三元共聚的ATRP动力学研究及可交联型含氟两嵌段共聚物的制备与应用

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含氟丙烯酸酯树脂涂膜因具有好的疏水性能和其他优异的性能而得到广泛应用。然而传统的合成方法无法对其分子量和结构进行精确控制,且分子量分布较宽,因而对性能产生很大影响。原子转移自由基聚合(ATRP)法克服了传统自由基聚合法的这种缺陷,因而合成的聚合物具备更加优异的性能。然而,目前ATRP法制备的含氟嵌段共聚物大多采用单一丙烯酸酯类单体与含氟单体制备而成,其涂膜性能较差,本课题旨在制备一种可交联型含氟丙烯酸嵌段共聚物树脂,所制备的涂料不仅可经固化交联后提高涂膜性能,还可通过含氟基团的表面富集和表面粗糙结构的构筑,从而获得较好的超疏水效果。为此,本文主要工作内容如下:首先,选择甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA)和甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)为共聚单体,以CuCl/PMDETA(五甲基二乙烯三胺)为催化体系,使用ATRP法制备可交联型大分子引发剂P(MMA-HEMA-BA)-Br,并利用FTIR,1HNMR,GPC对共聚物结构进行表征。研究中考察了三元无规共聚的动力学规律,即温度、引发剂种类、不同极性溶剂、单体与引发剂比例、配体与催化剂的比例以及二价铜含量对聚合可控性的影响。结果表明:该体系的最佳反应条件为当温度为70℃,溶剂为环己酮,催化剂和配体比例为1:1.5,[M]0:[I]0=200:1,此条件下可获得分子量可控且分子量分布较窄的聚合物。以所制备大分子引发剂为引发剂, CuCl/PMDETA(五甲基二乙烯三胺)为催化体系,使用ATRP法引发含氟单体制备含氟嵌段共聚物P(MMA-HEMA-BA)-b-FMA,用FTIR,1HNMR,GPC对该共聚物结构和分子量进行表征。研究中考察了不同聚合路线、反应温度、大分子引发剂用量、含氟单体用量对聚合含氟嵌段共聚物可控性的影响。结果表明:使用P(MMA-BA-HEMA)-Br为大分子引发剂引发含氟单体的合成路线较优,反应温度为70℃可合成分子量分布窄的嵌段共聚物。将一系列含氟嵌段共聚物溶解于不同溶剂中,利用透射电镜(TEM)和马尔文粒度仪研究了含氟嵌段共聚物在不同溶剂中自组装所形成胶束的形态和尺寸;研究中,考察了溶剂、成膜温度以及胶束溶液制备方法对涂膜疏水性能的影响。利用扫描电镜(SEM)观察涂膜的表面形貌,并测试了涂膜性能。结果表明:含氟嵌段共聚物在丙酮、F113和氢氟醚三种溶剂中均形成了核壳结构,在以F113为溶剂的溶液中可形成含氟链段为壳,聚丙烯酸链段为核的胶束,且胶束粒径最大。温度对表面粗糙度的构筑有极大影响,以F113为溶剂的嵌段共聚物涂膜,低温有助于形成具有粗糙结构的表面;胶束溶液制备方式对涂膜疏水性有很大影响,利用少量丙酮先溶解嵌段共聚物,后加固化剂,再加F113,可制得超疏水涂膜。调节丙酮的加入量可制备疏水性和涂膜性能综合较优的疏水表面。当丙酮加入量为总溶剂加入质量分数的3.3%,溶液浓度为5%,加入固化剂和F113后,成膜温度为80℃,固化时间1h,涂膜水接触角为148°,硬度为H,附着力为二级。
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