CN114735943B - 聚(3-环己基丙酸烯丙酯)纳米刷的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料表面改性技术领域,公开了聚(3‑环己基丙酸烯丙酯)纳米刷的制备方法。本发明在基板表面改性接枝引发剂,采用原子转移自由基聚合法制备以聚(3‑环己基丙酸烯丙酯)分子长链,在加热作用下聚合物单体在基板表面上发生聚合形成聚(3‑环己基丙酸烯丙酯)纳米刷。改性后玻璃材料表面的疏水性有效提高,疏水层稳定不易脱落。本发明操作工艺简易,接枝效果明显,所使用原料皆为市售品,不需经过复杂的提纯过程即可使用,且价格低廉,容易获得;接枝后的平板玻璃或玻纤制品可应用于复合材料中树脂与玻璃之间的粘结性能,也可用于医疗领域玻璃器皿的改性,或制备超疏水性薄膜,具有广阔的工业化应用前景。
Description
技术领域
本发明属于材料表面改性技术领域,特别涉及聚(3-环己基丙酸烯丙酯)纳米刷的制备方法。
背景技术
玻璃材料在医药、建筑、纺织、消杀等领域具有广泛的应用,是科学技术和日常生活中的重要材料。有些领域在实际应用当中对材料的疏水性要求很高。在医药行业,医用注射制剂大多由玻璃器皿保存,玻璃由于材料表面的亲水性导致药品制剂对玻璃表面进行腐蚀或者成分置换,不利于药品制剂的稳定;泪液里蛋白、细菌等在隐形眼镜表面的吸附会造成镜面腐蚀而刮伤眼角膜,导致眼睛刺激流泪、角膜发炎;在生物技术研究中,亲水性会带来核糖核酸等生物大分子的非特异性吸附,如抗体或抗原在96孔板的吸附会导致检测精度下降,核酸在色谱玻璃介质上的非特异性吸附会导致样品失活和损失,需要通过改性使其疏水性得到进一步提高;疏水作用是材料对杂质非特异性吸附的最主要因素(Journal ofcolloid and interfaceScience,1989,132:176-187),增加材料的疏水性将会大大降低杂质的吸附量,因此对亲水材料进行表面疏水改性是一种降低杂质非特异性吸附的理想方法。其中应用较为广泛的表面疏水性改性方法有聚丙烯酸薄膜、聚乙烯醇薄膜等。中国专利申请201810526820.2中所公开的聚丙烯酸薄膜利用静电纺丝和溶剂蒸汽处理制备纳米改性薄膜,具有形貌完整,孔径结构分布均一等特点,但其制备方法要求较高,疏水性较差,且改性薄膜在表面稳定性不高等问题限制了其应用。中国专利申请202110349918.7公开的聚乙烯醇薄膜强度较低,实用性较低。聚苯乙烯薄膜相比其他几种方法具有结构可控,没有交联剂残留,疏水性较好等优点,中国专利申请201110155872.1中所公开的氧化还原方法在玻璃表面接枝聚合物的方法可以在玻璃表面接枝高疏水性的聚苯乙烯薄膜,但其不足点在于苯乙烯味道难闻、稳定性差、且分子量和薄膜厚度控制性不好等缺点,限制了其应用。
发明内容
针对以上各种表面改性技术所面临的问题,本发明采用聚合物纳米刷来取代以往的薄膜材料,解决了薄膜体系可控性差、疏水性低、味道难闻、稳定性弱的问题。在现有的聚合物材料纳米刷技术中,大多是以甲醛作为交联剂固化作为纳米刷基材,也出现了部分以多醛类化合物作为交联剂的研究,但这部分研究都采用了毒性较大的助剂。本发明以表面接枝聚(3-环己基丙酸烯丙酯)为纳米刷基材主体,取代了传统的合成类化合物,无交联剂和助剂,大大降低了由交联剂和助剂所带来的毒性,原料生物相容性高,气味怡人,成功制备出了聚合物材料纳米刷来改进材料表面的疏水性,这也是第一次成功合成聚(3-环己基丙酸烯丙酯)薄膜。
