J Mater Chem 2007 17 1258-copolymerization of poluimide and polyoxometalates
易位聚合法合成柱芳烃聚合物及其主客体性质的研究
摘要超分子化学是多种学科的相互结合,在药物附载与释放、多功能材料以及传感器等方面都发挥着巨大的作用。
近年来,由非共价键作用力所构建的超分子聚合物将高分子特性与超分子化学特性相结合,受到越来越多研究者们的关注。
这类聚合物既具有高分子强度高、稳定性好的优点,同时又具有超分子动态可逆的特性,是一类新的功能材料。
作为主体大环分子中的新星,柱芳烃结构对称,并且还可以和多种客体分子进行络合,正逐渐成为主客体化学研究的热点。
但目前大多数的研究集中于柱芳烃小分子,对于柱芳烃聚合物的研究依然相对较少,这是由于柱芳烃位阻较大,用传统的自由基聚合方法难以得到柱芳烃均聚物或者嵌段共聚物。
本论文采用易位环化或开环易位聚合的方法,将柱芳烃引入到聚合物中,得到含柱芳烃的聚合物,进一步加入合适的客体分子,构建超分子聚合物,探究主客体络合作用对聚合物性能的影响。
内容包括:设计合成柱芳烃修饰的1,6-庚二炔单体DYP5A,通过易位环化聚合方法得到柱芳烃均聚物pDYP5A、嵌段共聚物pDYP5A-b-pMPBPY和无规共聚物p(DYP5A-co-MPBPY),随后引入吡啶盐客体分子构建超分子体系。
通过调节主客体之间的摩尔比例,可以对超分子体系的导电率进行调节。
同时,由于聚合物的规整度不同,相同客体分子含量时其导电率也不同,表现为均聚物体系导电率最大,嵌段共聚物体系导电率其次,无规共聚物体系导电率最小。
其次,通过对比实验,证明主客体络合作用的存在使体系的玻璃化转变温度发生了明显的下降,从而提高导电率。
设计合成柱芳烃修饰的降冰片烯单体NMP5A,通过开环易位聚合方法得到柱芳烃均聚物pNNMP5A、嵌段共聚物pNMP5A-b-pMPHMB和无规共聚物p(NMP5A-co-MPHMB)。
随后引入聚乙二醇和四苯乙烯基修饰的两种吡啶盐客体分子形成超分子刷状聚合物,进一步自组装形成具有AIE性质的胶束。
通过调节主客体间的摩尔比例,胶束大小和荧光强度可以得到改变。
双环戊二烯与苯乙烯的共聚合研究
3 结论
在单配钨酚一EI:AICI催化体系下,苯乙烯的存在对DCPD有明显的促进作用。经红外光谱分析、 差示扫描量热分析、热失重分析和扫描电镜表征都说明,在反应条件下苯乙烯和DCPD可以发生共聚形 成PDCPD.PS共聚物。
参考文献:
[1] 王伟,刘继纯,张玉清,等.双环戊二烯研究新进展[J].化学与黏合,2007.29(2):l 17—121.
采用共聚的方法可扩展PDCPD的性能,特别是引入功能性共聚单体可使PDCPD获得一些特殊性 质。DCPD的共聚可按两种聚合机理进行,一种是开环易位聚合机理”。。,产物是热固性聚合物;另一 种是加成聚合机理旧柚],产物是线性聚合物。文献[10—11]采用碘化烷基铝与元素碘的混合物做催化 剂,制备出了环戊烯和双环戊二烯共聚物。文献[12一13]采用阻燃型卤代降冰片烯与双环戊二烯共 聚,制成的模塑制品具有优异的阻燃性能。文献[14]用DCPD和分别由芴、苊、蒽取代的降冰片烯单体 在开环易位催化剂的作用下进行共聚,共聚产物具有较高玻璃化转变温度。
1.5溶出率的测定
称取一定量的真空干燥样品,用甲苯抽提8 h,将聚苯乙烯(Ps)和线性PDCPD抽出,按式(3)计算
溶出率W,,
W3=—A’≯.一×A’.100%,
(3)
^0
式中,A’。、A’。分别为抽提前后样品的质量。
1.6表征测试
红外光谱(IR)分析,采用KBr压片法制样,分辨率4 em~,扫描32次;差示扫描量热分析(DSC),
同时,随着苯乙烯质量分数的增加,聚
表1 苯乙烯质量分数对转化率的影响
%
合物的转化率几乎不变。这些现象都
说明了苯乙烯可能与DCPD发生了共
聚合反应。
2.2 苯乙烯质量分数对溶出率的影响
多胺型聚苯乙烯树脂的合成及对Cu2+的吸附性能
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2016年第35卷第10期·3258·化工进展多胺型聚苯乙烯树脂的合成及对Cu2+的吸附性能孟启,吕科翰,夏丰敏,倪梦燚(常州大学石油化工学院,江苏常州 213164)摘要:以聚苯乙烯树脂为起始原料,经氯乙酰化后与四乙烯五胺反应,合成了一种含四乙烯五胺功能基的多胺型聚苯乙烯树脂。
考察了溶剂、物料比、时间和温度等反应条件对树脂合成的影响,研究了树脂对Cu2+的吸附性能。
结果表明,合成反应在THF溶剂中室温即可顺利进行,所得树脂全交换容量为7.45mmol/g。
树脂对Cu2+的吸附可以用准二级动力学方程来描述,液膜扩散为吸附主要控制步骤,吸附符合Langmuir等温方程,为单分子层吸附,饱和吸附量为46.15 mg/mL。
对于Cu2+、Ni2+混合溶液,该树脂可以选择性吸附其中Cu2+。
关键词:四乙烯五胺;树脂;合成;吸附;铜离子中图分类号:O 632.6 文献标志码:A 文章编号:1000–6613(2016)10–3258–05DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2016.10.033Synthesis of polyamine-type polystyrene resin and its adsorption propertyfor Cu2+MENG Qi,LÜ Kehan,XIA Fengmin,NI Mengyi(Petrochemical Institute of Changzhou University,Changzhou 213164,Jiangsu,China)Abstract:A polyamine-type polystyrene resin with tetraethylenepentamine functional group was synthesized from polystyrene resin through chloroacetylation followed by the amination of tetraethylenepentamine. Effects of reaction solvent,mole ratio of raw materials,time and temperature were discussed. The adsorption property of the polyamine-type polystyrene resin for Cu2+ was also studied. The results show that the synthetic reactions can take place smoothly in THF at room temperature and the complete exchange capacity of the synthesized resin is 7.45 mmol/g. The adsorption processes of Cu2+ can be described by pseudo-second order kinetic equation. The main control step of resin adsorption for Cu2+ is governed by liquid film diffusion. The adsorption of Cu2+ belongs to the Langmuir adsorption model and was valid for single-layer adsorption. The saturated adsorption capacity of the synthesized resin toward Cu2+ is 46.15mg/mL. The Cu2+ can be removed selectively from the mixed solution of Cu2+ and Ni2+ by the synthesized resin adsorption.Key words:tetraethylenepentamine;resin;synthesis;adsorption;copper ion多胺结构对一些金属离子具有良好的螯合作用,通过多胺分子对聚合物的化学修饰可以制得多种具有特殊功能的新型材料[1-4],其中以多乙烯多胺为功能基的多胺型树脂具有结构稳定、用途广泛的特点,在合成技术研究和应用领域拓展等方面引起了人们广泛的关注[5-7]。
氯化胆碱类低共熔溶剂用于木质纤维素预处理的研究进展
林业工程学报,2024,9(1):32-44JournalofForestryEngineeringDOI:10.13360/j.issn.2096-1359.202212015收稿日期:2022-12-12㊀㊀㊀㊀修回日期:2023-08-11基金项目:国家自然科学基金(21873012);国家高层次人才特殊支持计划项目㊂作者简介:薛智敏,女,教授,研究方向为绿色化学和林产化工㊂E⁃mail:zmxue@bjfu.edu.cn氯化胆碱类低共熔溶剂用于木质纤维素预处理的研究进展薛智敏,闫何恋(北京林业大学林木生物质化学北京市重点实验室,北京100083)摘㊀要:丰富㊁可再生的木质纤维素生物质在代替化石资源制备化学品和功能材料方面具有巨大的潜力,但是,木质纤维素生物质的天然抗降解性严重制约着其有效利用,需要通过预处理打破木质纤维素的天然抗降解屏障,才能更好利用木质纤维素生物质㊂以低共熔溶剂(DESs)为溶剂的预处理技术是新兴的生物质预处理技术,在木质纤维素预处理方面展现出良好的应用前景㊂笔者综述了近年来氯化胆碱(ChCl)基DESs用于生物质预处理的研究概况,讨论了ChCl基DESs的物化性质与预处理性能之间的关联性,系统总结了以羧酸㊁醇㊁氨基或者酰胺基为氢键供体的DESs在木质纤维素预处理方面的应用,重点分析了预处理温度及时间㊁氢键供体的结构及其与ChCl的物质的量比㊁固液比等因素对预处理性能的影响㊂此外,还讨论了ChCl基DESs与其他辅助技术结合在生物质预处理中的应用㊁ChCl基DESs的回收㊁预处理后木质纤维素各组分的再生等㊂最后,展望了DESs预处理技术面临的挑战及可能的发展方向㊂关键词:低共熔溶剂;生物质预处理;木质纤维素;木质素;氯化胆碱中图分类号:TQ352.62㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:2096-1359(2024)01-0032-13Advancesonlignocellulosepretreatmentbycholinechloride⁃baseddeepeutecticsolventsXUEZhimin,YANHelian(BeijingKeyLaboratoryofLignocellulosicChemistry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)Abstract:Toachievethegoalofcarbonneutrality,utilizationofrenewableresourcesandenergieshasgainedworld⁃wideinterest.Inthiscontest,theabundant,cheapandrenewablelignocellulosicbiomasshasgreatpotentialtobeanalternativetofossilresourcesforproducingvaluablechemicalsandfunctionalmaterialsbecausetheutilizationofligno⁃cellulosicbiomasshasshowntheunique net⁃zerocarbonemission nature,thusmakingitsutilizationbecomeahots⁃potinchemicalcommunity.However,thenaturalresistancetodegradationoflignocellulosicbiomassseriouslyrestrictsitseffectiveutilization.Therefore,itisessentialtobreakthenaturalanti⁃degradationbarrieroflignocellulosebypretreatmenttoachievebetterutilizationoflignocellulose.Todate,variousstrategieshavebeendevelopedtopre⁃treatlignocellulose,includingphysicalmethods(e.g.,grinding),chemicalmethods(e.g.,alkalis,acids,organicsolvents,ionicliquids,deepeutecticsolventsandenzymatichydrolysis),andthecombinationofbothphysicalandchemicalmethods(e.g.,wetoxidationandhydrothermalcracking).Ofthesedevelopedstrategies,pretreatmentoflignocellulosicbiomassusingdeepeutecticsolvents(DESs,anewlydevelopedfunctionalgreensolvents)isconsi⁃deredasanemergingtechnology,whichhasshowngoodapplicationsinthepretreatmentoflignocellulosicbiomass.Thisstudydiscussedtheprogressonthepretreatmentoflignocellulosicbiomassusingcholinechloride(ChCl)⁃basedDESsinrecentyears.Thecorrelationbetweenthepretreatmentperformanceandthephysicalandchemicalproperties(i.e.,density,viscosity,ionicconductivityandpolarity)oftheChCl⁃basedDESswasreviewed.Moreover,theap⁃plicationsofChCl⁃basedDESswithvariouscarboxylicacids,alcohols,aminosoramidesashydrogenbonddonorsinlignocellulosicbiomasstreatmentweresystematicallyanalyzedanddiscussed.Especially,theinfluenceofvariouspa⁃rameters,i.e.,pretreatmenttemperature,pretreatmenttime,thestructureofhydrogenbonddonorsanditsmolarratiowithChCl,andsolid⁃to⁃liquidratio,onthepretreatmentperformancewerediscussedindetail.Additionally,theper⁃formanceofcombiningChCl⁃basedDESsandotherauxiliarytechnologies(i.e.,microwave,ultrasonicsound,addi⁃㊀第1期薛智敏,等:氯化胆碱类低共熔溶剂用于木质纤维素预处理的研究进展tives,hydrothermal,extrusion,andbio⁃pretreatment)onbiomasspretreatment,thetechniques(i.e.,anti⁃solvents,extraction,andmembranefiltration)fortherecoveryofChCl⁃basedDESs,andtheregenerationoflignocellulosecomponentsfromthepretreatmentsystemswerereported.Finally,anoutlookwasprovidedtohighlightthechallengesandopportunitiesassociatedwiththepretreatmentoflignocellulosicbiomassbyutilizingDESs,andseveralkeyprob⁃lemstobeaddressedinfutureworkswerediscussedbasedontheauthors knowledge.Accordingtothediscussionsinthisreview,itisnodoubtthattheutilizationofDESsastheefficientsolventsforthepretreatmentoflignocellulosicbiomassishighlypromising.Webelievethatthisreviewcouldprovideusefulinformationforthereadersworkinginthisinterestingandimportantarea.Keywords:deepeutecticsolvent;biomasspretreatment;lignocellulose;lignin;cholinechloride图1㊀不同种类氢键供体的化学结构Fig.1㊀Chemicalstructuresofdifferenthydrogenbonddonors㊀㊀以石油㊁煤㊁天然气为代表的化石碳资源日趋枯竭,促使人们开发可再生的碳资源㊂在此背景下,利用可再生生物质生产高值化学品和功能材料受到广泛关注㊂其中,木质纤维素生物质约占全球可用生物质总量的50%,是地球上最丰富的可再生碳资源[1]㊂木质纤维素生物质的主要组分包括纤维素(30% 50%)㊁半纤维素(20% 30%)㊁木质素(15% 30%)以及其他低含量组分(灰分㊁树脂㊁酚类等)[2]㊂木质纤维素生物质复杂的微观结构以及三大主要组分的不均匀分布使得木质纤维素生物质具有天然的抗降解屏障㊂通过绿色㊁高效㊁低成本的预处理方法打破该屏障,提高催化剂或溶剂分子对木质纤维素生物质的可及性,是实现木质纤维素生物质高效转化利用的必要过程㊂预处理过程能够实现木质素与碳水化合物(纤维素㊁半纤维素)的分离㊂分离得到的碳水化合物可以用于制备功能材料㊁高值化学品等,而木质素能够生产各种芳香化学品及功能材料[3-4]㊂木质纤维素生物质的预处理方法一般分为3类:物理法(研磨等)[5]㊁化学法(碱㊁酸㊁有机溶剂㊁离子液体㊁低共熔溶剂以及酶解等生物化学法)㊁物理化学结合法(湿氧化和水热裂解等)[6],其中,酸或碱预处理是最常用的传统方法㊂但是,酸或碱预处理存在设备腐蚀㊁环境污染㊁效率低㊁能耗高等缺点㊂近年来,开发绿色预处理方法已经成为木质纤维素领域的研究热点㊂低共熔溶剂(DESs)是近年来新兴的绿色功能溶剂㊂与传统有机溶剂相比,DESs具备可由可再生原料制备㊁成本低㊁易回收㊁可生物降解等优点[7],因此,DESs符合绿色化学的基本原则,是一类极具应用前景的木质纤维素预处理溶剂㊂DESs由氢键受体(HBA)和氢键供体(HBD)按照一定比例形成,具有与离子液体相似的物化性质,但毒性更低㊁更易生物降解㊁价格更便宜,因此,DESs预处理被认为是传统酸/碱预处理最有前途的替代方法之一㊂早期报道的DESs以氯化胆碱(ChCl)为HBA,该种DESs通常具有较好的木质纤维素预处理性能[8-9]㊂笔者综述了氯化胆碱基DESs(图1)用于33林业工程学报第9卷木质纤维素预处理的研究进展,并展望了DESs用于生物质预处理的前景和面临的挑战㊂1㊀氯化胆碱基DESs的物化性质与预处理性能的关系1.1㊀密㊀度大部分DESs在25ħ时的密度多在1.0 1.3g/cm3[10]㊂其中,氢键官能团数量㊁HBD的烷基链长㊁温度㊁水含量等极大影响DESs的密度㊂DESs的密度随所含提供氢键官能团数量的增加而上升,而随HBD烷基链长度的增加而下降㊂与常规溶剂类似,DESs的密度随温度升高线性下降㊂此外,水含量会影响DESs的密度㊂New等[11]发现ChCl与尿素(U)形成的低共熔溶剂ChCl/U的密度随含水量的增加而降低,其对油棕叶的脱木素性能也随之降低㊂这可能是因为DESs的浓度随水含量的增加而降低,导致DESs与木质纤维素的接触概率降低,从而导致脱木素性能的降低㊂HBD的种类及其与ChCl的物质的量比对ChCl基DESs的密度有较大影响㊂Shafie等[12]发现ChCl与柠檬酸(CA)形成的DESs的密度随ChCl物质的量比的增加而下降,但随CA物质的量比的增加而升高㊂在利用由ChCl和有机羧酸形成的DESs预处理油棕空果串(EFB)时,ChCl/乳酸(物质的量比为1ʒ1)比ChCl/CA(物质的量比为1ʒ1)具有更低的密度,易于扩散与EFB接触,从而具有更好的预处理性能[13]㊂1.2㊀黏㊀度DESs中含有大量氢键,导致绝大多数DESs具有较高的黏度,而其高黏度会阻碍传热和传质,从而降低预处理效率㊂目前,常用的降低黏度的方法是提高温度和增加水含量㊂此外,改变DESs中HBA和HBD的种类及物质的量比能够制备低黏度的DESs,使其与生物质的接触更充分,促进生物质的预处理㊂形成三元DESs是降低DESs黏度的一种新方法[14]㊂KandAnelli等[15]制备了低黏度的三元DESsChCl/草酸/乙醇(ChCl/OA/EtOH)用于秸秆预处理,发现利用三元DESs的脱木素率比二元DESsChCl/OA的脱木素率至少高50%㊂1.3㊀离子导电性DESs具有离子导电性,但由于其黏度较大,导致大多数DESs的离子电导率较低(在常温下小于2mS/cm)[10]㊂升高温度能够降低DESs的黏度,促进离子迁移,使得DESs在高温时具有较高的导电性[16]㊂此外,DESs的离子电导率与HBA和HBD的性质㊁物质的量比等因素密切相关[17-18]㊂Abbott等[17]发现由ChCl与OA形成的DESs在45ħ时的电导率随OA含量的增加先上升后下降,并且在OA与ChCl物质的量比为1ʒ1时的电导率最高㊂当向ChCl与乙二醇(EG)形成的DESs中加入10%的水后,DESs的电导率提高[18]㊂同时,具有较高电导率的ChCl/EG对木质素的溶解性能高于低电导率低的ChCl/U㊂1.4㊀极㊀性极性是决定DESs预处理性能的关键参数㊂影响DESs极性的因素主要包括DESs组分的结构㊁官能团数目㊁HBA与HBD的物质的量比等㊂Dai等[19]发现有机酸基DESs极性最高,糖基和氨基酸基DESs的极性次之,而多元醇基DESs的极性最低㊂根据 相似相溶 