树枝—线型嵌段共聚物的设计、合成与性质研究

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本文以树枝-线型拓扑结构的二嵌段共聚物为基础,通过1,3-二偶极环加成点击化学反应将分子量为750g/mol的聚乙二醇单甲醚(PEG)引入树枝末端,设计了树枝末端功能化修饰的不同代数的树枝状大分子引发剂,之后采用氮氧自由基活性聚合苯乙烯类单体的方法构筑线型段,得到两亲性含不同代数树枝分子的树枝-线型二嵌段共聚物。基于PEG与锂盐的络合性以及自身的亲水性,研究了目标聚合物锂盐诱导的本体相行为以及树枝分子代数决定的溶液聚集行为,并初步探索了在聚合物电解质方面的应用。本研究分为四个部分:  第一部分是树枝末端修饰PEG的树枝-线型(柔性)嵌段共聚物PEG(Gm)-b-PS(m为树枝分子的代数,m=1,2,3)的设计合成与本体性质研究。通过酯化反应巧妙地设计两段的连接基团,引入氮氧自由基TEMPO活性位点,水解后通过凝胶渗透色谱(GPC)和基质辅助激光解析电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)精确地确定了树枝-线型二嵌段共聚物的绝对分子量及组成。从合成的一系列组成不同的样品中,选取了PEG含量相同的不同树枝分子代数的树枝-线型二嵌段共聚物,通过差示扫描量热仪(DSC)及变温小角X-射线散射(SAXS)技术研究了样品的本体相行为。DSC研究结果显示,树枝状大分子引发剂中的PEG末端功能基在第二次的升温过程中有一个结晶峰及一个熔融峰,而对于纯净的二嵌段共聚物样品,PEG的结晶完全被抑制,只能观察到聚苯乙烯(PS)段的玻璃化转变温度(Tg),随着锂盐(LiCF3SO3)的加入,在DSC曲线上,树枝段PEG的Tg较明显,表明锂盐的掺杂诱导两个嵌段发生微相分离。对比三个样品随树枝分子代数及盐含量变化的本体相行为发现,随着锂盐含量的增加,含一、二代树枝分子的样品经历了六方柱状相到层状相的转变,而含三代树枝分子的样品只形成层状相,并且层的厚度随锂盐含量增加而增大。这种差异主要归因于支化度不同导致的界面曲率不同。由于目标嵌段共聚物的成膜性较差,只初步测定了含三代树枝分子的树枝-线型二嵌段共聚物在掺杂一当量锂盐时的电导率,结果发现锂离子传输能力随温度升高而提高。  第二部分是水含量诱导的两亲性树枝-线型(柔性)嵌段共聚物PEG(Gm)-b-PS的多级自组装。从树枝分子代数及水含量两个因素的影响研究了PEG(Gm)-b-PS的水溶液的多级聚集行为。在水溶液中,随着树枝分子代数的增加,聚集体结构从多分散的囊泡转变为柱状胶束与囊泡的共混体系。通过浊度实验、透射电子显微镜(TEM)及扫描电子显微镜(SEM)研究了在四氢呋喃和水的混合溶剂中溶剂组成对聚集体结构的影响,随着加入水量的不同,嵌段共聚物形成类似于表面多孔的大复合囊泡(LCVs)的形貌以及柱状胶束与囊泡形成的结合形貌等中间体结构。通过原位制备TEM样品,追踪组装形貌随水含量变化的转变过程,并研究了其转变机理。含一、二代树枝分子的样品PEG(G1)-b-PS及PEG(G2)-b-PS,随着水含量的加入发生融合和解离过程,其中融合过程包含两个步骤:首先囊泡间接触及吸附,其次它们融合重排形成更大尺寸的结构。而在解离过程中,大复合囊泡先变形拉长之后转化为较小的囊泡。含三代树枝分子的样品PEG(G3)-b-PS发生吸附和分离过程,少量的融合产生一些结合形貌。对比溶剂引起的含不同代数树枝分子的样品的聚集过程,推测在囊泡之间更容易发生融合,而囊泡与柱状胶束之间较难融合。  第三部分是两亲性树枝-线型(刚性)嵌段共聚物PEG(Gm)-b-PMPCS(m为树枝分子的代数,m=1,2,3)在水溶液中聚集行为的研究。在这一部分,半刚性的甲壳型液晶高分子聚{2,5-二[(4-甲氧基苯基)氧羰基]苯乙烯)(PMPCS)被引入树枝-线型拓扑结构中,与第二部分工作进行对比来研究线型段性质对溶液行为的影响。采用共溶剂溶解、缓慢加入选择性溶剂可控沉淀、透析的方法制样,结果显示,随树枝分子代数增加,分别形成热力学稳定的囊泡、大复合囊泡及短柱状胶束。对比含二代树枝分子的样品,结果有所不同,刚性PMPCS链的引入有利于形成热力学稳定的大复合囊泡。针对含二代树枝分子的样品PEG(G2)-b-PMPCS,研究了具有制样途径依赖性的形貌变化过程。结果发现,通过缓慢加水的途径来保证体系的热力学平衡态,聚集体结构经历了囊泡与柱状胶束混合物、纯囊泡到大复合囊泡的转变过程,而在一次性加水到相应水含量的过程中,含二代树枝分子的样品直接形成球状胶束或球状胶束与囊泡的混合形貌,随时间的延长,球状胶束逐渐内部分化转化为大复合囊泡,这个转化过程较慢,归因于在较高水含量时不溶链段被冻结、移动交换能力大大减弱所致。  第四部分是树枝-线型(刚性)嵌段共聚物PEG(G3)-b-POVBP的本体组装行为的初步研究。类似于第三部分,采用氮氧自由基活性溶液聚合的方法合成了目标样品。聚合过程中,存在引发剂引发不完全、聚合产率低等问题,很难通过普通正沉、反沉的方法除去引发剂及单体,最终通过制备凝胶色谱的方法将样品纯化。通过GPC、MALDI-TOF MS、1H NMR确定了嵌段共聚物的结构及其组成。DSC曲线显示两个玻璃化转变温度,说明两个嵌段发生了微相分离。变温SAXS及TEM结果显示,当升温至200℃时,两个嵌段形成了高度有序的层状结构,在层的内部,POVBP段形成柱状液晶相,降温时高度有序结构不保持。
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