stringtranslate.com

Привитой полимер

Определения ИЮПАК

Привитая макромолекула : Макромолекула с одним или несколькими видами блоков, присоединенных
к основной цепи в качестве боковых цепей, причем эти боковые цепи имеют структурные или конфигурационные
особенности, которые отличаются от особенностей основной цепи.


Макромолекула-гребенка : Макромолекула, состоящая из основной цепи с несколькими
трифункциональными точками разветвления, от каждой из которых отходит линейная боковая цепь.

Примечания

1. Если субцепи между точками разветвления основной цепи и концевыми
субцепями основной цепи идентичны по составу и степени
полимеризации, а боковые цепи идентичны по составу
и степени полимеризации, макромолекула называется «макромолекулой с регулярной
гребенкой». 2. Если хотя бы некоторые из точек разветвления имеют функциональность больше трех,
макромолекула может быть названа «макромолекулой с щеткой».

В химии полимеров привитые полимеры представляют собой сегментированные сополимеры с линейной основной цепью одного композита и случайно распределенными ветвями другого композита. На рисунке, обозначенном как «привитой полимер», показано, как привитые цепи видов B ковалентно связаны с полимерными видами A. Хотя боковые цепи структурно отличаются от основной цепи, отдельные привитые цепи могут быть гомополимерами или сополимерами. Привитые полимеры синтезируются уже много десятилетий и особенно используются в качестве ударопрочных материалов, термопластичных эластомеров , компатибилизаторов или эмульгаторов для приготовления стабильных смесей или сплавов . Одним из наиболее известных примеров привитого полимера является компонент, используемый в ударопрочном полистироле , состоящий из основной цепи полистирола с привитыми цепями полибутадиена .

Привитой сополимер состоит из основной полимерной цепи или скелета (A), ковалентно связанного с одной или несколькими боковыми цепями (B).

Общие свойства

Привитые сополимеры представляют собой разветвленный сополимер, в котором компоненты боковой цепи структурно отличаются от компонентов основной цепи. Привитые сополимеры, содержащие большее количество боковых цепей, способны к червеобразной конформации, компактному молекулярному размеру и заметным эффектам конца цепи из-за их ограниченных и плотно прилегающих структур. [1] Получение привитых сополимеров существует уже несколько десятилетий. Все методы синтеза могут быть использованы для создания общих физических свойств привитых сополимеров. Их можно использовать для материалов, которые являются ударопрочными, и часто используются в качестве термопластичных эластомеров, компатибилизаторов или эмульгаторов для приготовления стабильных смесей или сплавов. [2] Как правило, методы прививки для синтеза сополимеров приводят к материалам, которые более термостабильны, чем их гомополимерные аналоги. [3] Существует три метода синтеза: прививка к, прививка от и прививка через, которые используются для создания привитого полимера. [4]

Методы синтеза

Существует множество различных подходов к синтезу привитых сополимеров. Обычно они используют знакомые методы полимеризации, которые широко используются, такие как радикальная полимеризация с переносом атома (ATRP), полимеризация метатезиса с раскрытием кольца (ROMP), анионная и катионная полимеризация и полимеризация свободных радикалов. Некоторые другие менее распространенные полимеризации включают полимеризацию, вызванную излучением, [5] полимеризацию метатезиса олефинов с раскрытием кольца, [6] реакции поликонденсации, [7] и полимеризацию, вызванную инифертером. [8]

Представлены три распространенных метода синтеза: прививка к (вверху слева), прививка от (в середине справа), прививка через (внизу слева), а также их обобщенная схема реакции.

Прививка к

Метод прививки включает использование цепи основной цепи с функциональными группами A, которые распределены случайным образом вдоль цепи. [9] Образование привитого сополимера происходит из реакции связывания между функциональной основной цепью и концевыми группами ветвей, которые являются реакционноспособными. Эти реакции связывания становятся возможными благодаря химической модификации основной цепи. [10] Обычные механизмы реакции, используемые для синтеза этих сополимеров, включают свободнорадикальную полимеризацию , анионную полимеризацию , радикальную полимеризацию с переносом атома и методы живой полимеризации .