原则,当溶剂的极性与目标化合物的极性相似时,提取效率更高㊂Bhagwat等[20]发现由ChCl和甘油(G)形成的多元醇基DESsChCl/G的极性与从桑叶中提取的酚类化合物(PCs)的极性相似㊂因此,ChCl/G更适于从桑叶中提取PCs㊂Danilovic'等[21]利用ChCl/U㊁ChCl/G和ChCl/乙酸(ChCl/AA)3种DESs从微藻中提取脂质,发现油脂收率与这3种DESs的极性相关,分别为51%,46%和40%㊂DESs的极性通常可用Kamlet⁃Taft溶剂化显色参数π∗(极化率)进行评估㊂Tan等[13]发现具有较大π∗值的DESs更利于打破木质纤维素中的化学键从而脱除木质素㊂对DESs极性的研究有助于在分子层面上揭示DESs的结构和预处理性能之间的关系[22]㊂2㊀不同种类氯化胆碱基DESs预处理木质纤维素生物质㊀㊀根据HBD类型,将ChCl⁃DESs分为羧酸基㊁多元醇基㊁氨基/酰胺基等种类㊂在木质纤维素预处理中,ChCl⁃DESs通过提供活性质子(对羧酸/醇类DESs)㊁酸性(对羧酸DESs)或碱性环境(对胺基/酰胺基DESs)裂解木质纤维素中醚键㊁糖苷键㊁木质素⁃碳水化合物键等链接键,促进木质素的脱除,从而提高纤维素的酶解效率㊂2.1㊀羧酸基ChCl⁃DESs以羧酸为HBD时,羧酸能够提供活性质子,裂解木质纤维素中不稳定的化学键(如醚键㊁糖苷键㊁木质素⁃碳水化合物键),并结合DESs的溶剂作用,促进木质素从木质纤维素中分离[23]㊂43㊀第1期薛智敏,等:氯化胆碱类低共熔溶剂用于木质纤维素预处理的研究进展2.1.1㊀酸性强度对预处理效果的影响质子催化不稳定化学键裂解是脱除木质素的主要机理之一,因此,具有更强酸性HBD的DESs通常具有更好的半纤维素和木质素的脱除能力,从而获得良好的预处理效果㊂酸强度常用酸解离常数(pKa)评价,pKa值较低时表示酸性较强㊂大多数以一元酸为HBD形成的ChCl⁃DESs对木质素的提取效果随一元酸pKa的降低而越好㊂例如,对甲苯磺酸(TA)的pKa低于乙酸(AA)和甲酸乙酸混合酸(MA)㊂与pKa对应,ChCl/TA的木质素提取性能优于ChCl/AA和ChCl/MA(表1),而且从ChCl/TA中再生的木质素的热稳定性更好[24]㊂但是,pKa只能反映一般趋势,与木质素的脱除没有绝对的线性关系㊂对于部分二元羧酸类ChCl⁃DESs,pKa与木质素脱除率之间的规律性较差㊂例如,当ChCl与羧酸以物质的量比为1ʒ1形成DESs时,预处理效果按如下顺序增强:乙醇酸基DESs<丙二酸基DESs<戊二酸基DESs(表1),但是它们的酸性逐渐减弱(由pKa值判断)[25]㊂由丙二酸(pKa1=2.83,pKa2=5.69)和草酸(pKa1=1.25,pKa2=4.14)形成的DESs具有较高的酸强度,但其木质素提取率和葡萄糖产率均较低[26]㊂这可能是因为过高的酸强度导致木质纤维素的碳化,从而使得葡萄糖产率较低㊂此外,DESs酸强度过高时,其极性较高,与木质素的极性不匹配,从而导致较低的木质素提取率[27]㊂表1㊀酸强度对木质纤维素预处理效果的影响Table1㊀Effectsofacidstrengthonpretreatmentresultsoflignocellulosic生物质DESs其他条件提取或分离参考文献木质素ChCl/TAChC/AAChCl/MAChCl/TA的性能优于ChCl/AA和ChCl/MA[24]模型化合物ChCl/乙醇酸ChCl/丙二酸ChCl/戊二酸乙醇酸pKa(1.23)㊁丙二酸pKa(2.83)㊁戊二酸pKa(4.31)随酸性减弱,木质素裂解增强ChCl/戊二酸的木质素提取率34.3%[25]玉米芯ChCl/丙二酸ChCl/草酸丙二酸(pKa1=2.83,pKa2=5.69)草酸(pKa1=1.25,pKa2=4.14)酸性增强,脱木质素效率降低[26]2.1.2㊀ChCl与HBD的物质的量比对预处理效果的影响㊀㊀DESs的黏度㊁密度和离子电导率等物化性质会随HBA和HBD的性质和物质的量比的改变而改变,进而改变预处理效果(表2)㊂Kumar等[28]利用ChCl与LA形成的DESs处理稻草时,发现ChCl与LA物质的量比为1ʒ5时的预处理效果最好,木质素的提取量为68mg/g㊂这是因为适量的乳酸能够降低DESs的黏度和表面张力,但又保持了合适的Cl-浓度,增加了溶剂与生物质之间的相互作用,有利于生物质预处理㊂但是,当ChCl与LA的物质的量比从1ʒ5降至1ʒ9时,葡萄糖得率变低,原因在于过量的乳酸导致ChCl浓度过低,削弱了生物质与Cl-之间的相互作用,从而降低了预处理效率㊂Liu等[29]同样发现随ChCl与LA的物质的量比由1ʒ1增加至1ʒ2时,所得到的DESs对木质素的提取能力极大增加㊂Thi等[30]将不同物质的量比的ChCl/LA类DESs用于预处理油棕空果束(OPEFB),结果表明,物质的量比越低,还原糖的产率越低,这是因为ChCl/LA类DESs的酸强度随物质的量比的降低而增大,会导致预处理过程中OPEFB聚集,从而减小了OPEFB的有效表面积,使得酶解效率降低㊂除影响还原糖收率外,木质素脱除率随DESs中羧酸类HBD物质的量比的增加而增加㊂利用ChCl/LA处理稻草时,木质素脱除率随ChCl与LA的物质的量比减小而升高,当ChCl与LA的物质的量比为1ʒ5时,酶解后葡萄糖收率最高,达到42.8%[31]㊂羧酸物质的量比对预处理效果的影响原因如下:HBD物质的量比增大导致羧酸基DESs的黏度下降㊁酸性增强㊁ChCl的浓度降低㊂DESs物化性质的变化能够导致预处理后固体收率㊁木质素脱除率㊁葡萄糖收率的变化㊂Smink等[32]研究了纯ChCl和LA对蓝桉碎片的预处理性能,结果表明,纯乳酸预处理48h与ChCl/LA预处理8h获得的纤维素含量类似,而在120ħ下纯ChCl处理8h后,蓝桉碎片未出现明显的膨胀或细胞壁破裂,说明ChCl/LA的预处理性能优于纯HBD和纯HBA,能够获得较好的木质素脱除率和纤维素回收率㊂综上所述,ChCl和HBD的物质的量比对木质纤维素的预处理结果有较大影响㊂在综合考虑经济和时间成本的基础上,调节ChCl和HBD的物质的量比能够达到调控预处理效率的目的㊂53林业工程学报第9卷表2㊀HBA和HBD的物质的量比对木质纤维素预处理效果的影响Table2㊀EffectsofmolarratioofHBAandHBDonpretreatmentresultsoflignocellulosic生物质DESs其他条件提取或分离参考文献稻草ChCl/LA(物质的量比1ʒ2,1ʒ5和1ʒ9)随物质的量比增加,木质素提取量分别为57,68和66mg/g[28]油棕空果束ChClʒLA(物质的量比1ʒ2,1ʒ4,1ʒ6,1ʒ8,1ʒ10,1ʒ12和1ʒ15)固液比为1ʒ10(gʒmL)物质的量比1ʒ2时还原糖产率最高,为20.7%[30]稻草ChCl/LA(物质的量比1ʒ1,1ʒ2,1ʒ5和1ʒ9)木质素去除率分别为33%,44%,54%和76%[31]2.1.3㊀HBD中烷基链长度对预处理效果的影响ChCl与HBD的物质的量比相同时,羧酸类HBD中烷基链长度能够影响木质素的脱除率㊂对于不含其他官能团的一元和二元羧酸形成的DESs,随着羧酸烷基链增长,木质素的脱除率降低[33]㊂对于一元羧酸,当脂肪链长度从C1(甲酸,FA)增加到C4(丁酸)时,木质素脱除率从61.9%降低到14.3%[14]㊂同时,一元羧酸形成的DESs的预处理性能(特别是木质素脱除率)优于二元和三元羧酸形成的DESs㊂利用ChCl/琥珀酸预处理秸秆后的木质素提取效率(仅为7%)远低于其他一元羧酸形成的DESs㊂这可能是因为在多元羧酸基DESs中,羧基易形成二聚体,使得DESs黏度增大,削弱了DESs与木质纤维素的相互作用,从而导致低的木质素提取效率[34]㊂二元羧酸形成的DESs预处理性能随HBDs烷基链长变化的规律与一元羧酸相似,即烷基链越短,越利于木质素的脱除㊂Lee等[33]分别以草酸㊁丙二酸㊁琥珀酸为HBD与ChCl按物质的量比1ʒ1制备DESs用于油棕叶的预处理,发现ChCl/草酸具有最好的木质素脱除率㊂通常,碳链增长会增加烷基的供电子效应,导致羧酸的酸性降低,从而降低木质素的脱除率㊂这一结果与上述酸性对预处理效果的影响相一致㊂此外,羧酸中含有其他官能团(如羟基)也会影响预处理结果㊂例如,利用ChCl/苹果酸和ChCl/戊二酸预处理油菜籽时,ChCl/苹果酸的木质素脱除率高于ChCl/戊二酸[35]㊂这可能是因为羟基提供了更多的与木质纤维素形成氢键的作用位点,促进了木质素的脱除㊂由此可知,不含其他官能团时,具有较短烷基链长度的一元和二元羧酸形成的DESs有较强的木质素脱除性能,而含有其他官能团时,以羧酸为HBD形成的DESs对木质素的脱除性能会随其他官能团的性质而改变㊂2.1.4㊀反应温度对预处理效果的影响反应温度是影响木质纤维素生物质预处理效果的主要因素之一㊂适度升高温度,能够降低DESs的黏度,提高预处理效率[36]㊂Maibam等[37]采用ChCl/OA(物质的量比为1ʒ3)对稻草进行预处理,发现在相同预处理时间下,随着预处理温度从70ħ升高到140ħ,预处理残渣中木质素含量由9.87%下降5.75%,但是预处理液中糖含量由535.9mg/g上升到685.4mg/g,说明木素脱除率随温度升高而增加,但总糖得率随温度升高而降低㊂如上分析,随着预处理温度升高,DESs的黏度降低,增加了DESs与原料的接触,有利于木质素和半纤维素的脱除,但是过高的预处理温度会降低纤维素回收率㊂2.1.5㊀固液比对预处理效果的影响固液比是指预处理时生物质量与DES的比值,是影响预处理效率的关键参数㊂利用ChCl/LA处理甘蔗渣(SCB)时,Ji等[38]发现随固液比从1ʒ2.5降低至1ʒ10,葡萄糖的收率由20.22%提高到29.10%㊂固液比较大时,预处理体系中没有足够的酸性位点用于木质素的脱除以及纤维素的水解;固液比较小时,体系中的酸位点足够促进SCB被充分解聚释放葡萄糖㊂通常,为实现木质素和半纤维素的有效脱除,利用DESs预处理时固液比相对较低㊂但是,过低的固液比不但会引起生物质的过度降解,而且会导致预处理设备过大㊁溶剂浪费㊁预处理成本更高等问题㊂2.1.6㊀预处理时间对预处理效果的影响增加预处理时间有助于DESs进入木质纤维素的本体结构,促进木质素的脱除㊂Asada等[39]在120ħ下利用ChCl/LA处理竹材,发现固体残渣得率随预处理时间的增加显著降低,预处理24h后残渣得率为48.2%㊂同时,随预处理时间的增加,残渣中纤维素㊁半纤维素和木质素的含量均降低,表明预处理时间越长,脱木质素率越高,但预处理时间过长不利于获得高糖得率㊂因此,需要综合考虑预处理效果,选择合适的预处理时间㊂2.2㊀醇基ChCl⁃DESs2.2.1㊀羟基数目对预处理效果的影响醇基DESs对生物质的预处理作用主要源于醇基HBD的羟基与木质素中含氧官能团形成氢键63㊀第1期薛智敏,等:氯化胆碱类低共熔溶剂用于木质纤维素预处理的研究进展相互作用,促进木质素的脱除,因此,醇基DESs的脱木素效率与氢键供体醇中的羟基数密切相关㊂Hou等[40]采用不同醇类构建的DESs对稻草秸秆进行预处理(表3),发现DESs的预处理效率及随后的纤维素酶消化率从大到小为:ChCl/乙二醇>ChCl/甘油>ChCl/木糖醇㊂这一结果表明,HBD中羟基数增加,木质素脱除率反而下降,这可能是由这些DESs的黏度不同而引起的[41]㊂随着醇中羟基数目的增加,ChCl与多元醇之间的氢键相互作用增强,DESs黏度增大,不利于DESs与生物质之间的接触,从而降低了木质素脱除率㊂但若在醇类DESs中加入其他物质形成三元DESs,上述规律有时并不适用㊂例如,Xu等[42]研究了利用三元DESs预处理野生杨木,发现ChCl/G/AlCl3具有比ChCl/EG/AlCl3更好的木质素脱除率,其结果分别为90.83%和87.78%㊂此外,酶在醇基DESs中的稳定性更好㊂Gunny等[43]研究了纤维素酶在ChCl/EG㊁ChCl/G和ChCl/丙二酸中的稳定性(表3)㊂结果表明,在10%(体积分数)的ChCl/EG和ChCl/G中,纤维素酶保留了其原始活性的90%以上,而在ChCl/丙二酸中完全失活㊂这可能是因为丙二酸与酶之间的强相互作用导致酶的构象变化而失活㊂除此之外,对玉米芯预处理时,ChCl/EG中残渣回收率(73.4%)高于ChCl/乙酰丙酸(71.2%)㊂这是因为ChCl/EG的酸度低于ChCl/乙酰丙酸,可以避免玉米芯的酸降解,表明多元醇基DESs预处理时能够有效保护碳水化合物㊂表3㊀羟基数目对生物质预处理效果的影响Table3㊀Effectsofhydroxylnumberonpretreatmentresultsofbiomass生物质DESs其他条件提取㊁分离㊁酶解参考文献稻草秸秆ChCl/EGChCl/GChCl/木糖醇纤维素酶消化率ChCl/EG33.9%㊁ChCl/G30.2%㊁ChCl/木糖醇27.8%[40]杨木ChCl/G/AlCl3ChCl/EG/AlCl3微波400W野生杨木脱木素率分别为90.83%和87.78%[41]稻壳ChCl/EGChCl/GChCl/丙二酸24h,酶在体积分数10%的醇基DESs中保留90%以上的原始活性[43]2.2.2㊀醇中烷基链长度对预处理效果的影响与羧酸基DESs类似,醇类HBDs中羟基数量相同时,烷基链长度影响木质素的脱除㊂研究表明,具有较短碳链的二元醇与ChCl的氢键作用更强[44],导致形成的DESs黏度较大㊂随着二元醇中2个羟基间亚甲基数的增加,二元醇与ChCl间的氢键相互作用逐渐减弱,黏度降低,从而对木质素的脱除效率提高㊂Wang等[41]发现具有较长烷基链二醇的ChCl⁃DESs更能有效地从稻草秸秆中提取木质素,即木质素在醇基DESs中的溶解度随醇类HBD中烷基链长的增加而增加㊂此外,木质素是一种基于疏水性苯丙烷结构单元的聚合物㊂因此,多元醇基ChCl⁃DESs的疏水性对木质素的提取会有影响㊂与ChCl/1,2⁃丙二醇相比,ChCl/1,3⁃丙二醇的疏水性更强,对稻草的预处理性能更好㊂2.2.3㊀固液比对预处理效果的影响与羧酸基DESs类似,固液比同样影响醇基ChCl⁃DESs的预处理效果㊂An等[45]利用ChCl/正丙醇(物质的量比为1ʒ1)从废板栗壳中提取鞣花酸,发现鞣花酸的收率随固液比的降低逐渐升高,并在固液比为40mg/mL时获得最高的鞣花酸萃取效率㊂2.2.4㊀预处理温度与时间对预处理效果的影响预处理温度与时间是影响醇基ChCl⁃DESs预处理性能的重要因素㊂利用ChCl/G处理莴苣叶时,Procentese等[46]发现随预处理温度升高,固体残渣中葡聚糖含量增加,木聚糖㊁阿拉伯聚糖和酸不溶木质素含量减少,而酸可溶木质素含量几乎不变;纤维素水解速率和葡萄糖收率随预处理温度的升高而提高㊂Zhou等[47]研究了不同预处理温度及时间对ChCl/G预处理小麦秸秆㊁高粱秸秆㊁杨木和松木4种生物质的效率,发现预处理效率均随预处理温度及时间的提高而提高㊂这是因为长时间的高温使DESs与原料充分接触,促进木质素脱除及碳水化合物被消化㊂2.2.5㊀醇基DESs与酸结合的预处理效果由于酸性较弱,以多元醇基ChCl⁃DESs为溶剂预处理生物质时,木聚糖和木质素的脱除效率通常较低,因此,需要更苛刻的条件才能达到较好的预处理效果㊂但是,苛刻的条件不利于获得高糖得73林业工程学报第9卷率,通常人们将多元醇基ChCl⁃DESs与酸结合改善预处理性能㊂Guo等[48]发现硅钨酸能够有效提高醇基DESs(ChCl/G)对芒草的预处理效果(表4)㊂单独利用ChCl/G时,木质素和木聚糖的脱除率仅分别为1.6%和5.3%,而加入硅钨酸后,其脱除率分别提高到89.5%和58.5%,这归因于杂多酸产生的H+高效促进了木质素和木聚糖的降解㊂Chen等[49]发现ChCl/G与0.9%(质量分数)H2SO4结合能够有效将柳枝稷分离为木质素㊁富含木糖的水解产物和富含纤维素的残渣,酶解富含纤维素的残渣可以获得89%产率的葡萄糖㊂此外,利用醇酸与ChCl形成的DESs兼具醇基DESs和羧酸基DESs的优势,有利于提高预处理效率㊂利用DESs处理山毛榉时,Jablonsky等[50]发现ChCl/乙醇酸中木质素脱除率高于ChCl/EG㊂表4㊀醇基DESs与酸结合的生物质预处理效果Table4㊀PretreatmentperformancebythecombinationofalcoholbasedDESsandacids生物质DESs其他条件提取㊁分离㊁酶解参考文献芒草ChCl/GChCl/G钨酸酶水解效率97.3%,葡萄糖产率80%;脱木质素率89.5%,脱木糖率58.5%脱木质素率1.6%,脱木糖率5.3%[48]柳枝稷ChCl/G0.9%(质量分数)H2SO4和20%水葡萄糖产率89%[49]山毛榉ChCl/乙醇酸ChCl/EGChCl/乙醇酸脱木素率16.6%ChCl/EG未脱除木质素[50]2.3㊀胺基/酰胺基ChCl⁃DESs胺基/酰胺基ChCl⁃DESs具有一定的碱性,碱性条件能够催化木质素分子中的醚键以及木质素与半纤维素之间的酯键裂解,实现木质素的脱除㊂胺基/酰胺基ChCl⁃DESs的HBDs包括咪唑㊁醇胺㊁尿素㊁硫脲㊁乙酰胺㊁琥珀酰亚胺等㊂2.3.1㊀碱性强度对预处理效果的影响通常,溶剂的碱性越强,木质素的脱除率越高㊂Zhao等[51]利用ChCl/单乙醇胺(ChCl/M)㊁ChCl/二乙醇胺(ChCl/D)和ChCl/甲基二乙醇胺(ChCl/MD)3种DESs预处理麦草(表5),发现ChCl/M比ChCl/D和ChCl/MD更能有效地脱除木质素和木聚糖㊂利用ChCl/M预处理时,木质素和木聚糖脱除率分别为81.0%和47.3%,而利用ChCl/D和ChCl/MD预处理时,木质素脱除率分别为73.5%和44.6%,木聚糖脱除率分别为15.4%和10.4%㊂这可能与这3种DESs不同的碱性有关㊂相同浓度的单乙醇胺㊁二乙醇胺和甲基二乙醇胺,碱性逐渐减弱,与上述木质素和木聚糖脱除规律相符㊂此外,当溶剂的pH大于7.0(特别是超过10.0)后,木质素的脱除率随溶剂碱性的增强而急剧增加[52]㊂表5㊀胺基/酰胺基ChCl⁃DESs用于生物质预处理Table5㊀Pretreatmentofbiomassusingamino/amide⁃basedChCl⁃DESs生物质DESs提取或分离参考文献麦草ChCl/MChCl/DChCl/MD3种DESs中,木质素的脱除率分别为81.0%,73.5%和44.6%;而木聚糖的脱除率为47.3%,15.4%和10.4%[51]杨树ChCl/UChCl/I纤维素的相对含量分别提高到45.5%和46.2%;半纤维素分别降低到15.6%和14.3%[53]油棕空果串ChCl/IChCl/I处理,酶解得到的葡聚糖转化率更高,为92.4%[54]2.3.2㊀胺基/酰胺基数目对预处理效果的影响胺基/酰胺基DESs脱木素效率与胺基/酰胺基数目密切相关㊂胺基/酰胺基间会形成强氢键作用,并且这种作用随胺基/酰胺基数目的增加而增强,使得能与生物质作用的游离胺基/酰胺基数目减少,所以胺基/酰胺基数量越多,ChCl⁃DESs的预处理效果越差㊂在利用ChCl/U和ChCl/咪唑(ChCl/I)在115ħ下预处理杨木时(表5),Li等[53]发现预处理后纤维素的相对含量分别提高到45.5%和46.2%,而半纤维素分别降低到15.6%和14.3%㊂ChCl/I的预处理效果比ChCl/U好是因为ChCl/I的碱性(β=0.864)和极性(π∗=0.382)均高于ChCl/U(β=0.821,π∗=0.319)㊂此外,115ħ时,ChCl/I的黏度(7.2mPa㊃s)明显低于ChCl/U(26.4mPa㊃s),更利于DESs与杨木的接触,说明碱性越高预处理效果越好,而且胺基或酰胺基的数目83。
磁性纳米分子印迹聚合物的制备及其对生物体内PQQ-DA痕量产物的研究
磁性纳米分子印迹聚合物的制备及其对生物体内PQQ-DA痕量产物的研究毛师师;周杏琴;钦晓峰;徐希杰;谢敏浩【摘要】以磁性Fe3O4为内核,对磁性纳米粒子表面进行包裹和修饰,制备了对吡咯并喹啉醌-多巴胺(PQQ-DA)具有高识别性、高选择性的磁性纳米分子印迹材料,并结合超高效液相色谱-质谱(UPLC-MS)测定了生物体内PQQ-DA的含量.结果显示,PQQ-DA在0.02 ~0.1 mg/mL范围内呈良好的线性关系,相关系数(r2)为0.996 6,检出限为0.2 ×10-N mg/mL,加标回收率为88.7%~ 95.5%,相对标准偏差为2.6%~3.2%.该方法灵敏度高、重复性好,可用于生物体内PQQ-DA痕量产物的检测.【期刊名称】《分析测试学报》【年(卷),期】2019(038)004【总页数】6页(P482-487)【关键词】磁性纳米分子印迹;吡咯并喹啉醌-多巴胺(PQQ-DA);超高效液相色谱-质谱(UPLC-MS);固相萃取;痕量产物【作者】毛师师;周杏琴;钦晓峰;徐希杰;谢敏浩【作者单位】江苏省原子医学研究所,卫生部核医学重点实验室,江苏省分子核医学重点实验室,江苏无锡214063;江苏省原子医学研究所,卫生部核医学重点实验室,江苏省分子核医学重点实验室,江苏无锡214063;江苏省原子医学研究所,卫生部核医学重点实验室,江苏省分子核医学重点实验室,江苏无锡214063;江苏省原子医学研究所,卫生部核医学重点实验室,江苏省分子核医学重点实验室,江苏无锡214063;江苏省原子医学研究所,卫生部核医学重点实验室,江苏省分子核医学重点实验室,江苏无锡214063【正文语种】中文【中图分类】O657.7多巴胺(DA)是脑内重要的神经递质,在神经系统发挥重要的生理作用[1-2]。
吡咯并喹呤醌(PQQ)是一种氧化还原酶辅基,主要分布于原核生物以及部分植物和哺乳动物中[3-4]。
PQQ具有特殊的化学结构,能够与多种活性基团发生反应[5],与DA反应生成PQQ-DA(反应式见图1),研究脑内PQQ-DA含量对PQQ与多巴胺神经递质的作用机制具有重要意义。
β-氨基酸聚合物用于协同增效逆转白色念珠菌对伊曲康唑的耐药性
功 能 高 分 子 学 报Vol. 35 No. 6 532Journal of Functional Polymers2022 年 12 月文章编号: 1008-9357(2022)06-0532-08DOI: 10.14133/ki.1008-9357.20220403001β-氨基酸聚合物用于协同增效逆转白色念珠菌对伊曲康唑的耐药性马凯茜, 张东辉, 施 超, 顾佳蔚, 刘润辉(华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室, 超细材料制备与应用教育部重点实验室,教育部医用生物材料工程研究中心, 材料科学与工程学院, 上海 200237)摘 要: 设计合成了与伊曲康唑具有协同活性的系列β-氨基酸聚合物。
通过β-氨基酸N-硫代羧基酸酐(β-NTA)开环聚合的方法,将不同比例疏水性单体DL-β-正亮氨酸N-羧基硫代羰基环内酸酐(简称Bu)和阳离子单体N(α)-Z-DL-2,3-二氨基丙酸N-羧基硫代羰基环内酸酐(简称DAP)进行共聚,得到了系列β-氨基酸聚合物(DAP x Bu y)n。
抗菌测试表明,制备的(DAP x Bu y)n聚合物可通过协同增效,有效逆转白色念珠菌(C. albicans)对伊曲康唑的耐药性,使伊曲康唑的抗真菌最低抑制质量浓度从单药的大于200 μg/mL降低至协同后的3.1 μg/mL,即从无效逆转为高效抗真菌活性。
此外,(DAP x Bu y)n聚合物在400 μg/mL的高浓度下基本没有造成明显的人血红细胞溶血和细胞毒性。
(DAP x Bu y)n聚合物能实现高效协同增效和逆转真菌对伊曲康唑的耐药性。
关键词: β-氨基酸聚合物;伊曲康唑;协同增效;逆转真菌耐药性;抗真菌中图分类号: R318.08 文献标志码: ASynergistic Effect of β-Amino Acid Polymers and Itraconazole onReversing Drug Resistance in C. albicansMA Kaiqian, ZHANG Donghui, SHI Chao, GU Jiawei, LIU Runhui(State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, Key Laboratory for Ultrafine Materials of Ministry of Education, Research Center for Biomedical Materials of Ministry of Education, School of Materials Science and Engineering, East ChinaUniversity of Science and Technology, Shanghai 200237, China)Abstract: In this study, a series of β-amino acid polymers which have synergistic antifungal activity with itraconazole were designed and synthesized. The random copolymers (DAP x Bu y)n were obtained by ring-opening polymerization of β-amino acid N-thiocarboxyanhydrides (β-NTA) under room temperature using 4-tert-Butylbenzylamine (t BuBz-NH2) as an initiator, with DL-β-norleucine N-thiocarboxyanhydrides as hydrophobic monomer and N(α)-Z-DL-2,3-diaminopropionic acid N-thiocarboxyanhydrides as cationic monomer. The effect of (DAP x Bu y)n combined with itraconazole on C. albicans was evaluated by checkerboard antifungal test. The test showed that (DAP x Bu y)n copolymers could effectively reverse itraconazole resistance in C. albicans through synergistic effect, while the minimum inhibitory concentration (MIC) of antifungal of itraconazole was reduced from more than 200 μg/mL to 3.1 μg/mL after exposure to (DAP x Bu y)n, indicating that the收稿日期: 2022-04-03基金项目: 国家自然科学基金(22075078, 21861162010);上海市优秀学术带头人(20XD1421400)作者简介: 马凯茜(1996—),女,硕士生,研究方向为生物医用高分子材料。
