维普资讯 http://www.cqvip.com 第33卷第1期 北京化工大学学报 Vo1.33,No.1 2006焦 JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF CHEMICAL TECHN0LOGY 2006 聚乙烯醇.b.聚苯乙烯嵌段星形聚合物的制备 陈雪生 石 艳 黄启谷付志峰 (北京化工大学北京市新型高分子材料制备与加工重点实验室。北京 100029) 摘要:通过CCh调聚反应制备出了末端带有氯原子的聚醋酸乙烯酯(PvAc),进一步引发苯乙烯原子转移自由 基聚合得到聚醋酸乙烯酯一 聚苯乙烯嵌段共聚物(PVAc—b—PSt),此嵌段共聚物与偶联剂二乙烯基苯反应后醇解。 得到了聚乙烯醇一b-聚苯乙烯星形嵌段共聚物(PVA—b—PSt) 。分别以GPC, H.NMR及盯一IR对各步反应产物进 行了表征。聚醋酸乙烯酯比较完全地引发苯乙烯进行原子转移自由基聚合(ATRP),聚合物相对分子质量与单体转 化率呈线性关系,证明聚合过程为活性聚合;以二乙烯基苯偶联PVAc—b-PSt,得到了星形共聚物,并出现了星形共 聚物之间的偶合;醇解过程进行比较完全。 H—NMR及FT IR谱图表明酯基团已较完全地转变成羟基。 关键词:调聚反应;聚醋酸乙烯酯;原子转移自由基聚合;聚苯乙烯;星形聚合物 中圉分娄号:TQ 316.322;TQ 325.2 弓l 言 聚物(PVAc—b—PSt)。 本文通过以下几步反应制备出了两亲性星形共 星形聚合物是多个线性支链通过化学键连接到 聚物:(1)cch调聚反应制备出聚醋酸乙烯酯;(2) 同一个中心核上,各支链相对分子质量也无明显差 聚醋酸乙烯酯引发苯乙烯进行ATRP得到PvAc b 异的一类聚合物。它的一个明显特点是它的本体和 PSt大分子引发剂;(3)以二乙烯基苯为偶联剂对 溶液黏度比相同相对分子质量的线形聚合物要低得 PVAc—b—PSt大分子引发剂进行偶联制备出聚醋酸 多,所以它们广泛地用作涂料中的流变调节剂、压敏 乙烯酯一b一聚苯乙烯嵌段星形共聚物(PVAc—b— 粘合剂和热塑性弹性体等。两亲性星形聚合物具有 PSt) ;(4)(PVAc—b—PSt) 醇解[”]得到(PVA-b— 特殊的微观相组成及溶液性能,以前主要通过阴离 PSt) ,所得聚合物为一种两亲性的星形共聚物。 子聚合的方法来制备两亲性星形聚合物[卜引。活性 自由基聚合克服了阴离子聚合制备星形聚合物方法 1 实验部分 单一、反应条件苛刻的缺陷,以其反应条件温和、适 1.1原料 用单体范围较广而成为制备星形聚合物较好的方 四氯化碳(北京化工实验厂)、醋酸乙烯酯(北京 法I41 9l。采用活性自由基聚合方法来制备两亲性星 化工实验厂)、苯乙烯(北京燕山石化)、二乙烯基苯 形聚合物已有报道[4 ],但是由于醋酸乙烯酯难于 (DVB,北京化工厂)均经常压或减压蒸馏,收集中间 实现活性自由基聚合。一般采用普通自由基聚合的 馏分使用;偶氮二异丁腈(AIBN,北京化工厂),用乙 方法,因而,未见有关聚乙烯醇一聚苯乙烯两亲性嵌 醇进行重结晶;氯化亚铜(上海振兴试剂厂)用稀醋 段星形共聚物(PVA—b—PSt) 的报道。Boutevin B 酸浸泡三次,过滤后用丙酮洗涤,真空干燥;2,2 一联 等[10-11]和应圣康等[12]分别报道了以氯仿和四氯化 吡啶(bipy,北京石鹰化工厂)未经精制,直接使用。 碳作为链转移剂进行调聚反应制备聚醋酸乙烯酯, 1.2醋酸乙烯酯的调聚反应 进一步引发苯乙烯进行原子转移自由基聚合(A— 向装有温度计、回流冷凝管、氮气导管以及磁力 TRP),均得到了聚醋酸乙烯酯 b一聚苯乙烯嵌段共 搅拌器的250 mL三口瓶中依次加入偶氮二异丁腈 (0.24g)、四氯化碳(6mL)和醋酸乙烯酯(80g),缓 收稿日期:2005—05—23 慢搅拌使偶氮二异丁腈溶解,通氮气15 min后升温 第一作者:男,1979年生。硕士生 至60℃,并在此温度下反应2h。降温后将反应液倒 *通讯联系人 E—mail:shiyannewt ̄sina.t om.cn 入冷的石油醚,所得沉淀产物于室温下在真空干燥 箱中干燥至恒质量。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 陈雪生等:聚乙烯醇.b一聚苯乙烯嵌段星形聚合物的制备 ・ 55 ・ 1.3 PVAc.b.PSt嵌段共聚物的合成 向装有磁力搅拌和抽真空、冲氩气装置的100 mL两口瓶中加入上面得到的的聚醋酸乙烯酯、苯 乙烯、二甲苯、CuC1及bipy。