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不同长度的聚合物开发

作者:Peter Rüegg 苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)

ETH研究人员开发了一种生产不同长度聚合物的新方法。这为在先前无法想象的应用中使用新型聚合物材料铺平了道路。

没有合成聚合物制成的材料,很难想象日常生活。衣服,汽车零件,计算机或包装-它们全部由聚合物材料组成。自然界中也存在许多聚合物,例如DNA或蛋白质。

聚合物建立在通用体系结构之上:它们由称为单体的基本结构单元组成。聚合物合成涉及将单体连接在一起以形成长链。想象一下,将玻璃珠穿在一根绳子上,然后创建不同长度(和重量)的链条。

聚合过程有极限

生产聚合物的重要工业过程是自由基聚合(FRP)。化工行业每年使用FRP生产2亿吨各种类型的聚合物,例如聚丙烯酸酯,聚氯乙烯(PVC)和聚苯乙烯。

尽管这种生产方法具有许多优点,但也有其局限性。 FRP产生了不可控制的无数不同长度聚合物的混合物;换句话说,它的分散性很高。分散度是衡量材料中聚合物链长度均匀或不均匀的量度。材料的特性在很大程度上取决于这种分散性。

对于日常聚合物,需要具有低和高分散性的聚合物。实际上,对于包括药物或3D打印在内的许多高科技应用,高分散性甚至可以成为优势。

具有新特性的聚合物

但是,如果化学家想生产具有非常特殊性能的聚合物材料,则他们首先必须能够根据需要调整分散性。这使它们能够生产多种聚合物材料,这些材料要么包含均一的聚合物种类,即具有低分散性,要么被大量不同长度的聚合物高度分散。到目前为止,这几乎是不可能的。

材料科学系聚合物材料教授Athina Anastasaki领导的一组研究人员现已开发出一种控制自由基聚合的方法,从而使研究人员能够系统地,完全地控制聚合物材料的分散性。他们的研究结果最近发表在《化学》杂志上。

过去,为了能够至少在一定程度上控制自由基聚合过程,化学家会使用单一的催化剂。虽然这样做可以确保所得的聚合物链均匀地变长,但无法根据需要控制总分散度。

两种催化剂可以解决问题

现在,ETH研究人员同时使用两种具有不同作用的催化剂 —— 一种是高活性的,另一种是微活性的。这使它们能够根据混合两种催化剂的比例精确地调节分散度。如果活性更高的催化剂更丰富,则将生产出更均匀的聚合物,这意味着所得材料的分散性较低。但是,如果活性较低的催化剂更丰富,则会形成大量不同的聚合物分子。

这项工作意味着Anastasaki和她的团队为开发新型聚合物材料奠定了基础。另外,他们的过程也是可扩展的。它不仅在实验室中起作用,而且在应用于大量物质时也起作用。该方法的另一个优点是,一旦聚合过程本身完成,即使是具有高分散性的聚合物也可以继续生长 —— 以前认为这是不可能的。

该方法的高效率和可扩展性已经引起了业界的关注。用新工艺生产的聚合物可用于医药,疫苗,化妆品或3D打印。

两种催化剂(绿色和红色)的混合比决定了聚合物的分散性

两种催化剂(绿色和红色)的混合比决定了聚合物的分散性(图示:苏黎世联邦理工学院)

The mixing ratio of the two catalysts (green and red) determines the dispersity of the polymers (Illustration: ETH Zurich)

了解更多

Whitfield R, Parkatzidis K, Truong NP, Junkers T, Anastasaki A: Tailoring Polymer Dispersity by RAFT Polymerization: A Versatile Approach. Chem, Vol. 6, Issue 6, P 1340-1352, June 11th 2020. doi: 10.1016/j.chempr.2020.04.020

原文网址:https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/06/growing-polymers-with-different-lengths.html

声明:本文由 Cpolymer 编译,中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。

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