CN112094371B - 机械性能可调的荧光热塑性聚丙烯酸酯弹性体及制备方法 - Google Patents
机械性能可调的荧光热塑性聚丙烯酸酯弹性体及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种机械性能可调的荧光热塑性聚丙烯酸酯弹性体及制备方法,通过将丙烯酸正丁酯(nBA)和丙烯酸叔丁酯(tBA)自由基共聚的产物进行水解反应制备得到。其中,水解反应实现了共聚物中叔丁基向羧基的转化。nBA和tBA之间反应性的微小差异使共聚物的结构单元易于控制;改变两单体的相对投料量可以调节弹性体的性质从柔软易延展到高机械强度变化。氢键相互作用充当物理交联点,有助于提高机械性能。此外,该种弹性体暴露于365nm紫外灯下时会发出强烈的荧光,并表现出聚集增强发射(AEE)的效果。
Description
技术领域
本发明属于热塑性弹性体领域,涉及一种机械性能可调的荧光热塑性聚丙烯酸酯弹性体及制备方法。
背景技术
弹性体在日用品、汽车、电子设备、医疗等多种领域具有重要应用,其在使用过程中不可避免地会产生各种损伤和难以探测的微裂纹,导致在一定程度上缩短使用寿命。自19世纪末以来,自修复材料已成为一类新型的智能材料,根据其实现机制可分为外援型和本征型。其中,本征型具有多次修复的能力,将非共价键(例如氢键、金属-配体配位、离子相互作用以及π–π堆积)或基于动态共价键(Diels-Alder反应、酯交换反应、烯烃复分解、二硫键交换、亚胺交换等)引入基体以实现材料的自修复。然而,基于动态共价键的自修复体系通常需要在外部刺激条件下,如加热、光照等,实现修复,因而限制其应用;相比之下,基于动态非共价相互作用的自修复体系可在没有外部刺激的情况下修复裂纹,但非共价键的相互作用较弱,导致材料强度较低。因此,对于实际应用而言,亟需开发优异的动态修复能力与良好的机械性能兼具的弹性体。
自然界为我们解决这一难题提供了灵感:即在某些情况下,作用力较弱的氢键也可以形成非常坚固的材料。例如,甲壳素是由大量氢键组装而成的多糖组成的,具有极高的机械强度,可以作为柔软的生物组织的保护壳。此外,作为一种超分子相互作用,氢键相互作用已被证明是构筑自修复弹性体聚合物的一种有效的方法。因此,将氢键在聚合物分子链上进行有序地排列将有望制备得到动态修复能力与良好的机械性能兼具的弹性体材料。
羧基是一个相对常见的氢键构筑基元,而丙烯酸是常用于制备含羧基聚合物的单体。截至目前,已有许多关于丙烯酸构筑拓扑结构热塑性弹性的报道。然而,制备方法多为控制聚合,制备或纯化过程繁琐,有序并且相对精确控制仍然是一个挑战。考虑到聚丙烯酸正丁酯是弹性体的常见软嵌段,其所用的单体丙烯酸正丁酯和丙烯酸叔丁酯为同分异构体,结构相似且二者共聚率接近;此外,有文献报道叔丁基可以通过一步酸水解反应转化为羧基。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种机械性能可调的荧光热塑性聚丙烯酸酯弹性体及制备方法,是一种自修复聚丙烯酸酯弹性体并制备出机械性能可调且具有荧光发射性质的自修复聚丙烯酸酯弹性体。其核心是通过竞聚率差异极小的两种单体(丙烯酸正丁酯和丙烯酸叔丁酯)共聚得到结构均匀的共聚物,随后一步水解反应实现了侧基叔丁基向羧基的转化。
技术方案
