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      常規(guī)自由基聚合反應(yīng)條件下合成PS-g-PMMA的研究*

      • 發(fā)布日期:2016/11/15 9:41:02 閱讀次數(shù):2573
      •      常規(guī)自由基聚合反應(yīng)條件下合成PS-g-PMMA的研究*
            孟金鳳,黃文艷,薛小強(qiáng),郭金龍,蔣必彪
            (常州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 常州213164)
            摘要:以苯乙烯 (St)和對氯甲基苯乙烯 (CMS)經(jīng)常規(guī)自由基聚合合成無規(guī)共聚物P(St-co-CMS),再與銅試劑反應(yīng)合成帶有雙硫酯結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯大分子RAFT試劑。在聚苯乙烯大分子RAFT試劑存在下,進(jìn)行甲基丙烯酸甲酯 (MMA)的常規(guī)自由基聚合反應(yīng),通過RAFT聚合機(jī)理合成接枝共聚物PS-g-PMMA??疾炝耍樱襞cCMS的配比、MMA用量和反應(yīng)溫度對接枝共聚反應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明,St與CMS的物質(zhì)的量比為10∶1、MMA與CMS的物質(zhì)的量比為80∶1,在60℃下進(jìn)行接枝聚合,可獲得很高的接枝效率和接枝率,分別可以達(dá)到60%和75%,而且接枝共聚物的分子量分布相對較窄 (-2.1)。
            關(guān)鍵詞:大分子RAFT試劑;接枝共聚物;接枝效率;接枝率
            中圖分類號:TQ 325.2    文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:2095-0411(2011)03-0028-05
          
            接枝共聚物由于主鏈和支鏈采用不同的單體,可以賦予共聚物兩種或多種不同的性能。因此,接枝共聚物一直是高分子合成化學(xué)的一個重要研究內(nèi)容[1-5]。接 枝 共 聚 物 合 成 方 法 主 要 是 接 入 接 枝(graft?。铮睿簦铮⒔映鼋又?nbsp;(graft?。妫颍铮恚⒋蠓肿訂误w (macromonomer),并 通 過 陰 離 子、陽 離 子、開 環(huán) 聚 合、 活 性/可 控 自 由 基 等 方 法 結(jié) 合 使用[6-11]。但這類方法條件比較苛刻,亦存在一定弊端,在相對簡便的條件下合成得到接枝共聚物仍然具有重要的研究意義和應(yīng)用價值。本文采用常規(guī)自由基聚合方法首先制備大分子可逆加成斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合 (RAFT)試劑,然后在大分子RAFT試劑存在 下 進(jìn) 行MMA的 常 規(guī) 自 由 基 聚 合,通 過RAFT反應(yīng)機(jī)理合成得到了接枝效率和接枝率很高的接枝共聚物。
            1 實(shí)驗(yàn)部分
            1.1 原料及試劑
            苯乙烯 (St),甲基丙烯酸甲酯 (MMA),化學(xué)純 (上海凌峰化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)),使用前用5%氫氧化鈉水溶液洗滌,再用蒸餾水洗至中性,無水硫酸鎂干燥過夜,再減壓蒸餾收集恒沸餾分;對氯甲基苯乙烯 (CMS),Aldrich;二乙基二硫代氨基甲酸鈉 (銅試劑),分析純 (國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn));偶氮二異丁腈 (AIBN);甲苯,丙酮,2-丁酮,分析純 (國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn));THF,石油醚,分析純 (上海潤捷化學(xué)試劑有限公司江蘇強(qiáng)盛化工有限公司制造);無水甲醇,分析純 (上海振興化工一廠生產(chǎn));工業(yè)酒精。
            1.2 大分子RAFT試劑的合成
            在100mL圓底燒瓶內(nèi)按比例依次加入苯乙烯、對氯甲基苯乙烯、AIBN、甲苯,待充分混合后,置于70℃恒溫油浴內(nèi)反應(yīng),其中AIBN為苯乙烯質(zhì)量的0.87%,溶劑甲苯為苯乙烯質(zhì)量的20%。反應(yīng)結(jié)束后,將產(chǎn)物用丁酮溶解,工業(yè)酒精沉淀、過濾后 干燥至恒重得無 規(guī)共 聚物P(St-co -CMS),當(dāng)c(St)∶c(CMS)=10∶1時,GPC分析結(jié)果為Mn=50?。福埃?,PDI= Mw/Mn=1.90。
            在100mL圓底燒瓶內(nèi)按比例依次加入無規(guī)共聚物P(St-co -CMS)、過量的銅試劑、THF,待溶解完全后置于70℃恒溫油浴內(nèi)反應(yīng),其 中THF為無規(guī)共聚物P(St-co -CMS)質(zhì)量的8倍。反應(yīng)結(jié)束后,將產(chǎn)物用THF稀釋,工業(yè)酒精沉淀、過濾后干燥至恒重得大分子RAFT試劑,當(dāng)c(St)∶c(CMS)=10∶1時,GPC分析結(jié)果為Mn=51 500,PDI= Mw/Mn=2.00。除特別注明外,大分子RAFT試劑合成時采用的苯乙烯和CMS的物質(zhì)的量比均為10∶1。
            1.3 接枝共聚物的合成及分離
            在100mL圓底燒瓶內(nèi)按比例依次加入大分子RAFT試劑、甲基丙烯酸甲酯、AIBN、甲苯,待充分溶解后,置于恒溫油浴內(nèi)反應(yīng),其中AIBN為甲基丙烯酸甲酯質(zhì)量的0.84%,溶劑甲苯為大分子RAFT試劑和甲基丙烯酸甲酯總質(zhì)量的20%。反應(yīng)結(jié)束后,用丁酮溶解,工業(yè)酒精沉淀,過濾后干燥至恒重。
            將產(chǎn)物用質(zhì)量比為1∶1的甲苯和丙酮的混合溶劑溶解,再用與混合溶劑等質(zhì)量的石油醚沉淀、過濾分離出沉淀物,將濾液進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑得到聚合物A。再將分離出的沉淀物用THF溶解,用1.5倍THF質(zhì)量的無水甲醇沉淀、過濾,將濾液進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑得到聚合物B,分離出的沉淀物即為聚合物C。采用1 H?。危停曳治龃_證聚合物A、B和C的結(jié)構(gòu)。接枝共聚物的接枝效率 ()和接枝率 ()計算公式如下:
             