密封后,反复抽真空、以 及充氩气五次。将两口瓶移至预先加热至130℃的 油浴中,在预定时间用注射器从反应体系中取样,跟 踪单体转化率和聚合物相对分子质量的变化。反应 结束后,聚合物溶液通过装有氧化铝的玻璃柱以除去 cuCl和bipy,用5~8倍体积的甲醇进行沉淀,所得沉 淀产物过滤后于室温真空干燥箱中干燥至恒质量。 1.4星形嵌段共聚物的合成 除用PVAc—b—PSt嵌段共聚合物代替聚醋酸乙 烯酯、DVB代替苯乙烯外,其它与1.3类似。 1.5醇解 向装有恒压滴液漏斗、回流冷凝管、氮气导管及 磁力搅拌的250 mL三口瓶中加入PVAc—b—PSt或 者(PvAc—b PSt) ,加入四氢呋喃并在氮气保护下 缓慢搅拌使聚合物溶解。待共聚物完全溶解后,升 高水浴温度并维持在60℃,开始缓慢滴加25% KOH的甲醇溶液,待滴加完毕后,在60℃继续反应 1 h。用甲醇进行沉淀,所得沉淀产物过滤后于室温 下在真空干燥箱中干燥至恒质量。 1.6测试 单体转化率通过称重法测定。聚合物的分子量 及分子量分布通过凝胶渗透色谱(GPC)测定,仪器 由Waters HPLC515泵,三根styralgel柱HT4、HR3 和HR1串联及Waters 2410示差检测器组成,测试 温度为30℃,流动相为四氢呋喃,流速为1.0 mE/ min,用单分散聚苯乙烯标样对色谱柱进行校正。 H—NMR谱图由Bruker AV600一MHz核磁共振仪测 定,FT—IR谱图由Nicolet 210红外测定仪测定。 2 结果与讨论 按照调聚反应机理【1],在本文所用体系及反应 条件下,所得聚醋酸乙烯酯应具有如图1分子结构。 图2是cc14作为调聚剂所得聚醋酸乙烯酯样 cc. c c 一 l l l g s g 图1调聚反应制备PVAe的分子结构 Fig.1 Molecular structure of PVAe from telomerization 品的 H.NMR谱图。图中 =1.9~2.1处的化学 位移峰对应于甲基上的氢原子; =2.8~3.2及 1.6~1.9处的化学位移峰分别对应于a (C13CCH2CH一)及C+e(一CHCH2CH一)+(一 CHCH2CH(OAc)a)亚甲基上的氢原子; =5.3~ 5.5,4.8~5.1,6.3~6.5处的化学位移峰分别对应 于b(C13CCHzCH(OAc)CHz--),d(一 CH2CHCH2一),f(一CH2CH(()Ac)C1)次甲基上的氢 原子。从图中可以看出a、b、f三处的峰面积之比为 2:1:1,这与上面预测的分子结构一致。利用a、d两 处的峰面积比1:6,可用下式求得聚合物的相对分 子质量为M .NMR=1400。 /,)A \ M ,NMR 【 +2 J×MVAc+Mccl, 式中:A ,Ad分别为a,d两处的峰面积;MvAc为醋 酸乙烯酯的相对分子质量;Mcc1.为cc14的相对分 子质量。 g ” 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.5 图2聚醋酸乙烯酯的0H—NMR谱图 Fig.2 H-NMR spectrum of PVAc 调聚反应得到的聚醋酸乙烯酯大分子链末端为 三氯甲基,可以作为原子转移自由基聚合的引发剂 进一步引发苯乙烯单体,聚合过程采用的催化剂体 系为CuC1/bipy。聚合温度为130℃。图3为不同时 间样品直接稀释后进行测定所得GPC谱图的叠加 结果。从图中可以看出,随着聚合反应时间的增加, 聚合物的分子量增加,并且相对分子质量始终呈现 单峰分布,没有大分子引发剂的残留,表明大分子引 发剂已经完全地引发苯乙烯的ATRP,得到了预期 的嵌段聚合物。图4为GPC测得数均相对分子质 量与苯乙烯单体转化率之间的关系。可以看出,聚 合物的数均相对分子质量随着单体转化率的增加而 增加,在转化率较低时实际相对分子质量(M .GPc) 与理论相对分子质量(M )相符,相对分子质量与 单体转化率呈线性关系,表明聚合过程为活性聚合。 