外源茉莉酸诱导对油菜防御酶活性和4种物质含量及植株生长的影响
才直紿礁步 2021,47(1):128 - 134Plant Protection外源茉莉酸诱导对油菜防御酶活性和 4种物质含量及植株生长的影响冯建雄,常静,李海平**,杨凡,李妍收稿日期:2019-10-08 修订日期:2020-01-12基金项目:国家自然科学基金(31660523)* 通信作者 E-mail :lihaiping5820@hotmail. com(内蒙古农业大学园艺与植物保护学院,呼和浩特010019)摘要 油菜是我国重要的油料作物。
近10年来油菜虫害呈重发态势,而茉莉酸可以诱导植物产生抗虫性。
本研究 测定了外源茉莉酸处理对'大黄'油菜幼苗中防御酶活■性以及可溶性蛋白、可溶性糖、叶绿素、单宁含量及植株生长状况餉影响。
结果显示,以100 fzmol/L 茉莉酸处理后,油菜叶片中过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)、超氧化 物歧化酶(SOD)和苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性较对照均有提高。
其中对PAL 影响最大,48 h 时上升为对照的2. 36倍;POD 和PPO 活性均在12 h 后达到最高,分别比对照增加了 73. 46%和49. 21%;对SOD 活性在处理后 24 h 比对照增加了 14. 93%;胰•蛋白酶抑制剂(TI)活性在茉莉酸处理后48 h 达到最大,比对照提高了 3& 37%,之后逐渐下降,至120 h 时与对照无显著差异;胰凝乳蛋白酶抑制剂(CI)活性在茉莉酸诱导后一直增加,120 h 时是对照 的1. 78倍。
可溶性糖和叶绿素含量在处理120 h 均降到最低,分别比对照降低了 3& 70%和17. 83%。
可溶性蛋白含量则先降低后升高,在处理48 h 后最低,比对照降低47.98%。
可溶性单宁在茉莉酸诱导后含量持续升高,在120 h 时上升为对照的2. 03倍。
油菜根长在茉莉酸处理后28 d 和35 d 显著长于对照;株高和干重均与对照无显著差异。
不连沟煤热解半焦燃烧特性研究
不连沟煤热解半焦燃烧特性研究薛新巧1,2,冯钰2,靳立军2,胡浩权2(1宁夏工商职业技术学院化工系,宁夏 银川750021;2大连理工大学化工学院,煤化工研究所精细化工国家重点实验室,辽宁 大连116024)摘要:煤热解产生具有高利用价值的煤气和焦油,并伴随产生大量的热解半焦,燃烧是半焦的主要利用途径之一。
本文采用非等温热重分析法研究了热解条件(热解温度和停留时间)、热解气氛和燃烧升温速率对热解半焦燃烧行为的影响,并利用Coats-Redfern 积分法对半焦燃烧过程进行动力学计算。
结果表明:热解温度对甲烷二氧化碳重整与煤热解耦合过程半焦的燃烧反应特性有重要影响。
随热解温度升高,半焦燃烧反应性呈下降趋势,反应活化能逐渐增加,这与半焦中较低的挥发分成正相关。
热解停留时间和热解气氛对半焦燃烧影响较小。
与在氮气中热解半焦相比,加氢热解和耦合热解半焦表现出几乎相同的燃烧特征和反应活化能。
燃烧升温速率显著影响半焦的燃烧特性,提高燃烧升温速率促使半焦燃烧反应在更高温度下进行。
关键词:半焦;燃烧特性;甲烷二氧化碳重整与煤热解;热重分析;动力学分析中图分类号:TQ536.1 文献标志码:A 文章编号:1000–6613(2017)09–3287–06 DOI :10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0375Combustion characteristics of pyrolysis char of Buliangou coalXUE Xingqiao 1,2,FENG Yu 2,JIN Lijun 2,HU Haoquan 2(1 Department of Chemical Industry ,Ningxia V ocational Technical Collage of Industry and Commerce ,Yinchuan 750021,Ningxia ,China ;2Institute of Coal Chemical Engineering ,Department of Chemical Engineering ,DalianUniversity of Technology ,Dalian 116023,Liaoning ,China )Abstract :Coal pyrolysis is an effective and efficient method to produce coal gas ,tar and clean char. The char ,as the main product ,is always used for combustion. To investigate the combustion performances of pyrolysis char ,the non-isothermal thermal-gravity analysis was taken to study the effect of pyrolysis temperature ,holding time and atmosphere on combustion of the resultant pyrolysis char of Buliangou coal in this paper. And Coats-Redfern integrate method was used to kinetic analysis of char combustion. The results showed that the pyrolysis temperature obviously influenced the combustion of char prepared by the integrated process of CO 2 reforming of CH 4 with coal pyrolysis. The combustion performance of char decreased and activation energy gradually increased with increasing pyrolysis temperature ,which was positively related with low volatile in the char. Pyrolysis holding time and atmosphere had slight effect on char combustion. The char from hydropyrolysis and integrated process showed the similar combustion behaviors and activation energy as those obtained under N 2 atmosphere. The heating rate of combustion affected the char combustion characteristics. High heating rate resulted in combustion at high temperature.Key words :coal char ;combustion characteristics ;integrated process of CO 2 reforming of CH 4 with coal pyrolysis ;thermogravimetric analysis ;kinetics analysis甲烷催化转化制氢等研究工作。
碳纳米管-聚苯胺
浙江理工大学学报,第51卷,第2期,2024年3月J o u r n a l o f Z h e j i a n g S c i -T e c h U n i v e r s i t yD O I :10.3969/j.i s s n .1673-3851(n ).2024.02.002收稿日期:2023-03-10 网络出版日期:2023-06-07基金项目:国家自然科学基金项目(51503183)作者简介:刘德运(1996- ),男,山东滕州人,硕士研究生,主要从事吸波材料方面的研究㊂通信作者:朱曜峰,E -m a i l :yf z h u @z s t u .e d u .c n 碳纳米管-聚苯胺/聚乙烯醇复合气凝胶的制备及其吸波性能刘德运,朱曜峰(浙江理工大学材料科学与工程学院,杭州310018) 摘 要:为了获得高性能复合气凝胶吸波材料,以螺旋碳纳米管(H e l i c a l c a r b o n n a n o t u b e s ,H C N T s )和聚苯胺(P o l y a n i l i n e ,P A N I )为吸波剂,聚乙烯醇(P o l y v i n yl a l c o h o l ,P V A )为基体,采用定向冷冻法和低温原位聚合法制备了高性能螺旋碳纳米管-聚苯胺/聚乙烯醇复合气凝胶(H C N T s -P A N I /P V A c o m p o s i t e a e r o g e l s ,H P P A )㊂采用扫描电子显微镜㊁红外光谱仪㊁拉曼光谱仪和X 射线衍射仪对H P P A 复合气凝胶的形貌与结构进行表征,并使用矢量网络分析仪测定H P P A 复合气凝胶的电磁参数和吸波特性㊂结果表明:所制备的H P P A 复合气凝胶具有优异的吸波性能,最小的反射损耗为-69.08d B ,有效吸收带宽为4.20G H z ;H P P A 复合气凝胶优异的吸波性能主要归因于其定向的多孔结构和非均匀介质界面形成的良好阻抗匹配特性和多重极化协同效应㊂该文为构建高性能复合气凝胶吸波体系提供了新思路㊂关键词:复合气凝胶;定向冷冻;低温原位聚合;聚苯胺;吸波性能中图分类号:T B 332文献标志码:A文章编号:1673-3851(2024)03-0153-08引文格式:刘德运,朱曜峰.碳纳米管-聚苯胺/聚乙烯醇复合气凝胶的制备及其吸波性能[J ].浙江理工大学学报(自然科学),2024,51(2):153-160.R e f e r e n c e F o r m a t :L I U D e y u n ,Z H U Y a o f e n g .P r e p a r a t i o n a n d m i c r o w a v e a b s o r p t i o n p r o pe r t i e s of c a r b o n n a n o t u b e -p o l y a n i l i n e /p o l y v i n y l a l c o h o l c o m p o s i t e a e r og e l s [J ].J o u r n a l o f Zh e ji a n g S c i -T e c h U n i v e r s i t y,2024,51(2):153-160.P r e p a r a t i o n a n d m i c r o w a v e a b s o r p t i o n p r o pe r t i e s of c a r b o n n a n o t u b e -p o l y a n i l i n e /p o l y v i n y l a l c o h o l c o m p o s i t e a e r o ge l s L I U D e y u n ,Z H U Y a of e n g(S c h o o l o f M a t e r i a l s S c i e n c e &E n g i n e e r i n g ,Z h e j i a n g S c i -T e c h U n i v e r s i t y ,H a n gz h o u 310018,C h i n a ) A b s t r a c t :T o o b t a i n h i g h -p e r f o r m a n c e c o m p o s i t e a e r o g e l a b s o r b i n g m a t e r i a l s ,h i g h -pe rf o r m a n c e H C N T s -P A N I /P V A c o m p o s i t e a e r og e l s (H P P A )w e r e p r e p a r e d b y d i r e c t i o n a l f r e e z i n g an d l o w -t e m p e r a t u r e i n -s i t u p o l y m e r i z a t i o n w i t h h e l i c a l c a r b o n n a n o t u b e s (H C N T s )a n d p o l ya n i l i n e (P A N I )a s t h e ab s o r b i n g f u nc t i o n a l a g e n t ,a nd p o l y v i n y l a l c o h o l (P V A )a s t he m a t r i x .T h e m o r p h o l o g y an d s t r u c t u r e o f t h e H P P A c o m p o s i t e a e r o g e l s w e r e c h a r a c t e r i z e d b y s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y ,i n f r a r e d s p e c t r o s c o p y,R a m a n s p e c t r o s c o p y ,a n d X -r a y d i f f r a c t i o n .T h e e l e c t r o m a g n e t i c p a r a m e t e r s a n d a b s o r b i n g p r o pe r t i e s of t h e H P P A c o m p o s i t e a e r og e l s w e r e a n a l y z e d b y v e c t o r n e t w o r k a n a l yz e r .T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r e p a r e d H P P A c o m p o s i t e a e r o g e l s e x h i b i t e x c e l l e n t w a v e a b s o r p t i o n p e r f o r m a n c e w i t h a m i n i m u m r e f l e c t i o n l o s s o f -69.08d B a n d e f f e c t i v e a b s o r p t i o n b a n d w i d t h o f 4.20G H z .T h e g o o d m i c r o w a v e a b s o r p t i o n p e r f o r m a n c e o f t h e H P P A c o m p o s i t e a e r o g e l s i s m a i n l y a t t r i b u t e d t o t h e i r d i r e c t i o n a l p o r o u s s t r u c t u r e a n d h e t e r o g e n e o u s m e d i u m i n t e r f a c e t o f o r m a g o o d i m p e d a n c e m a t c h i n g a n d m u l t i -p o l a r i z a t i o n s y n e r g i s t i c e f f e c t .T h i s s t u d y p r o v i d e s a n e w i d e a f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e h i g h -p e r f o r m a n c e c o m p o s i t e a e r o g e l a b s o r b i n g s ys t e m.K e y w o r d s:c o m p o s i t e a e r o g e l s;d i r e c t i o n a l f r e e z i n g;l o w t e m p e r a t u r e i n s i t u p o l y m e r i z a t i o n;P A N I; m i c r o w a v e a b s o r p t i o n p r o p e r t i e s0引言通信技术的高速发展在给人们生活带来极大便利的同时也产生了不容忽视的电磁辐射污染问题[1]㊂电磁波吸收材料可吸收入射电磁波并且转化成其他形式的能量,从而有效地解决电磁污染问题[2-4]㊂然而,传统金属氧化物电磁吸波材料存在密度高和耐腐蚀性差等问题,使其在特定应用场景中受到限制[5-6]㊂气凝胶材料因其具备低密度㊁高孔隙率和大比表面积等优势,使其在吸波材料的广泛应用中展现出了潜力[7]㊂W a n g等[8]采用溶剂热和冷冻干燥方法制备了碳@镍钴合金@镍纳米管多组分气凝胶,该材料在13.3G H z处的最小反射损耗为-57.4d B,最大有效吸收带宽为6.4G H z㊂然而,此类以无机材料为主体的气凝胶材料存在力学性能较差㊁易碎裂等问题,应用受限[9]㊂相比之下,聚合物基复合气凝胶材料具备良好的力学强度和韧性,为气凝胶吸波材料的研究提供了新的思路[10]㊂聚苯胺(P o l y a n i l i n e,P A N I)具有结构可设计㊁制备工艺简单㊁密度低和电导率可调等优势,是一类极具潜力的新型吸波材料[11-12],但P A N I的溶解性和机械加工性较差,难以单独形成稳定骨架结构的气凝胶吸波材料㊂Z h a n g等[13]采用原位聚合和冷冻干燥法制备纤维素-壳聚糖/P A N I复合气凝胶吸波材料,该材料在X波段的最小反射损耗为-43d B,有效吸收宽为3G H z㊂聚乙烯醇(P o l y v i n y l a l c o h o l,P V A)具有良好的水溶性㊁低密度和高弹性模量等特点,是良好的气凝胶基体[14-16]㊂苯胺单体与聚乙烯醇在液相混合体系下,可通过定向冷冻和低温原位聚合结合一步制备P A N I/P V A 复合气凝胶吸波材料[17],但该复合气凝胶吸波材料体系存在电磁波损耗形式单一的缺点,无法满足新型高性能吸波材料的要求㊂本文以聚苯胺为吸波剂第一组分,引入螺旋碳纳米管(H e l i c a l c a r b o n n a n o t u b e s,H C N T s)作为吸波剂第二组分,并采用定向冷冻和低温原位聚合相结合的方式一步制备H C N T s-P A N I/P V A复合气凝胶(H C N T s-P A N I/P V A c o m p o s i t e a e r o g e l s, H P P A)吸波材料,以制备具有优异力学性能和高性能吸波特性的复合气凝胶吸波材料㊂采用多维度测试方法对H P P A复合气凝胶的微观形貌和结构进行表征,通过测试复合气凝胶电磁参数计算出试样反射损耗值,探讨复合气凝胶吸波材料结构和吸波剂含量对其吸波性能的影响㊂1实验部分1.1实验材料聚乙烯醇(P V A,M o w i o l P V A-124)㊁过硫酸铵(A P S,ȡ98.0%)和苯胺(A N,ȡ99.5%)购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司;螺旋碳纳米管(H C N T s)购于南京先丰纳米科技有限公司;盐酸(H C l,36%~38%)购于国药化工;去离子水,实验室自制㊂1.2H P P A复合气凝胶的制备将150m g H C N T s加入30m L去离子水中,经超声波处理分散,加入1.5g P V A,并在85ħ下搅拌溶解形成均匀的悬浮液;在悬浮液中加入186μL 苯胺单体㊁456m g过硫酸铵和85μL盐酸,并混合均匀(保持苯胺单体与过硫酸铵摩尔比为1ʒ1)㊂将上述混合液转移至模具中,采用液氮定向冷冻,再置于-5ħ环境下低温聚合反应72h㊂反应结束后,将样品解冻,清洗去除杂质,置于-50ħ下真空冷冻干燥48h,制得复合气凝胶H P P A㊂分别将苯胺初始摩尔浓度为0.05㊁0.10m o l/L和0.20m o l/L 所制得的H P P A记为H P P A-1㊁H P P A-2和H P P A-3㊂在P A V溶液中未添加其他组分或试剂,保持其他试样制备条件不变,制得纯P V A气凝胶,记为P V A-A㊂在不添加P V A和H C N T s的情况下进行苯胺和过硫酸铵的低温聚合,保持其他试样制备条件不变,制得P A N I试样㊂1.3测试与表征采用场发射扫描电子显微镜(H i t a c h i S-4800)观察试样微观形貌;采用傅里叶红外光谱仪㊁拉曼光谱仪和X射线衍射仪对试样进行结构测试;采用矢量网络分析仪(N5222A;K e y s i g h t)波导法对长22.86m m㊁宽10.16m m的试样在8.20~12.40G H z的频率范围内的电磁参数进行测试㊂2结果与讨论2.1H P P A复合气凝胶试样的微观形貌分析图1(a)为P V A-A气凝胶的S E M照片,从S E M照片中可以看出,P V A-A气凝胶在Z轴方向451浙江理工大学学报(自然科学)2024年第51卷上具有垂直排列的孔道结构㊂该结构产生的原因是在定向冷冻过程中冰晶垂直生长,导致P V A分子链聚集在相邻冰晶之间,形成平行冰晶的骨架孔道㊂在X轴方向上,孔壁之间相互连接呈现出鱼骨状结构,这种形貌是由冰晶的生长的占位效应导致的㊂图1(b) (d)为H P P A复合气凝胶S E M图,由图可知:H P P A复合气凝胶在Z轴方向具有排列规整的垂直孔道骨架结构,且邻近孔道间距约30μm;在X轴方向上,H P P A复合气凝胶的垂直孔道之间形成鱼骨状支架,且相邻支架距离约为5μm㊂随着苯胺含量的增加,H