苯乙烯－馬來酸酐交替共聚物合成及表征

唐炳濤， 趙 杰， 張淑芬， 王曉敏

（大連理工大學精細化工國家重點實驗室，遼寧大連 116024）

0 引 言

苯乙烯－馬來酸酐共聚物是一種含多酸酐基團的功能高分子，酸酐基團具有高反應活性，易與含氨基或羥基的化合物反應，從而衍生系列功能高分子，因此開展其合成與應用研究具有重要的理論價值與實際意義，如被用作黏合劑［1］、表面施膠劑與乳化劑［2］、涂料助劑［3］等.

苯乙烯－馬來酸酐交替共聚物（SMA），是苯乙烯與馬來酸酐交替聚合得到的功能高分子化合物，具有優異的尺寸穩定性與耐熱性能，除了在分散、乳化等傳統應用領域得到廣泛應用外，在p H與溫度敏感材料［4］、智能性凝膠［5］、納米管［6］與納米線［7］、生物體內的藥物傳輸［8］等高新技術領域也得到了高度重視.目前研究報道的相關合成途徑主要有溶液聚合［9］與本體聚合法［10］，其后處理需采用大量有機溶劑進行析出與洗滌，并且報道的SMA中酸酐含量在35%～42%［9、11］，與嚴格交替存在一定差距.

為了獲得高酸酐含量、高收率、后處理簡單的苯乙烯－馬來酸酐交替共聚物，本文以工業上廣泛使用的甲苯為溶劑，利用沉淀聚合反應來合成苯乙烯－馬來酸酐交替共聚物，并結合聚合殘液的高效液相色譜與產品的元素分析及核磁碳譜分析，證明其共聚交替性.

1 實驗部分

1.1 主要原料和儀器

原料：苯乙烯、馬來酸酐、甲苯、過氧化苯甲酰（BPO）為分析純試劑，采用相關文獻所報道的提純工藝進行純化［9］.

儀器：Polymer公司（美國）的PL－GPC 220型凝膠色譜分析儀；熱電尼高力公司（美國）的NEXUS EURO型氣相色譜／紅外光譜聯用儀；Mettler－Toledo公司（瑞士）的TGA／SDTA851型熱重分析儀；Varian公司（美國）的INOVA 400超導核磁共振波譜儀；Elementar公司（德國）的Vario ELⅢ型元素分析儀；Agilent公司（美國）的Agilent 1100型高效液相色譜儀.

1.2 共聚物的合成

將一定比例的馬來酸酐、苯乙烯和甲苯加入裝有溫度計、電動攪拌、氮氣通入與回流冷凝裝置的四口瓶中，通氮氣鼓泡30 min后，加入引發劑BPO，水浴加熱至設定反應溫度，在氮氣環境中恒溫反應一定時間，降至室溫，減壓抽濾，濾餅用少量甲苯洗2～3次，80℃下真空干燥24 h，得最終產品.

1.3 聚合殘液的高效液相色譜（HPLC）分析

對最佳聚合條件（溫度80℃，引發劑用量0.7%，單體配比1∶1，時間2 h）下的聚合殘液，利用HPLC（Agilent 1100）通過歸一化法，測定其馬來酸酐、苯乙烯的含量.分析測試條件：Hypersil ODS2柱（4.6 mm×250 mm）；流動相為甲醇和水，流速為1 m L／min；紫外檢測，檢測波長為254 nm.

利用絕對校正因子的計算公式f i＝mi／Ai（mi為i組分的質量，Ai為i組分的峰面積），通過甲苯、馬來酸酐、苯乙烯標準物質（溶劑為無水乙醇，三者的濃度分別為100、1 500、15μg／g，進樣量為20μL）的HPLC色譜圖，經計算得出三者的絕對校正因子分別為f（甲苯）＝89.5，f（馬來酸酐）＝34.4，f（苯乙烯）＝1.5.

2 結果與討論

2.1 苯乙烯－馬來酸酐交替共聚物的合成

苯乙烯與馬來酸酐的交替共聚反應屬于自由基反應，其反應歷程包括鏈引發、鏈增長、鏈轉移和鏈終止.在自由基引發聚合反應過程中，聚合反應溫度、引發劑用量、苯乙烯與馬來酸酐配比及聚合反應時間是影響聚合物收率的主要因素.本文詳細研究了各因素對苯乙烯與馬來酸酐交替共聚反應的影響.

