RAFT聚合驅(qū)動自組裝機理研究及展望

2022-04-27 12:21胡佳偉鄭思珣

橡塑技術(shù)與裝備 2022年4期

胡佳偉，鄭思珣

(上海交通大學化學化工學院，上海 200240)

0 前言

什么是聚合驅(qū)動自組裝？在正式引入聚合驅(qū)動自組裝概念之前，應(yīng)該先了解一下嵌段共聚物的自組裝。一般來說，只含有一種單體的聚合物被稱為均聚物，而由多種單元聚合而成的則稱為共聚物。而嵌段共聚物則是指將兩種或兩種以上的性質(zhì)不同的聚合物鏈段連在一起制備而成的一種特殊聚合物。以AB型嵌段共聚物為例，由于嵌段共聚物不同嵌段性質(zhì)的差異，因此會在溶液或者固體中發(fā)生自組裝，形成具有不同形貌結(jié)構(gòu)的膠束結(jié)構(gòu)，例如球狀、囊泡狀、蠕蟲狀、片狀、棒狀和螺旋管狀等[1～3]。而相比于嵌段共聚物的自組裝，聚合驅(qū)動自組裝則是在嵌段共聚物的聚合過程中發(fā)生的自組裝：例如在水體系中，以水溶性的聚合物嵌段A作為前驅(qū)體和一種相應(yīng)的均聚物B為不溶于水的水溶性單體進行聚合，隨著聚合進行B嵌段聚合度不斷增加，當聚合度達到一個臨界聚合度時，此時B嵌段開始不溶于水，這樣在水中形成的AB兩嵌段共聚物會因為親疏水性質(zhì)的不同而在水中進行自組裝，如圖1。而通過改變A和B嵌段的聚合度以及控制嵌段共聚物的濃度可以制得不同形貌的共聚物納米粒子，如球狀、囊泡蠕蟲等。由于這一組裝過程是在聚合過程中發(fā)生的，因此稱為聚合驅(qū)動自組裝[4～7]。

相比于嵌段共聚物的自組裝，聚合驅(qū)動自組裝具有很多明顯的優(yōu)勢：嵌段共聚物的自組裝首先需要進行嵌段共聚物的制備，然后在良溶劑中進行溶解，再將聚合物溶液加到不良溶劑中（通常需要加入共溶劑或者改變pH），這種策略制備的嵌段共聚物納米粒子濃度很低（＜10%）[8～9]；而對于聚合驅(qū)動自組裝，可以在嵌段共聚物的聚合過程中高效地制備具有明確形貌的高濃度（50%）的納米粒子，另外聚合驅(qū)動自組裝的聚合反應(yīng)單體、溶劑和引發(fā)方式的多選擇性以及溫和的反應(yīng)條件也是具有明顯的優(yōu)勢。而在聚合驅(qū)動自組裝的多種活性聚合方式中，可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移（reversible additionfragmentation chain transfer,RAFT)聚合被認為是一種常用的方式，因為RAFT聚合本身對聚合單體和溶劑具有更多的選擇性[10～12]。

近年來，Arms課題組在嵌段共聚物的聚合驅(qū)動自組裝領(lǐng)域做了大量的研究工作，其重點主要集中在聚合驅(qū)動自組裝新體系（單體、溶劑、引發(fā)和聚合方式等）的研究探索、引發(fā)和控制聚合驅(qū)動自組裝過程機理的進一步研究、聚合驅(qū)動自組裝的應(yīng)用新前景等[13～15]。本文將圍繞這幾方面對RAFT活性聚合介導(dǎo)的聚合驅(qū)動自組裝的研究進展進行介紹，并對其應(yīng)用的前景提出展望。