图5为聚醋酸乙烯酯大分子引发剂引发苯乙烯A一 维普资讯 http://www.cqvip.com ・56・ 北京化工大学学报 2006钜 TRP所得嵌段聚合物的 H—NMR图,可以看到图2 中2.8~3.2处对应于(C13CCH2CH一)亚甲基氢的化 学位移在图5已经消失,同时图5中在4.5处出现 了新的化学位移,它对应于苯乙烯单元末端的质子, 这表明大分子引发剂的确完全地引发了苯乙烯的 ATRP 15 20 25 淋洗时间/arin [PVAe.c1]0 [CuC1]0=[bipy]0/2=[苯乙烯]0/92=0.04mol/L 图3大分子引发剂引发苯乙烯ATRP进行到不同 时间所得聚合物的GPC曲线比较 Fig.3 GPC traces of block copolymer for ATRP initiated by PVAe macroinitiator 图4大分子引发剂引发苯乙烯ATRP所得聚合物 相对分子质量与转化率之间的关系 Fig.4 Dependence of conversion on number average molec. ular weight of block copolynler for ATRP of St initi ated by PVAe maeroinitiator 以上得到的聚醋酸乙烯酯一b~聚苯乙烯嵌段共 聚物作为大分子引发剂,加入DVB,在CuC1/bipy存 在下,可以进行ATRP,并具有活性聚合的特征,遵 循如下反应过程:由于开始阶段DVB浓度较高,首 先嵌段共聚物大分子引发剂与DVB中的一个乙烯 基反应,在共聚物末端又增长出一段二乙烯基苯单 元;在这种二乙烯基苯短嵌段中,仍含有未反应的悬 挂双键,当二乙烯基苯单体因参与聚合而消耗至较 低浓度时,聚合物中二乙烯基苯单元中剩余的双键 开始与增长链自由基发生加成反应生成星形聚合 物。此过程可用图6表示。图7为星形聚合物制备 8 7 6 5 4 3 2 1 0 6 图5聚醋酸乙烯酯一b聚苯乙烯嵌段共聚物的 H-NMR谱图 Fig.5 H—NMR spectrum of PVAe—b-PSt polyn r linking 图6 DVB偶联制备星形聚合物的过程 Fig.6 Synthesis of star—shaped polymer with DVB as coupling reagent 58 960 l5 20 25 30 淋洗时间/min [PVAc—PStCI]0=[CuCI]0=[bipy]0/3=[DVB]0/6=0.02mol/L 图7聚醋酸乙烯酯 b.聚苯乙烯嵌段聚合物大分子引发 剂引发二乙烯基苯ATRP进行到不同时间所得聚 合物的GPC曲线比较 Fig.7 GPC traces of star-shaped copolymer for ATRP initi— ated by PVAc..b--PSt maeroinitiator 过程中反应至不同时间的GPC曲线。从图7中 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 陈雪生等:聚乙烯醇.b 聚苯乙烯嵌段星形聚合物的制备 ・57・ GPC曲线的变化可以看出在从反应开始到9 h的时 间内线形聚合物不断偶联形成星形聚合物;生成的 星形聚合物其核中仍存在未反应完全的双键。这就 使星与星之间的偶合成为可能,从图7中可以看到 在反应超过9 h后,星形聚合物开始偶联形成了臂 数更高的星形聚合物。 图8为PVA-b—PSt的 H—NMR谱图,图中已经 不存在对应于主链上醋酸乙烯酯单元次甲基氧原子 8 7 6 5 4 3 2 l 0 图8聚乙烯醇.b 聚苯乙烯嵌段共聚物的 H.NMR谱图 Fig.8 H.NMR spectrum of PVA-b—PSt 的4.8处的化学位移,在3.7处出现了新的化学位 移,它对应于与羟基相邻的质子,表明酯基团已完全 转变成羟基,醇解过程进行的很完全;其它化学位移 及峰的相对大小未发生明显变化,表明共聚物在醇 解过程中比较稳定。采用与嵌段共聚物相同的醇解 条件对星形嵌段共聚物进行醇解,图9为醇解前后 星形嵌段共聚物的FT—IR谱图,从醇解前的红外图 中可以看到有明显的羟基峰存在,这是由于产物在 精制过程中使用了甲醇作为沉淀剂,一部分甲醇通 图9醇解前后聚醋酸乙烯酯一b一聚苯乙烯星形 嵌段聚合物的红外谱图 Fig.9 FT—IR spectra of star—shaped eopolymer before and after alcoholysis 过氢键与聚合物中的醋酸乙烯酯单元结合,在干燥 过程中难于除去;对比两图可以看到醇解前共聚物 中醋酸乙烯酯单元的C一0基团的特征峰在醇解 之后已经消失,这表明醇解过程进行的比较完全。 3 结论 通过调聚反应得到了一端为三氯甲基一端为氯 原子的PVAc,其引发苯乙烯ATRP得到了PVAc— b—PSt,GPC和 H—NMR谱图表明聚醋酸乙烯酯大分 子完全地转变为嵌段共聚物,聚合过程为活性聚合。 以二乙烯基苯偶联嵌段共聚物大分子引发剂得到星 形共聚物,并发生了星与星之间的偶合。