一种机械性能可调的荧光热塑性聚丙烯酸酯弹性体,其特征在于:以丙烯酸正丁酯nBA和丙烯酸叔丁酯tBA作为单体共聚得到无规共聚物,水解反应实现叔丁基向羧基的转化,在不含传统发色基团的情况下,紫外灯照射时该弹性体在溶液和固体状态下均显示出荧光发射性质;所述丙烯酸正丁酯nBA和丙烯酸叔丁酯tBA的摩尔比8︰1~3︰1。
一种制备所述机械性能可调的荧光热塑性聚丙烯酸酯弹性体的方法,其特征在于步骤如下:
步骤1、丙烯酸正丁酯和丙烯酸叔丁酯的共聚:将丙烯酸正丁酯和丙烯酸叔丁酯按摩尔比混合,加入溶解有引发剂的有机溶剂中,在惰性气体N2或Ar氛围下,温度55~80℃下进行自由基共聚,反应8~16h得到无规共聚物;
步骤2、共聚物的水解反应:将无规共聚物纯化后,加入酸反应16~24h,水解反应实现叔丁基向羧基的转化,然后用去离子水沉淀得到机械性能可调的荧光热塑性聚丙烯酸酯弹性体。
所述自由基共聚采用普通自由基聚合如溶液聚合、活性自由基聚合如可逆加成断裂链转移聚合RAFT或原子转移自由基聚合ATRP。
所述引发剂包括但不限于:偶氮二异丁腈AIBN、过氧化二苯甲酰BPO、偶氮二异庚腈ABVN或偶氮二异丁酸二甲酯AIBME。
所述酸为三氟乙酸或盐酸。
所述三氟乙酸的浓度范围为4.0~7.0mol/L。
所述盐酸的浓度范围为0.7~1.5mol/L。
所述有机溶剂是二氧六环或N,N-二甲基甲酰胺。
以丙烯酸正丁酯(nBA)和丙烯酸叔丁酯(tBA)作为单体,通过共聚制备得到无规共聚物,丙烯酸正丁酯和丙烯酸叔丁酯的竞聚率相近,共聚得到接近理想无规共聚物。随后的水解反应实现叔丁基向羧基的转化。在不含传统发色基团的情况下,紫外灯照射时该弹性体在溶液和固体状态下均显示出较强的荧光发射性质。且在溶液中表现出聚集增强发射(AEE)的效果。
机械性能容易调控,可通过改变共聚过程中两单体的投料比实现。
有益效果
本发明提出的一种机械性能可调的荧光热塑性聚丙烯酸酯弹性体及制备方法,通过将丙烯酸正丁酯(nBA)和丙烯酸叔丁酯(tBA)自由基共聚的产物进行水解反应制备得到。其中,水解反应实现了共聚物中叔丁基向羧基的转化。nBA和tBA之间反应性的微小差异使共聚物的结构单元易于控制;改变两单体的相对投料量可以调节弹性体的性质从柔软易延展到高机械强度变化。氢键相互作用充当物理交联点,有助于提高机械性能。此外,该种弹性体暴露于365nm紫外灯下时会发出强烈的荧光,并表现出聚集增强发射(AEE)的效果。
本发明的自修复聚丙烯酸酯弹性体的制备方法即丙烯酸正丁酯和丙烯酸叔丁酯自由基共聚以及随后的水解反应的简单策略,易于规模化,可以通过调节参与共聚的单体的摩尔比实现水解产物中的羧基含量的大范围精确调节,按需制备特定机械性能的聚合物材料。样品在标距内切开半宽度的缝隙后,室温放置20h它们即可愈合成连贯而光滑的样品,并且强度恢复为原始强度的79%以上。丰富且含量可调的氢键相互作用充当物理交联点,有助于提高材料机械性能并保证材料变形过程中具有较好的弹性,也赋予材料在紫外灯照射下的荧光发射特性。
本发明与现有技术相比,其有益效果体现在:
1.本发明提供一种自修复聚丙烯酸酯弹性体的简单的制备方法,且所用原料廉价易得,易于规模化生产;
2.可以通过调节参与共聚的单体的摩尔比实现水解产物中的羧基含量的大范围精确调节,按需制备特定机械性能的聚合物材料;
3.本发明所制备的自修复弹性体具有良好的机械性能且在紫外等照射下具有荧光发射的性质,具有潜在应用前景;
4.本发明提出的关于羧基在聚合物链上均匀分布的策略无疑为设计更多具有复杂拓扑聚丙烯酸酯弹性体提供了新的思路。
附图说明
图1:不同单体投料比所制备聚丙烯酸酯弹性体(HP1-HP5)的应力应变曲线
