍射(1D WAXD)的表征,PBCPS-CxOP复合物均表现出柱状向列相;BBOC6小分子在低温时结晶,高温时发育出SmA相;PBCPS-BBOC6复合物则不表现出液晶性;BBOC12小分子常温时为HB或SmB相,高温可进入各向同性相;PBCPS-BBOC12复合物退火后表现出近晶相;PHTC6小分子常温时结晶,温度升高时进入盘状向列相;PHTC12与PHTC6小分子相似,PHTC12相转变温度下降;PBCPS-PHTC6复合物形成近晶相和柱状向列相共存的多级结构。当间隔基变长时,有序度下降。通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)大分子引发剂引发单体2,5-二(4-叔丁氧基羰基)苯乙烯(TBPS)进行ATRP反应合成了结构明确、窄分子量分布、不同组成的嵌段共聚物PDMS-b-PTBPS。通过脱保反应得到了含有氢键给体PBCPS链段的嵌段共聚物。通过对退火后的PDMS-b-PTBPS的样品进行表征,证明得到了具有层状组装结构的嵌段共聚物。
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