本发明的目的在于提供一种聚(3-环己基丙酸烯丙酯)纳米刷的制备方法,采用简单的工艺,以生物相容性高的单体,通过表面接枝原子转移自由基聚合,获得良好的可控厚度和物理性质的疏水性纳米刷效果,解决了现有工艺复杂,污染重,难于实现工业化生产的缺陷,避免甲醛等交联剂或者助剂等有毒物质。
聚(3-环己基丙酸烯丙酯)纳米刷的制备方法,其特征包括如下步骤:
(1)将基板表面进行处理,并在基板上接枝原子转移自由基聚合引发剂;
切割好的玻璃样品先用浓硫酸浸泡,再用氢氧化钠溶液浸泡,取出,去离子水洗涤后用氮气流吹干;
然后将玻璃片浸入苯/乙醇混合物中,取出,乙醇洗净,真空干燥,将玻璃样品放入装有冷凝器的烧瓶中;
再将引发剂和吡啶的混合物混入二氯甲烷中并添加到烧瓶中,在惰性氮气氛保护下加热回流,然后将玻璃片基板取出,在超声波浴中用二氯甲烷和四氢呋喃超声,用乙醇萃取以完全去除未反应的原料,真空干燥;
(2)加入3-环己基丙酸烯丙酯单体和原子转移自由基聚合助剂;
将步骤(1)处理后的玻璃片置于装有夹套的三颈烧瓶中,向其中加入含有以下成分的混合物:3-环己基丙酸烯丙酯单体,原子转移自由基聚合助剂溴化亚铜和三(2-吡啶基甲基)胺和溶剂二甲基甲酰胺;
(3)将步骤(2)所得的物质先用冷冻-解冻-冷冻方法脱气,然后在惰性气体保护条件下,将温度升高至65-75℃恒温反应3-15小时,可以得到聚(3-环己基丙酸烯丙酯)纳米刷。
进一步地,
步骤(1)中,浓硫酸浸泡的时间为2小时;氢氧化钠溶液浸泡的时间为15分钟,氢氧化钠溶液的浓度为0.1mol/L;
苯/乙醇混合物中,苯和乙醇的体积比为2:1,浸入时间为8小时;
所述引发剂为2-溴异丁酰溴;2-溴异丁酰溴与吡啶的混合物、二氯甲烷的用量比为0.1g:4g,其中,2-溴异丁酰溴:吡啶的质量比为1:1。
加热回流的温度为58℃,时间为1小时;
在超声波浴中用二氯甲烷和四氢呋喃超声时间为10分钟,
用乙醇萃取时间为5小时;
所述真空干燥的温度均为80℃,时间为24小时。
进一步地,步骤(2)中,3-环己基丙酸烯丙酯单体、溴化亚铜、三(2-吡啶基甲基)胺和二甲基甲酰胺的用量比例为:0.06mol:0.20mmol:0.40mmol:0.20mol;
本发明制备的以聚(3-环己基丙酸烯丙酯)为基材的纳米刷,包括玻璃片和聚(3-环己基丙酸烯丙酯),其中,聚(3-环己基丙酸烯丙酯)的厚度为2-20nm。
将本发明制备的以聚(3-环己基丙酸烯丙酯)为基材的纳米刷用于制备疏水性薄膜。
本发明以原子转移自由基聚合反应形成纳米刷,在基板表面改性接枝引发剂,采用原子转移自由基聚合法制备以聚(3-环己基丙酸烯丙酯)分子长链,在加热作用下聚合物单体在基板表面上发生聚合形成聚(3-环己基丙酸烯丙酯)纳米刷。原子转移自由基聚合法原理如下:3-环己基丙酸烯丙酯单体具有碳碳双键基团,使用了2-溴异丁酰溴作引发剂,聚合助剂中溴化亚铜作为催化剂,三(2-吡啶基甲基)胺作为助催化剂,单体在基板上被引发剂引发聚合,由原子转移自由基聚合助剂辅助,有效地抑止了自由基双基终止反应,形成可休眠的活性种参与反应,整体形成一个活性聚合系统使得自由基聚合能够高效进行制备聚合物的方法。这种方法所制备的聚(3-环己基丙酸烯丙酯)为分子量和末端基团可控,分子量分布均一,纳米刷的厚度和结构可控性高。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明以3-环己基丙酸烯丙酯作为单体制备聚合物纳米刷,基板表面接枝高分子疏水性聚合物,其疏水性高,有空隙网络结构,聚合物单体原料生物相容性高,适合用于医药等用途的玻璃器皿的表面改性。