P P A复合气凝胶骨架结构更明显,其原因是聚苯胺分子链本身的刚性提高了骨架结构稳定性,使得材料内部骨架结构更完整㊂上述结果表明,H P P A复合气凝胶具有定向性多孔结构,且该结构有利于入射电磁波在材料内部的多重反射和散射,并延长电磁波传输路径[18]㊂图1P V A-A和H P P A复合气凝胶试样的S E M照片注:图中坐标轴X轴方向为垂直冰晶生长方向,Z轴方向为平行冰晶生长方向㊂2.2H P P A复合气凝胶试样的红外光谱分析图2为P V A-A㊁P A N I㊁H C N T s和H P P A复合气凝胶的红外光谱图㊂由图2可知:P V A-A试样在3253㊁2906c m-1和1051c m-1处出现吸收峰,分别归因于聚乙烯醇分子链中O H伸缩振动㊁C H 伸缩振动和C O伸缩振动[19];P A N I试样在1294㊁1491c m-1和1572c m-1处出现吸收峰,分别归因于聚苯胺分子链中C N伸缩振动㊁醌环和苯环结构振动的特征峰,在1122c m-1处出现的吸收峰为质子化-N H+的特征吸收峰,表明所合成的聚苯胺为掺杂态[20];单一的H C N T s试样并未出现明显的红外吸收峰;H P P A复合气凝胶同时出现了聚乙烯醇和聚苯胺的红外特征吸收峰,且未出现新的红外吸收峰㊂H P P A试样中O H伸缩振动(3224c m-1)㊁C N伸缩振动(1296c m-1)以及质子化-N H+伸缩振动(1122c m-1)的吸收峰均出现红移现象,这是由于聚乙烯醇和聚苯胺分子链之间形成的氢键作用[17]以及聚苯胺分子链和螺旋碳纳米管之间存在的相互作用所形成的π-π共轭效应[21]㊂不同H P P A复合气凝胶试样的红外吸收峰位置基本相同,但在1491c m-1(醌环结构)和1572c m-1(苯环结构)处的聚苯胺特征吸收峰的强度不同,表明H P P A复合气凝胶中聚苯胺的形成且含量不同㊂图2P V A-A㊁P A N I㊁H C N T s和H P P A复合气凝胶试样红外光谱图2.3H P P A复合气凝胶试样的拉曼光谱分析图3为P V A-A㊁P A N I㊁H C N T s和H P P A复合气凝胶试样的拉曼光谱图㊂由图3可知:P V A-A无明显的拉曼光谱特征峰,H C N T s试样在1346c m-1和1590c m-1处呈现特征峰,分别对应碳材料的D 带和G带㊂P A N I和H P P A复合气凝胶均呈现典型的聚苯胺拉曼光谱特征峰㊂其中,在1163㊁1486c m-1和1590c m-1处的吸收峰分别对应聚苯胺分子链中醌环的C H弯曲振动㊁C N+基团和C C双键伸缩振动峰[22];在1223c m-1和1620c m-1处的吸收峰分别对应聚苯胺分子链中苯二胺的C N和苯环的C C伸缩振动峰[23];在1223c m-1处的C N伸缩振动峰与1486c m-1处C N+伸缩振动峰,证明样品中聚苯胺分子链为质子掺杂状态;随着苯胺单体含量升高,3种H P P A551第2期刘德运等:碳纳米管-聚苯胺/聚乙烯醇复合气凝胶的制备及其吸波性能复合气凝胶位于1486c m -1处的C N +伸缩振动峰因共轭效应增强及电荷离域增大,致使该峰强度逐渐降低[24]㊂图3 P V A -A ㊁P A N I ㊁H C N T s 和H P P A复合气凝胶试样的拉曼光谱图2.4 H P P A 复合气凝胶试样的X R D 分析为进一步分析材料结构,采用X R D 对材料晶态结构进行分析,结果如图4所示㊂由图4可知:P V A -A 试样在2θ为20ʎ和40ʎ处出现衍射峰分别为聚乙烯醇(101)和(102)晶面的特征衍射峰[17];P A N I 在2θ为20ʎ和25ʎ处出现衍射峰,分别为聚苯胺主链平行的(100)面和主链周期垂直正交的(110)面特征衍射峰,同时峰强度越强表明聚苯胺的结晶性越高[21];H P P A 复合气凝胶试样同时具有聚乙烯醇㊁聚苯胺和螺旋碳纳米管的特征衍射峰,且未发现新的衍射峰,表明H P P A 复合气凝胶没有形成新结晶相;随着在制备过程中苯胺单体含量的增加,H P P A 复合气凝胶试样在2θ=25ʎ处的衍射峰强度逐渐增强,表明复合气凝胶中聚苯胺组分含量的增加㊂图4 P V A -A ㊁P A N I ㊁H C N T s 和H P P A复合气凝胶试样的X R D 曲线2.5 H P P A 复合气凝胶的吸波性能分析基于传输线理论,试样的反射损耗(R L )可通过式(1) (2)计算[25-26]:Z i n =Z 0μr εrt a n h j 2πf d c μr εr(1)R L =20l o gZ i n -Z 0Z i n +Z 0(2)其中:Z 0是自由空间的特征阻抗,Ω;εr 与μr分别是复介电常数和复磁导率;f 为微波频率,H z ;d 是吸波材料的厚度,m ;c 是自由空间中的光速,m /s㊂图5为H P P A 复合气凝胶的反射损耗图㊂由图5可知,H P P A -2复合气凝胶展现出最优异的吸波性能,当厚度为5.21m m ,频率在9.29G H z 处,H P P A -2复合气凝胶最小反射损耗达-69.08d B ,有效吸收频宽为4.20G H z (反射损耗小于-10.00d B),主要归因于气凝胶的多孔结构改善了材料阻抗匹配特性,使电磁波可以有效地进入材料内部,并通过材料内部各个组分之间的多重极化效应的协同作用,将电磁波能量转化为其他能量耗散[27],实现高效电磁波吸收㊂2.6 H P P A 复合气凝胶的电磁参数分析为分析H P P A 复合气凝胶对电磁波损耗机制,对试样复介电常数(εr =ε'-j εᵡ)进行分析㊂复介电常数中实部ε'代表材料的介电储存能力,虚部εᵡ代表材料的介电损耗能力[11]㊂图6为H P P A 复合气凝胶在8.20~12.40G H z 频率范围内的电磁参数㊂随着频率的增加,各试样的ε'和εᵡ值呈现下降趋势,这主要是由电磁波频率散射效应所引起[28]㊂同时,ε'和εᵡ值随聚苯胺含量的增加而增加(图6(a) (b )),表明其介电储存与损耗能力增加㊂图6(c )为H P P A 复合气凝胶的介电损耗曲线,H P P A -3复合气凝胶的介电损耗值最大,且出现多个共振峰,归因于材料内部的多重极化损耗[29]㊂H P P A 复合气凝胶的极化损耗机制可以通过C o l e -C o l e 曲线分析,结果如图7所示㊂图7显示:不同含量的H P P A 复合气凝胶均呈现多个类半圆形状,是由试样的多组分异质界面之间的电荷分布不均匀导致的界面极化效应[30];对比3个样品曲线图发现,H P P A -1与H P P A -2复合气凝胶C o l e -C o l e曲线末端呈现拖尾直线,表明H P P A -1和H P P A -2试样电磁波损耗主要以导电损耗为主;H P P A -3复合气凝胶C o l e -C o l e 曲线中出现多个严重畸形的半圆形状,表明其在电磁场作用下存在多个极化损耗过程,具有较强的极化损耗能力㊂651浙江理工大学学报(自然科学)2024年 第51卷图5 H P P A 复合气凝胶试样的反射损耗图基于传输线理论,衰减常数(α)可用于表征材料对电磁波的损耗能力,如式(3):α=2cπf (εᵡμᵡ-ε'μ')+(εᵡμᵡ-ε'μ')2+(εᵡμ'-εᵡμ')2(3) 通常,α值越大,代表试样对电磁波损耗能力越强㊂图8为试样在8.20~12.40G H z 频率范围内的衰减常数曲线㊂在X 波段范围内,H P P A 复合气凝胶材料的衰减常数值随着聚苯胺的含量增加而升高,其中H P P A -3的衰减常数最大可达180以上(图8),表明该材料具有优异的电磁波损耗能力㊂优异的吸波性能不仅要求材料本身具有较强的损耗能力,还要求其具备良好的阻抗匹配特性[31]㊂751第2期刘德运等:碳纳米管-聚苯胺/聚乙烯醇复合气凝胶的制备及其吸波性能图6 H P P A 复合气凝胶试样的电磁参数图图7 H P P A复合气凝胶试样的C o l e-C o l e 曲线图8 H P P A复合气凝胶试样的衰减常数图当吸波材料的输入阻抗与自由空间阻抗比值(|Z i n/ Z0|)为1时,允许电磁波尽可能多地进入吸收材料内部,实现电磁波能量的损耗㊂图9为8.20~ 12.40G H z频率范围内H P P A复合气凝胶的阻抗匹配特性曲线㊂由图9中可得,H P P A-1与H P P A-3的整体阻抗匹配值与1相差较远,表明该材料的阻抗匹配特性较差;H P P A-2复合气凝胶的阻抗匹配值更接近于1,说明H P P A-2复合材料具有良好的阻抗匹配特性,电磁波能有效地进入吸波体内部,从而实现对电磁波能量的损耗㊂3结论为制备高性能复合气凝胶吸波材料,本文以图9 H P P A复合气凝胶的阻抗匹配曲线P V A为三维骨架基体,以H C N T s和P A N I为吸波剂,通过定向冷冻和原位聚合法制备了具有定向三维多孔结构的H P P A复合气凝胶,并分析了复合气凝胶吸波材料结构和吸波剂对体系吸波性能的影响,主要结论如下:a)通过定向冷冻和低温原位聚合制备的H P P A 复合气凝胶在平行于冰晶生长方向上具有排列规整的垂直孔道骨架结构;在垂直于冰晶生长方向上, H P P A复合气凝胶的垂直孔道之间形成鱼骨状支架,掺杂态P A N I在材料内部聚合形成,且未发生新的化学反应㊂b)在H C N T s质量浓度为5g/L,苯胺浓度为0.10m o l/L的条件下制备的H P P A复合气凝胶试851浙江理工大学学报(自然科学)2024年第51卷样显示出最优异的吸波性能,当厚度为5.21m m,频率为9.29G H z处,最小反射损耗达-69.08d B,有效吸波频宽为4.20G H z;c)H P P A复合气凝胶优异的吸波性能主要归因于其定向的多孔结构和非均匀介质界面形成的良好阻抗匹配特性和多重极化协同效应㊂本结果为开发高性能复合气凝胶吸波材料提供了参考㊂参考文献:[1]W a n g C X,L i u Y,J i a Z R,e t a l.M u l t i c o m p o n e n t n a n o p a r t i c l e s s y n e r g i s t i c o n e-d i m e n s i o n a l n a n o f i b e r s a s h e t e r o s t r u c t u r e a b s o r b e r s f o r t u n a b l e a n d e f f i c i e n t m i c r o w a v e a b s o r p t i o n[J].N a n o-M i c r o L e t t e r s,2023, 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不同原料合成COPNA树脂及其粘结性
不同原料合成COPNA树脂及其粘结性侯慧玉1查庆芳郭燕生杨小军张玉贞石油大学华东重质油国家重点实验室山东东营 257061摘要以四种不同的油浆为原料在酸性催化剂存在下与对苯二甲醇反应得到四种COPNA树脂以COPNA树脂酚醛环氧树脂为基体与碳纤维复合通过模压成型得到四种不同基体的复合材料并考察了COPNA树脂的软化点残炭β树脂含量等粘结性参数以及树脂碳纤维复合材料的抗冲击强度和层间剪切强度力学性能经过分析认为得到的COPNA树脂可以达到工业粘结剂的要求具有很好的粘结作用以COPNA树脂为基体的炭纤维复合材料表现出的力学性能优于酚醛环氧树脂间接证明了COPNA树脂与炭纤维有较强的亲和性这为COPNA树脂的应用提供了一个很好的方向关键词: COPNA树脂; 粘结剂; 残炭; β树脂1 前言缩合多环多核芳烃树脂简称COPNA树脂是由日本大谷杉郎教授等人从80年代后期到90年代研究发明的一种三维网状结构的热固性树脂该树脂自问世以来受到了广泛的关注1-3COPNA树脂的原料为至少含有两个芳环的稠环芳烃及其衍生物或是它们的混合物不少学者针对该树脂的合成及性能进行了一定的研究4-11在炭纤维增强树脂基复合材料生产工业中粘结剂起着十分重要的作用其质量优劣对炭材料的结构性能影响很大12,13在我国炭素工业中多数仍以煤沥青为粘结剂随着环保要求日益严格以及炭材料性能指标的不断提高加上国际市场的竞争日益剧烈炭材料产品结构的升级换代势在必行这都对粘结剂的质量提出了更高的要求因此采用一种新型的粘结剂对于炭素工业具有一定的重要性COPNA树脂表现出与炭素材料有极好的亲和性并且满足粘结剂的必备条件其作为炭素工业用粘结剂的研究不仅为树脂优异性能的应用提供了一个方向而且为炭素工业提供了一种新型高效粘结剂进而改善炭材料的结构与性能2 实验2.1 原料的预处理实验主要原料大庆油浆辽河油浆克拉玛依油浆稠油厂减压渣油交联剂对苯二甲醇青岛化学试剂厂出品催化剂对甲基苯磺酸中国医药集团上海化学试剂公司对上述四种原料进行糠醛抽提热裂化处理可得到四种重芳烃物料用于合成COPNA 树脂2.2 不同物料COPNA树脂的制备基金项目国家自然科学基金项目20176029通讯作者查庆芳E-mail cgf@作者简介侯慧玉1976-女山东济宁人在读硕士研究生论文方向是从FCC油浆制备沥青树脂的研究取一定量的大庆重芳烃然后与对苯二甲醇对甲基苯磺酸按一定比例混合后装入三口烧瓶置于油浴中加热至一定温度不断搅拌并通入N 2 随着反应的进行反应体系内有大量水珠生成体系粘度逐渐增大表明反应不断进行此后随时间的延续和温度的提高聚合程度逐步加大当出现缠丝现象时即停止反应取出后快速冷却即为B 阶COPNA 树脂 改变重芳烃物料用同样的合成方法即得四种不同物料的COPNA 树脂 2.3 炭纤维树脂复合材料的制备 本实验中炭纤维采用日本三菱公司出产的聚丙烯腈基炭纤维基体树脂采用四种不同的树脂进行比较 制备复合材料时先在模板上铺放一层炭纤维在其上均匀撒好树脂粉末加热熔化粘结盖上另一层纤维再在其上均匀撒上树脂粉末加热熔化冷却重复此过程直至铺30层炭纤维其中炭纤维的含量范围为2530利用压磨磨具将所得样品在30MPa下热压成型 针对不同的树脂采用相同的方法在相同的条件下得到四种不同基体树脂的复合材料2.4 四种不同物料树脂的粘结性测试 本实验从树脂的软化点残炭甲苯不溶物含量TI 喹啉不溶物含量QI β树脂含量TI QI 五个方面考察树脂的粘结性(1) 软化点采用手动针入法 (2) 残炭值SH/T0170电炉法残炭测量法(3) 甲苯不溶物含量TI GB2292-80(4) 喹啉不溶物含量QIGB2293-80 (5) 树脂含量TI-QI 2.5 复合材料的性能测试 1抗冲击强度 本实验采用落锤冲击实验来测量试样的抗冲击强度即使用一定尺寸的试件在XJ-300A 型冲击试验机上测定试样层间破坏时的冲击吸收能再计算抗冲击强度 抗冲击强度计算公式为a K = A/F其中 a K 抗冲击强度J/m 2A 冲击破坏时的吸收能JF 试样的横截面积m 22层间剪切强度 本实验采用三点短梁法测量层间剪切强度在Instron4302型万能材料试验机上进行 测定层间剪切强度时加载速度为12mm/min 连续加载至试样破坏记录最大载荷及试样破坏形式 计算公式为 τs = 3P b 4b h其中 τs 层间剪切强度P b 试样破坏时的最大载荷b 试样宽度h 试样厚度3 结果与讨论 3.1 物料预处理前后的性能变化表1表1 预处理前后物料性能的变化Table1 The property changes of the materials before and after treatment族 组成样 品 分 子 量 饱和分 芳 香 分胶质沥青质S 大庆 315.59 37.75 51.63 10.62A 大庆 478.15 3.13 88.46 8.41S 辽河 403.60 26.27 64.73 9.00A 辽河 458.83 1.87 87.15 10.98S 克拉玛依 325.33 30.27 48.54 21.19A 克拉玛依 405.74 3.98 82.81 13.21S 稠油厂 610.24 36.27 48.51 15.22A 稠油厂 680.38 23.25 69.75 7.30VPO 法测定利用TLC/FID 薄层色谱仪来测定measured by VPO meansmeasured by the TLC/FID film chromatogram meter.表中S 大庆S 辽河S 克拉玛依S 稠油厂分别表示不同的油浆原料A 大庆 A 辽河A 克拉玛依A稠油厂分别表示由不同油浆所得的重芳烃对比表1中的数据可知原始油料中分子较小且含有较多的饱和分具有反应活性的芳香性结构物质含量不够高因此不适宜作合成COPNA 树脂的原料需对其进行处理降低饱和分的含量提高芳香分的含量 四种物料经糠醛抽提热裂化处理后物料中芳香性物质含量增加了又经过热裂化反应有些物质裂解成小分子而逸出有些物质聚合成大分子分子量有所增加相对基团的亲和力增大电离势变小反应活性增加14使物料适宜作COPNA 树脂的合成原料 3.2 不同原料合成树脂的工艺条件表2 四种原料是在完全相同的条件下合成树脂的其工艺条件如下表2 合成树脂的工艺条件Table 2 The technology of synthesizing resins原料g交联剂 对苯二甲醇 ( g ) 催化剂wt%反应温度 反 应 时 间min 3018 5% 120~140 90上述四种原料在完全相同的条件下合成树脂由于不同物料因其结构组成不同反应活性不同反应过程中的反应程度也不同因此反应后所得产物的收率也是不同的所得树脂也就表现出不同的粘结性能3.3不同物料合成的B阶COPNA 树脂的粘结性能比较表3表3 不同原料合成的COPNA树脂的粘结性能Table 3 The COPNA resins’ adhesive properties made from different materials树脂软化点残炭TIQI 树脂TIQIB大庆B辽河B克拉玛依B稠油厂B萘B蒽117 54.29 40.60 3.56 37.04124 61.02 47.39 2.88 44.51 118 55.67 39.63 2.31 37.3294 39.28 15.28 2.96 12.32100 42.27 17.77 1.23 16.54101 43.15 22.75 5.43 17.32注B大庆B辽河B克拉玛依B稠油厂B萘B蒽分别代表不同原料的B阶COPNA树脂Notes B大庆B辽河B克拉玛依B稠油厂B萘B蒽refer to B-stage resins synthesized from different materials.比较以上树脂的粘结性可知由于不同的原料性质的区别所得树脂的粘结性也不同树脂的软化点即树脂由固态转变为软化状态时温度图1给出了不同原料树脂间软化点与残炭及β树脂之间的关系软化点量图1 不同原料树脂软化点与残炭β树脂之间的关系Fig 1. The relation between soften-point and residual carbon content andβ-resin content of different materials resin由表中数据可以得知不同原料的树脂其软化点残炭值及β树脂是有差别的而且由曲线图中可以看出软化点与其它组分的含量有一定关系由图1可以看出树脂的残炭随其软化点的升高呈上升趋势而作为炭素材料的粘结剂,在炭化过程中,B阶沥青树脂首先变为液态,经过缓慢的热解和聚合缩合反应而被炭化成为与主体材料相同的炭质在这个炭化过程中被热解而挥发的部分越多产生的气孔就越多颗粒之间的结合就不牢固所以作为粘结剂用的沥青树脂要求有尽可能高的残炭率残炭率的高低,与B阶沥青树脂原料的反应性亦相关反应性高在炭化过程中聚合缩合反应易于进行最终生成较高含量的炭质这当然反映了残炭率较高上述几种树脂中树脂B 大庆B 辽河B克拉玛依的软化点和残炭值都明显高于B 蒽B 萘B 稠油厂这也说明了油浆处理后的重芳烃的反应活性比纯芳烃及渣油处理后的重芳烃的高合成的树脂的粘结性也好COPNA树脂中的β树脂即甲苯不溶但喹啉可溶部分平均分子量大致为10001800其含量对炭糊的塑性起主要作用并且对焙烧品的物理化学性能如电阻率导热率机械强度等都有明显影响一般认为β树脂含量越高越有利于提高炭材料上述性质粘结剂的质量越好12由图1可知β树脂的含量与树脂的软化点残炭也有一定的关系随软化点残炭的升高呈增加趋势由此也进一步说明树脂B 大庆B 辽河B克拉玛依的粘结性较好明显优于B 蒽B 萘B稠油厂下面树脂的残炭与β树脂含量的曲线图也进一步表明了粘结参数间的一致关系50残炭值量图2 不同原料树脂的残炭值和β树脂含量的关系Fig2. Residual carbon content and β resins content of different materials’ resins3.4 炭纤维树脂复合材料的性能3.3.1 力学性能四种不同树脂为基体的复合材料的抗冲击性能和层间剪切性能见表4表4 炭纤维树脂复合材料的力学性能Table 4 The mechanical properties of carbon fibre /resin composites基体树脂炭含量试件尺寸抗冲击强度ILSSwt%(mm mm mm) (J m2) (MPa)R1 26.25 2816.5 3.5 1.78 5.32 R2 27.08 2816.5 3 1.45 5.23 R3 25.40 2816 3.5 1.37 4.71 R4 26.13 2817.9 3.8 1.47 5.12注 R1以大庆重芳烃为原料对苯二甲醇为交连剂的COPNA 树脂R2以大庆重芳烃为原料苯甲醛为交连剂的COPNA 树脂R3酚醛树脂R4酚醛与环氧的混合树脂质量比11Notes : R1 represents to COPNA resin used PXG as binder ; R2 represents to COPNA resin used BA as binder ; R3 represents to bakelite resin ; R4 represents to the mixture of bakelite resin and epoxy resin (1:1 in mass).1抗冲击强度树脂基复合材料的冲击性能具有时间依赖性即实验测量的冲击性能数值取决于冲锤的速度除了冲击速度外冲锤质量试样尺寸等都是有影响的试验参数材料参数中最重要的当推纤维方向与界面强度15纤维与基体的界面强度强烈影响复合材料的破坏模式从而影响材料对冲击能的吸收因此在试验参数相同试件尺寸相同的情况下复合材料的抗冲击强度的大小则间接反映了纤维与基体树脂之间粘结程度的好坏对比表4中不同树脂的复合材料的抗冲击强度可知在其它影响因素都相同的条件下基体树脂粘结性的不同是造成复合材料抗冲击强度差别的主因在四种基体树脂中基体为R1的材料的抗冲击强度最大基体为R2和R4的相差不大而基体R3的最小2层间剪切强度层间剪切强度是研究界面粘结的良好办法主要取决于炭纤维与基体树脂之间的化学键合另外还与复合条件有关16,17一般而言界面性能较差的材料大多呈剪切破坏且在材料的表面可观察到脱粘纤维拔出纤维应力松弛等现象从表4中看到不同基体树脂的复合材料的ILSS数值是不同的其中基体为R1材料的ILSS最大基体为R2和R4的相差次之而基体R3的最小从而进一步证明了 COPNA树脂与炭纤维具有很好的粘结性在用作炭纤维复合材料基体时其性能绝不亚于常用的酚醛环氧树脂因此由上述可知四种树脂的粘结性大小依次为R1R4R2R34 结论1催化裂化油浆原料经过糠醛抽提加热处理后反应活性增加适宜作制备COPNA 树脂的原料2不同原料合成的COPNA树脂的粘结性有所不同但都可达到炭素工业用粘结剂的要求具有较好的粘结性3COPNA树脂与炭纤维亲和性优于酚醛环氧树脂可用作炭纤维复合材料的基体且以此为基体的炭纤维增强复合材料具有较好的力学性能参考文献[1] 王茂章. 国外新型炭材料的开发[J]. 新型炭材料, 1991, 6(3) : 1-10.(WANG Mao-zhang. 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Journal of Materials Science, 1986, 21: 2027-2032.Study of COPNA resins used as bindersHOU Hui-yu1 , ZHA Qing-fang , GUO Yan-sheng , YANG Xiao-jun , ZHANG Yu-zhen (Important Laboratory of Our Country in Heavy Oils , Petroleum Universityof East China , Dongying 257061 , China)Abstract: Four different COPNA resins have been got from different materials by reacting with across-linking reagent in acid environment. Four different matrix composites have been made by molding with carbon fibre using four different resin as matrix. The COPNA resins’ adhesive properties including soften-point, residual carbon content, and β resin content et al and composites’ mechanical property have been tested. Experiment dates showed that COPNA resins may meet the requirements of binders used in carbon field, and have good adhesiveness. The composites used COPNA resins as matrix showed well property than conventional bakelite and epoxy resin. This indirectly identified that COPNA resin have good adhesive property with carbon fibre. It offers a good direction for COPNA resins’ application.Keywords: COPNA resin; Binder; Residual Carbon; β-resinFundation item : National Natural Science Foundation of china (20176029)Corresponding author: ZHA Qingfang, E-mail: cgf@.Author introduction : HOU Hui-yu(1976-) , female , master , majored in the study of asphalt resins used as binders and matrix of carbon fibre/ resin composites.。