1 RAFT聚合驅(qū)動自組裝體系及機理研究

1.1 RAFT聚合驅(qū)動自組裝體系

對于聚合驅(qū)動自組裝具有很多可供選擇的活性聚合的方式，而文獻中報道使用最多的方式是RAFT聚合[16～20]。聚合驅(qū)動自組裝中使用的RAFT試劑實際上是一種鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)很高的大分子鏈轉(zhuǎn)移劑（通常為二硫代苯甲酸鹽、三硫代碳酸鹽或黃原酸鹽），可以實現(xiàn)聚合物自由基和大分子RAFT試劑間快速的鏈轉(zhuǎn)移，從而保持自由基的活性，實現(xiàn)官能化乙烯基單體的可控聚合。而大量的研究工作也已經(jīng)證明[21～23]，RAFT聚合方式介導(dǎo)的聚合驅(qū)動自組裝確實具有可控活性聚合的動力學特征，通?？梢栽诤芏痰臅r間內(nèi)（＜2 h）完成高的單體轉(zhuǎn)化率（＞90%），而且制備的嵌段共聚物具有很窄的分子量分布（Mw/Mn＜ 1.20）。然而有文獻報道[24]，RAFT聚合也存在一定的缺陷，當RAFT聚合在pH超過7的水溶液中進行時，大分子RAFT試劑末端很容易發(fā)生水解，也有文獻已經(jīng)證明二硫代苯甲酸鹽比三硫代苯甲酸鹽更容易水解，而當聚合在酸性條件下進行時，則可以保持RAFT活性聚合的動力學特征。

聚合驅(qū)動自組裝可以在多種溶劑中進行，例如水、醇類、烷烴、礦物油、硅油、離子液體和超臨界CO2等[25]，因此，根據(jù)溶劑不同大致可分為RAFT水分散聚合和非水分散聚合[14,25]。對于水相分散聚合，應(yīng)當與傳統(tǒng)的水相乳液聚合有所區(qū)別。傳統(tǒng)的乳液聚合是需要在水體系中加入表面活性劑形成膠束，來使單體增容和穩(wěn)定聚合物膠粒，單體不斷進入聚合物膠粒中進行自由基聚合，可以以較快的聚合速率制備高分子量的聚合物，且可直接得到乳液產(chǎn)品；而RAFT水分散聚合是在水中隨著聚合反應(yīng)的進行的活性聚合，嵌段聚合物會組裝形成具有特殊形貌的納米結(jié)構(gòu)膠束，此時由于在膠束中單體的富集也會提高反應(yīng)速率，制備高分子量、窄分布且具有特殊組裝形貌的嵌段共聚物。兩種方法均可以在短時間（1～2 h）內(nèi)完成單體高的轉(zhuǎn)化率，但是通過RAFT聚合制備的嵌段共聚物粒子的尺寸更小，且不需要使用大量的表面活性劑，最重要的是可以實現(xiàn)傳統(tǒng)乳液聚合無法做到的聚合物形貌控制（蠕蟲、囊泡、片層等等）[13]。相關(guān)文獻[13]已經(jīng)報道了很多RAFT水溶液聚合的單體和大分子RAFT試劑，如常用作穩(wěn)定的嵌段可以分為陰離子型、陽離子型、非離子型和雙電荷的官能化乙烯基單體，如圖2，不同種類的穩(wěn)定嵌段可以制備相應(yīng)帶電情況的膠束形貌，例如帶不同電荷的球狀、蠕蟲和囊泡狀的嵌段共聚物納米粒子，其化學性質(zhì)也會直接影響制備納米粒子的穩(wěn)定性并賦予其一定的性質(zhì)。例如當以一種雙電性的聚磺基甜菜堿（PSBMA）為穩(wěn)定嵌段可以增強耐鹽性[26]，以非離子型的聚甘油單甲基丙烯酸酯（PGMA）為穩(wěn)定嵌段可以通過調(diào)節(jié)pH來實現(xiàn)納米粒子在微圖案基底上的選擇性吸附[27]。除此之外，穩(wěn)定嵌段的化學性質(zhì)也可以影響粒子表面的潤濕性，因此制備的親水性的兩嵌段共聚物納米粒子可以用來穩(wěn)定水包油型的皮克林乳液。Thompson等人[28]將兩種不同類型的納米粒子結(jié)合，并通過優(yōu)化均質(zhì)條件，利用聚合驅(qū)動自組裝制備出皮克林雙乳液，而作者使用的皮克林乳化劑均是蠕蟲狀形貌。研究人員也發(fā)現(xiàn)通過選擇不同穩(wěn)定嵌段的RAFT試劑進行聚合制備的蠕蟲狀的嵌段共聚物在油-水界面上的吸附能力比使用的球狀要強得多，這是因為蠕蟲狀的納米顆粒在單位質(zhì)量上表現(xiàn)出相對較高的表面積。除此之外，Mable等人[29]的研究表明，樹莓狀PGMAPHPMA-PBzMA三嵌段共聚物囊泡在油-水界面上的吸附效率要比PGMA-PHPMA兩嵌段共聚物囊泡高得多，這表明通過進行穩(wěn)定嵌段的選擇可以影響制備的嵌段共聚物納米粒子的表面性質(zhì)，從而可以制備具有不同應(yīng)用性質(zhì)的嵌段共聚物納米粒子。

