含对苯撑乙烯撑寡聚物链段的嵌段共聚物的结晶驱动自组装行为研究

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本论文聚焦于含有对苯撑乙烯撑寡聚物(oligo(p-phenylenevinylene),OPV)链段的嵌段共聚物的结晶驱动自组装行为研究,发展了利用“自晶种”(self-seeding)和“种子增长”(seeded growth)的结晶驱动自组装制备以OPV为核、长度和组成精确可控的窄分布棒状胶束的新策略。本论文的工作主要包括以下几个方面:  一、嵌段共聚物OPV-b-PNIPAM的合成和结晶驱动自组装行为  首先合成了端炔基官能化的对苯撑乙烯撑五聚体OPV5,并利用原子转移自由基聚合(ATRP)制备了三种末端含有叠氮官能团的聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)均聚物,其聚合度分别为18、49和75。官能化的OPV5再与PNIPAM在一价铜催化下发生l,3-偶极环加成反应,从而成功合成了三个对苯撑乙烯撑寡聚物-b-聚(N-异丙基丙烯酰胺)(OPV-b-PNIPAM)嵌段共聚物。我们系统地研究了OPV-b-PNIPAM嵌段共聚物在不同醇(甲醇、乙醇和异丙醇)溶液中的自组装行为,发现溶剂和PNIPAM链长均会影响组装体的拓扑形态。OPV5-b-PNIPAM18在甲醇中不仅能组装成长度达到数十微米的长棒状胶束,还可以形成类似于“围巾状”的二维片层胶束;而在乙醇和异丙醇中只能形成长度达到数微米、宽度均一的长棒状胶束。OPV5-b-PNIPAM49在所有三种醇溶液中都形成长度达到数微米、宽度均一的长棒状胶束;而相同条件下,OPV5-b-PNIPAM75只能组装成长度小于1μm的短棒状胶束。  我们还利用透射电镜(TEM)和动态光散射(DLS)监测了OPV5-b-PNIPAM49在乙醇中组装成棒状胶束的动力学演化过程。加热后室温冷却的OPV5-b-PNIPAM49乙醇溶液中,最初几分钟内OPV5-b-PNIPAM49就会自成核组装形成短棒状胶束,胶束两端裸露的OPV作为外延结晶生长的起点,随后迅速形成长达数微米的长胶束。我们还排除了短棒状胶束耦合形成长棒状胶束的可能性。  二、含有OPV链段的嵌段共聚物的“自晶种”行为研究  我们系统研究了三种OPV-b-PNIPAM嵌段聚合物的“自晶种”行为,考察了溶剂、聚合物浓度、退火时间和PNIPAM长度对“自晶种”行为的影响。结果表明,溶液极性增大将提高自成核的概率,OPV5-b-PNIPAM49在乙醇或异丙醇中可通过“自晶种”形成单分散的胶束,而在甲醇中会发生自成核导致胶束长度分布较为不均一。相同退火温度下聚合物的浓度越低,通过“自晶种”得到的棒状胶束越长。通过研究退火时间对“自晶种”行为的影响,我们发现退火过程中种子胶束的溶解受热力学控制。PNIPAM链段的长度也同样会影响“自晶种”行为,PNIPAM链段越长,所形成的棒状胶束中OPV层间堆砌作用越弱,越容易被超声打碎成短胶束种子,胶束种子会在较低的退火温度下完全溶解。对于OPV-b-PNIPAM嵌段共聚物,都可以通过“自晶种”制备最长可达1μm的不同长度的单分散棒状胶束。此外,“自晶种”还可拓展到对苯撑乙烯撑寡聚物-b-聚(N,N-二乙基氨基甲基丙烯酸乙酯)(OPV5-b-PDEAEMA60)和对苯撑乙烯撑寡聚物-b-聚(2-乙烯基吡啶)(OPV5-b-P2VP44)嵌段共聚物,实现了可控制备以OPV为核,PDEAEMA或P2VP为壳的棒状胶束,说明“自晶种”策略对含有OPV链段的嵌段共聚物的普适性。  三、含有OPV链段的嵌段共聚物的活性“种子增长”行为的研究  通过提高“种子增长”的实验温度至30℃,我们成功地抑制了聚合物自成核和棒状胶束自身耦合过程,实现了含有OPV链段的嵌段共聚物的“种子增长”活性结晶驱动自组装。向OPV5-b-PNIPAM49种子胶束溶液加入不同体积的OPV5-b-PNIPAM49的THF溶液,加入的聚合物完全在原有种子两端结晶生长,得到最长可达560nm的单分散棒状胶束。向OPV5-b-P2VP44种子胶束溶液中加入不同体积具有相同OPV结晶链段、不同柔性链的OPV5-b-PNIPAM49的THF溶液,得到了具有相同的核、不同壳层的B-A-B型三嵌段胶束,三嵌段胶束最长可达410nm,且分布均一(Lw/Ln≤1.06)。外延生长得到的棒状胶束随着加入的聚合物和原有溶液中种子胶束的比例的增大线性增长,与理论值非常吻合,说明“种子增长”具有活性可控特征。我们利用P2VP中吡啶基团对量子点的络合作用,对三嵌段胶束的P2VP壳层进行了选择性修饰。最后,向种子中交替加入含有OPV链段的不同嵌段共聚物,我们成功制备了具有相同OPV结晶核,不同壳层的A-B-A-B-A或C-B-A-B-C型五嵌段胶束。
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