Сополимеры, которые готовятся методом прививки, часто используют методы анионной полимеризации. Этот метод использует реакцию связывания электрофильных групп полимера основной цепи и места распространения анионного живого полимера. Этот метод был бы невозможен без образования полимера основной цепи, имеющего реакционноспособные группы. Этот метод стал более популярным с появлением клик-химии . Высокопроизводительная химическая реакция, называемая химией связывания радикалов нитроксида с переносом атома, предназначена для метода прививки для полимеризации.

Прививка от

В методе прививки макромолекулярная основная цепь химически модифицируется для введения активных участков, способных инициировать функциональность. Инициирующие участки могут быть включены путем сополимеризации , могут быть включены в реакцию постполимеризации или уже могут быть частью полимера. [10] Если количество активных участков вдоль основной цепи участвует в формировании одной ветви, то количество цепей, привитых к макромолекуле, может контролироваться количеством активных участков. Даже если количество привитых цепей можно контролировать, может быть разница в длине каждой привитой цепи из-за кинетических и стерических эффектов помех. [9]

Прививка из реакций была проведена из полиэтилена , поливинилхлорида и полиизобутилена. Различные методы, такие как анионная прививка, катионная прививка, радикальная полимеризация с переносом атома и свободнорадикальная полимеризация , были использованы в синтезе прививки из сополимеров.

Привитые сополимеры, которые используются с методом прививки, часто синтезируются с помощью реакций ATRP и методов анионной и катионной прививки.

Прививка через

Прививка, также известная как метод макромономера , является одним из самых простых способов синтеза привитого полимера с четко определенными боковыми цепями. [10] Обычно мономер с более низкой молекулярной массой сополимеризуется со свободными радикалами с макромономером, функционализированным акрилатом. Соотношение молярных концентраций мономера и макромономера, а также их поведение при сополимеризации определяют количество привитых цепей. По мере протекания реакции концентрации мономера и макромономера изменяются, вызывая случайное размещение ответвлений и образование привитых сополимеров с различным количеством ответвлений. Этот метод позволяет добавлять ответвления гетерогенно или однородно на основе соотношения реакционной способности концевой функциональной группы на макромолекуле к мономеру. [11] Разница в распределении прививок оказывает существенное влияние на физические свойства привитого сополимера. Полиэтилен , полисилоксаны и поли(этиленоксид) — это макромономеры, включенные в основную цепь полистирола или поли(метилакрилата) .

Метод макромономера (прививка через) может быть использован с использованием любой известной полимеризационной техники. Живая полимеризация дает особый контроль над молекулярной массой, распределением молекулярной массы и функционализацией конца цепи.

Приложения

Привитые сополимеры стали широко изучаться в связи с возросшим числом их применений, таких как средства доставки лекарств , поверхностно-активные вещества , фильтрация воды , модификаторы реологии и т. д. [12] Их структура уникальна по сравнению с другими сополимерами, такими как чередующиеся, периодические, статистические и блочные сополимеры.

Некоторые распространенные области применения привитых сополимеров включают:

Ударопрочный полистирол (HIPS) состоит из полистирольной основы с ответвляющимися от нее в каждом направлении цепями полибутадиена.

