超臨界CO2中RAFT聚合制備含氟嵌段聚合物

盧泉軒 ，徐安厚 ，張爐青 ，施錦輝 ，張書香

(1.濟(jì)南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東省氟化學(xué)化工材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250022；2.山東省氟材料工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250022；3.中華人民共和國(guó)南通市出入境檢驗(yàn)檢疫局，江蘇 南通 226006)

超臨界CO2中RAFT聚合制備含氟嵌段聚合物

盧泉軒1,2，徐安厚1,2，張爐青1,2，施錦輝3，張書香1,2

(1.濟(jì)南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東省氟化學(xué)化工材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250022；2.山東省氟材料工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250022；3.中華人民共和國(guó)南通市出入境檢驗(yàn)檢疫局，江蘇 南通 226006)

在超臨界CO2中，以親CO2的含氟聚合物PDFMA-CDB作為大分子鏈轉(zhuǎn)移劑和分散劑，通過RAFT分散聚合制備聚甲基丙烯酸十二氟庚酯-b-聚(苯乙烯-CO-馬來(lái)酸酐)(PDFMA-b-PSMA)含氟嵌段聚合物，并對(duì)聚合產(chǎn)物進(jìn)行FTIR、1H NMR、GPC等表征。結(jié)果表明，制備的聚合物結(jié)構(gòu)明確，分子量分布窄，符合RAFT聚合。

超臨界CO2(scCO2); 甲基丙烯酸十二氟庚酯(DFMA); RAFT聚合; 嵌段聚合物

含氟高分子聚合物材料具有耐化學(xué)腐蝕性、耐大氣老化性、優(yōu)良的介電性能、獨(dú)特的低表面能、寬廣的使用溫度范圍等特性，廣泛應(yīng)用于原子能、航天、電子、機(jī)械制造、化學(xué)等工業(yè)[1-3]。以超臨界CO2作為聚合反應(yīng)的介質(zhì)進(jìn)行含氟聚合物的合成具有明顯的優(yōu)越性[4-5]。超臨界CO2作為聚合反應(yīng)的介質(zhì)具有無(wú)污染、廉價(jià)易得、不燃、其臨界溫度(Tc=31.0℃)和臨界壓力(Pc=7.38Mpa)很容易實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品無(wú)溶劑殘留等優(yōu)點(diǎn)，是一種綠色環(huán)保的聚合介質(zhì)[6]。同時(shí)很多單體溶于超臨界CO2但其聚合物不容。有趣的是超臨界CO2對(duì)于含氟聚合物具有良好的相容性，因此超臨界CO2成為一種制備含氟嵌段共聚物的優(yōu)異聚合反應(yīng)介質(zhì)[7-8]。

可逆斷裂加成鏈轉(zhuǎn)移( RAFT) 聚合具有反應(yīng)條件溫和、適用單體范圍較廣、聚合反應(yīng)溫度范圍較寬等優(yōu)點(diǎn)，RAFT 成為含氟丙烯酸酯類自由基可控/活性聚合研究的熱點(diǎn)[9]。DeSimone 等首次以含氟聚合物為分散劑在超臨界CO2實(shí)施RAFT聚合，并得到窄分布的聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA) 產(chǎn)物[10]。本文以甲基丙烯酸十二氟庚酯為含氟單體，CDB為RAFT試劑，先合成末端帶有雙硫代酯的聚甲基丙烯酸十二氟庚酯( PDFMA-CDB)為親CO2的大分子鏈轉(zhuǎn)移劑，并在超臨界CO2中調(diào)控苯乙烯與馬來(lái)酸酐的RAFT 聚合，制備了PDFMA-b-PSMA 嵌段共聚物。在聚合過程中，PDFMA鏈段即作為大分子鏈轉(zhuǎn)移劑又作為分散劑，因此該聚合反應(yīng)是以嵌段共聚物自身為分散穩(wěn)定劑的RAFT 分散聚合體系，制得窄分布的PDFMA-b-PSMA 含氟嵌段共聚物。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

