第43卷第5期 2015年5月 CHINA PLAS ICS INDUSTRY 塑料工业 ・87・ PNIPAAm的合成及结构和温敏性表征术 谭鹏,雷华,徐涛 ,邱瑜,简嫩梅 (贵州大学材料与冶金学院,贵州贵阳550025) 摘要:用过硫酸铵(APS)与亚硫酸氢钠(SBS)作为引发剂,在无氮气保护的条件下制备线型聚Ⅳ一异丙基丙烯 酰胺(PNIPAAm)。采用凝胶渗透色谱仪(GPC)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射分析仪(XRD)、紫外 分光光度计(uv)、差示扫描量热仪(DSC)表征了聚Ⅳ一异丙基丙烯酰胺的微观结构,测试了PNIPAAm的最低临界 转变温度(LCST)。结果表明,以APS、SBS复配作为引发剂成功合成了PNIPAAm,其LCST为33℃;聚Ⅳ一异丙基 丙烯酰胺的相转变过程是一个可逆过程。 关键词:聚^L异丙基丙烯酰胺;表征;温敏性 DOI:10.3969/j.issn.1005—5770.2015.05.022 中图分类号:TQ314.24 5.9 文献标识码:A 文章编号:1005-5770(2015)05—0087一o3 Synthesis,Structure and Characterization of Temperature-responsive Behaviors Of PNIPAAm TAN Peng,LEI Hua,XU Tao,QIU Yu,JIAN Nen-mei (College of Materials and Matallurgy,Guizhou University,Guiyang 550025,China) Abstract:The linear poly(N—isopropylaerylamide)(PNIPAAm)was prepared with ammonium persulfate(APS)and sodium bisulifte(SBS)as initiators in the absence of nitrogen protection. Subsequently,the microstructure of the synthesized PNIPAAm were studied by gel permeation chromatography (GPC)Fourier transform infrared spectrophotometer(肌R),X-ray Diffraction(XRD),ultraviolet spectrophotometer and differential scanning calorimetry(DSC),and the low critical solution temperature (LCST)was tested.The results showed that PNIPAAm was successfully synthesized with the composite initiator of APS and SBS.which had LCST value of 33℃and a reversible phase transition process. Keywords:poly(N—isopropylacrylamide);Characterization;Temperature-responsive 智能高分子是能够感应到周围环境的变化 J, 并且可以针对这些环境的改变做出响应的一类高分子 材料。这种外界环境的变化可以是物理变化、化学变 溶剂合成PNIPAAm。此类实验方案存在着实验条件 不宜达到,成本高而且难以大批生产的问题。本文在 总结现有研究成果的基础上,提出了在不用氮气保护 的条件下,采用去离子水做溶剂来合PNIPAAm的实 验方案。 化甚至是生物信号的变化刺激_2j,例如:温度l3j、 压力、酸度、溶剂 j、声波、光波、电场、磁场等。 聚Ⅳ一异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)作为最早被发现 的温度敏感性材料 J,是到目前为止研究最为详细 1实验部分 1.1主要药品与仪器 的一类温敏高分子 J。PNIPAAm因其同时具有亲 水性的酰胺基(一cONH一)和疏水性的异丙基 [~CH(CH ) 一]而具有特殊的温敏性能 。 现阶段大多数对PNIPAAm的研究都是基于同样 的实验方案,即在氮气保护的条件下采用常见的有机 Ⅳ一异丙基丙烯酰胺(NIPAAm):化学纯,阿拉 丁试剂(上海)有限公司,用正己烷重结晶;过硫 酸铵(APS):相对分子质量228,分析纯,天津市 科密欧化学试剂有限公司,40 水重结晶;亚硫酸 氢钠(SBS):相对分子质量104,分析纯,天津市科 %国家自然科学基金(51463005),贵州省科学技术基金(黔科合J字[2014]2051号及黔科合J字[2014]2054号),贵 州省研究生教育创新计划(黔教研合JYSZ字[2014]001) 通信联系人xxlhtt@sina.COB 作者简介:谭鹏,男,硕士研究生,主要从事材料的结构与性能方面的研究。