關(guān)于RAFT水溶液聚合介導(dǎo)的聚合驅(qū)動自組裝是研究最早也是最廣泛的。2007年，Hawker等人[30]首次報道了關(guān)于RAFT水溶液分散聚合的研究工作，他們在微波輻照的輔助下通過RAFT水溶液分散聚合制備了聚(N,N’-二甲基丙烯酰胺)-聚(N-異丙基丙烯酰胺)兩嵌段共聚物納米粒子。近年來，關(guān)于RAFT水溶液分散聚合的研究工作越來越多。除此之外，在非水溶劑中進行的RAFT分散聚合也引起人們的研究興趣。2009年，Pan等人[31]利用三硫代碳酸酯的鏈轉(zhuǎn)移劑DDMAT制備了一系列聚4-乙烯基吡啶(P4VP)的大分子RAFT試劑，然后以P4VP為穩(wěn)定嵌段在甲醇中和苯乙烯單體進行RAFT分散聚合，通過在非水溶劑中進行RAFT聚合介導(dǎo)聚合驅(qū)動自組裝，制備了具有多種共聚物形態(tài)的聚4-乙烯基吡啶-聚苯乙烯兩嵌段共聚物（P4VP-PS）納米粒子，如圖3所示。之后苯乙烯在甲醇中進行的RAFT聚合也做了很多拓展工作[32～33]。盡管苯乙烯可以在醇類溶劑中進行RAFT分散聚合，但是聚合速率較低是它的一個弊端，也有一些工作報道通過使用醇/水混合溶劑可以提高單體的聚合速率。而在不使用水作溶劑的條件下，可以使用甲基丙烯酸芐基酯（BzMA）代替苯乙烯作為水溶性單體在醇中進行RAFT分散聚合。例如，Arms課題組發(fā)現(xiàn)[34]，甲基丙烯酸芐基酯可以在甲醇、乙醇和異丁醇中可以進行RAFT聚合，在70 ℃下聚合24 h內(nèi)即可達到95%的單體轉(zhuǎn)化率。Semsarilar等人[35]合成了PDMA、PMAA、PGMA和PMPC四種大分子RAFT試劑，然后在乙醇中和BzMA單體進行RAFT聚合，制備了一系列形貌明顯的球狀、蠕蟲和囊泡狀的嵌段共聚物納米粒子，這也表明了BzMA單體在醇類溶劑中RAFT聚合的通用性。除了在醇類等極性溶劑中進行RAFT聚合，在非極性溶劑中也可進行RAFT聚合，但是研究工作相對較少。2013年，F(xiàn)ielding等人[36]報道了一個可以在非極性溶劑中進行的且形貌控制很好的RAFT聚合體系。他們利用異丙基二硫代苯甲酸酯(CDB)在正庚烷中通過RAFT聚合制備了聚甲基丙烯酸月桂酯-聚甲基丙烯酸芐酯(PLMA-PBzMA)兩嵌段共聚物，可以通過控制PBzMA段的聚合度來實現(xiàn)球狀、蠕蟲和囊泡狀形貌的調(diào)控。