图2:本发明种聚丙烯酸酯弹性体不同浓度乙醇溶液在日光和紫外光下的荧光照片
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
实施例1:自修复聚丙烯酸酯弹性体的制备
首先将18.70g(0.146mol)的nBA,5.29g(0.0413mol)的tBA,0.7982g的AIBN溶解在50mL二氧六环中。然后将其倒入装有磁力搅拌器和球形冷凝器的250mL圆底烧瓶中。将混合物用氩气鼓泡至少20分钟以除去氧气,然后在65℃下搅拌24h以使单体聚合。聚合后,用109mL二氧六环稀释15.87mL的浓盐酸后加入上述聚合反应体系中,并在90℃下回流,继续反应另外24h。最后,产物用去离子水沉淀。将所得的弹性体在鼓风干燥箱中干燥24h后,继续在真空干燥箱中干燥至恒重。
实施例2:自修复聚丙烯酸酯弹性体的制备
首先将18.70g(0.146mol)的nBA,5.29g(0.0413mol)的tBA,0.7982g的AIBN溶解在50mL N,N-二甲基甲酰胺中。然后将其倒入装有磁力搅拌器和球形冷凝器的250mL圆底烧瓶中。将混合物用氩气鼓泡至少20分钟以除去氧气,然后在65℃下搅拌24h以使单体聚合。聚合后,将共聚物沉淀出来,同时加入159mL二氧六环稀释15.87mL的浓盐酸,在90℃下回流反应24h。最后,产物用去离子水沉淀。将所得的弹性体在鼓风干燥箱中干燥24h后,继续在真空干燥箱中干燥至恒重。
实施例3:自修复聚丙烯酸酯弹性体的制备
首先将21.70g(0.169mol)的nBA,2.29g(0.0179mol)的tBA,0.7982g的AIBN溶解在50mL二氧六环中。然后将其倒入装有磁力搅拌器和球形冷凝器的250mL圆底烧瓶中。将混合物用氩气鼓泡至少20分钟以除去氧气,然后在65℃下搅拌24h以使单体聚合。聚合后,用28mL二氧六环稀释7.78mL的浓盐酸后加入上述聚合反应体系中,并在90℃下回流,继续反应另外24h。最后,产物用去离子水沉淀。将所得的弹性体在鼓风干燥箱中干燥24h后,继续在真空干燥箱中干燥至恒重。
实施例4:自修复聚丙烯酸酯弹性体的制备
首先将18.70g(0.146mol)的nBA,5.29g(0.0413mol)的tBA,0.5987g的AIBN溶解在50mL二氧六环中。然后将其倒入装有磁力搅拌器和球形冷凝器的250mL圆底烧瓶中。将混合物用氩气鼓泡至少20分钟以除去氧气,然后在65℃下搅拌24h以使单体聚合。聚合后,用109mL二氧六环稀释15.87mL的浓盐酸后加入上述聚合反应体系中,并在90℃下回流,继续反应另外24h。最后,产物用去离子水沉淀。将所得的弹性体在鼓风干燥箱中干燥24h后,继续在真空干燥箱中干燥至恒重。
实施例5:自修复聚丙烯酸酯弹性体的制备
首先将18.70g(0.146mol)的nBA,5.29g(0.0413mol)的tBA,0.7982g的AIBN溶解在50mL二氧六环中。然后将其倒入装有磁力搅拌器和球形冷凝器的250mL圆底烧瓶中。将混合物用氩气鼓泡至少20分钟以除去氧气,然后在70℃下搅拌过夜以使单体聚合。聚合后,用109mL二氧六环稀释15.87mL的浓盐酸后加入上述聚合反应体系中,并在90℃下回流,继续反应24h。最后,产物用去离子水沉淀。将所得的弹性体在鼓风干燥箱中干燥24h后,继续在真空干燥箱中干燥至恒重。
实施例6:自修复聚丙烯酸酯弹性体的制备