水分散体系中RAFT聚合技术的应用进展
水分散体系中RAFT聚合技术的应用进展张勇林;张梁;刘超;姚军善;李海英;雷良才【摘要】水分散体系中可逆加成-断裂链转移自由基(RAFT)聚合具有反应条件温和、环保安全、操作简单且所得聚合物的分子量及其分布可控、结构明确等优点,一经问世便引起了研究者们的广泛关注。
文章首先对RAFT聚合的反应机理做了简要介绍,之后着重对近年来水分散体系中利用RAFT聚合技术在制备具有结构规整的聚合物(包括均聚物、嵌段共聚物、星形聚合物、3D结构聚合物)领域中的应用进行了综述。
%In aqueous dispersion system,reversible addition-fragmentation transfer (RAFT) polymerization has the advantages ofmild reaction conditions, environmental protection, easy operation andsoon. So once the technology appeared, it received more attention. In this paper,the mechanism of RAFT polymerizationwasdescribedas well as choice of RAFT aqueous dispersion, and synthesis of polymers with narrowPDIwas discussed, such as homopolymer, block polymer, star polymer and polymer with 3D structures.【期刊名称】《当代化工》【年(卷),期】2014(000)010【总页数】4页(P2090-2093)【关键词】可逆加成-断裂链转移自由基聚合(RAFT);水分散体系;应用进展【作者】张勇林;张梁;刘超;姚军善;李海英;雷良才【作者单位】辽宁石油化工大学,辽宁,抚顺113001;辽宁石油化工大学,辽宁,抚顺113001;辽宁石油化工大学,辽宁,抚顺113001;辽宁石油化工大学,辽宁,抚顺113001;辽宁石油化工大学,辽宁,抚顺113001;辽宁石油化工大学,辽宁,抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】TQ325活性自由基聚合兼具自由基聚合与活性聚合的优点,能很好的控制聚合反应中链增长过程,有效的实现对聚合物分子量及分布的可控性。
4-叔丁氧基苯乙烯-苯乙烯共聚物的合成
研究与开发CHINA SYNTHETIC RESIN AND PLASTICS合 成 树 脂 及 塑 料 , 2023, 40(6): 7芯片制造业是关系到我国国民经济发展的重要支柱产业。
芯片的制造包括光刻、刻蚀、封装等工序,光刻是整个集成电路制造中最关键且难度最大的一环,光刻工艺的发展水平直接决定集成电路的集成程度[1]。
光刻胶是基底上具有抗刻蚀性的光敏保护膜[2],也是光刻胶体系的支撑部分,主要由成膜树脂、感光剂、溶剂、助剂等组成[3]。
光刻胶由早期的g-线、i-线,发展成为目前以聚对羟基苯乙烯(PHS)衍生物为成膜树脂、曝光波长为248 nm及以聚甲基丙烯酸酯类为主、曝光波长为193 nm的光刻胶体系[4-7]。
其中,PHS作为248 nm光刻胶成膜树脂,在248 nm波长下透光性好,且化学结构中存在大量苯环,使其具备优异4-叔丁氧基苯乙烯-苯乙烯共聚物的合成吕 航,赵忠夫,王茧桦,韩春影,张春庆*(大连理工大学 化工学院,辽宁 大连 116024)摘要:采用活性阴离子聚合方法,以四氢呋喃(THF)/环己烷(CYX)为溶剂、正丁基锂为引发剂,苯乙烯与4-叔丁氧基苯乙烯为单体合成4-叔丁氧基苯乙烯-苯乙烯共聚物,并表征了其结构与性能。
结果表明:-78 ℃,THF为溶剂时,4-叔丁氧基苯乙烯-苯乙烯共聚物相对分子质量分布指数(PDI)为1.23,共聚过程中4-叔丁氧基苯乙烯活性高于苯乙烯;m(THF)∶m(CYX)=5∶5的THF/CYX为溶剂,-30 ℃下所得4-叔丁氧基苯乙烯-苯乙烯共聚物的PDI为1.10,相对分子质量分布更窄且有利于降低聚合成本;4-叔丁氧基苯乙烯-苯乙烯共聚物的玻璃化转变温度(t g)均低于4-叔丁氧基苯乙烯均聚物,4-叔丁氧基苯乙烯含量越高,4-叔丁氧基苯乙烯-苯乙烯共聚物的t g越高。
关键词:阴离子聚合 苯乙烯 4-叔丁氧基苯乙烯 二元共聚合中图分类号:TQ 334.3文献标志码: B 文章编号:1002-1396(2023)06-0007-05Synthesis of 4-tert-butoxystyrene-styrene copolymerLü Hang,Zhao Zhongfu,Wang Jianhua,Han Chunying,Zhang Chunqing(School of Chemical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)Abstract:The 4-tert-butoxystyrene-styrene copolymer was prepared via living anionic polymerization with tetrahydrofuran(THF)/cyclohexane(CYX) as solvent,n-BuLi as initiator,styrene and 4-tert-butoxystyrene as monomers,whose structure and performance were characterized. The results show that the molecular mass distribution index (PDI) of 4-tert-butoxystyrene-styrene copolymer obtained at -78 ℃ and THF as solvent is 1.23. The activity of 4-tert-butoxystyrene is higher than that of styrene during the copolymerization process. The PDI of the 4-tert-butoxystyrene-styrene copolymer is 1.10 at -30 ℃ when the mass ratio of THF and CYX is 5∶5. The molecular mass distribution of copolymer is narrower and polymerization costs is reduced. The glass transition temperature(t g) of the 4-tert-butoxystyrene-styrene copolymer is lower than that of the 4-tert-butoxystyrene homopolymer. The higher the 4-tert-butoxystyrene content is,the higher the t g of the 4-tert-butoxystyrene-styrene copolymer is.Keywords:anionic polymerization; styrene;4-tert-butoxystyrene; binary copolymerization收稿日期:2023-05-27;修回日期:2023-08-26。
胆甾醇酯的合成研究进展 (1)
胆甾醇酯是一种具有液晶相的化合物,大多数为热致性液晶,已广泛应用于医学[1]、彩 色显示[2]、纺织工业等领域。不仅如此,某些胆甾醇酯类化合物作为乳化剂等在食品、化妆 品领域有重要应用,甚至胆甾醇酯的应用已经涉及到高科技的仿生物材料制造[3]、人工分子 识别[4]等领域。合成是应用研究的基础,本文对近年来胆甾醇酯的合成研究进行综述。
62
广 州 化 学
Ch-OH DCC/DMAP 1. SOCl2 COOH 8 2. Ch-OH
第 33 卷
子 结构 和生物 体 内 的胆甾醇酯的 结构 相 似,可应用于肿瘤治疗中。 Eilmes 等[17]以草酰氯为酰化试剂, 二 苯四氮杂大轮环烯镍的络合物(10)和胆 甾醇为原料,TEA 为氯化氢去除剂,在甲
Scheme 11
Aasena 等[18]直接以酰氯(12)和胆甾醇为原料,吡啶为氯化氢去除剂,二氯甲烷为溶 剂,合成胆甾醇酯(13) (Scheme 12) 。该胆甾醇酯能进一步与胆酸反应合成二酯——这种 物质是一种潜在的生物降解材料,可作为 X-射线造影剂。
Cl CH3CH O 12 O CCl + 1
NHR Fe 6 PO2H2 + 1 DCC Fe NHR HP OCh O
Scheme 8
7
1.2 酰氯酯化法 酰氯酯化法也是合成胆甾醇酯应用最多的方法之一。 该方法主要是先将有机酸转变为酰 氯,酰氯 再 醇 解 得到 相应的胆甾醇酯。酰化 试 剂 有 新 制的二氯亚 砜 ( SOCl2 ) 、 草 酰氯 (C2O2Cl2) 、光气(COCl2)等,但通常选择二氯亚砜(SOCl2)作为酰化试剂。 酰化和醇解过程中都生成大量氯化氢,因此在反应中加入氯化氢的去除剂,如吡啶、三 乙胺(TEA) 、DMAP、N,N-二甲苯胺等。酰氯遇水易发生分解,因此反应必须在无水条件 下完成。无水苯是目前报道的酰氯酯化法合成胆甾醇酯常用的溶剂,其他的还有 THF 等。 酰氯酯化法合成胆甾醇酯具有反应条件温和、 反应所需的时间相对较短、 产率一般较高 等优点。但是,酰氯酯化法也存在原料酰氯需要现制现用、副产物 HCl 去除麻烦、整体合 成路线偏长等很多问题。尽管如此,酰氯酯化法的应用仍然较多。 例如,Cianga 等[15]以 3-噻吩乙酸为原料,先经过酰化得到 3-噻吩乙酰氯,再和胆甾醇 以 TEA 为氯化氢的去除剂, 在氮气保护下, 室温反应过夜, 合成 3-噻吩乙酸胆甾醇酯 (Scheme 9) 。以之为单体进一步与吡咯聚合,能合成含有 3-噻吩乙酸胆甾醇酯官能团的聚合物—— 这种聚合物是一种电致液晶材料。
SEBS弹性体对聚丙烯形貌、力学性能和结晶性能的影响
·收稿日期:2010—04—05 基金项目:西华大学人才引进项目(0421127);西华大学特种材料及制备技术省高校重点实验室开放研究基金(SZJJ2009-0 17)。 作者简介:彭娅(1975一),女,副教授,工学博士。从事高分子材料合成、聚合物共混填克改性、聚合物合金和聚合物基纳米复合材料等方面的 研究和开发。E—mail:pengyar@163.corn。
塑料
2010年39卷第3期
SEBS弹性体对聚丙烯形貌、力学性能和 结晶性能的影响’
伍增勇。彭娅,童荣柏。王柯。李峥,李婕 (西华大学材料科学与工程学院,四川,成都610039) 摘要:采用SEBS(氢化SBS)弹性体增韧PP。利用SEM、DSC、熔体指数、力学性能测试等研究不同SEBS舍量的 PP/SEBS共混物的力学性能、微观形态结构以及结晶性能。结果表明:SEBS可均匀分布在基体中,改善PP的加工流 动性;SEBS的加入使得PP的球晶尺寸减小,结晶度降低;随着SEBS含量增加,共混物的冲击韧性有较大幅度的提 高,而屈服强度略有下降:当加入25%的SEBS时。PP/SEBS共混物的冲击强度比纯PP提高近26倍,拉伸强度则仅仅 降低23%。 关键词:PP;SEBS;增韧;力学性能;结晶 中图分类号:TQ325.14文献标识码:A文章编号:1001—9456(2010103—0037一04
表1不同SEBS含量的PP/SEBS共混物的DSC数据
切带而消耗能量从而起到增韧作用mlo】。SEBS颗粒还可阻
滞、转向并终止小裂纹发展;产生在PP相中的银纹可穿过小于
其宽度的SEBS粒子而生长,不至于发展成具有破坏性的裂 纹…,使体系的韧性增加。另外,DSC结果也表明:随着SEBS
含量的增加,共混物的结晶度减小,分子链排列趋疏松,空隙率
氧化铝-延展型表面活性剂的吸附胶束及其吸附增溶
Vol.42 2021年3月No.3843~849 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES高等学校化学学报氧化铝-延展型表面活性剂的吸附胶束及其吸附增溶胡学一,韩璐璐,方云,夏咏梅(江南大学化学与材料工程学院,合成与生物胶体教育部重点实验室,无锡214122)摘要合成了一系列直链烷基聚氧丙烯醚硫酸钠(Cc P p S,c=8或16时,p=9;c=12时,p=3,6或9)并鉴定了其结构.与十二烷基硫酸钠(SDS)类似,C12P9S在氧化铝上的饱和吸附量以及对阳离子染料亚甲基蓝的吸附增溶行为共同证实该延展型表面活性剂在表面上形成了双层吸附胶束,但由聚氧丙烯(PPO)连接基导致的橄榄球状分子及其导致的较大分子吸附面积,使其吸附能力及其对亚甲基蓝的吸附增溶能力均稍弱于SDS.C12P9S@Al2O3对弱极性分子1-苯乙醇和难溶性分子苯乙烯的吸附增溶能力均明显强于SDS,而且对1-苯乙醇的吸附增溶量达到SDS@Al2O3的8.5倍,说明1-苯乙醇主要被增溶在C12P9S双层吸附胶束中PPO连接基所在的膨大部位,这使延展型表面活性剂改性的氧化铝在废水处理和药物传递系统等领域具有潜在的应用前景.关键词延展型表面活性剂;氧化铝;吸附;双层吸附胶束;吸附增溶中图分类号O647.2文献标志码A表面活性剂在固/液界面上的吸附备受关注[1~3],由于离子型表面活性剂通过静电作用吸附在相反电荷的固体表面上普遍形成双层吸附胶束,因此显示出表面增溶或吸附增溶[4,5]的特性.被吸附物通常为小分子表面活性剂[6]、聚合物表面活性剂[7]以及层状物中的有机插层[8],而被增溶物与被吸附物间依据不同的吸附增溶机制,分别以静电作用吸附增溶在吸附胶束的外层,或以相似相溶原理吸附增溶在吸附胶束的栅栏区或内核区,或在有机插层的不同部位,并被应用于污水处理、催化反应、固相萃取分离等各方面[9,10].延展型表面活性剂[11,12]为传统表面活性剂的疏水烷基和亲水头基之间插入了一段含聚氧丙烯(PPO)的中等极性连接基而形成的一类新型表面活性剂,目前被研究最多的是硫酸酯盐延展型表面活性剂.本课题组[13~15]研究发现,延展型表面活性剂中PPO连接基的双相亲合力使该分子在界面上呈橄榄球几何形状并导致其吸附面积较大,由此决定的分子动态双亲性使延展型表面活性剂具有各种独特性质;Sabatini课题组[16~19]发现延展型表面活性剂在氧化铝上形成双层吸附胶束,对不同极性的难溶性有机物具有不同吸附增溶能力.本文合成了5种直链烷基聚氧丙烯醚硫酸钠,并考察了其在氧化铝上吸附的构效关系;选择了分别代表不同吸附增溶机制的3种被增溶物(阳离子染料亚甲基蓝、弱极性1-苯乙醇和难溶性苯乙烯分子),比较了延展型表面活性剂与常规表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)的吸附增溶之间的差同.1实验部分1.1试剂与仪器氧化铝(Al2O3,150目,等电点为9.1),美国Sigma-Aldrich公司;十二烷基硫酸钠(SDS,纯度99%),比利时Acros Organics公司;正辛醇、正十二醇和正十六醇(A.R.级),国药集团化学试剂有限公doi:10.7503/cjcu20200433收稿日期:2020-07-06.网络出版日期:2020-11-27.基金项目:国家重点研发计划项目(批准号:2017YFB0308904)资助.联系人简介:方云,男,博士,教授,主要从事胶体与界面化学方面的研究.E-mail:***************Vol.42高等学校化学学报司;苯乙烯(ST ,纯度99%),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;亚甲基蓝(MB ,纯度95%)和1-苯乙醇(PA ,纯度98%),上海泰坦科技有限公司.Nicolet 6700型傅里叶变换全反射红外光谱仪(FTIR ),美国Thermo Fisher 有限公司;Avance III HD 400MHz 型核磁共振波谱仪(1H NMR ),瑞士Bruker 公司;SHZ -82型水浴恒温振荡器,金坛市医疗仪器厂;TU -1950型紫外分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;1100SF 型热重分析仪,瑞士Mettler Toledo 公司.1.2实验方法1.2.1合成和结构鉴定参考文献[14]方法制备C c P p ,然后合成一系列直链烷基聚氧丙烯醚硫酸钠(C c P p S ,c =8或16时,p =9;c =12时,p =3,6或9),合成路线见Scheme 1.以C 12P 9S 为例,取10g 的C 12P 9和等质量的1,2-二氯乙烷放于带有尾气吸收装置的三口烧瓶中,在冰水浴和机械搅拌下缓慢滴加1.84g 氯磺酸;滴加完毕用0.5mol/L 的氢氧化钠乙醇溶液中和产物至pH=8左右,离心除去无机盐;加入无水硫酸钠静置一段时间后离心除去,蒸发除去乙醇溶剂,再经柱层析得到目标产物C 12P 9S ,通过FTIR 和1H NMR 对C c P p S 的结构进行表征.1.2.2表面活性剂溶液浓度的测定当水溶液中表面活性剂浓度低于1mmol/L 时,采用亚甲基蓝氯仿萃取分光光度法测定[20]:配制一系列不同浓度表面活性剂溶液,移取10mL 已知浓度的表面活性剂溶液、1mL 1mmol/L 的亚甲基蓝溶液及5mL 氯仿放入样品瓶中,充分摇动1min ,静置待分层;取氯仿层进行紫外吸收(653nm )检测并绘制标准曲线,据此确定经氧化铝吸附后溶液中表面活性剂的残余浓度c e (mmol/L).当水溶液中表面活性剂浓度高于1mmol/L 时,采用混合指示剂两相滴定法进行测定[21]:分别移取25mL 待测溶液、15mL 氯仿、10mL 酸性混合指示剂及10mL 去离子水放入100mL 带有塞子的量筒中,充分震荡混合均匀;用已知浓度的海明1622标准溶液滴定,按照下式计算溶液中表面活性剂的残余浓度:c e =c Hyamine ×ΔV 25(1)式中:c Hyamine (mmol/L )为海明1622标准溶液的浓度;ΔV (mL )为消耗海明1622的体积;c e (mmol/L )为溶液中表面活性剂的残余浓度.1.2.3氧化铝上表面活性剂吸附量的测定典型的吸附实验如下:精确称取100mg 氧化铝并放入250mL 磨口锥形瓶中,将不同体积已知浓度表面活性剂溶液移入瓶中,调整体系pH 为7,在25℃下恒温振荡24h 后离心分离10min ;测量上清液中表面活性剂的残余浓度,根据下式计算氧化铝上表面活性剂的吸附量[22]:q e =()c 0-c e V m(2)式中:c 0(mmol/L)为表面活性剂溶液的浓度;V (100mL )为表面活性剂溶液的体积;m (mg )为氧化铝的质量(mg );q e (mmol/g)为氧化铝上表面活性剂的吸附量.在上述实验过程中改变振荡时间优化吸附平衡时间;改变NaCl 浓度优化盐浓度;改变C c P p S 的p 值或c 值考察对氧化铝上表面活性剂吸附量的影响.1.2.4热重法测定氧化铝上表面活性剂的吸附量经离心获得的改性氧化铝SDS@Al 2O 3和C 12P 9S@Al 2O 3固体(制备条件为:表面活性剂浓度为4mmol/L ,100mg 氧化铝,固/液质量比1∶1000,24h ,t =25℃,c NaCl =1mmol/L ,pH=7),于110℃下干燥恒重后采用热重分析仪测定:将样品置于瓷坩锅Scheme 1Synthetic route of C c P p S844No.3胡学一等:氧化铝-延展型表面活性剂的吸附胶束及其吸附增溶中,氧气流速25mL/min ,升温速率为20℃/min ,测试温度范围50~650℃;将失重率(质量分数)除以表面活性剂分子量得到氧化铝上表面活性剂吸附量Γ(mmol/g ).1.2.5吸附增溶实验精确称取100mg 的SDS@Al 2O 3或C 12P 9S@Al 2O 3并分别放入装有100mL 0.2mmol/L 亚甲基蓝(或8.19mmol/L 的1-苯乙醇或0.96mmol/L 的苯乙烯)水溶液的三角瓶中,在25℃恒温水浴振荡器中振荡24h ,完成吸附增溶过程;离心后取上层清液测定λMB =666nm (或λPA =205nm 或λST =253nm )的紫外吸光度,以确定体系中剩余亚甲基蓝(或苯乙醇或苯乙烯)的浓度c (mmol/L ),按照下式计算改性氧化铝的吸附增溶量:Γ=()c 0-c V ×10-3m ×q e (3)式中:c 0(mmol/L)为甲基蓝(或苯乙醇或苯乙烯)的初始浓度;c (mmol/L )为上层清液中剩余甲基蓝(或苯乙醇或苯乙烯)的浓度;V (100mL )为甲基蓝(或苯乙醇或苯乙烯)溶液的体积;Γ(mmol 被增溶物/mol 表面活性剂)为改性氧化铝的增溶量.2结果与讨论2.1C c P p S 的结构表征C c P p S 的结构表征结果如下.