RAFT介導(dǎo)的聚合驅(qū)動自組裝可通過多種方式進行引發(fā)聚合，已有大量文獻報道過關(guān)于使用熱引發(fā)RAFT聚合[37～39]。近年來，為了適應(yīng)聚合驅(qū)動自組裝聚合條件的要求，開辟聚合驅(qū)動自組裝的引發(fā)方式新途徑，人們研究報道了多種引發(fā)方式，例如光引發(fā)、氧化還原化學引發(fā)、酶引發(fā)以及超聲等[15]，下面將詳細討論。

Cai等人[40]首次引入了光引發(fā)聚合驅(qū)動自組裝的概念，他們在水中通過光引發(fā)劑引發(fā)雙丙酮丙烯酰胺（DAAM）進行RAFT聚合，制備了胺功能化的球狀兩嵌段共聚物納米粒子。Boyer等人[41]通過光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移-可逆加成碎片鏈轉(zhuǎn)移（PET-RAFT）聚合在環(huán)境溫度下合成了具有不同形貌（蠕蟲和囊泡）的共聚物納米粒子，從而拓展了光引發(fā)RAFT聚合的概念。Tan等人[42]在水/醇的共溶劑體系中通過光引發(fā)丙烯酸類單體進行RAFT聚合，制備了具有均勻樹莓狀結(jié)構(gòu)的聚合物粒子。Sumerlin等人[43]利用光引發(fā)劑在25 ℃下引發(fā)了2-羥丙基甲基丙烯酸酯(HPMA)在水相中的聚合，在聚合物囊泡形成過程中牛血清白蛋白(BSA)被包裹在這種空心囊泡中，而且這種溫和的反應(yīng)條件確保了這種球狀蛋白沒有變性，這也表明光引發(fā)聚合相對于熱引發(fā)PISA具有一定的優(yōu)勢。除了光引發(fā)聚合，氧化還原化學也可以在溫和的條件下引發(fā)產(chǎn)生自由基，誘導(dǎo)RAFT聚合。An課題組[44]采用過硫酸鹽/抗壞血酸氧化還原引發(fā)體系在30 ℃下制備了核交聯(lián)的納米凝膠，之后他們又利用過氧化物酶催化過氧化氫氧化乙酰丙酮，并在生物相關(guān)的反應(yīng)條件下引發(fā)2-甲氧基丙烯酸乙酯(MEA)的分散聚合。氧化還原引發(fā)的方式還可以與酶級聯(lián)反應(yīng)相結(jié)合，盡管酶標引發(fā)聚合所需的過氧化氫是通過葡萄糖氧化酶催化還原分子氧而產(chǎn)生的。最近，Qiao課題組[45]用高頻率超聲在45 ℃下引發(fā)了n-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)的RAFT水溶液分散聚合，制備了具有熱響應(yīng)性的核交聯(lián)納米凝膠。由于使用超聲引發(fā)是通過水的均裂產(chǎn)生自由基，不需要使用引發(fā)劑和催化劑，因此超聲引發(fā)RAFT聚合是非常綠色環(huán)保的一種引發(fā)方式。這種引發(fā)方式并沒有得到很大程度的挖掘應(yīng)用，因此具有一定應(yīng)用潛力，但是這對引發(fā)用的超聲設(shè)備也具有很高的要求。另外，Gianneschi等人的研究表明[46]，在特定條件下透射電鏡的電子束也可用來引發(fā)RAFT聚合，盡管這一技術(shù)并未能夠?qū)嶋H應(yīng)用，但是對于一些在拍攝透射電鏡過程中樣品的形貌演變可以有更深刻的理解。