(2)本发明使用聚3-环己基丙酸烯丙酯作为纳米刷基材,环境友好,无甲醛等高毒性交联剂,无传统方法中所采用的有机金属类助剂(二月桂酸二丁基锡等)的加入,有效避免了纳米刷中甲醛及其他毒性化合物残留的问题。
(3)本发明中的方法属于表面引发活性自由基聚合,操作工艺简易,接枝效果明显,所使用原料皆为市售品,不需经过复杂的提纯过程即可使用,且价格低廉,容易获得,生产工艺高度可控。采用原子转移自由基聚合反应机理进行接枝,理论成熟;所制备出的纳米刷具有厚度均匀、包载率高、稳定性好等优点。
以聚合物为基材的纳米刷可应用于增强复合材料比如树脂与玻璃之间的粘结性能,以及减少玻璃表面亲水性过高带来的负面影响,具有广阔的工业化应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1的聚3-环己基丙酸烯丙酯纳米刷制备示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。以下所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明方法的前提下,还可以做出若干改进和补充,这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
实施例1
切割好的玻璃样品用浓硫酸浸泡2小时,再用0.1mol/L氢氧化钠溶液浸泡15分钟,去离子水洗涤2遍后用氮气流吹干。然后将玻璃片浸入苯/乙醇混合物(苯:乙醇体积比=2:1)8小时,用乙醇洗净后,在80℃真空干燥24小时,将玻璃样品放入装有冷凝器的10mL烧瓶中。再将0.1克2-溴异丁酰溴与吡啶的混合物(2-溴异丁酰溴:吡啶质量比=1:1)混入4g二氯甲烷添加到烧瓶中,在惰性氮气氛保护下加热至58℃反应1小时。然后将玻璃片基板取出,在超声波浴中用二氯甲烷和四氢呋喃超声10分钟,用乙醇萃取5小时以完全去除未反应的原料,将提取的玻璃片在80℃高温真空烘干24小时。
将处理后的玻璃片置于装有夹套的三颈烧瓶中,向其中加入含有以下成分的混合物:3-环己基丙酸烯丙酯单体(11.76g,0.06mol),溴化亚铜(0.03g,0.20mmol),三(2-吡啶基甲基)胺(0.12g,0.40mmol)和二甲基甲酰胺(15g,0.20mol)。
反应液用冷冻-解冻-冷冻方法脱气,再用氩气吹扫45分钟,将反应混合物加热至70℃恒温反应,定期取样以跟踪反应转化率并检查聚合物的分子量(Mw)和分子量分布指数(Mw/Mn)。聚合物反应液通过带有中性氧化铝柱纯化。反应完后,打开烧瓶暴露终止反应。在四氢呋喃中超声清洗3分钟样品,用乙醇进行提取7小时完全去除未反应的原料。样品在70℃真空干燥24小时后,再运用水/甲醇混合物沉淀进行纯化,然后在抽真空干燥,得到聚(3-环己基丙酸烯丙酯)纳米刷。
聚(3-环己基丙酸烯丙酯)纳米刷溶入氘代二甲亚砜后,通过质子核磁共振表征,其结果为:峰位1.20(t,5H,4Beta-H和1Gamma-H),1.40(d,1H,Gamma-H),1.65(d,2H,Alpha-H),3.32(s,1H,CHO),4.12(s,2H,OCH2CO),4.59(d,2H,COOCH2),5.22(d,1H,J=11.5Hz),5.33(d,1H,J=16Hz),5.92(m,1H,RHC=),纳米刷的分子量由凝胶渗透色谱技术进行表征,纳米刷的厚度运用椭圆偏振技术进行表征,实验结果列于表1中。
表1.