以C 12P 9S 为例,FTIR 中1242cm ‒1处的峰归属为C —O —S 的伸缩振动,781cm ‒1处的峰归属为S =O 的伸缩振动,说明C 12P 9与ClSO 3H 发生硫酸酯化反应合成了C 12P 9S ;1H NMR 中以CH 3在化学位移为δ0.90处积分值是3为基准,δ3.30~4.01处积分值是28,进一步说明C 12P 9S 的聚氧丙烯平均加成数p 为9.C 8P 9S 的表征数据:FTIR ,ν/cm ‒1:1252(C —O —S ),1108(C —O —C ),787(S =O );1H NMR (CDCl 3),δ:0.83(t ,3H ,CH 3),1.05~1.50(m ,39H ),3.06~4.21(m ,28H ),4.68(m ,1H ,CH ).C 12P 3S 的表征数据:FTIR ,ν/cm ‒1:1252(C —O —S ),1108(C —O —C ),787(S =O );1H NMR (CDCl 3),δ:0.90(t ,3H ,CH 3),1.10~1.42(m ,29H ),3.23~3.86(m ,10H ),4.74(m ,1H ,CH ).C 12P 6S 的表征数据:FTIR ,ν/cm ‒1:1252(C —O —S ),1107(C —O —C ),787(S =O );1H NMR (CDCl 3),δ:0.90(t ,3H ,CH 3),1.10~1.57(m ,38H ),3.06~4.21(m ,19H ),4.78(m ,1H ,CH ).C 12P 9S 的表征数据:FTIR ,ν/cm ‒1:1242(C —O —S ),1106(C —O —C ),781(S =O );1H NMR (CDCl 3),δ:0.89(t ,3H ,CH 3),1.10~1.57(m ,47H ),3.30~4.01(m ,28H ),4.70(m ,1H ,CH ).C 16P 9S 的表征数据:FTIR ,ν/cm ‒1:1254(C —O —S ),1110(C —O —C ),784(S =O );1H NMR (CDCl 3),δ:0.89(t ,3H ,CH 3),1.11~1.57(m ,55H ),3.26~4.05(m ,28H ),4.63(m ,1H ,CH ).2.2氧化铝上C c P p S 的吸附等温线及其双层吸附胶束各种表面活性剂与亚甲基蓝络合物的标准曲线的线性回归方程见表1,据此测得的氧化铝上C 12P 9S 吸附的时间进程见图1(A ),24h 后基本达到吸附平衡,因此以下实验的吸附时间确定为24h.推测图1(A )中开始阶段的快吸附缘于C 12P 9S 的硫酸头基被静电吸引而快速吸附在荷正电的氧化铝表面,后期慢吸附可能相应于借助疏水作用完成双层吸附胶束的外层.文献[17]报道氧化铝上SDS 形成双层吸附胶束,且饱和吸附量为0.38mmol/g ;图1(B )中吸附等温线得到C 12P 9S 的饱和吸附量为0.37mmol/g ,由于两者的吸附作用机制均为静电吸引,初步证实氧化铝上C 12P 9S 也形成双层吸附胶束;另一方面根据Table 1Linear regression equation of calibration curves of C c P p S -MB complex in chloroformSurfactant C 12P 3S C 12P 6S C 12P 9S C 8P 9S C 16P 9S SDS Linear regression equation y =0.166x +0.1050y =0.171x +0.1115y =0.204x +0.06197y =0.194x +0.06848y =0.120x +0.1426y =0.202x +0.1415R 20.9980.9990.9970.9970.9980.999845Vol.42高等学校化学学报氧化铝的比表面积为155m 2/g [17]计算得到C 12P 9S 的吸附分子截面积为0.70nm 2,由比表面张力法测得C 12P 9S 在气/液界面饱和吸附单层的分子面积1.75nm 2[14]的一半略低,因此进一步支持氧化铝上C 12P 9S 形成双层吸附胶束.将图1(B )的数据按照下面Langmuir 和Freundlich 吸附等温式分别回归,回归曲线见图2,拟合方程见式(6)和式(7).c e q e =1q m K L +c e q m(4)式中:c e (mmol/L)为吸附平衡浓度;q e (mmol/g )为平衡吸附量;q m (mmol/g )为吸附剂被铺满一双分子层的吸附质的吸附量;K L 为Langmuir 吸附常数.ln q e =ln K F +1nln c e (5)式中:K F 为Freundlich 吸附常数;n 为吸附层数.c e q e =10.3726×3.2693+c e 0.3726,R 2=0.998(6)ln q e =-1.2208+13.78ln c e ,R 2=0.926(7)从图2(A )和式(6)发现,Langmuir 吸附方程的拟合相关度(R 2)达到了0.998,因此可以确定其吸附模型为Langmuir 型[23].由图3(A )可知,NaCl 的加入使得氧化铝上表面活性剂吸附量略有增加,这是因为其PPO 链具有盐压迫性[24].由图3(B )可知,随着PPO 连接基增长吸附量减少,这是因为氧化铝上延展型表面活性剂吸附面积变大;而图3(C )可知,随着碳链增长吸附量增加,这是因为疏水相互作用增大.Fig.1Adsorption equilibrium time(A)and adsorption isotherm(B)of C 12P 9S on aluminapH=7at 25℃for 24h withoutNaCl.Fig.2Fitting equations of Langmuir(A)and Freundlich(B)for C 12P 9S adsorption on alumina846No.3胡学一等:氧化铝-延展型表面活性剂的吸附胶束及其吸附增溶2.3氧化铝上表面活性剂的吸附量由图4的热重曲线得出SDS@Al 2O 3的失重率为7.1%,C 12P 9S@Al 2O 3的失重率为14.5%.与SDS@Al 2O 3的热重曲线对比可知,C 12P 9S 在200℃后的失重曲线的斜率变陡缘于PPO 链在该温度下易断裂分解.根据失重率计算得到SDS@Al 2O 3的表面活性剂吸附量为0.267mmol (SDS )/g (Al 2O 3),C 12P 9S@Al 2O 3的表面活性剂吸附量为0.209mmol (C 12P 9S )/g (Al 2O 3),显然SDS 的摩尔吸附量略高于C 12P 9S ,这与图3(B )中PPO 连接基越短吸附量越大的规律一致.2.4吸附增溶结果及比较依据亚甲基蓝水溶液标准曲线(y =61.79x +0.006,R 2=0.999)、1-苯乙醇水溶液标准曲线(y =8.203x +0.005,R 2=0.999)、苯乙烯水溶液标准曲线(y=5.418x ‒0.003,R 2=0.999)以及热重法获得的氧化铝上表面活性剂吸附量,测得吸附增溶结果见表2.由表2中吸附增溶量的实验数据可知,C 12P 9S@Al 2O 3对亚甲基蓝的吸附增溶量约为SDS@Al 2O 3的2/3,这与氧化铝上C 12P 9S 的吸附量只是SDS 的4/5趋势相同,均为C 12P 9S 橄榄球形分子的吸附面积较大所致;由于亚甲基蓝只吸附增溶在吸附胶束的外层,如Scheme 2(A )所示,因此上述结果也支持C 12P 9S在氧化铝上形成双层吸附胶束的结论.根据相似相溶原理,苯乙烯主要增溶在吸附胶束的疏水栅栏和内核,但C 12P 9S 对其吸附增溶能力为SDS 的1.8倍的结果说明,C 12P 9的双层吸附胶束的PPO 连接基部位对增溶苯乙烯作出接近于疏水栅栏和内核的贡献,如Scheme 2(B )所示.由于1-苯乙醇的水溶性较大因而在水中较为安定,SDS 吸附胶束对其的增溶量很小,甚至只能达到亚甲基蓝的2/3左右,但C 12P 9对其的吸附增溶量却比SDS 大7.5倍,如Scheme 2(C )所示,这应该全部归结为双层吸附胶束的PPO 连接基部位的特殊增溶贡献.C 12P 9的PPO 连接基对吸附增溶弱极性分子1-苯乙醇的贡献是吸附增溶苯乙烯的1.4倍,说明PPO 连接基与1-苯乙醇的相似相溶性使其增溶效率超过苯乙烯,且高达其分子中疏水基(或等同于SDS 分子)增溶1-苯乙醇能力的8.5倍,这也从另一个角度证实了PPO 链的双相亲合力[13~15].以上实验结果表明,与常规表面活性剂相比,延展型表面活性剂独特的PPO 连接基结构不仅可以明显增大对难溶性物质的吸附增溶效果,而且可以使吸附增溶水溶性较好的极性分子成为可能.Fig.3Effects of NaCl(A),PPO(B)and hydrocarbon chain length(C)on adsorption capacitiespH=7at 25℃for 24h.Table 2Adsolubilization of MB,PA and ST by SDS@Al 2O 3,C 12P 9S@Al 2O 3and Al 2O 3Absorbent SDS@Al 2O 3C 12P 9S@Al 2O 3Al 2O 3ΓMB /(mmol·mol -1)380220ca .0ΓST /(mmol·mol -1)17003020ca .0ΓPA /(mmol·mol -1)2402030ca .0Fig.4TGA curves of SDS@Al 2O 3and C 12P 9S@Al 2O 3847Vol.42高等学校化学学报氧化铝是水污染处理中常用的吸附剂,由于氧化铝上延展型表面活性剂的吸附胶束可以同时高效率增溶像苯乙烯这样的难溶性分子和1-苯乙醇这样的极性有机污染物,因此在水污染处理中显示很大的应用前景.由于药物也有疏水性和亲水性之分,因此其同样具有在药物传递系统中的应用潜能.3结论本文合成并鉴定了一系列硫酸酯盐延展型表面活性剂C c P p S ,与SDS 比较了在氧化铝上的吸附胶束及其吸附增溶,证明与SDS 类似其在氧化铝上形成Langmuir 型的双层吸附胶束.加入NaCl 以及增长C c P p S 的碳链均有利于吸附,但延长PPO 链却对其不利.对于通过静电作用机制吸附增溶的阳离子染料亚甲基蓝而言,PPO 连接基导致的橄榄球分子形状使其吸附增溶能力弱于SDS ;但对于弱极性1-苯乙醇和难溶性苯乙烯分子,C 12P 9S@Al 2O 3的吸附增溶能力则明显强于SDS.C 12P 9S@Al 2O 3对苯乙烯的吸附增溶量接近SDS@Al 2O 3的2倍,对1-苯乙醇的吸附增溶量是SDS@Al 2O 3的8.5倍.以上实验结果表明,延展型表面活性剂独特的PPO 连接基结构不仅可以明显增大对难溶性分子的吸附增溶效果,而且可以使水溶性较好的极性分子的吸附增溶成为可能.因此延展型表面活性剂改性的氧化铝显示出应用于去除污水中的难溶性或水溶性有机物的广阔前景,同时具有在药物传递系统中的应用潜能.参考文献[1]Paria S.,Khilar K.C.,Adv.Colloid Interface Sci.,2004,110(3),75—95[2]Du Y.F.,Ai C.Q.,Zhang Y.Y.,Wang W.,Chem.J.Chinese Universities ,2019,40(9),770—774(杜毅帆,艾超前,张瑶瑶,王伟.高等学校化学学报,2019,40(9),770—774)[3]Zhang X.,Zhang T.C.,Jiang P.,Ge J.J.,Zhang G.C.,Chem.J.Chinese Universities ,2020,41(5),1076—1084(张旋,张天赐,蒋平,葛际江,张贵才.高等学校化学学报,2020,41(5),1076—1082)[4]Sharma R.,Surfactant Adsorption and Surface Solubilization ,ACS Symposium Series V615,American Chemical Society :Washington ,DC ,1996[5]Pal M.U.,Recent Pat.Eng.,2013,7(3),167—181[6]Zhang P.,Lo I.,O'connor D.,Pehkonen S.,Cheng H.F.,Hou D.Y.,J.Colloid Interface Sci.,2017,508,39—48[7]Attaphong C.,Asnachinda E.,Charoensaeng A.,Sabatini D.A.,Khaodhiar S.,J.Colloid Interface Sci.,2010,344(1),126—131[8]Zhao P.W.,Liu X.H.,Tian W.L.,Yan D.P.,Sun X.M.,Lei X.D.,Chem.Eng.J.,2015,279,597—604[9]Pal P.,Pal A.,J.Mol.Liq.,2017,248,713—724[10]Mahamallik P.,Pal A.,Catal.Today ,2019,348,212—222[11]Chlebicki J.,Tenside ,Surfactants ,Deterg .,1990,27(6),413—416[12]Attaphong C.,Do L.,Sabatini D.A.,Fuel ,2012,94,606—613[13]Chen J.,Hu X.Y.,Fang Y.,Jin G.Y.,Xia Y.M.,J.Colloid Interface Sci.,2019,547,190—198[14]Chen J.,Hu X.Y.,Fang Y.,Liu H.H.,Xia Y.M.,Langmuir ,2019,35(8),3116—3125[15]Chen J.,Hu X.Y.,Fang Y.,Xia Y.M.,J.Mol.Liq.,2020,311,113276[16]Charoensaeng A.,Sabatini D.A.,Khaodhiar S.,J.Surfactants Deterg.,2009,12(3),209—217[17]Charoensaeng A.,Sabatini D.A.,Khaodhiar S.,J.Surfactants Deterg.,2008,11(1),61—71Scheme 2Schematic illustration and comparison of adsolubilization capacities(Γ)of MB,ST and PA848No.3胡学一等:氧化铝-延展型表面活性剂的吸附胶束及其吸附增溶[18]Arpornpong N.,Charoensaeng A.,Sabatini D.A.,Khaodhiar S.,J.Surfactants Deterg.,2010,13(3),305—311[19]Arpornpong N.,Lewlomphaisan J.,Charoensaeng A.,Sabatini D.A.,Khaodhiar S.,J.Surfactants Deterg.,2013,16(3),291—298[20]Koga M.,Anal.Sci.,1999,15(6),563—568[21]Li Z.P.,Rosen M.J.,Anal.Chem.,1981,53(9),1516—1519[22]Wang L.C.,Ni X.J.,Cao Y.H.,Appl.Surf.Sci.,2018,428,165—170[23]Salari Z.A.,Kharrat R.,Aust.J.Basic Appl.Sci.,2011,5(12),808—813[24]He W.D.,Ge J.J.,Zhang G.C.,Jiang P.,Jin L.,ACS Omega ,2019,4,12410—12417Admicelles and Adsolubilization of Extended Surfactants on Alumina †HU Xueyi ,HAN Lulu ,FANG Yun *,XIA Yongmei(Key Laboratory of Synthetic and Biological Colloids ,Ministry of Education ,School of Chemical and MaterialEngineering ,Jiangnan University ,Wuxi 214122,China )AbstractA series of sodium linear alkyl polyoxypropylene ether sulfates (C c P p S ,c =8or 16,p =9;c =12,p =3,6or 9)was synthesized and structurally identified to investigate the formation of admicelles of extended surfactants on alumina and the related adsolubilization.The formation of bilayer admicelles of C 12P 9S on alumi⁃na was identified by the adsolubilization result of cationic dye methylence blue (MB )in comparison with sodium dodecyl ether sulfate (SDS ),but the adsorption capacity of C 12P 9S and adsolubilization capacity of MB were both less than SDS for its rugby -shaped molecule caused by polyoxypropylene (PPO )spacer.On the con⁃trary ,C 12P 9S@Al 2O 3showed stronger adsolubilization capacities of weak polar PA molecules and water -insolu⁃ble ST molecules than those of SDS evidently.Moreover ,the adsolubilization capacity of PA by C 12P 9S@Al 2O 3was 8.5times of SDS@Al 2O 3,which means that PA molecules were adsolubilized as expected in the swollenPPO domains in bilayer admicelles of C 12P 9S on alumina ,and makes extended surfactant modified alumina po⁃tential application prospects in some fields such as wastewater treatment and drug delivery systems.Keywords Extended surfactant ;Alumina ;Adsorption ;Bilayer admicelle ;Adsolubilization (Ed.:V ,K ,S)and Development Program of China (No.2017YFB0308904).849。
交联聚苯乙烯粒子的中空结构及其分析
交联聚苯乙烯粒子的中空结构及其分析,第43卷第5期2007年9月南京大学(自然科学)JOURNALOFNANJINGUNIVERSITY(NA TURALSCIENCES)V o1.43,No.5Sept.,2007交联聚苯乙烯粒子的中空结构及其分析顾军,王昭群(南京大学化学工学院高分子科学与工程系,南京,210093)摘要:以含有油性添加物的苯乙烯一二乙烯基苯悬浮聚合制备交联聚苯乙烯中空粒子.通过对于燥后再溶胀的粒子的热失重分析,借助于粒子中溶胀的异辛烷的释放特性及其释放速率的变化规律,探讨了聚合中单体组成,添加物性质等因素对粒子中空结构形成及其壳层结构的影响.结果显示,易与聚苯乙烯链形成相分离的异辛烷可以产生单中空结构的粒子,并且发现,中空粒子中溶胀物的释放可分为两个具有不同速率特征的阶段,二乙烯基苯的含量会对中空粒子空腔形态与壳壁结构产生进一步的影响.关键词:粒子,中空,聚苯乙烯,悬浮聚合,释放速率中图分类号:0632.13HollowStructureandItsAnalysisofCross-linkedPolystyreneParticlesJun.WangZhao—Oun (DepartmentofPolymerScienceandEngineering,SchoolofChemistryandChemical Engineering,NanjingUniversity,Nanjing,210093,China)Abstract:Structureofstyrenen-divinylbenzenecopolymerparticlespreparedbysuspension polymerizationaddedwithoiladditiveswasstudied.Thepreparedpoly(styrenen-divinylbenzene)particleswered riedandthenswollenwithsufficientisooctane.Thepre-swollenparticleswereanalyzedbythermogravimetry.Th eultrathinsectionsof theparticleswereobservedwithanopticalmicroscopetoinvestigatethestructure.Basedonre leasespeedandbehavioroftheisooctanefromthepre-swollenparticles,theinfluencesofthepropertyandam ountoftheadditives andmonomercomponentsonholloWformationandshellstructurewerediscussed.Incompa risonwithdifferentadditivessuchasisooctaneandtoluene,itwasfoundthatperfecthollowstructureeasilyforme dintheparticlesas theadditivehadpOOrintermiscibilitytothepolymerchains.Thereleaseofisooctanefromthe particlescanbedividedintotwostageswithdifferentreleasespeeds,whichwerecorrespondingtotherelease ofisooctanefromthecavumandshellofthehollowparticles.Accordingtothefurtherdiscussions,thecavumandsh ellstructureofthe hollowparticlesareinfluencedbytheweightratioofthestyreneanddivinylbenzene. Keywor~:particle,hollow,polystyrene,suspensionpolymerization,releasespeed*基金项目:国家自然科学基金(90205015)收稿日期:2O07一O3一ll**通讯联系人,E-mail:**************.en490南京大学(自然科学)第43卷高分子中空粒子可以用于药物缓释,印染工业,光敏物质的保护,微米反应器等_1],具备广阔的应用前景_2],因此,中空粒子的制备及其结构的控制正受到越来越广泛的关注.较为常见的制备方法是以某种粒子作为模板,在其表面进行聚合而形成壳层,再经过多种不同方法移除模板物质形成中空结构的粒子l_3q].同时, 起模板作用的物质也可以是液体,如在含有惰性稀释剂的种子聚合中,液态的稀释剂的存在可使粒子形成单中空的结构l_8].与此相类似, 在水/油/水(w/o/w)的乳液体系中进行的聚合也可以得到具有中空结构的高分子粒子_1... 有文献还报道了一种利用固一液相分离的作用制备纳米级的高分子中空微球的方法l_1].