2.1.1 聚合溫度與引發劑用量對收率的影響溫度的高低直接與引發劑的引發活性密切相關，因此本文在苯乙烯與馬來酸酐配比（物質的量比）為1∶1，引發劑BPO的用量為0.5%（摩爾分數），聚合反應時間4 h的條件下，改變聚合反應溫度，合成了一系列苯乙烯－馬來酸酐聚合物，實驗結果如圖1所示.從圖1中可以得知：溫度低于70℃時，因為低于引發劑BPO的熱分解溫度，馬來酸酐與苯乙烯難以發生聚合反應；而當溫度升至80℃后，體系迅速發生聚合反應，產品收率Y高達95%；而當溫度繼續升至110℃，產品的收率基本保持不變，因此最佳聚合反應溫度選定為80℃.

當溫度與其他聚合條件一定時，自由基的多少與引發劑的用量直接相關，從而對聚合反應產生影響，因此本文在苯乙烯與馬來酸酐配比為1∶1，聚合反應時間為4 h，聚合反應溫度為80℃的條件下改變引發劑BPO的用量，考察其對聚合的影響（見圖2）.從圖2可以看出：當引發劑BPO用量從0.15%增加到0.70%時，SMA的收率從92.6%增加到96.6%，達到最高值，再繼續增加引發劑用量，收率變化不明顯，因此，最佳引發劑用量選定為0.70%.

圖1 溫度對收率的影響Fig.1 The influence of temperature on the yield

圖2 BPO用量對收率的影響Fig.2 The influence of the amount of BPO on the yield

圖3 單體配比對收率的影響Fig.3 The effect of the monomer ratio on the yield

2.1.2 單體配比及聚合時間對收率的影響 不同的原料配比與聚合時間對共聚物的收率均有較大的影響，在溫度和BPO用量確定后，本文分別考察了馬來酸酐與苯乙烯的配比和聚合時間對反應的影響，相應的實驗結果分別見圖3與4.從圖3中可知：隨著馬來酸酐與苯乙烯單體配比的增大，SMA的收率呈現出先增大后減小的趨勢；而當馬來酸酐與苯乙烯的單體配比為1∶1時，收率達到最高，為96.6%，因此，最佳單體配比選定為1∶1.由圖4可知，聚合反應2 h后完成，再延長聚合時間對收率影響不大，而聚合時間1 h時，反應不夠完全，因此聚合時間限定為2 h.

圖4 反應時間對收率的影響Fig.4 The effect of reactive time on the yield

2.2 苯乙烯－馬來酸酐交替共聚物（SMA）的表征與結構分析

2.2.1 SMA相對分子質量分布的測定與熱穩定性分析 凝膠滲透色譜是測定高分子相對分子質量及其分布的有效方法之一，在本文中，利用美國Polymer公司生產的凝膠色譜分析儀（型號PLGPC 220），以聚苯乙烯為標準樣品，MIXED－BLS為色譜分離柱，色譜純的四氫呋喃為色譜流動相，在流速1.00 m L／min、柱溫40℃的分析測試條件下進行測定，結果見圖5.從圖5可知，SMA相對分子質量分布呈現正態分布特性，其重均相對分子質量在11 500左右、數均相對分子質量在3 400左右，是一種低聚合度的高分子化合物.SMA的熱失重（TG）曲線如圖6所示，從圖中可知，SMA的主要失重區間為340～400℃，在300℃之前，SMA非常穩定，表明SMA具有較高的熱穩定性能.

圖5 SMA的GPC圖譜Fig.5 The GPC spectrum of SMA

圖6 SMA的TG曲線Fig.6 The TG curve of SMA

2.2.2 SMA的紅外光譜分析 圖7是SMA的紅外光譜圖，對比曲線a與b可以看出，曲線b中在3 500 cm－1處的特征峰消失，表明曲線a中在3 500 cm－1的特征峰是由溴化鉀中的水產生，曲線b中位于2 930與2 850 cm－1處的高強度特征峰是石蠟中飽和烷基特征峰.兩條曲線中，在1 856與1 778 cm－1處分別為酸酐上羰基（C O）的對稱和反對稱伸縮振動特征峰，在1 603與1 495 cm－1處為苯環骨架中C C鍵的振動吸收峰，在3 031 cm－1處為苯環上不飽和碳氫的特征峰，760和702 cm－1處的特征峰為苯環中相鄰5個氫的面外彎曲振動峰.而從曲線a可以看出，在2 927 cm－1處顯現出飽和C—H的特征峰，表明聚合體系中的雙鍵發生了自由基聚合反應，得到了聚合物SMA.