从表1可以看出,聚(3-环己基丙酸烯丙酯)已经成功接枝到玻璃表面,分子链分子量随着聚合时间而逐渐增加,纳米刷也在随着聚合时间逐渐增厚,表明聚(3-环己基丙酸烯丙酯)通过表面接枝原子转移自由基聚合成功合成,同时可以很好的控制分子量和分子量分布。
实施例2
切割好的玻璃样品用浓硫酸浸泡2小时,再用0.1mol/L氢氧化钠溶液浸泡15分钟,去离子水洗涤2遍后用氮气流吹干。然后将玻璃片浸入苯/乙醇混合物(苯:乙醇体积比=2:1)8小时,用乙醇洗净后,在80℃真空干燥24小时,将玻璃样品放入装有冷凝器的10mL烧瓶中。再将0.1克2-溴异丁酰溴与吡啶的混合物(2-溴异丁酰溴:吡啶质量比=1:1)混入4g二氯甲烷添加到烧瓶中,在惰性氮气氛保护下加热至58℃反应1小时。然后将玻璃片基板取出,在超声波浴中用二氯甲烷和四氢呋喃超声10分钟,用乙醇萃取5小时以完全去除未反应的原料,将提取的玻璃片在80℃高温真空烘干24小时。
将处理后的玻璃片置于装有夹套的三颈烧瓶中,向其中加入含有以下成分的混合物:3-环己基丙酸烯丙酯单体(11.76g,0.06mol),溴化亚铜(0.03g,0.20mmol),三(2-吡啶基甲基)胺(0.12g,0.40mmol)和二甲基甲酰胺(15g,0.20mol)。
反应液用冷冻-解冻-冷冻方法脱气,再用氩气吹扫45分钟,将反应混合物加热至65℃恒温反应,定期取样以跟踪反应转化率并检查聚合物的分子量(Mw)和分子量分布指数(Mw/Mn)。聚合物反应液通过带有中性氧化铝柱纯化。反应完后,打开烧瓶暴露终止反应。在四氢呋喃中超声清洗3分钟样品,用乙醇进行提取7小时完全去除未反应的原料。样品在70℃真空干燥24小时后,再运用水/甲醇混合物沉淀进行纯化,然后在抽真空干燥,得到聚(3-环己基丙酸烯丙酯)纳米刷。
实施例3
切割好的玻璃样品用浓硫酸浸泡2小时,再用0.1mol/L氢氧化钠溶液浸泡15分钟,去离子水洗涤2遍后用氮气流吹干。然后将玻璃片浸入苯/乙醇混合物(苯:乙醇体积比=2:1)8小时,用乙醇洗净后,在80℃真空干燥24小时,将玻璃样品放入装有冷凝器的10mL烧瓶中。再将0.1克2-溴异丁酰溴与吡啶的混合物(2-溴异丁酰溴:吡啶质量比=1:1)混入4g二氯甲烷添加到烧瓶中,在惰性氮气氛保护下加热至58℃反应1小时。然后将玻璃片基板取出,在超声波浴中用二氯甲烷和四氢呋喃超声10分钟,用乙醇萃取5小时以完全去除未反应的原料,将提取的玻璃片在80℃高温真空烘干24小时。
将处理后的玻璃片置于装有夹套的三颈烧瓶中,向其中加入含有以下成分的混合物:3-环己基丙酸烯丙酯单体(11.76g,0.06mol),溴化亚铜(0.03g,0.20mmol),三(2-吡啶基甲基)胺(0.12g,0.40mmol)和二甲基甲酰胺(15g,0.20mol)。
反应液用冷冻-解冻-冷冻方法脱气,再用氩气吹扫45分钟,将反应混合物加热至75℃恒温反应,定期取样以跟踪反应转化率并检查聚合物的分子量(Mw)和分子量分布指数(Mw/Mn)。聚合物反应液通过带有中性氧化铝柱纯化。反应完后,打开烧瓶暴露终止反应。在四氢呋喃中超声清洗3分钟样品,用乙醇进行提取7小时完全去除未反应的原料。样品在70℃真空干燥24小时后,再运用水/甲醇混合物沉淀进行纯化,然后在抽真空干燥,得到聚(3-环己基丙酸烯丙酯)纳米刷。