1.2 聚合驅(qū)動自組裝機理研究

關(guān)于RAFT聚合介導(dǎo)的聚合驅(qū)動自組裝的機理已經(jīng)有很多文獻進行過報道。一般來說，嵌段共聚物自組裝的形貌與單體類型、嵌段共聚物兩嵌段的體積比、聚合物的固含量以及溫度具有很大關(guān)系。因此當使用同一種大分子RAFT試劑使用不同的親水性單體進行RAFT聚合時，開始組裝以及發(fā)生形貌轉(zhuǎn)變的核形成嵌段的臨界聚合度不同。而對于同一種核形成單體聚合，隨著聚合度的增加其形貌會發(fā)生演變，在某一聚合度下的納米形貌可以通過一個堆積參數(shù)p（packing parameter）進行判斷[47]：

v為核形成鏈的體積，α0為穩(wěn)定嵌段鏈頭部基團接觸面積，lc為核形成嵌段鏈的長度。通常當p≤1/3時，形成球狀形貌；當1/3＜p≤1/2時，形成蠕蟲狀（柱狀）形貌；當1/2＜p≤1時，形成囊泡形貌。

從以上公式我們可以得到，隨著聚合反應(yīng)的進行核形成嵌段的聚合度會不斷增加，由此導(dǎo)致親疏水嵌段相對體積（聚合度）的變化會影響p值，因此在RAFT聚合過程中嵌段共聚物的形貌是會不斷演變的。除此之外，在反應(yīng)開始前確定的共聚物固含量也會影響最終嵌段共聚物的形貌，因此可以以核形成嵌段的聚合度和嵌段共聚物固含量為變量來做嵌段共聚物形貌相圖。如圖4(a)和(b)分別為在水中進行RAFT聚合制備的不同聚合度親水嵌段的PGMA-PHPMA兩嵌段共聚物相圖[48]（每組實驗HPMA單體轉(zhuǎn)化率均為99%以上）。值得注意的是，為了相圖的精確可重復(fù)性，作者在制作相圖時所做實驗使用的大分子RAFT試劑均為同一批次所制備的。從圖4a中相圖中可以看到，當共聚物濃度低于10%時為無論PHPMA嵌段聚合度如何增加均為球狀形貌。而當共聚物濃度增加時，隨著PHPMA嵌段聚合度的不斷增加形貌開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，聚合物濃度越高，共聚物開始發(fā)生形貌轉(zhuǎn)變時的PHPMA臨界聚合度越小，當共聚物濃度增加到25%時，在PHPMA聚合度為150時即可發(fā)生球狀到蠕蟲狀的轉(zhuǎn)變。而從圖4(a)和(b)相圖綜合來看，無論親水嵌段的聚合度（大分子RAFT試劑聚合度）大小，隨著核形成嵌段的聚合度增加，嵌段共聚物的形貌演變趨勢都是球狀-蠕蟲狀-囊泡狀。然而，穩(wěn)定嵌段PGMA的聚合度差異對形貌演變具有較大影響，當PGMA聚合度為78時，圖4(a)中的聚合物形貌是由共聚物濃度和PHPMA的聚合度共同影響的，而當PGMA聚合度為47時，共聚物形貌卻沒有表現(xiàn)出對PHPMA濃度的依賴性，這是可能是因為低聚合度的穩(wěn)定嵌段PGMA的穩(wěn)定效果比較差，因此無論共聚物濃度大小均很容易在一維方向上發(fā)生融合?？偟膩碚f，提高共聚物的濃度和增加核形成單體的聚合度更有利于形成高階的形貌。

上文中提到的堆積參數(shù)p值和嵌段共聚物形貌相圖均可用來預(yù)測PISA的形貌，但二者各自具有一定的應(yīng)用特點。p值實際上僅是一個幾何概念的參數(shù)，由于嵌段共聚物的種類、結(jié)構(gòu)、濃度及其他影響因素的多樣性，核形成嵌段和穩(wěn)定嵌段的相對溶劑化程度會有很大差異，因此很難用這樣一個參數(shù)來預(yù)測復(fù)雜多樣的嵌段共聚物形貌，也就是說可以用p來定性預(yù)測或解釋但不能一概而論地預(yù)測；而共聚物相圖是對一個聚合驅(qū)動自組裝體系實際試驗過程中觀測到的形貌隨試驗參數(shù)變化進行統(tǒng)計作圖，因此預(yù)測形貌變化具有一定針對性，試驗具有可重復(fù)性，可以通過試驗參數(shù)調(diào)整來得到可控精確的形貌，因此對PISA嵌段共聚物的形貌設(shè)計和調(diào)控具有實際的指導(dǎo)意義。

