含纳米构筑单元的甲壳型聚合物的合成和组装研究

来源 :北京大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ttcj_008
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本论文的研究工作首次将纳米构筑单元与甲壳型液晶高分子(MJLCP)相结合,通过具有二维平面结构的苯并菲盘状液晶基元与三维方形笼状的多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)基元两种形状与性质截然不同的纳米构筑单元和MJLCP之间的竞争和协同组装,成功合成了两个系列含纳米构筑单元的甲壳型聚合物,并构筑了近十纳米尺寸和埃尺度共存的多级有序结构,为近十纳米尺度结构的构建和纳米科技的发展提供了新的思路和方法。此外,通过对以聚降冰片烯为主链的聚合物的分子工程,设计合成了一类新型的聚降冰片烯型MJLCP,扩充了MJLCP的化学结构库,并拓宽了MJLCP的可聚合单体范围和聚合方法,为今后MJLCP的高效制备和功能化奠定了基础。本论文主要包括以下几部分内容:  1.通过普通自由基溶液聚合的方法合成了一系列间隔基长度不同的含苯并菲盘状液晶基元的MJLCP PPnV(n=3,6,12)。单体的化学结构通过元素分析(EA)、高分辨质谱(HR-MS)、核磁共振氢谱(1H NMR)和碳谱(13C NMR)确认。聚合物的分子结构性质通过1H NMR、凝胶渗透色谱(GPC)、热失重分析(TGA)和固体核磁共振表征,液晶相行为由差示扫描量热(DSC)、偏光显微镜(PLM)、一维(1D)和二维(2D)广角X射线衍射(WAXD)及小角X射线散射(SAXS)共同研究。PPnV具有很好的热稳定性,玻璃化转变温度(Tg)随间隔基延长而下降,相行为与间隔基长度密切相关。在不同间隔基长度和温度时,PPnV可以表现出长方柱状相(ΦR)、柱状向列相(ΦN)、不同尺度的六方柱状相(ΦH)以及ΦR和盘状向列相共存的多样的相结构。在整个组装的过程中,苯并菲和MJLCP主链既存在相互竞争,又存在相互耦合,共同造就了PPnV独特的相行为。PP12V在电场作用下可以发生部分垂直基板的取向,且有序度显著提高。由PPnV制备的电致发光器件性能与聚合物中苯并菲液晶基元排列的规整程度和分子内非活性基团的含量有关,PP6V的综合性能最优,启动电压、最大亮度和最大电流效率分别是7.7 V、549 cd/m2和1.72cd/A。  1.通过普通自由基溶液聚合的方法合成了一系列间隔基长度不同的含POSS基元的甲壳型聚合物PnPOSS(n=6,10)。单体的化学结构通过EA、HR-MS、1H和13C NMR及核磁共振硅谱确认。聚合物的分子结构性质通过1H NMR、GPC和TGA表征,液晶相行为由DSC、PLM、广角X射线散射(WAXS)和同步辐射源SAXS共同研究。PnPOSS具有很好的热稳定性,Tg随间隔基延长而下降,相行为也与间隔基长度相关。在POSS基元和MJLCP主链间的竞争组装下,PnPOSS在不同间隔基长度和温度时可以表现出ΦH相、ΦN相、六方结晶相(KH)和纳米尺度的ΦH相与埃尺度的KH相共存的多级有序结构。结晶性的POSS基元较液晶性的苯并菲基元具有更强的聚集组装能力,它对MJLCP在室温时的液晶相有更好的稳定作用。  2.设计了一种普适、绿色且简便的降冰片烯类单体合成方法,通过开环异位聚合制备了三类新型的聚降冰片烯型甲壳型聚合物PNbDnT(n=1,6,10,14,18,其中m代表侧基中烷基尾链的碳数),PNbR(R=Fan,Tp,POSS,分别代表侧基上的扇形、苯并菲和POSS三种取代基团)和PNbnPT(n=8,10,12,14,16,18,其中n代表侧基中烷基尾链的碳数)。Grubbs三代催化剂较二代催化剂的稳定性更好,可以高效可控的制备高分子量、窄分布的甲壳型聚合物。三类新型的聚降冰片烯型甲壳型聚合物都具有很好的热稳定性。DSC、PLM和WAXD结果表明PNbDnT和PNbR两个系列聚合物均不具有液晶性;PNbnPT的相行为和侧基中烷基尾链的长度n相关,当n大于10时,聚合物形成近晶A相。对MJLCP而言,聚降冰片烯主链较聚乙烯或聚苯乙烯主链具有更大的刚性,需要更多的柔性基团才能平衡主链的刚性进而形成液晶相。从热力学的角度来讲,聚降冰片烯型MJLCP在高温时主链和侧链的熵变不足以抵消热焓的增大,所以聚降冰片烯型MJLCP主链的各向同性温度较低,在加热过程中可以进入到各向同性态。
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