Claims (8)
1.聚(3-环己基丙酸烯丙酯)纳米刷的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将基板表面进行处理,并在基板上接枝原子转移自由基聚合引发剂;
切割好的玻璃样品先用浓硫酸浸泡,再用氢氧化钠溶液浸泡,取出,去离子水洗涤后用氮气流吹干;
然后将玻璃片浸入苯/乙醇混合物中,取出,乙醇洗净,真空干燥,将玻璃样品放入装有冷凝器的烧瓶中;
再将引发剂和吡啶的混合物混入二氯甲烷中并添加到烧瓶中,在惰性氮气氛保护下加热回流,然后将玻璃片基板取出,在超声波浴中用二氯甲烷和四氢呋喃超声,用乙醇萃取以完全去除未反应的原料,真空干燥;
(2)加入3-环己基丙酸烯丙酯单体和原子转移自由基聚合助剂;
将步骤(1)处理后的玻璃片置于装有夹套的三颈烧瓶中,向其中加入含有以下成分的混合物:3-环己基丙酸烯丙酯单体,原子转移自由基聚合助剂溴化亚铜和三(2-吡啶基甲基)胺和溶剂二甲基甲酰胺;
(3)将步骤(2)所得的物质先用冷冻-解冻-冷冻方法脱气,然后在惰性气体保护条件下,将温度升高至65-75℃恒温反应3-15小时,可以得到聚(3-环己基丙酸烯丙酯)纳米刷。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,浓硫酸浸泡的时间为2小时;氢氧化钠溶液浸泡的时间为15分钟,氢氧化钠溶液的浓度为0.1mol/L;苯/乙醇混合物中,苯和乙醇的体积比为2:1,浸入时间为8小时。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述引发剂为2-溴异丁酰溴;2-溴异丁酰溴与吡啶的混合物、二氯甲烷的用量比为0.1g:4g,其中,2-溴异丁酰溴:吡啶的质量比为1:1。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,加热回流的温度为58℃,时间为1小时。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,在超声波浴中用二氯甲烷和四氢呋喃超声时间为10分钟,用乙醇萃取时间为5小时;所述真空干燥的温度均为80℃,时间为24小时。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,3-环己基丙酸烯丙酯单体、溴化亚铜、三(2-吡啶基甲基)胺和二甲基甲酰胺的用量比例为:0.06mol:0.20mmol:0.40mmol:0.20mol。
7.如权利要求1~6任一项所述制备方法制得的聚(3-环己基丙酸烯丙酯)纳米刷,其特征在于,包括玻璃片和聚(3-环己基丙酸烯丙酯),其中,聚(3-环己基丙酸烯丙酯)的厚度为2-20nm。
8.将权利要求7所述的聚(3-环己基丙酸烯丙酯)纳米刷用于制备疏水性薄膜。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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