丙烯酸丁酯RAFT细乳液聚合及其嵌段共聚物的制备

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活性自由基聚合可以制备具有精致链结构的大分子,进而设计高分子材料。近10年来,活性自由基聚合是高分子化学最重要的研究热点。在三种最主要的活性自由基聚合方法中,可逆加成断裂链转移(Reversible Addition-Fragmentation Transfer:RAFT)聚合,具有突出的优势。其适用的单体多,几乎所有可进行自由基聚合的单体都可以进行RAFT活性聚合;可通过(细)乳液聚合来强化聚合速率,从而提高工业生产效率。与此同时,由于(细)乳液具有散热快、体系粘度低,及对环境友好等优点,是工业应用的优先工艺。因此,RAFT活性自由基(细)乳液聚合具有广阔的工业应用前景。在工业上最常用的单体中,苯乙烯类单体、甲基丙烯酸酯类单体、醋酸乙烯酯等的RAFT细乳液聚合都已获得成功。唯独丙烯酸酯类单体还不能成功地应用于RAFT细乳液聚合。本文针对丙烯酸丁酯(Butyl Acrylate:BA)在RAFT细乳液聚合中存在细乳液失稳等一系列问题,首先对BA和苯乙烯(Styrene:St)的超级溶胀进行了理论模拟,模拟结果表明,在相同的聚合情况下,BA比St更容易发生超级溶胀,因而更难保证聚合过程中的稳定性。根据前人模拟结果,我们提出通过降低RAFT试剂的链转移速率常数,来提高聚合过程乳液稳定性的设想。为证实该设想,本文设计了苄基二硫代异丁酸酯(Benzyl Dithioisobutyrate:BDIB)、1-苯乙基二硫代苯乙酸酯(1-Phenylethyl Phenyldithioacetate:PEPDTA)、1,1-二甲基苄基异丁酸酯(Cumyl Dithioisobutyrate:CDIB)及苄基二硫代苯甲酸酯(Benzyl Dithiobenzoate:BDTB)这四种RAFT试剂,并利用这四种RAFT试剂进行了BA的本体及细乳液聚合实验。实验结果表明,在本体聚合中,四种RAFT试剂对BA的聚合都有很好的控制特性;但在细乳液聚合中,仅有BDIB控制下的BA细乳液聚合获得了良好的控制效果,分子量随转化率线性增长,较低的分子量多分散性指数(Polydisperivity Index:PDI),GPC(Gel Permeation Chromatography)曲线呈现良好的单峰性质;PEPDTA控制下的BA细乳液在高转化率时,GPC曲线出现了明显的肩峰;CDIB和BDTB的GPC曲线都形成了明显的双峰性质。实验结果与理论设想一致。实验结果表明,要使得BA的RAFT细乳液聚合获得良好的控制,对RAFT试剂的R基团和Z基团有一定的要求,必须选用链转移速率常数较小的RAFT试剂,R基团应为伯碳基团,如苄基;Z基团最好为弱的供电基团,如异丙基。在BA的RAFT细乳液聚合获得成功的基础上,本文探索制备了BA作为软段,St作为硬段的SBAS三嵌段共聚物。实验结果表明,第二阶段所滴加的单体必须尽可能快的传递到乳胶粒子中。乳液滴加强化了单体传递到乳胶粒的过程,得到了比单体滴加较好的控制效果。第一段聚合结束时,粒径分布必须尽可能的窄,以制得组成均匀、分子量分布较窄的嵌段共聚物。且第一阶段聚合物得转化率太高,不利于制得分子量分布窄的嵌段共聚物。最终聚合物力学性能的考察结果显示,所制备的SBAS嵌段共聚物可作为粘合剂、涂料、沥青和聚合物的改性剂、可应用于鞋类等。具有潜在的应用价值。本论文创新点:设计合成了新型RAFT试剂(BDIB);分析了长期以来BA的RAFT细乳液不稳定的内在原因,提出通过降低RAFT试剂的链转移速率常数以提高其稳定性的方法;利用活性自由基(RAFT)细乳液聚合制备了SBAS热塑性弹性体,力学性能测试表明,所制备的SBAS嵌段共聚物可用于多种领域,具有潜在的商业价值。
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