三亲性含氟聚合物的合成、表征与自组装

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作为21世纪最重要的25个科学问题之一,化学自组装受到了广泛的关注。因为相比于小分子自组装体(如表面活性剂形成的胶束),嵌段聚合物自组装体具有分子结构可设计性高、易于功能化以及力学强度好等诸多优点,所以嵌段聚合物自组装的研究也更加的活跃。嵌段聚合物在溶液中可以自组装能形成多种形貌的胶束,例如球形胶束、棒状胶束、蠕虫状胶束(wormlike micelle,WLMs)、囊泡以及结构更复杂的多隔室胶束(multicompartment micelles,MCMs)和Janus胶束(Janus micelles,JMs)。  同时含有亲水、亲油和亲氟三个组分(即三亲性)的含氟聚合物在水溶液中的自组装是目前构建MCMs最直接、最有效的方法。但是,三亲性含氟聚合物的制备过程通常非常繁琐;此外,刺激响应性的“智能”MCMs体系也鲜有报道。针对上述现状,本文基于商品化的两亲性聚醚合成了一系列三亲性含氟聚合物,并利用它们分别构建了MCMs体系;同时还尝试以CO2气体作为刺激源,构建具有CO2刺激响应的“智能”MCMs体系。本文开展的主要工作以及得到的主要结论如下:  (1)以商品化的聚醚大分子表面活性剂Pluronics为母体,分别合成了两种大分子引发剂,Br-F127-Br和Br-F108-Br。这两种大分子引发剂分别与单体丙烯酸六氟丁酯(HFBA)通过原子转移自由基聚合(ATRP)制备了两种ABCBA型三亲性含氟五嵌段共聚物,PHFBA-b-F127-b-PHFBA和PHFBA-b-F108-b-PHFBA。上述两种ABCBA型三亲性含氟五嵌段共聚物在水溶液中都可以自组装形成MCMs;热力学和动力学的计算结果表明该MCMs的形貌呈花状;提出了“预自组装”机理来解释该花状MCMs的形成过程。  (2)采用一步偶联法对商品化的大分子表面活性剂Pluronics和Brijs进行氟化改性,制备了一系列遥爪型三亲性含氟聚合物。氟化改性Pluronics(F8-F127-F8和F8-F108-F8)都可以在水溶液中自组装形成具有Janus核的MCMs,热力学和动力学的计算结果表明该MCMs形貌呈花状,提出了“预自组装”机理来解释这种具有Janus核的花状MCMs的形成过程;而针对Brijs氟化改性的系列聚合物((BO20-F4、BO20-F8和BO50-F8)中只有BO20-F8可以在水溶液中可以自组装形成MCMs。  (3)将大分子引发剂Br-F127-Br与单体甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(DEAEMA)通过ATRP合成了ABCBA型五嵌段共聚物PDEAEMA-b-F127-b-PDEAEMA。PDEAEMA-b-F127-b-PDEAEMA具有良好的CO2刺激响应性。将PDEAEMA-b-F127-b-PDEAEMA与氟碳阴离子表面活性剂在CO2水溶液中混合,PDEAEMA-b-F127-b-PDEAEMA中的嵌段PDEAEMA被CO2与H2O形成的碳酸质子化为PDEAEAM·H+,质子化后的PDEAEMA-b-F127-b-PDEAEMA与氟碳阴离子表面活性剂通过静电吸引作用形成的聚电解质-表面活性剂复合物可以被看作是一种超分子的三亲性含氟五嵌段共聚物,在水溶液中得到了WLMs组装体。  (4)将脂肪胺聚氧化乙烯醚(AC1205和AC1815)与全氟辛酸(C7F15COOH)在水溶液中混合;C7F15COOH在水溶液中完全电离,产生的质子将脂肪胺聚氧乙烯醚质子化;质子化后的脂肪胺聚氧乙烯醚通过静电吸引作用与全氟辛酸根形成的聚合物-表面活性剂复合物可以被看作是一种超分子的三亲性“迷你”拟星型杂臂含氟嵌段共聚物,然而它也无法自组装形成MCMs。结合之前的实验结果,我们认为超分子三亲性含氟聚合物无法在水溶性中自组装形成MCMs。  (5)将AC1205与聚苯乙烯磺酸钠(PSSNa)在水溶液中复合,研究了AC1205与不同分子量、不同浓度的PSSNa在通入CO2气体后的聚集体形貌:混合水溶液在通入CO2后,AC1205被CO2与H2O形成的碳酸质子化,质子化后的的AC1205通过静电吸引作用与PSSNa形成聚电解质-表面活性剂复合物可以自组装形成体积巨大的胶束;然而实验发现只有AC1205与PSSNa-7(c=1g/L)的混合溶液在通入CO2之后形成的聚电解质-表面活性剂复合物可以自组装形成具有不对称结构的聚集体,即Janus囊泡。
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