甲基丙烯酸十二氟庚酯C11H8F12O2(DFMA, 96%, 哈爾濱雪佳氟硅化學(xué)有限公司 )和苯乙烯(St，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠)；馬來(lái)酸酐(MA，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠)；偶氮二異丁腈(AIBN)；二硫代苯甲酸枯酯( CDB，98.5%)參照文獻(xiàn)[11]方法合成；其它試劑均為分析純，直接使用。

BIO-RAD FTS165 傅里葉紅外光譜儀( Perkin Elmer 公司)；Avance Ⅲ 400 MHz NMR 核磁共振譜儀( Bruker 公司)；Waters1525 凝膠滲透色譜( Waters公司)；OCA40 接觸角測(cè)量?jī)x( Dataphysics公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 大分子RAFT試劑PDFMA的制備

在50 mL 圓底燒瓶中依次加入5g DFMA, 0.113g CDB, 0.014g AIBN, 5ml THF, 磁力攪拌，混合均勻后，冷凍抽真空通氮?dú)猓貜?fù)3次后密封，逐漸升溫至70 ℃，聚合反應(yīng)10h，反應(yīng)式如Scheme 1。反應(yīng)結(jié)束迅速冷卻反應(yīng)瓶，產(chǎn)物滴加到大量的甲醇中沉淀、用甲醇洗滌兩次、過濾，在35℃真空烘箱中干燥24h。

Scheme 1 Reaction route of PDFMA

1.2.2 PDFMA大分子鏈轉(zhuǎn)劑在超臨界CO2中調(diào)控單體RAFT聚合

室溫下在30 mL 反應(yīng)釜(耐壓50MPa)中依次加入大分子鏈轉(zhuǎn)移劑PDFMA，馬來(lái)酸酐，苯乙烯，引發(fā)劑AIBN，冷卻反應(yīng)釜到-35℃，抽真空2min后充入一定量的CO2。將反應(yīng)釜放入水浴中緩慢升溫至70℃，最終壓力30MPa。反應(yīng)20h后，將反應(yīng)釜置于冷水中降溫至室溫，放出CO2氣體，得到干燥的細(xì)粉狀聚合產(chǎn)物。將部分產(chǎn)物用少量的四氫呋喃溶解后在正己烷中沉淀，除去可能未反應(yīng)的單體，于35℃真空烘箱中干燥24 h，計(jì)算轉(zhuǎn)化率，并用于紅外和核磁的表征。反應(yīng)式如Scheme 2。

Scheme 2 Reaction route of PDFMA-b-PSMA

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 PDFMA-CDB和PDFMA-b-PSMA的紅外分析

由圖1可以看出，1620 cm-1處無(wú)C=C雙鍵的特征吸收峰，1450和1500cm-1處為苯環(huán)的特征吸收峰，750cm-1為苯環(huán)單取代峰，1900cm-1處的吸收峰為馬來(lái)酸酐中C=O鍵的特征吸收峰，在1749cm-1處存在C=O鍵的伸縮振動(dòng)峰，在660cm-1處有中C-F鍵的特征吸收峰。結(jié)果表明得到了PDFMA-b-PSMA嵌段共聚物。

圖1 嵌段共聚物PDFMA-CDB (Fig 1a)和PDFMA-b-PSMA (Fig 1b)的紅外譜圖

2.1.2 PDFMA-CDB的1H NMR分析

圖2 PDFMA-CDB的1H NMR 譜圖

δ =7.10-7.94 ppm處出現(xiàn)的是鏈轉(zhuǎn)移劑CDB 中苯環(huán)上氫的化學(xué)位移，δ = 4.52-4.99 ppm是PDFMA側(cè)鏈上-O-CH2-Rf氫的化學(xué)位移，δ = 5.94-6.35 ppm 是PDFMA側(cè)鏈上 -CHF- 或 -CH(CF3)2-氫的化學(xué)位移，表明合成了PDFMA-CDB 大分子鏈轉(zhuǎn)移劑。根據(jù)圖2 中特征峰積分面積比可以計(jì)算出PDFMA的聚合度，并進(jìn)一步計(jì)算出聚合物的分子量，計(jì)算公式如下：