此外,在含有交联型单体的悬浮聚合体系中,根据聚合时的体积收缩作用,通过对温度,引发剂等动力学的控制也能形成中空结构_1.利用亲水~亲油性,静电等物理作用力通过对具有独特结构的分子链的自组装,再经过交联而制备中空粒子的研究也有很多的报道_1.综上所述,高分子中空粒子的形成机理可以是利用聚合的收缩作用,也可以是利用非化学作用力的自组装作用,而更多的研究则皆可归类为利用各种不同物质和形态为基体的模板作用机理.以上三类方法各具特点,但又有其各自的弱点,如聚合收缩作用所形成的空腔大小较为有限,自组装方法对体系的要求比较严格, 微量的杂质就可能影响自组装行为,而且往往需要在浓度很稀的情况下进行,因而给实际应用带来了一定的困难.相对来讲,利用模板作用的相关研究比较丰富,模板的形态也多种多样, 它们可以是高分子,金属或无机的固体粒子,也可以拓展到更广的范围.虽然该方法中必需的后处理使制备过程复杂化,但相对而言较为实用,可行.本文以在理论和应用上均被广泛重视的聚苯乙烯(PS)体系[1.]为研究对象,在一个含有惰性添加物而较为简单的悬浮聚合体系中,研究该添加物对粒子中空结构形成的影响,并根据产物粒子中溶胀物的释放过程及其释放速率特征,对粒子的中空及壳层结构及其特征进行了一定的分析与讨论.1实验1.1原料苯乙烯(S)和二乙烯基苯(DVB)(上海化学试剂一厂)经洗涤,减压蒸馏等纯化处理后使用.过硫酸钾(KPS)(AR,江苏华康科技公司化学试剂厂)经在水中重结晶后使用.异辛烷(AR,上海凌峰化学试剂有限公司),甲苯(AR,南京化学试剂一厂)和聚乙烯醇(PV A)(中国医药集团上海化学试剂公司)等未经进一步处理而被直接使用.1.2交联聚苯乙烯粒子的制备及其处理交联聚苯乙烯粒子采用悬浮聚合方法制备.一个典型的制备过程为,将0.08g的BPO溶解于由2.60g的S,1.30g的DVB和5.0g的异辛烷组成的混合液中,并将其投入到盛有PV A水溶液()且装有冷凝管与机械搅拌器的四颈烧瓶中.在氮气保护和速度约为400r/min的搅拌下,使该分散液逐步升温至85℃,3.5h后结束聚合,并用流水使反应液冷却至室温,得到苯乙烯一二乙烯基苯共聚物[P(S~DVB)]粒子.所得样品经抽滤后,用水和乙醇进行多次淋洗,再经真空干燥72h以上,除去异辛烷,得到干燥的交联聚苯乙烯粒子.1.3样品的分析用XS-213A型光学显微镜(南京江南光电集团股份有限公司)对粒子及其包埋于环氧树脂中的超薄切片样品进行观察,获得粒子形态及其空腔结构的信息.将一定量的干燥样品浸渍在异辛烷中保持1d以上,使粒子得到充分溶胀后,在不同温度和氮气保护下,由Pyris1TGA型热重分析仪(美国PerkinElmer公司)对样品进行热释重分析(TGA).2结果与讨论2.1添加物对粒子结构的影响将制备得到的P(DVB)粒子经过充分干燥,并再次用异辛烷溶胀后,于40℃恒温下进行热失重分析.它们的热失重曲线如Fig.1所示.显然,该温度下的样品失重基本是由粒子中溶胀的异辛烷所第5期顾军,王昭群:交联聚苯乙烯粒子的中空结构?491? 贡献.从聚合时不含有任何添加物的粒子(PSb)与含有添加物异辛烷的粒子(PSo)所对应的热失重曲线A和B来看,稳定失重分别为10%和70,二者的溶胀能力具有非常大的差别,充分显示了制备过程中异辛烷对粒子内部结构的影响.图1预溶胀有异辛烷的PSb(A)和PSo(B)粒子在40℃下的TGA曲线Fig.1TGAcurvesofthePSbandPs0particlespre-swollenwithisooctaneat40oC,whichwere preparedwithoutanyadditives(A)andwith additiveisooctane(B),respectively在所采用的悬浮聚合体系中,由于单体相中同时溶有一定量与之相溶的添加物,因此,在稳定剂的帮助下被连续相分割成的各个微小的单体液滴可被视为一系列溶液聚合的小单元. 显然,在聚合过程中,这一不参与聚合的添加物会在粒子中留下一定形式的空腔结构,从而可用于带孑L粒子的合成.但是,作为添加物,粒子的空腔结构与形态将可能与其特性,如它和聚合物之间的溶解性,它和聚合物,水三相之间的界面张力等等因素有非常大的关系,因此,在P (S-DVB)粒子的合成中如果改变添加物的性质,实际上具有形成不同内部结构的可能. Fig.2所示为经异辛烷再溶胀后的P(S- DVB)粒子的热失重微分曲线,显示了粒子中异辛烷的释放速率随时间的变化.曲线A和B 分别对应于聚合时以异辛烷(PSo)和甲苯(PSt)作为添加物的粒子.可以看出,二者的曲线中均有一个拐点,分别为g和g.但是,从拐图2预溶胀有异辛烷的PSo(A)和PSt(B)粒子在20℃下的失重速率随时间的变化Fig.2Changeonweight-losespeedoftheparticles withtimeat20℃derivedfromdifferentiatingTGA dataofPSo(A)andPSt(B)particlespre-swollen withisooctane~点前后的变化规律来看,二者却有着明显的不同.在PSt粒子对应的曲线B上,拐点g后的释放速率几乎垂直下降,快速地衰减到零,因此,该粒子中的溶胀小分子在出现拐点前已基本释放完成,换言之,PSt粒子中溶胀的所有小分子是以同一种模式和速率释放.与其相对应,当采用异辛烷作为添加物时,样品PSo所对应的曲线A在出现拐点g后,释放速度呈现缓慢下降的状态,逐渐地衰减到零,说明在拐点g前后,溶胀的小分子具有不一样的释放速率特征.这些现象说明,PSo粒子中的异辛烷以两种状态存在,因而具有明显不同的释放速率特征.而PSt粒子中小分子的存在状态极为相似,因此其释放速率没有明显的变化.显然,释放特性的不同来自于他们释放途径的不同,因而反映了粒子结构上的差别.可以推断,PSo粒子为单一的中空结构,粒子中的小分子分别储存于封闭性的空腔里和溶胀在壳层中,空腔中异辛烷的释放会受到一定的限制,而PSt粒子为整体含有大量开放式微孑L的结构,溶胀在粒子中的小分子不必像PSo中那样需途经较为完整,致密的壳层后再释放这样的复杂过程.Fig.3为PSo粒子超薄切片的光学显微镜照片.可以清晰地观察到,用异辛烷作添加物时聚合得到的P(DvB)粒子具有明显的单中空结构.492南京大学(自然科学)第43卷图3PSo粒子超薄切片的光学显微镜照片.插入部分为其宽视野的图像Fig.3Opticalmicrogramoftheultra-thinsectionof PSoparticlespreparedinsupensionpolymerization system,vithadditiveisooctane;theimagefor'vide legionshownintheinsert如前所述,粒子的内部结构源自于添加物与聚苯乙烯分子链之间的相互作用.异辛烷与聚苯乙烯(PS)之间有较大的溶度参数差(==:4.3),因此,在含有异辛烷的聚合单元中,当PS分子链增长到一定的程度之后,会出现链的沉析.在各种因素的作用下,形成的分子链或初级粒子倾向于沉淀在水一油界面上.同时,DVB的存在又使界面上形成一个P(DlⅦ)的网状外壳.由于PS 链与异辛烷之间较强的固一液分离作用力,异辛烷容易在粒子内部形成一个完整的液滴,最终造成P(DvB)粒子的单中空结构.与其相对应,甲苯与PS分子之间的较小(O.4),对其有较好的相溶性,难以在粒子中形成较大而完整的液滴,最终形成被甲苯溶胀的凝胶粒子.2.2DVB含量对结构的影响溶胀在中空粒子中的有机小分子具有两种存在状态,关于它们的释放过程,可以作如下的定性分析:溶胀在壳层中的异辛烷将会首先释放,但随着壳层中异辛烷的减少,热力学作用会使存在于空腔中的异辛烷不断地补充到壳层中,以至于不断释放,不断补充.因此,从宏观效果来看,一开始的失重实际上是空腔中异辛烷途经壳壁的连续释放所造成,这一过程可能持续到空腔中的异辛烷几乎消失为止.最后的失重理应是壳层中剩余异辛烷的释放,因此,此时的释放速率特征可能不同于前一阶段.图4预溶胀有异辛烷的PSdl【A),PSd2【B)和PSd3(C)粒子在2O℃下的失重速率随时间的变化Fig,4Changeonweight-losespeedofthepartides withtimeat20℃gotbydifferentiatingTGAdataof samplesPSdlparticles(A).PSd2particles(B)and PSd3particles(C)pre-swollenwithisooctaneFig.4所示为以异辛烷为添加物且DVB含量分别为单体总质量的5.09/6,10.09/6和3O9/6时所得PSdl,PSd2和PSd3粒子的释放速率曲线.与Fig.2的结果相似,各样品均明显地具有一个拐点以及两个相应的释放阶段,而且,在释放过程的早期,各曲线均表现为一个较为平缓的台阶.根据上述对释放过程的分析,这一平缓的台阶对应着空腔中异辛烷的释放过程.从图中可以看出,虽然3种粒子的壳层交联度不同,但其速率平台的高度却很相似.这是因为,它们属于同一种"储存区域",释放时具有相似的热力学推动力,壳层仅仅是它们释放的路径而已,因此,空腔中异辛烷的释放速度没有明显的差别.但是,它们的平台持续时间却具有显着的不同,而且,持续时间和DVB用量之间并没有对应的规律.这一现象应该和粒子复杂的壳层结构有关.当交联度足够大时,壳壁的密度和强度明显增加,使聚合收缩产生的空腔作用变得显着,从而一定程度地增大了空腔体积,因此曲线C出现了较长的平台期,但是,当交联度足够小时,壳层致密性差,接近内腔的部分尤为松散,溶胀在这一区域的异辛烷与腔体中异辛烷的释放特性已经极为相似,因此,宏观上表现得同样使平台期较长(如曲线A所示).而对于介于PSd1和PSd3之间,交联度适中的PSd2粒子,其平台期(曲线B)反而比曲线A更短.【IIl暑/嚣11)】p/≥第5期顾军,王昭群:交联聚苯乙烯粒子的中空结构?493? 在第二阶段,即壳层剩余异辛烷的释放过程中,释放速率将会表现出明显不同的特征.首先,由于缺少了来自空腔储液的液压和补充,壳层中位于不同厚度上的异辛烷的释放将具有不同的释放速率,其次,异辛烷的不断减少也会造成释放速率的逐步减小.显然,释放速率的变化还会明显地受到壳层交联度的影响.在交联度较高的PSd3所对应的释放曲线C上,其速率递减过程具有更长的持续时间,显然也说明了这一点.3结论通过对制备所得P(S-DVB)粒子经异辛烷溶胀后的热失重行为及所溶胀的异辛烷的释放速率特征的分析,说明聚合时所采用的添加物的性质对粒子的内部空腔结构有着显着的影响,其中与分子链有显着的相分离作用的异辛烷可以使粒子形成单中空结构.通过对释放速率的分析显示,中空粒子中小分子的释放可分为两个具有不同速率特征的阶段,并且,DVB的含量会对中空粒子空腔形态与壳壁结构产生进一步的影响.EliDingY,HuY,JiangX,eta1.Polymer-mono-merpairsasareactionsystemforthesynthesisof magneticFe304一polymerhybridhollownanosph- eres.AngewandteChemieInternationalEdition. 2004,43:6369~6372.[2]McDonaldCJ,DevonMJ,Hollowlatexparticles: Synthesisandapplications.AdvancesinColloidand InterfaceScience,2002,99:181~213.[3]ZhangK,ZhangX,ChenH,eta1.Hollowti—taniasphereswithmovablesilicaspheresinside. 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加拿大油砂沥青喷雾造粒溶剂体系的选择
加拿大油砂沥青喷雾造粒溶剂体系的选择范勐;孙学文;赵锁奇;许志明【摘要】以正戊烷+正己烷、正戊烷+环戊烷2个系列混合物作为溶剂,采用溶剂沉淀法从加拿大油砂沥青中得到沥青质,通过对沥青质SARA族组成、元素组成、平均分子结构、分子片层堆积结构的测定,考察了溶剂混合比例对所得沥青质性质的影响.结果表明,随着正己烷或环戊烷掺入比例的增加,沥青质的收率显著降低,软化点明显提高;正戊烷+环戊烷混合溶剂更适宜作为加拿大油砂沥青喷雾造粒的溶剂体系,正戊烷中加入少量的环戊烷就能达到沥青喷雾造粒的要求.在正戊烷中掺入体积分数10%的环戊烷,可将脱油沥青收率降低4百分点,软化点相应升高10~12℃,从而生产出外观形态良好的沥青粉,可以作为加拿大油砂沥青喷雾造粒的溶剂体系.%Asphaltenes from Canadian oil sands bitumen were obtained by solvent precipitation with two mixed solvent systems, w-pentane + w-hexane mixed solvent and n-pentane + cyclopentane mixed solvent. Several analytical means were conducted to study the variation of asphaltene properties with the solvent changing, such as saturate, aromatic, resin and asphaltene compositions, elemental composition, average molecular structures and aromatic sheets stacking structures. The experiment results indicated that the yield of asphaltene could be remarkable reduced with the increase of n-hexane or cyclopentane proportion in the mixed solvent and the softening point of asphaltene increased correspondingly. When the w-pentane + cyclopentane mixed solvent was used with a small amount of cyclopentane in w-pentane, the softening point of asphaltene could meet the demand for asphalt spraygranulation and the ,-pentane+ cyclopentane mixed solvent was suitable to be the solvent system in the asphalt particles production from Canadian oil sands bitumen. The n-pentane+ cyclopentane mixed solvent containing about 10% cyclopentane could decrease the yield of deoiled asphalt by 4 percent and promote the softening point of asphalt by 10 —12°C. Hence, nice asphalt particles could be produced, and the w pentane+ cyclopentane mixed solvent with 10% cyclopentane would be the right candidate solvent system for Canadian oil sands bitumen processing.【期刊名称】《石油学报(石油加工)》【年(卷),期】2012(028)005【总页数】8页(P783-790)【关键词】油砂沥青;溶剂选择;正戊烷;正己烷;环戊烷;沥青质【作者】范勐;孙学文;赵锁奇;许志明【作者单位】中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249【正文语种】中文【中图分类】TE624世界上轻质原油的储量越来越少,需要寻找新的石油资源。
聚天冬氨酸的改性及其应用研究进展 有用
化学与生物工程2009,Vol.26No.6Chemistry &Bioen gineering15基金项目:山西省科技攻关资助项目(2006031104203),山西省自然科学基金资助项目(20051021)收稿日期:2009-01-16作者简介:赵彦生(1962-),男,山西临汾人,博士,教授,主要从事水溶性高分子材料及塑料改性方面的研究。
E mail:tyy sz62@163.co m 。
聚天冬氨酸的改性及其应用研究进展赵彦生,袁广薇,马兴吉,刘永梅,郭美娟,陈 凯(太原理工大学化学化工学院,山西太原030024)摘 要:聚天冬氨酸衍生物是一种新型的可生物降解并具有生物相容性的高分子材料。
根据改性方法和引入基团的不同,改性后的聚天冬氨酸可应用于多个领域,具有广阔的应用前景。
介绍了近年来聚天冬氨酸的改性研究进展,着重介绍了聚天冬氨酸的改性方法及应用领域,并提出了改性聚天冬氨酸的研究方向。
关键词:聚天冬氨酸;改性;缓蚀阻垢剂;药物载体;水凝胶中图分类号:O 629 72 T Q 203 9 文献标识码:A 文章编号:1672-5425(2009)06-0015-04聚天冬氨酸(PA SP)是一种带有羧基侧链的聚氨基酸,具有螯合和分散作用[1];也是一种新型的可生物降解的环境友好型高分子材料[2]。
由于聚天冬氨酸分子中含有大量的-COOH 、-NH CO-等极性基团,具有很好的亲水性和水溶性;此外,侧链上的-COOH 在水溶液中很容易电离,形成羧基负离子(-COO -),它能与多种离子发生络合反应,使聚天冬氨酸在水溶液中具有很好的化学活性。
但由于聚天冬氨酸分子中官能团种类单一,导致其性能单一,应用受到限制。
为了改善聚天冬氨酸的性能,拓宽其应用领域,近年来国内外对聚天冬氨酸的改性进行了大量的研究。
作者在此对其进行了总结。
1 聚天冬氨酸的改性方法1 1 共聚法改性聚天冬氨酸通过共聚方法可以在聚天冬氨酸的分子链上引入具有一定功能的官能团,从而改善其性能。
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Ultra-low-k polyimide hybrid films via copolymerization of polyimide and polyoxometalates {Honggang Chen,Long Xie,Hongbin Lu *and Yuliang YangReceived 2nd January 2007,Accepted 23rd February 2007First published as an Advance Article on the web 5th March 2007DOI:10.1039/b618910eNovel polyimide hybrid films in which nanoscale polyoxome-talates (POM)clusters are covalently linked with the polymer chains exhibit not only drastically reduced dielectric constants relative to neat polyimide film,as low as 1.22,but also improved thermal stability,and mechanical properties without sacrificing the transparency of the polymer films.The interest in hybrid materials lies in their appealing properties,which result from the possibility to combine inorganic,organic,and biological functions in a tailored matrix or nanocomposite.1,2In particular,organic–inorganic hybrid materials have attracted remarkable attention for microelectronics and end use because their utilization in integrated circuits can lower line-to-line noise in interconnects,and alleviate power dissipation issues by reducing the capacitance between the interconnection conductor lines.3,4Although a great deal of effort has been made,it is still a considerable challenge to find an alternative to traditional insulators like silicon dioxide for future devices.5,6In view of the dielectric constant of air (k =1.01),the introduction of controlled porosity in materials,typically with pore sizes well below thesmallest device features,100A˚or less,has been envisioned as a promising method for developing ultra-low dielectric materials.7–9As an example,Lee et al.demonstrated the preparation of an ultra-low dielectric organosilicate film (polymethylsilsesquioxane,PMSSQ),where ethyl acrylate-terminated polypropyleneimine dendrimers were used as a porogen to yield narrow-distributed,closed spherical pores of radius ,2.0nm.8As the porosity of the films increased by 32%,their k value was decreased by 1.66.9However,the mechanical strength of the resulting nanoporous film is weak and the Young’s modulus is only 0.6GPa.Polyimides are well known for their excellent mechanical properties and high-temperature durability and have been used as interlayer dielectrics in microelectrics by simple spin-coating techniques.10To balance their mechanical properties and dielectric constant,porous nanoparticles with stiff structures are attracting more attention.For example,porous polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)10,11and silica nanotubes 12have been used in attempts to achieve simultaneous improvements in the mechanical and dielectric properties of polyimide films.Polyoxometalates (POM)are also porous inorganic nano-particles or molecular clusters and have found wide applications in many fields.13As nanobuilding blocks,they have been embedded into some polymers and resulted in pronounced property improvements of the resulting materials.1a ,d ,2Due to the structural resemblance to semiconductor materials they have been used to fabricate composite materials for molecular switching devices.14This inspired us to explore the possibility of improving the dielectric properties of polyimides by incorporating organically modified POM clusters.The POM cluster used in this work is a highly nucleophilic divacant lacunary decatungstosilicate with chemical formula K 8[c -SiW 10O 36]?12H 2O,synthesized following a procedure developed by Te ´ze ´et al.15In the present work,to carry out the copolymerization of POM clusters with pyromellitic dianhydride (PMDA)and 4,49-oxydianiline (ODA),two amine groups were attached to the lacunae of each tungstosilicate cluster by reaction with c -aminopropyltriethoxysilane.A representative synthesis procedure for polyimide/POM hybrids is illustrated in Scheme 1.Details of the experimental preparation and characterization for the organically modified POM and the hybrid films can be found in the electronic supplementary information (ESI).