热塑性弹性体(Thermoplastic elastomers, TPEs)凭借出色的机械性能、热稳定性以及耐磨特质等,在汽车、医疗器械和3D打印等领域大放异彩,全球TPE市场估值逐年攀升。其中全(甲基)丙烯酸酯类TPEs近年备受瞩目。其丰富的单体结构、卓越的光学透明性和抗氧化能力等赋予了它独特的应用优势。在制备这类TPEs时,通常选用低玻璃化温度的聚丙烯酸酯作为软段,与高玻璃化温度的聚甲基丙烯酸酯作为硬段相结合。然而,因为两类单体聚合活性差异显著,且丙烯酸酯聚合非常容易发生副反应,所以,现有的聚合体系合成包含丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯的三嵌段共聚物仍然是难题,得到不同序列结构的共聚物更是尤为棘手。此外,目前合成的全(甲基)丙烯酸酯TPEs在机械性能方面仍有待提升。因此,亟需开发新的聚合体系同时实现丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯单体的活性可控聚合,从而合成不同拓扑和序列结构的共聚物,进一步提升全(甲基)丙烯酸酯TPEs的性能,满足更为广泛的应用需求。 近日,吉林大学的张越涛教授课题组利用多功能Lewis酸碱对催化体系成功实现了丙烯酸酯及甲基丙烯酸酯单体的活性可控聚合,合成了不同拓扑和序列结构的嵌段共聚物。该类聚合物展现出了优异的TPE性能。
图1.本文中Lewis酸,Lewis碱,单体以及所得聚合物的结构图 首先,作者通过筛选Lewis酸与强亲核性的氮杂环烯烃(NHO)组成Lewis酸碱对,实现了丙烯酸2-甲氧基乙酯(MEA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)的活性可控聚合,不仅如此,该体系还能高效地合成超高分子量的PMEA,Mn可达2174 kg/mol。MALDI-TOF MS等系列表征证明了该体系对于两种单体都可以实现活性聚合。 图2.MEA和MMA单体聚合的GPC曲线图以及相应的MALDI-TOF MS质谱表征图 通过对比线形和星形共聚物TPE的机械性能对比可以看出星形共聚物TPE展现出了更为优异的弹性体性能,而且具有优异的弹性回复性和透光度。 图3.星形共聚物TPE的性能表征图 改变聚合物的序列结构对TPE性能有很大的影响,作者发现臂组成为ABC型的星形共聚物TPE具有最好的机械性能,断裂伸长率最高达1863%,拉伸强度最高可达19.1 MPa。 图4.星形聚合物的序列结构对聚合物性能的影响研究图 得益于NHO中四苯乙烯基的引入,制备的TPE膜以及溶液状态都呈现出出色的AIE特性。即使在拉伸或扭曲等形变条件下,发光性能依然稳定。 图5.聚合物在溶液和固体状态下都展现出优秀的AIE效应 该工作成功实现了丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯的活性可控聚合,通过多功能Lewis酸碱对得到了不同拓扑和序列结构的共聚物,显著提升了全(甲基)丙烯酸酯TPE的机械性能,为未来全(甲基)丙烯酸酯TPE的应用奠定了基础。 论文信息 Topology Controlled All-(Meth)acrylic Thermoplastic Elastomers by Multi-Functional Lewis Pairs-Mediated Polymerization Chengkai Li, Dr. Wuchao Zhao, Dr. Jianghua He, Prof. Dr. Yuetao Zhang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202401265