光敏型位阻胺氮氧自由基调控下MMA光活性自由基聚合反应动力学研究

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光聚合具有聚合速率快,反应温度低,体系适用单体广等优点,近年来学者们把光聚合应用于氮氧自由基调控聚合(NMP)中,为解决NMP热聚合存在的问题提供了新的思路和方法。氮氧自由基调控光聚合(NMPP)已成为该领域的研究热点。本文首先对调控剂2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基(TEMPO)进行改性,实验室合成与表征了光敏型的位阻胺氮氧自由基,以喹啉-2-甲酸-2,2,6,6-四甲基哌啶醇酯-1-氧自由基(Q-TEMPO)为调控剂,以Irgacure651为引发剂,与Q-TEMPO组成双分子引发/调控体系,系统地研究了光敏型位阻胺调控下甲基丙烯酸甲酯(MMA)的本体光聚合反应动力学行为;将Q-TEMPO封端的MMA均聚物(PMMA-Q-TEMPO)作为大分子引发剂,在相同条件下引发第二单体甲基丙烯酸异冰片酯(IBOMA)进行嵌段共聚合,制备了PMMA-b-PIBOMA嵌段共聚物。主要研究工作和结论如下:1.以4-二甲胺基吡啶(DMAP)为催化剂,N,N’-二环己基碳二亚胺(DCC)为脱水剂,2,2,6,6-四甲基哌啶醇-1-氧自由基(H-TEMPO)与喹啉-2-甲酸的二氯甲烷溶液在冰盐浴下进行酯化反应,制备了光敏型位阻胺调控剂—喹啉-2-甲酸-2,2,6,6-四甲基哌啶醇酯-1-氧自由基(Q-TEMPO).通过FTIR、1H-NMR、EA、MS和EPR表征了产物Q-TEMPO的分子组成与化学结构,并用UV-Vis和FS测定了Q-TEMPO的光谱特性和光敏性能。2.对光聚合的实验条件进行筛选与优化,探讨了不同实验条件,如引发剂种类和用量、辐照光强和辐照时间等对光聚合体系反应动力学的影响,以获得光聚合体系的优化反应条件。3.在室温下选定优化的实验条件,以Irgacure651为光引发剂,Q-TEMPO为调控剂,组成双分子引发/调控体系,系统地研究了MMA本体体系的光聚合反应动力学。研究结果表明:该聚合体系表现出活性聚合的动力学特征,获得了单体转化率与辐照时间(1n[M]/[M0]~t)的一级线性动力学特征,聚合物的数均分子量与单体转化率呈线性增长关系。但是,聚合产物分子量的多分散性系数(PDI)不够理想,PDI=1.40~1.80。通过GPC、FTIR和1H-NMR等表征技术,对聚合产物进行了综合表征。4.在优化的反应条件下,通过时间分辨电子顺磁共振谱(TR-ESR)跟踪聚合过程中Q-TEMPO浓度的变化,分析探讨了MMA在Q-TEMPO调控下本体光聚合反应动力学行为,并且对该体系的动力学参数进行了定量估算,其中Irgacure651的分解速率常数k1=1.29×10-3s-1,大于热引发速率常数1到3个数量级,我们认为这是光聚合速率比热聚合快的主要原因。Q-TEMPO调控反应的平衡常数KE=5.86×1010mL·mol-1比苯乙烯热聚合体系中的平衡常数小1000倍,这是光聚合比热聚合适用于更广泛的单体的原因。当聚合达到稳态时,链增长自由基浓度[Pn·]=4.23×10-6mol/L,对于活性聚合的控制体系来说,这是一个相对过高的浓度,对抑制链终止反应不利,这也是聚合后期PDI随着分子量的增大而变宽的主要原因。而Q-TEMPO的大空间位阻结构在很大程度上限制了它的反应调控能力,导致kc值变小,这是链增长自由基浓度[Pn·]偏高的根本原因。5.以前面实验所得PMMA-Q-TEMPO为大分子引发剂,加入第二单体IBOMA,在室温和光照下进行扩链反应,得到了PMMA-b-PIBOMA嵌段共聚物。并通过GPC、1H-NMR、FTIR和TGA等表征技术对产物进行了综合表征。
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