{The dynamic mechanical behavior of the polyimide and its hybrid films with different POM contents is shown in Fig.1.All the measurements were performed in the temperature range 70–400u C with a frequency of 0.1Hz and a fixed sample size.The tensile modulus at 75u C (below T g )for the neat polyimide film is about 1.6GPa (see Fig.1a).The incorporation of POM clusters efficiently increases the storage modulus E 9of these polyimide films.For example,E 9at 75u C for the 10wt%POM hybrid film increased to 3.4GPa,an increase of 110%compared to that of the neat polyimide film.With increasing temperature,E 9of the hybrid film decreases but not very much,and is still 700MPa even at 390u C.In contrast,E 9of the neat polyimide film drastically decreases,especially starting from 300u C,and is only 24.5MPa at 390u C.Such a reinforcing effect can be attributed to the increasing stiffness of main chain in the polyimide containing POM clusters.The incorporated POM clusters elevate the activating threshold of segmental motion and reduce the response rate to the applied stress,which can be further verified from the change in glass transition temperature T g of the films.The loss factor tan d curves in Fig.1(b)reveal a pronounced increase in T g ,defined as the peak temperature in the tan d curves,as high as 66u C (from 317to 383u C)as the POM content in polyimide films is increased by 10wt%.Furthermore,the peak width of tan d during the primary transition becomes broader with increasing POM content.Generally,the glass transition tempera-tures of polymers reflect their segmental mobility,especially whenKey Laboratory of Molecular Engineering of Polymers (Minister of Education)&Department of Macromolecular Science,FudanUniversity,Shanghai,200433,China.E-mail:hongbinl@;Fax:+86-21-55664589;Tel:+86-21-55664589{Electronic supplementary information (ESI)available:preparation procedures of the organo-POM and hybrid films;characterizations:1H and 29Si NMR,FTIR,XPS,UV-vis,dielectric loss and TGA data.See DOI:10.1039/b618910eCOMMUNICATION /materials |Journal of Materials ChemistryD o w n l o a d e d o n 30 J u l y 2011P u b l i s h e d o n 05 M a r c h 2007 o n h t t p ://p u b s .r s c .o r g | d o i :10.1039/B 618910Ethe involved samples experience an identical thermal history.16As a consequence,both the elevated T g s and broadened transition regions with increasing POM content indicate that there exist strong interactions between the clusters and the matrix,which confine the segmental motion of the polyimides.Thermal stability of polymer films is vital to their application in microelectronics.The annealing step during the microchip fabrication is required to ensure void free copper deposits,and is usually performed in a temperature range of 400–450u C for up to 1h.To examine the thermal durability of these hybrid films,several thermogravimetric (TGA)experiments were performed under N 2atmosphere.It was found that the initial decomposition temperature T d ,defined as 5%weight loss,significantly increases with increasing POM content,and a T d increase of 32–46u C for all the hybrid films can be observed.The detailed TGA results and the possible explanation for the improved thermal stability are presented in ESI.{The k values of all the films are shown in Fig.2.It is found that the k of the neat polyimide film at 1MHz is 3.49and agrees well with the result reported by Liang et al.,where a 51m m thick free standing PMDA–ODA film was used.17As the POM content increases,k of the polyimide hybrid films remarkably decreases and even reaches 1.22for the 10wt%sample.In a recent work,Gross et al.also observed a similar improvement in PMMA hybrid films containing zirconium oxoclusters,where the k value of PMMA films with 20wt%Zr 4O 2(OMc)12clusters was reduced to 1.93from 3.0for the neat film.18As mentioned previously,increasing free volume facilitates the lowering of the dielectric constant of materials.13,19It has been well recognized that the addition of inorganic components can result inloose stacking of the macromolecules surrounding the solid particles.20For instance,18mol%of POSS makes the relative porosity of polyimide hybrid films increase by 6.8%on the basis of the calculation in density variation.Fig.3shows scanning electron microscopy (SEM)photographs of the fracture surfaces of the polyimide–POM hybrid films.It can be seen that the surface protuberances resulting from the POM clusters are homogeneously distributed in the whole film,and the number of protuberances increases with increasing POM content,to some extent reflecting the increased free volume in these hybrid films.However,the increasing free volume seems not to be the only reason leading to the reduction in the dielectric constants of hybrid films.If the hybrid film is envisioned as a simple two-phase system,it will need porosity as high as 90%or more to reach the present k value (1.22),in terms of prediction of the Bruggeman effective medium approximation.This is quite difficult to achieve such a porosity only by incorporating POM.POM clusters consist of smaller nanocrystallites,which con-struct many micropores or continuous voids between crystallites and consequently a large interface.21When they are embedded into polymer matrices,the resulting heterostructure is likely to exhibit remarkable changes in dielectric properties.The dielectric confine-ment arising from such heterostructures has a pronounced influence on the optical and transport properties of materials,which has been the subject of recent theoretical and experimental research.22Both smaller crystallite size and increased interface within the hybrids result in a strong self-polarization-induced radial localization of electronic density at the heterojunction,and thus reduce the k of the materials.23In addition,it has been shown that the charging energies of polyoxometalates are in therangeScheme 1Preparation of polyimide/POM hybrid films.D o w n l o a d e d o n 30 J u l y 2011P u b l i s h e d o n 05 M a r c h 2007 o n h t t p ://p u b s .r s c .o r g | d o i :10.1039/B 618910E0.1–4.0eV and the resolution of discrete electronic levels at room temperature is thus expected.The trapped electron and charge confinement increase the binding energy of the hybrid films and thus reduce the size-dependent static dielectric con-stant.24Apparently,the specific heterostructure and the induced variations in polarization effect and binding energy are also likely to be responsible for the prominently decreased k in the hybrid films.In summary,a convenient route to the fabrication of polyimide hybrid films with ultra-low dielectric constant (k =1.22)has been proposed.On the basis of a simple copolymerization,the organically modified POM clusters are covalently incorporated into polyimide chains,and significantly improve the thermal and mechanical properties of the polymer films without sacrificing their optical transparency.This method can be extended to other polyoxometalate clusters and polymers and thus opens a new approach to develop ultra-low k hybrids or other functional materials.AcknowledgementsThis work was supported by the National Basic Research Program of China (Grant No.2005CB623800),NSF of China (Grant No.50573014),Shanghai Basic Research Program (Grant No.05JC14002)and partially supported by State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials.Notes and references1(a )C.Sanchez and F.Ribot,New J.Chem.,1994,18,1007;(b )S.I.Stupp and P.V.Braun,Science ,1997,277,1242;(c )R.Tamaki,Y.Tanaka,M.Z.Asuncison,J.Choi and ine,J.Am.Chem.Soc.,2001,123,12416;(d )U.Schubert,Chem.Mater.,2001,13,3487.2For the state-of-the-art of hybrid materials,see:(a )C.Sanchez,B.Julian,P.Belleville and M.Popall,J.Mater.Chem.,2005,15,3559and other papers in this special issue on functional hybrids;(b )P.Gomez-Romero and C.Sanchez,Functional Hybrid Materials ,Wiley-VCH,Weinheim,2004;(c )G.J.A.A.Soler-Illia and P.Innocenzi,Chem.–Eur.J.,2006,12,4478.Fig.2Dielectric properties of the neat polyimide and POM hybrid films at room temperature:(A)neat polyimide;(B)1wt%POM;(C)3wt%POM;(D)5wt%POM;(E)10wt%POM.Fig.3Scanning electronic microscope photographs of the hybrid films containing (a)5wt%POM and (b)10wt%POM.Fig.1Dynamic mechanical properties of the neat polyimide and hybrid films:(a)tensile storage modulus E 9(MPa)and (b)loss factor tan d .Experimental conditions:temperature range 70–400u C,N 2atmosphere at flow rate 10cm 3min 21,frequency 0.1Hz.D o w n l o a d e d o n 30 J u l y 2011P u b l i s h e d o n 05 M a r c h 2007 o n h t t p ://p u b s .r s c .o r g | d o i :10.1039/B 618910E3(a )M.Ree,J.Yoon and K.Heo,J.Mater.Chem.,2006,16,685;(b )R.Q.Su,T.E.Muller,J.Prochazka and J.A.Lercher,Adv.Mater.,2002,14,1369;(c )B.Zhong,M.Spaulding,J.Albaugh and E.Moyer,Polym.Mater.Sci.Eng.,2002,87,440;(d )R.Ishii,T.Ikeda,T.Itoh,T.Ebina,T.Yokoyama,T.Hanaoka and F.Mizukami,J.Mater.Chem.,2006,16,4035;(e 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