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通过紫外光诱导接枝改性聚醚砜,然后与3-甲基丙烯酸丙基三(三甲氧基硅)复合,得到适合于家庭和工业耐热应用的复合材料。

由于聚醚砜(PES)基薄膜具有良好的机械性能和高的热稳定性与抗氧化性,可用于各种工业应用(例如气体分离、废水处理、血液透析和饮料过滤)。PES基薄膜的特性取决于它们的表面性质。因此,表面功能化在制造过程中起着重要的作用。

 

由于PES的疏水性,使得其应用空间受到了限制。为了克服这一局限性,从而拓宽材料的适用性,PES可以通过UV接枝聚合改性。这种表面改性技术通过使用绿色化学,比其他的改性方法具有更多的优点。例如,该方法以快速、高效、通用、简单和可控的方式引入聚合物链。它还可以使聚合物链以高密度接枝,此外,当使用合适的单体时,表面接枝聚合能够引入特定官能团。其他官能团对于进一步的反应是有效的。例如,PES已经被叔胺官能化以获得双(苯基三甲基铵)聚合物。在另一项研究中,PES用UV /臭氧处理会产生过氧化物基团。在这种情况下,我们发现活化的PES与聚乙烯醇、壳聚糖和聚乙二醇发生反应。

 

在我们先前的研究中,我们使用光化学手段(即UV引发的接枝)研究了聚乙二醇丙烯酸酯(PEGA)接枝到碳纳米管表面的效果。我们发现该技术使羟基官能团(即包括碳纳米管)能够有效连接到主要的聚合物基体。我们还对纳米金刚石进行了改性(通过PEGA的光化学接枝)并随后研究了它与各种聚合物基体的相互作用。 我们从这些研究中得到的结果表明,通过UV诱导的接枝改性纳米颗粒和纳米管形成共价键合。

 

图1(a)通过UV诱导的接枝反应将三甲氧基硅烷基团(红色)共价接枝到聚醚砜(PES)上;(b)通过溶胶-凝胶交联工艺制备PES /聚(三甲氧基甲硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯(PES / PMPS)复合物。 MPTMS:(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷。 PES-Si:三甲氧基硅烷官能化的PES。OCH3:甲氧基。

 

在我们最近的工作中,我们通过UV诱导的接枝来制备表面改性的PES,以评估该方法是否能够使聚合物共价连接到PES上作为共聚物。因此,改性PES增加了其与聚合物基体之间的相容性-例如聚(三甲氧基甲硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯(PMPS)-从而能够制备复合材料。首先,在碳酸钾存在的条件下,我们通过缩聚反应,由双(4-氯苯基)砜和4,4' -(六氟异亚丙基)二苯酚合成PES(一类芳族聚合物)。然后,我们通过UV诱导的接枝反应将三甲氧基硅烷基团共价接枝到PES上,如图1(a)所示。添加多个三甲氧基硅烷官能团能够对PES进一步改性。然后,我们通过原子转移自由基聚合合成了定义明确的PMPS,并将PMPS与PES(通过PMPS的可交联三甲氧基甲硅烷基团)共价键合,如图1(b)所示。最后,我们通过硅烷醇基团的缩合对所得PES / PMPS复合物进行了热处理(在100℃下持续1小时,然后在140℃下持续3小时),从而促进溶胶-凝胶交联过程。

 

 

图2  在(a)95/5、(b)90/10和(c)70/30的比率下PES/PMPS样品的扫描电镜图

 

我们采用扫描电子显微镜(SEM)研究了我们的PES / PMPS复合物的形态特性。SEM图像(如图2所示)显示对PES进行UV诱导接枝能够使PMPS高度渗透到基体中。图像还显示PMPS链不显示相分离并分布良好,没有任何显著的聚集迹象。

 

表1 不同比例PES和PES/PMPS样品的热性能。T5%:5%失重温度。Tmax:最大失重率对应的温度。Char:初始燃烧阶段后残留的固体物质百分比。Tg:玻璃化转变温度。

 

Nitrogen Air
Material T5%(°C) Tmax(°C) Char at 800°C (wt%) T5%(°C) Tmax(°C) Char at 800°C (wt%) Tg (°C)
PES 175 252 0.1 181 289 0.25 147
PES/PMPS (95/5) 300 495 37.03 302 463 26.38 93
PES/PMPS (90/10) 301 514 41.28 303 493 34.06 105
PES/PMPS (70/30) 323 525 42.86 341 512 40.70 134
 

图3(a)氮气和(b)空气环境下PES和PES/PMPS复合物的热重分析(TGA)曲线

 

我们还通过热重分析(TGA)研究了PES / PMPS复合物在惰性气体和氧化气体(分别为氮气和空气)中的分解范围。所有样品的分解温度如表1所示。例如,95/5的PES / PMPS样品在300°时表现出5wt%的损失。此外,对于空气中95/5 的PES / PMPS样品,与纯PES相比,最大失重温度(Tmax)从289°增加至463°。该结果表明热氧化稳定性增强(即由于PES / PMPS样品中交联的硅氧烷键)。图3(a)和(b)显示了两种不同气体中的PES / PMPS复合物的重叠TGA曲线。在这两种情况下,由于无机网络的形成会使聚合物链交联,添加PMPS显著提高了复合物的热稳定性。因此,我们的结果表明,PMPS的存在改善了混合物在两种气体中的热稳定性。比例为70/30的PES / PMPS能够获得最佳结果。

 

综上所述,我们已经研究了PES的紫外诱导接枝聚合改性,用于制备改性PES基复合材料。我们对PES基复合材料的热性能研究表明,它们表现出优异的热稳定性。因此,我们的结果表明PES/PMPS复合材料适合用作耐热材料。在我们未来的工作中,我们将研究这些复合材料的机械性能,以进一步确定它们作为电容器中的电介质和废水处理中的应用。

 

 

作者信息

Burcu Oktay
Marmara University

Burcu Oktay is a research assistant in organic chemistry. Her main research interests include antimicrobial coatings, biopolymers, electrospinning , UV-cured materials, controlled polymerization, and thiol-ene polymerization systems.

Emre Baştürk
Marmara University

Emre Baştürk is received his MSc and PhD in chemistry from Marmara University. His research focuses on polymer science, electrospinning, polymer electrolyte membrane fuel cells, poly (arylene ether), PES, and photocurable coatings.

Memet Vezir Kahraman
Marmara University

Memet Vezir Kahraman is a professor of organic chemistry and deputy director of the Institute for Graduate Studies in Pure and Applied Sciences. His research interests include synthetic organic chemistry, organic-inorganic hybrid coatings, UV-curable materials, thiol-ene polymerization systems, enzyme immobilization, nanofibers, polyurethanes, and polyesters.

Nilhan Kayaman Apohan
Marmara University

Nilhan Kayaman Apohan received her MSc and PhD in chemistry from Istanbul Technical University, Turkey. She then worked for about four years at the Scientific and Technological Research Council of Turkey's Polymer Research Laboratories and subsequently joined the faculty of Marmara University, where she is currently a professor. Her major research interests include polymeric biomaterials, hydrogels, and nanocomposite materials.

 

 

参考文献

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