首先将18.70g(0.146mol)的nBA,5.29g(0.0413mol)的tBA,0.7982g的AIBN溶解在50mL二氧六环中。然后将其倒入装有磁力搅拌器和球形冷凝器的250mL圆底烧瓶中。将混合物用氩气鼓泡至少20分钟以除去氧气,然后在65℃下搅拌24h以使单体聚合。聚合后,将共聚物沉淀出来,同时加入浓度为6.5mol/L、含溶质三氟乙酸9.42g(0.0826mol)的二氧六环溶液,在30℃下反应48h。反应结束后将剩余三氟乙酸旋干,产物用去离子水沉淀。将所得的弹性体在鼓风干燥箱中干燥24h后,继续在真空干燥箱中干燥至恒重。
实施例7:自修复聚丙烯酸酯弹性体的制备
首先将21.70g(0.169mol)的nBA,2.29g(0.0179mol)的tBA,0.5987g的AIBN溶解在50mL二氧六环中。然后将其倒入装有磁力搅拌器和球形冷凝器的250mL圆底烧瓶中。将混合物用氩气鼓泡至少20分钟以除去氧气,然后在60℃下搅拌24h以使单体聚合。聚合后,将共聚物沉淀出来,同时加入浓度为4mol/L、含溶质三氟乙酸4.08g(0.0358mol)的二氧六环溶液,在30℃下反应48h。反应结束后将剩余三氟乙酸旋干,产物用去离子水沉淀。将所得的弹性体在鼓风干燥箱中干燥24h后,继续在真空干燥箱中干燥至恒重。
Claims (8)
1.一种机械性能可调的荧光热塑性聚丙烯酸酯弹性体,其特征在于:以丙烯酸正丁酯nBA和丙烯酸叔丁酯tBA作为单体共聚得到无规共聚物,水解反应实现叔丁基向羧基的转化,在不含传统发色基团的情况下,紫外灯照射时该弹性体在溶液和固体状态下均显示出荧光发射性质;所述丙烯酸正丁酯nBA和丙烯酸叔丁酯tBA的摩尔比8︰1~3︰1。
2.一种制备权利要求1所述机械性能可调的荧光热塑性聚丙烯酸酯弹性体的方法,其特征在于步骤如下:
步骤1、丙烯酸正丁酯和丙烯酸叔丁酯的共聚:将丙烯酸正丁酯和丙烯酸叔丁酯按摩尔比混合,加入溶解有引发剂的有机溶剂中,在惰性气体N2或Ar氛围下,温度55~80℃下进行自由基共聚,反应8~16h得到无规共聚物;
步骤2、共聚物的水解反应:将无规共聚物纯化后,加入酸反应16~24h,水解反应实现叔丁基向羧基的转化,然后用去离子水沉淀得到机械性能可调的荧光热塑性聚丙烯酸酯弹性体。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述自由基共聚采用普通自由基聚合或活性自由基聚合。
4.根据权利要求2或3所述的方法,其特征在于:所述引发剂包括偶氮二异丁腈AIBN、过氧化二苯甲酰BPO、偶氮二异庚腈ABVN或偶氮二异丁酸二甲酯AIBME。
5.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述酸为三氟乙酸或盐酸。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:所述三氟乙酸的浓度范围为4.0~7.0mol/L。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:所述盐酸的浓度范围为0.7~1.5mol/L。
8.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述有机溶剂是二氧六环或N,N-二甲基甲酰胺。
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