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利用聚合反应前和反应过程中的分子间相互作用,以控制聚合反应过程,进而得到具有特殊性质和功能的高分子聚合物材料,是当前聚合物领域的一个重要的研究方向。本论文研究了以芳环为疏水基团的两亲性单体在溶液中的缔合行为。以两亲性单体的构-效关系为中心,探讨了π-π相互作用在缔合中的意义;通过活性可控聚合技术制备了不同拓扑结构的疏水改性聚电解质,并进一步系统地研究了其在溶液中的性质。主要实验内容及研究进展如下:
1.采用尼罗红染料为多功能探针,研究了具有不同烷芳基疏水体结构的阳离子两亲性单体的助溶作用和溶液性质。实验结果表明,阳离子两亲性单体在水溶液中易发生自缔合并具有两个阈值浓度:分子开始自缔合的临界浓度(10-2~10-1mol/L)及开始大幅度提高助溶作用的最小助溶浓度(>10-1mol/L)。两阈值浓度均随单体结构中的疏水基团尺寸的增大而减小。两亲性单体聚集体的内部微环境极性比表面活性剂胶束的高,且随着单体浓度的增大其极性不断下降,表明形成的聚集体结构比较疏松,且其分子堆砌密度随聚集体的增大而逐步升高。
2.设计并合成了带有萘环的两亲性单体N,N-二甲基-N-(甲基丙烯酰氧基)乙基N-(萘基-1-亚甲基)氯化铵(DMNA),对其溶液性质进行了研究。实验结果表明,DMNA具有较高的自缔合能力、表面活性和增溶能力。进一步以DMNA自身带有的萘环为内标,染料尼罗红为外加荧光探针,利用稳态荧光和核磁共振技术,从微观角度研究了单体DMNA在水溶液中的聚集行为和相应聚集体的结构。实验结果表明单体DMNA分子间通过逐步缔合方式形成聚集体,其临界缔合浓度约为0.045mol/L。1D和2DNMR谱图分析表明缔合过程中分子间通过“偏移平面”方式堆积。萘环间的π-π相互作用和季铵阳离子间的静电排斥作用共同决定了聚集体的结构。
3.设计并合成了两亲性单体N,N-二甲基-N-(甲基丙烯酰氧基)乙基-N-(苄氧甲基)氯化铵(BOQA),BOQA在水溶液中表现出良好的溶解性和聚合活性,易于自缔合形成聚集体。通过自由基聚合反应,得到BOQA的均聚物PBOQA及与AM的共聚物P(AM/BOQA)。PBOQA是一种疏水改性的阳离子聚电解质,通过调控溶液中的盐浓度和pH值,可调控其在溶液的性质。共聚物P(AM/BOQA)在水溶液中的缔合行为及溶液性质的研究表明共聚物P(AM/BOQA)的序列结构是决定疏水缔合作用主要因素。因此通过调节聚合前体系中BOQA分子缔合结构的数量和尺寸,可有效地控制聚合物的分子内和分子间缔合行为和交联网络结构的形成。
4.应用RAFT可控聚合技术,制备得到了具有窄分子量分布,确定结构的前驱聚合物,并与不同氯代烷发生季铵化反应,得到具有不同疏水体,相同链节数的两种疏水改性聚电解质PDMBA和PBOQA,研究了不同疏水体结构对聚合物缔合性能的影响。实验结果表明含有短链苯环的PDMBA在水溶液中呈现聚电解质的性质,而含有长链苯环的PBOQA呈现聚皂的性质,分子内与分子间缔合程度的不同是其不同宏观溶液性质的关键。
5.基于不同官能度核引发剂β-CD-Brs,采用先核后臂的方式,通过ATRP可控聚合技术与后季铵化反应结合,成功合成了具有复杂构型,精细结构的一系列不同臂数的疏水改性星型聚电解质star-PDMNA。通过1HNMR、FT-IR和AFM等手段证明成功合成了疏水改性的星型聚电解质star-PDNA。以侧链上萘环为荧光内标,深入研究了不同盐溶液中,star-PDMNA的构型变化。实验结果表明star-PDMNA具有敏感的离子特异性效应,不同种类的盐对其相转变影响程度的大小顺序符合经典的Hofmeister序列。与一般聚电解质相比,star-PDMNA由于疏水基团间的缔合作用,强化了其对盐响应的相转变过程。