2.1.3 PDFMA-CDB和PDFMA-b-PSMA的分子量分析

從圖3中可以看出，經(jīng)過PDFMA 調(diào)控St與MA在scCO2中的交替聚合制備的聚合物分子量分布變化不大。聚合物PDFMA和PDFMA-b-PSMA的GPC 結(jié)果列于表1，可見，制備的嵌段聚合物的數(shù)均分子量的GPC 測(cè)試值與理論值相差不大，且制備的嵌段聚合物PDFMA-b-PSMA分子量分布在1.35，符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，表明大分子鏈轉(zhuǎn)移劑PDFMA在scCO2中具有良好的調(diào)控性。表1中理論分子量Mn, th分別采用下式計(jì)算:

圖3 聚合物PDFMA和PDFMA-b-PSMA的GPC 圖。

表1 PDFMA和PEFMA-b-PSMA的分子量及分子量分布

SampleMn,th(g/mol)Mn,GPC(g/mol)Mn,NMR/(g/mol)PDIPDFMA122729896130721.14PDFMA-b-PSMA4334746376-1.35

2.2 聚合物的表面性能表征

圖4 聚合物膜的接觸角測(cè)試圖，表2 聚合物對(duì)水的接觸角(θwater) 數(shù)據(jù)

SamplePDFMAfilmsPSMAfilmsPDFMA-b-PSMAfilmsContactanglesθwater/°103.396.799.0

由圖4可見，三種聚合物膜都具有良好的疏水性能。從表2中可以看出，嵌段聚合物(PDFMA-b-PSMA)膜對(duì)水的接觸角介于PDFMA膜與PSMA膜之間。

2 結(jié)論

本文以甲基丙烯酸十二氟庚酯為含氟單體，CDB為鏈轉(zhuǎn)移劑通過溶液聚合合成親CO2的大分子鏈轉(zhuǎn)移劑PDFMA-CDB，再在超臨界CO2中通過RAFT分散聚合得到了窄分布的PDFMA-b-PSMA嵌段共聚物。對(duì)聚合產(chǎn)物進(jìn)行FTIR，1H NMR，GPC和表面性能等表征，結(jié)果表明，PDFMA在超臨界CO2即作為鏈轉(zhuǎn)移劑，同時(shí)作為分散劑，聚合過程符合RAFT聚合。合成的嵌段聚合物膜具有良好的疏水性能。綜上所述，應(yīng)用含氟聚合物親CO2的特性，可以在超臨界CO2中通過RAFT聚合合成一系列的含氟嵌段共聚物。

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(本文文獻(xiàn)格式：盧泉軒 ，徐安厚，張爐青,等.超臨界CO2中RAFT聚合制備含氟嵌段聚合物[J].山東化工，2016，45(08)：15-18.)

RAFT Polymerization in Supercritical CO2Preparation of Fluorinated Block Copolymer

Lu Quanxuan1,2, Xu Anhou1,2, Zhang Luqing1,2, Shi Jinhui3, Zhang Shuxiang1,2

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering Shandong, Shandong Key Laboratory of Fluorine Chemistry and Chemical Materials , University of Jinan, Jinan 250022, China；2. Shandong Engineering Research Center for Fluorinated Material, Jinan 250022, China；3. Nantong Entry and Exit Inspection and Quarantine of the People's Republic of China, Nantong 226006,China)

In supercritical carbon dioxide, with a CO2-philic poly(dodecafluoroheptyl methacrylate-cumyl dithiobenzoate) (PDFMA-CDB) homopolymer as macro-RAFT agent and stabilizer, RAFT dispersion polymerization preparation containing fluorine block polymer(PDFMA-b-PSMA), and characterized by means of FTIR, 1H NMR, DSC methods. The results indicated that the polymer has a clear structure with narrow distribution and conforms to the RAFT polymerization.

supercritical carbon dioxide (scCO2); RAFT polymerization; dodecafluoroheptyl methacrylate (DFMA); block copolymer

2016-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(21304037)；山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家獎(jiǎng)勵(lì)基金(BS2013CL039)

盧泉軒( 1989—)，江西宜春人，研究生在讀，研究方向：含氟高分子材料；通信作者: 張書香( 1954—)，山東濟(jì)南人，教授，博士，博士生導(dǎo)師。

O631.5

A

1008-021X(2016)08-0015-04