為了進一步了解RAFT聚合驅(qū)動自組裝的形貌演變過程以揭示形貌演變機理，科研工作者對部分PISA體系的聚合動力學進行研究。2011年，Arms課題組[49]以PGMA作為大分子RAFT試劑，和HPMA進行RAFT水分散聚合，并對其聚合動力學進行了研究。他們監(jiān)測了不同聚合時間下聚合體系形貌變化，揭示了共聚物從球狀-蠕蟲狀-囊泡狀形貌變化，并且首次觀察到從蠕蟲狀形貌到囊泡狀形貌轉(zhuǎn)變的中間形貌—“水母”狀形貌，如圖5。之后，Arms課題組[50]又使用同一聚合體系，通過改變PHPMA嵌段的聚合度制備了一系列的嵌段共聚物囊泡并對它們的形貌進行了表征。他們發(fā)現(xiàn)隨著PHPMA嵌段聚合度增加，共聚物囊泡的流體動力學直徑并沒有發(fā)生改變，這表明聚合物囊泡膜是一種“向內(nèi)”增長機理。2020年，Tan等人[51]對這一機理進行了完善。他們通過光引發(fā)水分散RAFT聚合制備了一系列不同親水嵌段和核形成嵌段的PGMA-PHPMA兩嵌段共聚物，并分別對同一聚合體系的聚合動力學和不同聚合度體系的囊泡形貌進行研究。他們發(fā)現(xiàn)囊泡的增長機理與體系所處的溫度有關(guān)，當體系溫度（60 ℃）高于PHPMA的玻璃化溫度（47 ℃）時，隨著PHPMA聚合度的增大，PHPMA的運動能力增強，因此更容易發(fā)生囊泡在零維方向上的融合，即保持囊泡的形貌而囊泡尺寸和壁厚都增加，如圖6(a)；而當體系溫度（25 ℃）低于PHPMA的玻璃化溫度（47 ℃）時，PHPMA鏈段的運動能力較弱，因此更容易發(fā)生一維上的融合，形成管狀或環(huán)狀的共聚物結(jié)構(gòu)。這一機理的揭示也證明了溫度對于聚合驅(qū)動自組裝形貌演變的影響。

2 聚合驅(qū)動自組裝的前景展望

聚合驅(qū)動自組裝自發(fā)展以來便引起科研工作者廣泛關(guān)注，其獨特的聚合和組裝方式使之在很多材料的制備上都具有應(yīng)用潛力。相比于其他活性聚合方式，RAFT介導(dǎo)的聚合驅(qū)動自組裝具有更高的實施效率。實際上，RAFT介導(dǎo)的聚合驅(qū)動自組裝最大的優(yōu)勢在于可以高效地制備多種功能性的高分子納米材料且應(yīng)用潛力巨大。通過PISA制備的兩親性嵌段共聚物可以用于制備皮克林球狀乳液[52]，納米尺寸的聚合物囊泡可用于納米粒子可控釋放[53]，熒光探針釋放[54]，刺激性應(yīng)凝膠[55]，3D水凝膠的生物應(yīng)用[56]等等。通過聚合驅(qū)動自組裝制備的聚合物納米粒子具有可控的尺寸、形貌及表面化學性質(zhì)，在納米粒子材料的功能性應(yīng)用上已取得了很大的突破和進展。而其獨特形貌和性質(zhì)在傳統(tǒng)的聚合物納米復(fù)合材料上也具有很大的應(yīng)用潛力，值得科研工作者進一步的研究探索。