Ударопрочный полистирол

Корпус для компакт-дисков изготовлен из полистирола общего назначения (GPPS) и ударопрочного полистирола в черной части (HIPS)

Ударопрочный полистирол (HIPS) был открыт Чарльзом Ф. Фрайлингом в 1961 году. [19] HIPS — это недорогой пластиковый материал, который легко изготавливать и часто используется для низкопрочных структурных применений, когда требуются ударопрочность, обрабатываемость и низкая стоимость. Его основные применения включают в себя обработанные прототипы, низкопрочные структурные компоненты, корпуса и крышки. [20] Для получения привитого полимера полибутадиен ( каучук ) или любой аналогичный эластомерный полимер растворяют в стироле и полимеризуют. Эта реакция позволяет проводить две одновременные полимеризации: полимеризацию стирола в полистирол и полимеризацию привитого стирол -каучука. [19] Во время коммерческого использования его можно приготовить путем привитой сополимеризации с дополнительным полимером, чтобы придать продукту определенные характеристики. Преимущества HIPS включают в себя: [20]

Новые свойства в результате прививки

Прививая полимеры к полимерным остовам, конечные привитые сополимеры приобретают новые свойства от своих родительских полимеров. В частности, привитые сополимеры целлюлозы имеют различные различные применения, которые зависят от структуры полимера, привитого к целлюлозе. [21] Некоторые из новых свойств, которые целлюлоза приобретает от различных мономеров, привитых к ней, включают:

Эти свойства открывают новые возможности применения непривитых целлюлозных полимеров, в том числе:

Ссылки

  1. ^ Фэн, Чунь; Ли, Юнцзюнь; Ян, Донг; Ху, Цзяньхуа; Чжан, Сяохуань; Хуан, Сяоюй (2011). «Хорошо определенные привитые сополимеры: от контролируемого синтеза до многоцелевого применения». Chemical Society Reviews . 40 (3): 1282–95. doi :10.1039/b921358a. PMID  21107479.
  2. ^ Matyjaszewski, Krzysztof. "Graft Copolymers" . Получено 14 марта 2014 .
  3. ^ Пирс, Эли М. (май 1987 г.). «Новые коммерческие полимеры 2», Ганс-Джордж Элиас и Фридрих Фохвинкель, Гордон и Брич, Нью-Йорк, 1986 г., 508 стр. Цена: 90 долларов США». Журнал полимерной науки, часть C: Polymer Letters . 25 (5): 233–234. doi :10.1002/pol.1987.140250509.
  4. ^ др.], Фолькер Абец ... [и др. (2005). Энциклопедия полимерной науки и технологии (Wird aktualisiert. Ed.). [Хобокен, Нью-Джерси]: Wiley-Interscience. ISBN 9780471440260.
  5. ^ Hegazy, El-Sayed A.; Dessouki, Ahmed M.; El-Sawy, Naeem M.; Abd El-Ghaffar, Mahmoud A. (февраль 1993 г.). «Радиационная прививочная полимеризация акриловой кислоты на фторированные полимеры. II. Привитой сополимер–металлические комплексы, полученные радиационной прививкой на сополимер поли(тетрафторэтилен-этилен)». Journal of Polymer Science Часть A: Полимерная химия . 31 (2): 527–533. Bibcode : 1993JPoSA..31..527H. doi : 10.1002/pola.1993.080310225.
  6. ^ Грутке, Стефан; Херли, Джеймс Х.; Риссе, Вильгельм (август 1994 г.). «Макромономеры поли(фениленоксида) для синтеза привитых сополимеров посредством полимеризации метатезиса олефинов с раскрытием кольца». Macromolecular Chemistry and Physics . 195 (8): 2875–2885. doi :10.1002/macp.1994.021950817.
  7. ^ Eisenbach, Claus D.; Heinemann, T. (июль 1995 г.). «Синтез и характеристика привитых сополимеров с молекулярно однородными боковыми цепями на основе уретана со специальными структурными элементами». Macromolecules . 28 (14): 4815–4821. Bibcode :1995MaMol..28.4815E. doi :10.1021/ma00118a006.
  8. ^ Ямашита, К.; Ито, К.; Цубои, Х.; Такахама, С.; Цуда, К.; Оцу, Т. (5 ноября 1990 г.). «Привитая сополимеризация методом инифертера; структурный анализ привитого сополимера по температуре стеклования». Журнал прикладной полимерной науки . 40 (910): 1445–1452. doi :10.1002/app.1990.070400903.
  9. ^ ab Hadjichristidis, N., S. Pispas, H. Iatrou и DJ Lohse. "Graft Copolymers". Graft Copolymers. John Wiley and Sons Inc, 15 июля 2002 г. Web. 14 февраля 2014 г.
  10. ^ abc Matyjaszewski, Krzysztof. "Graft Copolymers". Carnegie Mellon . Получено 14 февраля 2014 г.
  11. ^ Ито, Коичи; Хироюки Цучида; Акио Хаяши; Тошиаки Китано (1985). «Реакционная способность макромономеров поли(этиленоксида) в радикальной сополимеризации». Polymer Journal . 17 (7): 827–839. doi : 10.1295/polymj.17.827 .
  12. ^ Гупта, Шришти; Сингх, Памми; Могадас, Бабак; Грим, Брэдли Дж.; Кодибагкар, Викрам Д.; Грин, Мэтью Д. (2020-05-08). «Синтез силиконовых сополимеров с привитым ПЭГ и четвертичным аммонием в качестве наноэмульгаторов». ACS Applied Polymer Materials . 2 (5): 1856–1864. doi :10.1021/acsapm.0c00103. S2CID  216443242.
  13. ^ Нагасе, Ю; Нарусэ, Акира; Мацуи, Киёхидэ (январь 1990 г.). «Химическая модификация полисульфона: 2. Газо- и жидкостная проницаемость мембран из привитого сополимера полисульфона/полидиметилсилоксана». Polymer . 31 (1): 121–125. doi :10.1016/0032-3861(90)90361-2.
  14. ^ Дуалех, Абдулкадир Дж.; Штайнер, Кэрол А. (январь 1991 г.). «Объемные и микроскопические свойства гидрогелей с мостиковой связью сурфактанта, изготовленных из амфифильного привитого сополимера». Макромолекулы . 24 (1): 112–116. Bibcode : 1991MaMol..24..112D. doi : 10.1021/ma00001a018.
  15. ^ MURAMATSU, Nobuhiro; YOSHIDA, Yasushi; KONDO, Tamotsu (1990). «Возможное применение полиаминового привитого сополимера для целевой доставки лекарств». Chemical & Pharmaceutical Bulletin . 38 (11): 3175–3176. doi : 10.1248/cpb.38.3175 . PMID  2085903.