            1.4 結(jié)構(gòu)分析與表征
            1?。取。危停摇茫茫模茫欤碁槿軇?,采用Bruker ARX-500核磁共振譜儀常溫下測定。
            GPC∶THF為溶劑,采用Waters150型凝膠滲透色譜儀常溫下測定。
            2 結(jié)果與討論
            2.1 大分子RAFT試劑的合成
            本文首先用常規(guī)自由基聚合合成苯乙烯與對氯甲基苯乙烯的無規(guī)共聚物,在大分子鏈上引入-CH2Cl活性基團(tuán),然后由-CH2Cl與銅試劑發(fā)生反應(yīng),脫去NaCl,合成帶有雙硫酯結(jié)構(gòu)的大分子RAFT試劑,其反應(yīng)方程式如圖1所示。
              
            圖2(A)是無規(guī)共聚物P(St-co -CMS)的1?。龋危停易V圖?;瘜W(xué)位移δ=4.5處的峰對應(yīng)于聚合物中-CH2Cl基團(tuán)上的氫a(圖1)。δ=6.25-7.25之間的峰對應(yīng)于聚合物中苯環(huán)上的氫。δ=1.0-2.5之間的峰對應(yīng)于主鏈中亞甲基和次甲基上的氫。圖2(B)是大分子RAFT試劑的1?。龋危停易V圖。δ=3.7、4.0處的兩峰對應(yīng)于-N(C2H5)2中亞甲基上的氫b和c(圖1)。δ=4.4處的峰對應(yīng)于Ar-CH2-S-基團(tuán)上的氫d(圖1)。δ
            
