表面引发自由基聚合法制备润湿性可控的聚离子液体刷

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表面润湿性是固体表面的重要特征之一,对自然界中动、植物的种种生命活动,人类的日常生活及工、农业生产具有重要的影响。众所周知,表面润湿性由固体表面自由能和表面粗糙度的大小来决定。目前,关于超疏水性材料的构筑已经有很多研究,方法已渐成熟,但具有动态可控性质的表面设计研究才刚刚起步,而表面润湿性动态可控的可逆超疏水/超亲水性材料由于可以对外部刺激做出精确和可预测的改变和调控,在刺激响应器件、自清洁表面、液体微球操纵器、变焦镜头等方面具有巨大的应用潜能,所以,寻求操作简便,易于工业推广,膜稳定性高,结构和粗糙度可控,可逆性好的超疏水/超亲水性可逆转换材料仍然是表面材料科学中最有挑战性的课题。控制表面润湿性的方法有很多,如机械表面形貌变化法,它通过控制表面粗糙度来实现润湿性的调控,而通过改变表面自由能来调控材料的润湿性能则主要是通过在材料表面涂覆或接枝有机聚合物层,通过控制有机聚合物层的构成来实现润湿性的调控。表面接枝法通过在基底表面形成以牢固的化学键相结合的端接枝聚合物层而备受关注。其中表面引发自由基聚合反应能够在固体基底表面形成高度取向、结合牢固、高密度的聚合物层,薄膜层分布均匀、便于纳微图形化和加工成型,并且薄膜厚度可在分子水平上方便地调控,从而大大拓宽了聚合物的应用领域。聚离子液体由于其结构特点,成为实现表面润湿性可逆调节的首选结构单元之一,利用表面引发聚合反应将功能离子液体单元引入到材料表面,然后通过选择适当的对离子来调节材料表面的润湿性变化。本文利用表面引发自由基聚合反应,在不同的材料基底表面引入不同的聚离子液体刷,再通过对离子转换实现固体表面的亲疏水转换。这些新型的润湿性可控的功能材料鲜有报道,具有广阔的应用前景。首先合成了一种新的离子液单体烯丙基三苯基六氟磷酸鏻,根据文献合成出离子液单体1-(4-乙烯基苄基-)-3-丁基咪唑六氟磷酸盐,并用核磁共振波谱等技术手段进行了表征。以1-(4-乙烯基苄基))-3-丁基咪唑六氟磷酸盐为单体,2-溴-2-甲基-N-(3-(三甲氧基硅基)丙基)丙酰胺为表面引发剂,以SmCl3为催化剂,乳酸为配体,AIBN为自由基引发剂,DMF为溶剂,利用RATRP法在铜基底表面接枝了聚离子液体刷;以烯丙基三苯基六氟磷酸鏻为单体,2-溴-2-甲基-N-(3-(三乙氧基硅基)丙基)丙酰胺(BTPAm)为表面引发剂,TEMPO为氮氧自由基引发剂,环己酮为溶剂,利用表面引发NMP法在硅基底表面接枝了聚离子液体刷;以1-(4-乙烯基苄基))-3-丁基咪唑六氟磷酸盐为单体,2-溴-2-甲基-N-(3-(三乙氧基硅基)丙基)丙酰胺为表面引发剂,TEMPO为氮氧自由基引发剂,二甲苯为溶剂,利用NMP法在硅基底表面接枝了聚离子液体刷。利用X-射线光电子能谱(XPS)、接触角仪、椭圆偏光仪、原子力显微镜(AFM)、核磁共振波谱(1H和13C NMR)和凝胶渗透色谱(GPC)分别对它们进行了表征。动力学研究表明,无论利用哪种方法,聚合物刷的厚度均随聚合时间的增长呈线性关系,由此证明了聚离子液体刷在材料表面的增长是可控的活性聚合。此外,通过简单的对阴离子交换,成功实现了材料表面亲疏水性的可逆转换。
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