PVAc—b— PSt醇解得到了两亲性嵌段共聚物, H—NMR谱图 表明醇解进行得比较完全,采用相同的方法对 (PVAc—b—PSt) 进行醇解,FT.IR谱图表明了C一 0完全转变成了羟基。 参考文献 [1]Tsitsilianis C.Phase behavior of heteroarm star copoly mers by differential scanning calorimetry[J].Macro. molecules,1993,26(11):2977 2980. [2]Ishizu Koji,Uchida Satoshi.Ordered lattice formation of (AB) type star copolymers[J].Polymer,1994,35 (22):4712—4716. [3]Shokyoku K,Chieko K,Satoru N,et a1.Synthesis and properties of amphiphilic arm.-or core・-functionalized star shaped polymers[J].Polymer Preprints,2002,43(1): 498 499. [4]An SungGuk,Cho ChangGi.Synthesis and characteifza— tion of star shape c ̄polmyers containing 4-arrrl PEG core and hyperbranched PS via ATRP[J].Polymer Preprints, 2002,43(2):259 260. [5]Feng XiaoShuang,Pan CaiYuan,Wang Jian.Synthesis 0f 6-armed amphiphilic block copolmyers with styrene and 2,3-dihydroxypropyl acrylate by atom transfer radical polmyerization[J].Macromolecular Chemistry and Physics,2001,202(17):3403—3409. [6]Cafine B,Christophe C,Bernadette C,Characterization of aqueous micellar solutions of amphiphilic block copoly— mers of poly(acrylic acid)and polystyrene prepared via A— TRP,Toward the control of the number of particles in emulsion polmyerization[J].Polmyer,2002,44(3): 509—518. [7]Back KyungYoul,Dichtel WilliamR,Frechet Jean M J. Synthesis of amphiphilie dibiock star polmyers with paila— 维普资讯 http://www.cqvip.com ・58・ 北京化工大学学报 2006焦 dium porphyrin cores[J].Polymer Preprints,2004,45 (1):1008—1009. [11]Destarac M,Pees B,Boutevin B.Radical telomerization of vinyl acetate with chloroform.Application to the syn・ [8]Zhang X,Xia J,Matyjaszewski K.End-functional poly (tert-butyl acrylate)star polmerys by controUed radica1 thesis of poly(vinyl acetate)一block-olpystyrene copoly— mers by consecutive telomerization and atom transfer polymetization[J].Mac唧n0I es,2000,33(7):2340— 2345. radical polmeryization[J].Macromol Chem Phys, 2000,201(11):1189~1199. [9]Xia JianHui,Zhang Xuan,Matyja ̄ewski K.Synthesis of star-shaped polystyrene by atom transfer radical poly・ [12] 应圣康,张永明,罗宁.