  16. ^ Eisenbach, Claus D.; Heinemann, Torsten (август 1995). «Термопластичные привитые сополимерные эластомеры с боковыми цепями, складывающимися или раздвоенными». Macromolecular Chemistry and Physics . 196 (8): 2669–2686. doi :10.1002/macp.1995.021960818.
  17. ^ Se¸k, Danuta; Kaczmarczyk, Bożena (июнь 1997). "Исследования привитых сополимерных компатибилизаторов для смесей полиэтилена и жидкокристаллического полиэфира: 1. Исследование FT ir". Polymer . 38 (12): 2925–2931. doi :10.1016/S0032-3861(96)00813-0.
  18. ^ Гупта, Шришти; Сингх, Памми; Могадас, Бабак; Грим, Брэдли Дж.; Кодибагкар, Викрам Д.; Грин, Мэтью Д. (2020-05-08). «Синтез силиконовых сополимеров с привитым ПЭГ и четвертичным аммонием в качестве наноэмульгаторов». ACS Applied Polymer Materials . 2 (5): 1856–1864. doi :10.1021/acsapm.0c00103. S2CID  216443242.
  19. ^ ab Fryling, Charles. "High Impact Polystyrene". Патент . Koppers Co Inc. Получено 14 февраля 2014 г.
  20. ^ ab Plastics International. "(HIPS) Ударопрочный полистирол" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 22 февраля 2014 г. . Получено 14 февраля 2014 г. .
  21. ^ Калия, Сушиль; Сабаа, М.В., ред. (2013). Привитые сополимеры на основе полисахаридов (1., ред. 2013 г.). Гейдельберг: Springer. ISBN 9783642365652.
  22. ^ Waly, A.; Abdel-Mohdy, FA; Aly, AS; Hebeish, A. (27 июня 1998 г.). «Синтез и характеристика целлюлозного ионообменника. II. Пилотный масштаб и использование для удаления тяжелых металлов из красителей». Journal of Applied Polymer Science . 68 (13): 2151–2157. doi :10.1002/(SICI)1097-4628(19980627)68:13<2151::AID-APP11>3.0.CO;2-2.
  23. ^ ab Xie, Jiangbing; Hsieh, You-Lo (25 июля 2003 г.). «Термочувствительные поли(н-изопропилакриламидные) гидрогели, связанные с целлюлозными носителями». Журнал прикладной полимерной науки . 89 (4): 999–1006. doi :10.1002/app.12206.
  24. ^ Ван, Дэцянь; Тан, Цзюньцзюнь; Кан, Хунлян; Ма, Линь; Цзинь, Синь; Лю, Руйган; Хуан, Юн (февраль 2011 г.). «Синтез, самосборка и поведение высвобождения лекарств из сополимеров этилцеллюлозы-привитой-ПДЭАЭМА, чувствительных к pH, через ATRP». Углеводные полимеры . 84 (1): 195–202. doi :10.1016/j.carbpol.2010.11.023.
  25. ^ Ли, Санг Бом; Кёпсель, Ричард Р.; Морли, Скотт В.; Матыяшевски, Кшиштоф; Сан, Юйцзе; Рассел, Алан Дж. (май 2004 г.). «Постоянные, невыщелачиваемые антибактериальные поверхности. 1. Синтез методом радикальной полимеризации с переносом атома». Биомакромолекулы . 5 (3): 877–882. ​​doi :10.1021/bm034352k. PMID  15132676.
  26. ^ Толедано-Томпсон, Т.; Лория-Бастаррачеа, М.И.; Агилар-Вега, М.Дж. (октябрь 2005 г.). «Характеристика микроволокон целлюлозы генеквен, обработанных эпоксидом и привитых полиакриловой кислотой». Углеводные полимеры . 62 (1): 67–73. doi :10.1016/j.carbpol.2005.06.024.
  27. ^ Мондал, Мэриленд. Ибрагим Х.; Ураки, Ясумицу; Убуката, Макото; Итояма, Коки (18 марта 2008 г.). «Прививочная полимеризация виниловых мономеров на хлопковые волокна, предварительно обработанные аминами». Целлюлоза . 15 (4): 581–592. doi :10.1007/s10570-008-9210-z. S2CID  94521304.
  28. ^ Нисиока, Нобору; Ватасе, Кейджи; Аримура, Кейджи; Косай, Коичи; Уно, Масакуни (декабрь 1984 г.). «Проницаемость через целлюлозные мембраны, привитые виниловыми мономерами в однородной системе I. Диффузионная проницаемость через целлюлозные мембраны с привитым акрилонитрилом». Polymer Journal . 16 (12): 867–875. doi : 10.1295/polymj.16.867 .
  29. ^ Tang, Xinde; Gao, Longcheng; Fan, Xinghe; Zhou, Qifeng (1 мая 2007 г.). «Контролируемая прививка этилцеллюлозы с полиметакрилатами, содержащими азобензол, посредством радикальной полимеризации с переносом атома». Journal of Polymer Science Часть A: Полимерная химия . 45 (9): 1653–1660. Bibcode : 2007JPoSA..45.1653T. doi : 10.1002/pola.21932.
  30. ^ Дхиман, Пунам К.; Каур, Индерджит; Махаджан, РК (5 апреля 2008 г.). «Синтез полимерной подложки с привитой целлюлозой и ее применение в восстановлении некоторых карбонильных соединений». Журнал прикладной полимерной науки . 108 (1): 99–111. doi :10.1002/app.27423.