            =6.25-7.25之間的峰對應(yīng)于苯環(huán)上的氫。δ =1.0-2.5之間的峰對應(yīng)于主鏈上亞甲基和次甲基以及-N(C2H5)2中-CH3上的氫。從圖2(A)和圖2(B)的對比中可以看出,由δ=4.5處對應(yīng)于-CH2Cl的峰轉(zhuǎn)變?yōu)棣模剑常?,4.1,4.4處的3個峰,分別對應(yīng)于-CH2SC(S)N(C2H5)2上的Ar-CH2-S-和-N(C2H5)2中兩個亞甲基的氫,證實(shí)合成了大分子RAFT試劑。
            2.2 接枝共聚物PS-g-PMMA的合成
            本文合成的大分子RAFT試劑結(jié)構(gòu)中的雙硫酯基團(tuán)-C(S)S-是一個具有活性的大分子鏈轉(zhuǎn)移劑 (PS- A)[10,11]。 在 引 發(fā) 劑 作 用 下, 單 體MMA被引發(fā)聚合生成自由基PMMA·與大分子鏈轉(zhuǎn)移劑反應(yīng)生成PMMA-A(·)-PS,與此同時,PMMA-A(·)-PS又可逆斷裂形成新的自由基PS·和新的鏈轉(zhuǎn)移劑PMMA-A,PS·引發(fā)單體聚合就生成接枝共聚物PS-g -PMMA,其反應(yīng)方程式如圖3。體系中除了生成接枝共聚物PS-g-PMMA外,還可能有均聚物PMMA和未參加反應(yīng)的大分子RAFT試劑。
              
            圖4是經(jīng)分離后得到的3種聚合物的1?。取。危停易V圖。其中圖4(A)與反應(yīng)前大分子RAFT試劑的1 HNMR譜圖圖4(B)完全吻合,因此確定此聚合物為未反應(yīng)的大分子RAFT試劑。圖4(B)與PMMA均聚物的1?。取。危停易V圖完全吻合。其中δ=3.6處的峰對應(yīng)于-OCH3上的氫,δ=0.5-2.5處的峰對應(yīng)于主鏈中的-CH2-和-CH3上的氫,證明聚合物B為均聚物PMMA。而最后沉淀出來的聚合物C的1?。取。危停易V圖如圖4(C)所示。在圖4(C)中可以明顯看出大分子RAFT試劑的3個特征峰基本上已被聚甲基丙烯酸甲酯的特征峰取代,在δ=3.6處的峰對應(yīng)于-OCH3上的氫,δ=6.25-7.25之間的峰對應(yīng)于苯環(huán)上的氫,δ=1.0-2.5之間的峰對應(yīng)于主鏈上-CH2-和次甲基以及側(cè)鏈聚甲基丙烯酸甲酯中-CH2-和-CH3上的氫,由此證實(shí)合成了接枝共聚物PS-g-PMMA。但是δ=4.1處仍然有信號存在,說明在接 枝 共 聚 物 上 還 是 含 有RAFT基 團(tuán), 這 些RAFT基團(tuán)的來源之一應(yīng)是原始大分子RAFT試劑上未反應(yīng)的基團(tuán),即并不是100%的RAFT基團(tuán)都參與了反應(yīng)。
            圖5是共聚物分離前后各組分的GPC曲線疊加圖。圖5(D)是未分離的原始的聚合物GPC曲線,呈多峰型,說明聚合物中含有分子量明顯不同的多種組分。圖5(A)、(B)、(C)分別對應(yīng)于未反應(yīng)的大分子RAFT試劑、PMMA均聚物和接枝共聚物PS-g -PMMA,各組分的GPC數(shù)據(jù)如表1所示。可以看出,合成得到的接枝共聚物PS-g-PMMA具有相對較窄的分子量分布。
            
             
            2.3 反應(yīng)條件對接枝反應(yīng)的影響
            不同大分子RAFT試劑對聚合反應(yīng)有影響。從表2中 可 以 看 出,原 始 共 聚 物P(St-co -CMS)中CMS份量高的大分子RAFT試劑的接枝率、接枝效率和MMA在PS-g-PMMA中的相對含量都明顯高于CMS份量低的大分子RAFT試劑。當(dāng)以c(St)∶c(CMS)=50∶1合 成 大 分 子RAFT試劑時,其大分子鏈上雙硫酯的含量將會相對于c(St)∶c(CMS)=10∶1合 成 的 大 分 子RAFT試劑低得多。在相同的反應(yīng)條件下,雙硫酯在大分子鏈中的含量越高,密度越大,其引發(fā)接枝聚合的幾率就越大,當(dāng)然,接枝上的單體的份量也會同步上升。
            常規(guī)自由基聚合合成接枝共聚物的理論接枝率最高值為50%,實(shí)際情況更低。從表2中還可以看出,聚合反應(yīng)中MMA的用量對聚合反應(yīng)的影響,隨著MMA用量的增加,接枝率變化不大,保持在60%左右,但接枝效率則稍有下降。說明在高 單 體 用 量 反 應(yīng) 條 件 下,相 對 較 少 的 大 分 子RAFT試劑引發(fā)了接枝聚合反應(yīng)。但由于接枝率保持相對穩(wěn)定,而且一般而言,接枝鏈長度也應(yīng)該
            