672223716@qq.corn 塑料工业 2015仨 密欧化学试剂有限公司,40℃水重结晶。 1.2主要仪器与设备 凝胶渗透色谱仪(GPC):515-2410,广州高欣 电子仪器有限公司;傅立叶变换红外光谱仪 (FTIR):AVATAR-360,上海浦东物理光学仪器;差 示扫描量热分析仪(DSC):Q2OOO,美国TA公司; x射线衍射仪:D/Max-2200,中国科学院地球化学 研究所;紫外分光光度计:722,上海光谱仪器有限 公司。 1.3聚Ⅳ一异丙基丙烯酰胺的合成 称取适量经过提纯的NIPAAm单体加入到盛有适 量超纯水的圆底烧瓶中,经搅拌使NIPAAm单体完全 溶解后,先后加入一定量APS和SBS,反应6 h。待 反应结束后,将溶液减压蒸馏,提纯后真空干燥。 1.4测试与表征 GPC测试:取少量PNIPAAm样品,以聚苯乙烯 为标样,四氢呋喃(THF)作为流动相,设定流速 1.0 mL/min,进样质量浓度为2 mg/mL,进行GPC 测试。 FTIR测试:取出少量的样品与溴化钾混合压片, 进行FTIR测试。 DSC测试:取少量样品在氮气保护下以1℃/rain 速率进行升温。 uV光谱测试:取少量样品配成水溶液,采用紫 外分光光度计溶液在升温过程中的吸光度变化情况。 2结果与讨论 2.1 GPC分析 由GPC测试PNIPAAm得到的摩尔质量及多分散 系数(PDI)的数据列于表1。由表1看出,合成的 一 一 O一尸r— 【 一一j PNIPAAm数均摩尔质量 和重均摩尔质量 分别 在3×10 g/mol和8×10 g/mol以上,其中Z均摩尔质 量 更是高达11×10 g/tool,说明以APS与SBS复 配作为引发剂,在氮气保护下制备了聚合物。 表l 聚合物的摩尔质量及其分布 Tab 1 Molecular weight and its distribution of the polymer 2.2 FTIR分析 单体及聚合物的FTIR谱图如图1所示,单体有 很多杂乱的小吸收峰,其中3 280 C1TI 处为N—H键 吸收峰;1 457和1 410 cm 两处为异丙基上的两个 CH,对称振动耦合分裂而形成的峰;1 547和1 658 C1TI 两处为酰胺基的特征吸收峰;1 618 cm一处则为 烯烃C—c双键的伸缩特征峰。对比发现,经过聚合 反应之后,聚合物的吸收峰发生变化。此自由基聚合 是按照下式进行的: 此聚合反应是C—c双键打开后重新连接形成长 的聚合物分子链,所以聚合物中不存在C ̄--C双键。 从FTIR谱图中发现,原本处于1 618(3111 特征峰消 失;3 433 cm 处细微的小吸收峰消失,出现一个很 大的吸收峰,此峰即为N—H键与氢键相互作用而形 成的吸收峰;同时单体曲线中杂乱的小峰也消失,这 就说明成功合成了PNIPAAm。 N1PAAm 一...p IPAAm — l 000 2 000 3 000 4 000 波数,cm‘ 。图1单体及聚合物的红外光谱图 Fig 1 FTIR spectra of the monomer and polymer 2.3 XRD分析 0 10 20 30 40 50 20/(。) 图2单体及聚合物的XRD测试图 Fig 2 XRD spectra of the monomer and polymer 图2为单体及聚合物的XRD测试图,对比两曲 线可知,单体在2 为14。左右出现了一个极尖锐的 结晶峰,而聚合物没有出现尖锐的结晶峰,这说明单 体的结晶性能要好于聚合物的结晶性,聚合物属于非 结晶性聚合物。从聚合物的XRD测试图来看,其衍 射峰的宽化程度要低于具有一定结晶度的聚氯乙烯, 这就说明虽然聚Ⅳ一异丙基丙烯酰胺不是结晶性聚合 物,但是其分子链的排列有序程度依然是相当高的, 也有部分会发生结晶。这是由于聚合物分子链中含有 异丙基,其空间位阻比较大,妨碍了聚合物结晶。但 是由于会在酰胺基上形成有序排列的氢键,这会降低 第43卷第5期 谭鹏,等:PNIPAAm的合成及结构和温敏性表征 ・89・ 体系的能量,从而出现图中的宽化结晶峰,这与红外 测试的结果是一致。表明聚合物中酰胺基上氢键的形 成影响了聚合物的性能,是聚合物具有温敏性的 关键。 2.4 UV光谱分析 PNIPAAm在溶液中都存在着分子构象会随温度 改变的特性,其溶液在最低临界转变温度(LCST) 以下时会呈透明状态,当温度达到LCST时,体系会 发生相分离变化,其在宏观上表现为溶液变浑浊,浑 浊状态下对紫外的吸光度也会突然变化。由图3的吸 光度曲线可以看出,PNIPAAm的吸光度都在32℃左 右突然跳跃性增长。这表明其在32℃左右发现相转 变,由亲水变为疏水。所以其LCST为32℃左右。 如图3所示,常温下NIPAAm单体的水溶液表现 为无色透明状态,用热台对其进行加热,温度一直升 高到45℃,水溶液一直保持无色透明状态,没有产 生任何变化。