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结构明确的嵌段共聚物在溶液自组装形成纳米聚集体及制备具有纳米结构化表面的薄膜等方面的应用前景,吸引了人们极大的研究兴趣。三嵌段共聚物PEO-b-PDMS-b-PEO,由于其独特的分子结构和良好的生物相容性,在上述两方面具有潜在的研究与应用价值。文献中还未见从PEO-b-PDMS-b-PEO形成稳定的复合聚集体及表面浸润性可调的共聚物薄膜的报道。制备上述嵌段共聚物的关键是合成窄分布的PDMS,而如何从工业上广泛应用的单体八甲基环四硅氧烷(D4)来合成窄分布的PDMS,更是一个巨大的挑战。本论文研究了八有机基环四硅氧烷的阴离子非平衡开环聚合,以及基于非平衡聚合制备的窄分布PDMS和PEO的三嵌段共聚物的合成,溶液自组装,及其共聚物膜的表面浸润性,主要工作及结果如下:
1.首先用29Si-NMR等手段系统研究了单体可溶性的i-PrOK单引发体系引发D4聚合的动力学,发现聚合初期,反应对单体为一级动力学,并提出了可能的反应机理。促进剂种类和结构、促进剂用量和反应温度是影响聚合的三个最主要的因素。促进剂对聚合的加速作用按如下顺序递增:diglyme1时,体系中小分子部分仅为环体,且主要是D4,D5和D6,而当Cp/Ci=3.0时,不仅可以获得大的反应速率,高的单体转化率,还可以得到窄分布和相对纯净的聚合物,分离与提纯更加简便。
2.合成了双阴离子引发剂Ph2Si(OLi)2,进而制备了其种子溶液及与NMP的引发剂复合物,并分别用来引发D4开环聚合,29Si-NMR和1H-NMR等手段均证实得到了结构明确的双端H-Si-的PDMS。首次合成了一种新的双阴离子引发剂Ph2Si(OK)2,用29Si-NMR,1H-NMR和GPC等手段系统研究了其引发D4或D4Vi的开环聚合。发现Ph2Si(OK)2是一种比Ph2Si(OLi)2更加高效的双阴离子引发剂,它在常温下就能快速引发D4或四甲基四乙烯基环四硅氧烷(D4Vi)的开环聚合。引发剂,促进剂及其用量,单体及单体与引发剂的摩尔比等,都对聚合反应有很大的影响。使用NMP作促进剂,Ph2Si(OK)2引发的聚合反应具有非平衡聚合的性质。利用Ph2Si(OK)2/NMP引发D4阴离子开环聚合合成了一系列结构明确的双端H-Si-的PDMS,产物在高转化率下依然具有较窄的分子量分布。此外,通过上述合成的双端H-Si-的PDMS与一端为烯丙基的PEO进行硅氢加成反应,得到了一系列结构明确的ABA三嵌段共聚物PEO-b-PDMS-b-PEO,端基为甲氧基或羟基。
3.通过PEO-b-PDMS-b-PEO的溶液自组装,得到了多种多样的复合聚集体,如双短链聚集体,星形聚集体和平头聚集体。TEM,SEM,FFR-TEM和LLS研究表明所形成的聚集体形貌丰富,主要包括LCVs,LCMs,单片层或多片层囊泡,多孔球和纳米棒等。聚集体尺寸一般为100~250nm。特别是,由于PDMS嵌段的高度柔顺性,首次得到了不同形貌和尺寸的复合的星形聚集体。改变共聚物分子结构、官能团及制备条件,可以有效控制所生成的聚集体的形貌和尺寸。由于组成嵌段具有优异的生物相容性,以及所形成的聚集体的独特结构和良好的稳定性,使得这些复合聚集体有可能被用在许多领域,如作为酶的载体,生物医药和化妆品等方面。
4.采用溶液自组装及直接成膜的方法得到了具有独特微观结构和表面浸润性的嵌段共聚物PEO-b-PDMS-b-PEO的薄膜,并用SEM,TEM,AFM和CA等手段研究了嵌段共聚物分子结构和不同的制备条件对所成共聚物膜的微观结构和表面浸润性的影响。研究表明增大共聚物中PDMS的相对链长,可以使膜的接触角增大,而且所成膜的耐热性也大大提高。另外,固化剂用量、溶剂、共聚物浓度或温度对所成膜的接触角也有不同程度的作用。其中温度对所成共聚物膜有非常大的影响,升高温度可以增大膜的接触角,而且可以发生由亲水向疏水的转变,利用此性质可以制备出温度响应性薄膜。此外,通过控制共聚物中PDMS的相对链长,提高固化剂用量,以及升高膜的处理温度等手段,制备出了接近超疏水性(接触角高达140°)的共聚物膜。