            相近。因此,可以認(rèn)為已經(jīng)形成接枝共聚物的大分子RAFT試劑上將含有更高的接枝點(diǎn)密度,這實(shí)際上是大分子聚苯乙烯型RAFT試劑在MMA聚合體系這種受限環(huán)境下進(jìn)行接枝聚合的結(jié)果。反應(yīng)初始階段發(fā)生接枝的大分子RAFT試劑在體系中具有相對更好的溶解性,大分子鏈處于舒展?fàn)顟B(tài),其分子鏈上的雙硫酯可以和聚合體系內(nèi)的自由基發(fā)生如圖5所示的可逆鏈轉(zhuǎn)移形成新的接枝點(diǎn),從而使該大分子RAFT試劑具有更高的接枝點(diǎn)密度。而反應(yīng)初期未能發(fā)生接枝的RAFT大分子鏈,則隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)行,體系中PMMA相對增加,在此受限環(huán)境下其分子鏈將更加趨于卷曲狀態(tài),不能和聚合體內(nèi)的大分子鏈自由基發(fā)生如圖5的反應(yīng)引發(fā)接枝聚合。
            反應(yīng)溫度對接枝聚合反應(yīng)也有影響。從表2中還可以看出,在60—90℃常規(guī)聚合溫度下,接枝效率基本相等 (—60%),接枝率則隨溫度升高而有所下降。其原因可能是大 分 子RAFT試 劑 在60—90℃下發(fā)生可逆鏈轉(zhuǎn)移的速度相對恒定,不隨溫度的改變而明顯變化。但隨溫度升高,MMA均聚反應(yīng)明顯上升,從而導(dǎo)致接枝率下降。
            3 結(jié) 論
            本文以St、CMS和銅試劑制備帶有雙硫酯結(jié)構(gòu)的 聚 苯 乙 烯 大 分 子RAFT試 劑。 在 大 分 子RAFT試 劑 存 在 下, 進(jìn) 行 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯(MMA)的常規(guī)自由基聚合反應(yīng),通過RAFT聚合機(jī)理合成了接枝共聚物PS-g -PMMA??疾炝耍樱襞cCMS的配比、MMA用量和反應(yīng)溫度對接枝共聚反應(yīng)的影響,其中St與CMS的物質(zhì)的量的配比為10∶1和50∶1,MMA與CMS的物質(zhì)的量的配比為60∶1,80∶1,100∶1和120∶1,反應(yīng)溫度為60℃、70℃、80℃和90℃。研究結(jié)果表明,St與CMS的配比為10∶1、MMA與CMS的配比為80∶1和反應(yīng)溫度為60℃時,能夠得到接枝效率 (—60%)和接枝率 (—75%)很高,而且分子量分布相對較窄 (—2.1)的接枝共聚物。
            參考文獻(xiàn):
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            [11]Mayadunne?。摇。浴。?,Rizzardo?。牛茫瑁椋澹妫幔颍椤。?,et?。幔欤蹋椋觯椋睿纭。颍幔洌椋悖幔臁。穑铮欤恚澹颍椋幔簦椋铮睢。鳎椋簦琛。颍澹觯澹颍螅椋猓欤濉。幔洌洌椋簦椋铮睢。妫颍幔纾恚澹睿簦幔簦椋铮睢。悖瑁幔椋睿簦颍幔睿螅妫澹颍ǎ遥粒疲浴。穑铮欤恚澹颍椋幔簦椋铮睿酰螅椋睿纭。洌椋簦瑁椋铮悖幔颍猓幔恚幔簦澹蟆。幔螅悖瑁幔椋睢。簦颍幔睿螅妫澹颉。幔纾澹睿簦螅郏剩荩停幔悖颍铮恚铮欤澹悖酰欤澹?,1999,32(21):6977-6?。梗福埃?/span>

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