圖7 SMA的紅外光譜圖Fig.7 The IR spectra of SMA

2.2.3 SMA的結構組成分析 SMA結構中含有芳環與酸酐兩種基團，它們的比例直接影響SMA的性能，因此本文結合SMA的元素分析與聚合殘液高效液相色譜分析兩種方法，確定共聚物中酸酐的摩爾分數.SMA的元素分析結果如下：C 70.120%，H 5.254%，O 24.626%，經計算，馬來酸酐的摩爾分數為51.8%.

圖8為甲苯、苯乙烯、馬來酸酐與聚合殘液的高效液相色譜（HPLC）.從圖中可知，馬來酸酐、甲苯與苯乙烯的保留時間分別為5.2、22.8與23.5 min，聚合殘液中主要為甲苯，其分析結果如表1所示.經過表1校正峰面積歸一化法的計算可以得出：聚合殘液中馬來酸酐、苯乙烯、甲苯的質量分數分別為0.16%、0.03%與99.81%，聚合殘液總質量為70 g，根據各自質量分數，計算出殘液中馬來酸酐質量為0.112 g、苯乙烯質量為0.021 g，結合聚合反應前的投料量（苯乙烯4.16 g，馬來酸酐3.92 g），計算出產品SMA中酸酐摩爾分數為49.5%，與產物SMA的元素分析結果基本一致.

圖8 HPLC譜圖Fig.8 HPLC spectra

表1 聚合殘液的HPLC分析結果Tab.1 HPLC analysis result of the polymeric residual liquid

2.2.4 SMA的結構序列分析 苯乙烯是帶有推電子基團的活性單體（e1＝1.0，Q1＝－0.8，e為單體與其自由基的電子效應參數，Q為活性單體的共軛效應參數），馬來酸酐是帶有強吸電子基團的活性單體（e2＝2.23，Q2＝0.23），在室溫條件下，r1＝0.015，r2＝0，r1×r2→0（r為競聚率），因此，馬來酸酐和苯乙烯的共聚反應具有強烈的交替聚合傾向［12］.而核磁共振碳譜通過對比馬來酸酐和苯乙烯共聚物中苯環上季碳核的化學位移的變化，得出其序列結構，是研究馬來酸酐與苯乙烯共聚物結構序列的有效途徑之一.SMA苯環上季碳原子化學位移與序列結構的關系如表2所示［13］.

本研究中采用氘代丙酮為溶劑，測定了其13C NMR（積分時間12 h）.圖9是SMA的13C NMR圖譜.化學位移δ＝173×10－6處為馬來酸酐中羰基碳的特征峰，δ＝（126～130）×10－6處為苯環上叔碳的特征峰，δ＝（137～138）×10－6處為苯環上季碳的特征峰.所合成產品的13C NMR譜圖中，在δ＝（137～138）×10－6處出現了苯環季碳的吸收峰，而在δ＝（139～148）×10－6處未見吸收峰，且產物中酸酐的摩爾分數為51.8%，與苯乙烯的配比非常接近1∶1，并結合表2中所列的序列結構，表明產物主要為MS＊MS＊，得到苯乙烯與馬來酸酐的交替共聚物.

表2 SMA的序列結構與季碳原子化學位移的關系［13］Tab.2 The correlation of the sequence structure of SMA and chemical shift

圖9 SMA的13 C NMR圖譜Fig.9 The 13 C NMR spectrum of SMA

3 結 論

本文以甲苯為溶劑，采用沉淀聚合法合成了苯乙烯－馬來酸酐共聚物.通過對聚合條件的詳細研究，確定了合成苯乙烯－馬來酸酐共聚物的優化工藝，該工藝產品收率高、易于分離、操作簡便.經聚合殘液的高效液相色譜與產品的元素分析，計算出聚合物中的馬來酸酐含量為52.0%左右，并經13C NMR圖譜表明聚合物是一種交替共聚物.

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