氯乙烯嵌段共聚物的合成和共聚物膜表面特性

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氯乙烯(VC)等单体可逆失活自由基聚合研究的发展,为制备由聚氯乙烯(PVC)和不同特性聚合物链段组成的嵌段共聚物提供了基础。目前,碘仿调控的单电子转移-蜕化链转移自由基聚合在活性PVC及嵌段共聚物合成方面的研究较多,而碘转移聚合制备活性PVC并进一步扩链制备氯乙烯嵌段共聚物的研究没有报道。本文采用碘转移细乳液聚合方法合成聚氯乙烯-聚丙烯酸十八酯、聚氯乙烯-聚(丙烯酸十八酯-co-氟代丙烯酸酯)嵌段共聚物,研究(氟代)丙烯酸酯碘转移细乳液聚合动力学和嵌段共聚物的结构,并考察由PVC和不同亲水亲油特性聚合物链段构成的嵌段共聚物旋涂膜和静态呼吸图法膜的形貌和表(界)面特性。首先,以碘仿为链转移剂、2,2’-偶氮二异丁基脒二盐酸盐(AIBA)为引发剂、十六烷基三甲基溴化铵和十六烷分别为主/助乳化剂,通过碘转移细乳液共聚合成丙烯酸十八酯均聚物(PSA)和氟代丙烯酸酯-丙烯酸十八酯(FA-SA)无规共聚物,考察了聚合活性及细乳液聚合动力学,发现SA均聚和FA-SA共聚都表现出较好的聚合可控性,符合一级动力学,具有活性自由基聚合特征;FA/SA质量比对初期聚合速率影响不大;聚合温度为60℃时,聚合速率较快,聚合转化率较高;随着AIBA浓度增大,聚合速率相应增大。随后以得到的PSA和FA-SA无规共聚物作大分子链转移剂,进行VC碘转移扩链聚合,制备PSA-b-PVC和P(FA-SA)-b-PVC共聚物,采用GPC、1HNMR和离子色谱分析确定了嵌段共聚物的组成,DSC表征说明嵌段共聚物中的PSA或P(FA-SA)链段具有结晶特性。其次,将氯乙烯嵌段共聚物溶液或乳液通过溶剂自然成膜或旋涂成膜制备共聚物膜,进行接触角测量和形貌观察,探究链段结构对膜形貌和界面特性的影响。FA-SA无规共聚物的静态水接触角和十六烷接触角均随FA组分含量的增加而增大,FA含量在30~70%范围内,共聚物膜的静态水接触角大于110°,十六烷接触角大于60°,表面张力小于15 mN·m-1,表现出优异的疏水疏油特性。含氟共聚物膜(表)界面特性与含氟组分表面富集能力有关,受到成膜温度、成膜溶剂特性等影响。成膜温度在15~60℃范围内,随着温度升高和PVC嵌段含量增加,P(FA-SA)-b-PVC共聚物中含氟链段的相迁移增加;相比四氢呋喃和甲苯,三氟三氯乙烷为成膜溶剂时,P(FA-SA)-b-PVC共聚物中的含氟链段向表面迁移能力更强,形成更明显的针状突起结构。聚乙烯醇-b-聚氯乙烯(PVA-b-PVC)、聚丙烯酸-b-聚氯乙烯-b-聚丙烯酸(PAA-b-PVC-b-PAA)、聚丙烯酰吗啉-b-聚氯乙烯-b-聚丙烯酰吗啉(PACMO-b-PVC-b-PACMO)等两亲性嵌段共聚物制备的涂层形貌各不相同,主要受到亲水/亲油链段特性和嵌段比等影响。亲水性较强的PAA-b-PVC-b-PAA共聚物旋涂后形成光滑平整的共聚物膜;PVA-b-PVC共聚物旋涂膜表面形貌随PVA嵌段含量增加先出现孔洞而后消失;PACMO-b-PVC-b-PACMO共聚物在旋涂过程中会出现静态呼吸图(BF)多孔结构。最后,利用静态BF法制备氯乙烯嵌段共聚物的蜂窝多孔膜,探究溶剂、共聚物组成、共聚物溶液浓度、湿度等对膜形貌的影响。筛选得到PSA-b-PVC和PACMO-b-PVC-b-PACMO共聚物的优选成膜溶剂为氯仿,PVA-b-PVC共聚物较好的成膜溶剂是四氢呋喃;提高相对湿度有利于形成有序蜂窝多孔形貌,并使孔径增大。PACMO-b-PVC-b-PACMO共聚物的亲水链段有助于稳定水汽在共聚物溶液界面凝聚沉积的水滴,在较低的溶液浓度下就能形成孔径均一的多孔结构。提高PSA-b-PVC共聚物分子量,有利于增加膜的形貌规整性。两亲性嵌段共聚物因为受到亲水/疏水链段平衡关系的影响,只有合适嵌段比的共聚物才能形成有序蜂窝多孔膜,亲水链段含量较大时反而不利于制备蜂窝多孔膜。将制得的蜂窝多孔膜应用于构筑超疏水表面和作为拉曼增强活性基底,发现PSA-b-PVC共聚物膜撕去表层后粗糙度增加,静态水接触角达到160°,实现膜性能从一般疏水到超疏水的转变;PACMO-b-PVC-b-PACMO共聚物多孔膜在沉积纳米银后能作拉曼增强的活性基底,探针分子罗丹明6G浓度低至10-9 M时拉曼光谱仍有检测信号,极大提升了拉曼光谱的检测极限。综上,本文为氯乙烯嵌段共聚物的可控合成、嵌段共聚物结构和膜表(界)面特性关系的建立及氯乙烯嵌段共聚物功能膜的制备提供了一定基础。
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