表面开环易位聚合方法在硅表面制备聚合物薄膜及其应用

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高分子材料已成为人们在航空、航天、工业、农业以及日常生活中使用的必需品。开环易位聚合反应(Ring-Opening Metathesis Polymerization,ROMP)由于其活性聚合的特点,愈来愈受到人们的广泛关注。聚合物薄膜在纳米图案化、智能材料的制备、生化传感器等领域具有重要应用,因此它吸引了众多科学家的研究兴趣。“从表面接枝”方法已经被广泛应用于与基底共价结合的聚合物薄膜的制备工作中。表面引发聚合反应可以被广泛地应用在固体材料的表面修饰与改性领域。在多种“从表面接枝”方法中,表面引发开环易位聚合(SIROMP)反应由于其条件温和,聚合速率高,以及其活性聚合的特点,受到了广泛的研究和应用。作为一种制备功能性高分子薄膜的有效方法,SIROMP方法可以在多种表面共价连接聚合物链,比如金、硅、钢、以及纳米二氧化硅等表面。在ROMP反应中,单体中的双键得到了保留,因此人们可以很容易的对用表面引发开环易位聚合方法制备的聚合物薄膜进行化学修饰,得到需要的官能团,如磺酸基、环氧基以及羟基等。SIROMP反应中,单体的双键得到了保留,因此该方法得到的聚合物薄膜可以进行方便的化学修饰。然而,在对以表面引发开环易位聚合方法制备的聚合物薄膜进行化学修饰的过程中,该薄膜会发生剧烈的降解,降解行为限制了材料的应用价值。目前,抑制这种降解的方法有惰性气体这样较为苛刻的实验条件,或者利用特殊的化学成进行保护,这样限制了具体实施的实用性。本论文从事的主要是采用SIROMP方法进行聚合物薄膜的制备和功能化的研究,并且探索了抑制薄膜降解的简单方法。我们系统研究了用Grubbs第一代催化剂在硅片上引发降冰片烯单体进行ROMP反应中各种聚合条件的影响,得到了用SIROMP技术在硅片上制备共价连接的聚降冰片烯(PNb)薄膜的最佳条件,并用SIROMP反应在降冰片烯和环辛二烯的气相环境中制备了硅片上共价连接的PNb薄膜和聚丁二烯薄膜。我们将带有聚乙二醇侧基的降冰片烯衍生物单体进行表面聚合,在硅片上得到了聚乙二醇(PEG)接枝的新型梳型聚合物功能薄膜,并考察了该材料的抗蛋白吸附性能。研究发现PEG接枝链较短的PNb-PEG550薄膜的抗蛋白吸附效果比PNb-PEG2000的效果更好;厚度越大的薄膜抗蛋白吸附能力越强;PNb-PEG薄膜对分子量较大的蛋白质的抗吸附能力较强。我们对PNb薄膜主链上的双键进行化学修饰,得到了主链环氧化的PNb薄膜,并研究了溶剂效应对薄膜的降解和环氧化反应的影响。对于薄膜的氧化降解和环氧化这两个反应来说,溶剂都是非常重要的影响因素。我们设计了一种仅仅利用溶剂效应来实现表面主链不饱和聚合物的无降解修饰的方法,并通过对不同深度的薄膜的反应动力学研究,建立了该过程的反应模型。在对环氧PNb溶解性强但是对PNb的溶解性差的溶剂中,PNb薄膜的环氧化反应是从薄膜顶层到硅基底梯度进行的,并且修饰过程中没有发生薄膜降解。我们用环氧化PNb薄膜水解产物的羟基引发,以嗜热酶AFEST为催化剂,在非水介质中将? -己内酯单体在硅基底上进行了酶促开环聚合,制备了新型的聚降冰片烯-聚(? -己内酯)(PNb-PCL)薄膜,并系统研究了AFEST催化表面开环聚合反应的各种反应参数对反应结果的影响。我们可以通过酶促聚合时间来控制接枝的PCL的链长(聚合度),通过PNb的双键转化率来控制PCL链的表面接枝密度,根据不同的需要来调整表面PCL的含量。我们研究了得到的PCL薄膜对AFEST的稳定性:聚合体系中的? -己内酯单体对PCL薄膜的稳定性有利;为了避免接枝PCL的分解,在聚合完成后有必要及时将薄膜与AFEST分离开。此工作将表面开环易位聚合和酶促聚合相结合,为设计和制备聚合物薄膜的工作提供了新的思路。
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