然后将溶液降温到23 o【=,溶液一直保 持无色透明状态。所以,NIPAAm单体不具有与聚合 物类似的温敏性。PNIPAAm水溶液在常温到32 cc之 间,整个溶液都是透明无色液体;当温度到达32℃ 时,溶液开始出现白色浑浊;之后随温度的升高,溶 液的白色浑浊状态逐渐加深,当温度升高到超过38 cc以后,浑浊状态到达最大,在38℃以后继续升温, 浑浊状态也不会再继续加深。然后对聚合物溶液降 温,其变化过程刚好与升温过程相反。所以, PNIPAAm的相转变过程是一个可逆过程。 越 图3单体及聚合物的吸光度曲线及温敏特性观察 Fig 3 Absorbance curves and temperature—responsive features of the monomer and pdymer 2.5 DSC分析 通过紫外分光光度计测得聚合物的LCST大约在 32℃左右。但是由于条件限制,紫外分光光度计并 不能准确地测量出LCST,而只能测出一个趋势。所 以,对聚合物进行DSC测试,来准确表征其LCST是 很有必要的。图4为对聚合物做DSC测试之后得到 的谱图。由图4可知,PNIPAAm的LCST为33℃。 PNIPAAm是一种温敏材料,其LCST的定义就是聚合 物因为热量变化而发生相转变的温度。既然是热量变 化,就可以用DSC来准确表征出来,所以用DSC的 手段可以准确地测得PNIPAAm的LCST。由DSC的 测试结果可知,聚合物的LCST与前面紫外分光光度 计测得的结果相吻合。 25 30 35 4O 45 温度/℃ 图4 PNIPAAm的DSC测试曲线 Fig 4 DSC cun e of PNIPAAm 3 结论 采用去离子水做合成反应的溶剂,用过硫酸铵 (APS)与亚硫酸氢钠(SBS)复配作为引发剂,成 功制备了线型的PNIPAAm,其LCST为33℃;聚合 物中酰胺基上形成的有序化排列的氢键对聚合物的性 质产生影响,从而使聚合物具有温敏性;通过有对比 的循环实验,验证了PNIPAAm的温敏响应性:可以 发生可逆的相转变。 参考文献 [1]JIAN N M,XU T.Cotton—fabric-grafted poly(N-isopropyl acry1amide)initiated by ammonium peroxydisulfate[J].J Appl Polym Sci,2014,DOI:10.1O02/app.41193. 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(下转第101页) 第43卷第5期 颜克福,等:聚乙二醇/滑石粉共混改性聚乳酸及吹塑薄膜性能的研究 ・101・ 薄膜的纵向/横向断裂伸长率分别为9.52%和 14.16%,而当PEG含量为15份时,纵向/横向断裂 伸长率分别为245.27%和272.11%,表明柔韧性明 显提升。 表3中配方C为仅加入10份PEG时PLA/PEG 参考文献 [1]ENGELBERG I,KOHN J.Physico—mechanical properties of degradable polymers used in medical applications:A comp ̄一 ative study[J].Biomaterials,1991,12(3):292—304. [2]PARK J w,IM S S,KIM S H,et a1.Biodegradable polymer blends of poly(L—lactic acid)and gelatinized starch 共混薄膜的力学性能,配方E为加入10份PEG及 1%Talc后薄膜的力学性能。由表3可知,Talc的加 [J].Polym Eng Sci,2000,40(12):2539-2550. [3]梁世强,傅和青.生物降解包装塑料研究进展[J].包 装工程,2006,27(2):16—17. 入使得拉伸强度和拉伸模量上升,断裂伸长率变化 较小。 [4]MALLET B,LAMNAWAR K,MAAZOUZ A.Improvement of blown iflm extrusion of poly(1actic acid):Structure—pro— 产生以上结果的原因是由于PEG小分子能够渗 透到PLA分子内部,增加了PLA分子间润滑性,克 服了PLA分子间范德华力和氢键而产生的黏附力, 使共混薄膜的拉伸强度降低。另一方面,PEG分子 链中含有柔性基团,这些柔性基团加入到PLA中, 使得PLA分子链柔韧性增加,提高了断裂伸长率。 cessing-properties relationships[J].Polym Eng Sei,2014, 54(4):840-857. [5]王正岩,郝章来.聚乳酸的生产和应用及市场前景[J]. 化工新型材料,2003,31(7):40—42. 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