一种AB型嵌段共聚物合成方 法及其制备的AB型嵌段共聚物;中华人民共和国, 97106509.8[P].1999—01—20. [13】 Cho ChangGi,Li GuangHua.Synthesis of poly(vinyl lcaohol-b-strene)blyock copolymer by consecutive merization using an”arm first”approach[J].Macro— moleculs,1999,32(13):4482—4484.e [10]Boutevin B.From tdomerization to living radical poly— merization[J].J Polm Scyi Part A,Polm Cheym。 2000。38(18):3235—3243. telomerization,ATRP and saponification[J].Polmery Preprints,2002,43(1):537—538. Synthesis of poly(vinyl alcoho1)-block-polystyrene star-shaped polymers CHEN Xue—sheng SHI Yan HUANG Qi—gu FU Zhi—feng (The Key Laboratory of Beijing City on Preparation and Processing of Novel Polymer Materials, 8eijig Uninversity of Chemical Technology,Beijig 100029,Chinna) Abstract:A star block copolymer was prepared by four steps:1.Through telomerization of vinyl acetate by te- trachloride carbon,poly(vinyl acetate)with chlorine atom in the end of macromolecules(PVAc CCls)was syn. thesized;2.The PVAc-CC13 Was used to initiate the polymerization of styrene to proceed atom transfer radical olpmeriyzation;3.The poly(vinyl acetate)-b-polystyrene was coupled with divinyl benzene to form the poly (vinyl acetate)一b-polystyrene star polymer(PVAc.b.PSt) ;4.Aloholcysis of(PVAc.b-PSt) formed the poly (vinyl alcoho1)-b-polystyrene star polmer(PVA-b.yPSt)n.The macromolecule products in all steps were ana— lyzed by GPC,1H NMR or FT—IR,and the results show that:almost all of poly(vinyl acetate)macromolecules have initiated the polmeryization of styrene,the living polmeryization is proved by the linear relationship be- tween monomer conversion and polmer ymolecular weight;in preparation of star polymer,the coupling of stars are observed;the complete aloholcysis of(PVAc.b.PSt) is proved by H NMR and FT-IR. Key words:telomerization;poly(vinyl acetate);atom transfer radical olpymerization;polystyrene;star-shaped polymer