摘 要

原子转移自由基聚合（ATRP）在理论上拥有着自由基聚合和活性聚合这两者的优点，所以与自由基聚合反应类似，聚合方法多，适用单体广，更为重要的是，ATRP还有着活性聚合的优势，有着较为温和的反应条件以及反应可控等诸多优点。正是如此多的优点，让许多高分子研究工作者的研究焦点转移至ATRP聚合反应。在研究ATRP聚合反应的大方向中，又以新引发催化体系的开发为研究的重点之一。目前，铁催化体系的研究是开发ARTP聚合反应新引发催化体系的热门，由于铁催化体系拥有着良好的生物相容性且不会引发生态环境的污染，成为目前新催化引发体系研究的主要方向之一。

本文将采用上述方法即在均相DMF溶剂介质中，以氯化的超高分子量聚乙烯纤维作引发体系，加入不同配比的Fe³ /Fe² 与配体构成催化体系，来研究不同铁催化体系及不同Fe³ /Fe² 配比下超高分子量聚乙烯接枝丙烯酰胺的可控ATRP聚合反应，通过测量纤维的表面张力、红外光谱扫描分析（IR）、扫描电子显微镜（SEM）等来确定在不同配比、不同铁催化体系下对改性接枝程度等对聚合反应的影响因素。

关键词：原子转移自由基聚合 铁催化体系 聚合研究

ATRP polymerization based on Fe³ /Fe² Initiating system

Abstract

Atom transfer radical polymerization (ATRP) possesses the dual excellent characteristics of free radical polymerization and living polymerization in theory. Therefore, like radical polymerization, there are many polymerization methods and wide range of applicable monomers. More importantly, ATRP have advantages of living polymerization. For example, a more moderate reaction condition and the process is easy to control. With so many advantages, it has also shifted the research focus of many polymer researchers to ATRP polymerization studies. In the study of the general direction of ATRP polymerization, one of the focuses of the study was the development of a newly initiated catalytic system. At present, the research of iron catalysis system is a hot spot for the development of a new catalytic system for ATRP polymerization. As the iron catalysis system has a good biocompatibility and will not cause ecological environmental pollution, it has become the main direction of the new catalytic initiation system.

This article will use the method described above in the homogeneous DMF solvent medium, chlorinated UHMWPE fiber as the initiating system, adding different ratios of Fe³ /Fe² and ligand to form a catalytic system to research different iron catalyst systems and the controllable ATRP polymerization of UHMWPE fiber grafted acrylamide at different Fe³ /Fe² ratios. By measuring the fiber surface tension, infrared spectroscopy(IR) and scanning electron microscopy(SEM) determine the degree of polymerization, such as grafting degree under different iron catalysis systems.

Key words:Atom Transfer Radical Polymerization iron catalyst system; polymerization

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 ATRP的概述与简介 1

1.2.1 可控自由基聚合 1

1.2.2 原子转移自由基聚合（ATRP） 3

1.3 ATRP聚合原理 3

1.4 ATRP研究现状 4

1.4.1 铜体系催化的原子转移自由基聚合 4

1.4.2 铁系催化的原子转移自由基聚合 5

1.5 UHMWPE纤维改性的研究 5

1.5.1 UHMWPE纤维的简介 5

1.5.2 UHMWPE纤维的改性研究 5

第二章 实验部分 7

2.1 实验试剂 7

2.2 实验仪器和装置 7

2.2.1 主要仪器 7

2.2.2 实验装置 8

2.3 原料制备 8

2.3.1 氯化UHMWPE纤维的制备 8

2.3.2 丙烯酰胺（AM）的提纯 9

2.3.3 DMF溶剂的除氧 10

第三章 结果与讨论 11

3.1 氯化UHMWPE纤维的影响因素 11

3.1.1 pH值对氯化纤维的影响 11

3.1.2 NaClO浓度对氯化纤维的影响 12

3.2 铁体系下的ATRP反应效果分析 13

3.2.1 表面张力的测定 13

3.2.2 扫描电镜分析 15

3.2.3 红外分析 16

第四章 总结与展望 18

4.1 总结 18

4.2 展望 18

参考文献 20

致谢 22

第一章 绪论

1.1 引言

自1995年原子转移自由基聚合（ATRP）概念提出以来，在实验室和工业上逐渐掌握了合成较窄分子量分布高聚物的方法，此方法也逐渐明确了鉴定复杂聚合物结构步骤^[1]。研究聚合方法及动力学一直是科研工作者研究高分子的一个主要方向，同时也是研究高分子聚合机理的基础^[2]。通过研究聚和方法和机理来控制聚合物分子量和结构以达到所需聚合物分子量与结构性能的要求^[3]。随着社会经济与科技的发展，对材料性能的要求与制备有着一定的要求，同时也对材料的改性和聚合方法产生深刻的影响。活性聚合原理是大相径庭，基本是通过活性种或活性分子链与休眠种或休眠分子链达到一种可逆的动态平衡，以此来达到控制聚合体系中活性自由基离子浓度，近而实现对高分子聚合反应的控制。

1.2 ATRP的概述与简介

1.2.1 可控自由基聚合

20世纪初，研究高分子的科学家们合成了第一例高分子后，研究高分子的热度一直延续至今，由于理论体系和实验设备的限制，科学家们仍在努力寻找能够制备具有指定分子结构和分子量范围的高分子材料的方法。1956年，美国科学家Szwarc的团队发表了一篇具有在高分子界具有划时代意义的文章，也是终结了高分子合成方法不能活性聚合的怪圈，文章指出较低的温度下，没有水、氧气以及体系杂质的参与等较为严格的环境下，以四氢呋喃作为溶剂，萘钠的络合物作为引发体系，以此来引发苯乙烯的自由基阴离子聚合，后经测试发现体系内不存在任何链终止、链转移反应，且体系在低温和真空下保存三个月之后取出加入单体仍可聚合，得到的聚合产物分子量相比较之前的产物的分子量更大了，本次实验体系发现，是活性聚合的开始，也正是在这篇文章中，Szwarc团队将这样的反应描述为“活性聚合”（living polymerization），并定义了其概念^[1]。活性聚合概念的提出，使得设计高分子分子结构的梦想在未来可以实现，它为合成具有特定结构和分子量范围的高分子聚合物提供了较为可行性方法。

阴离子活性聚合的聚合反应是到目前为止发展较为完善的，用此方法均成功地获得了分散性较为单一的聚合物反应体系，而且聚合物的结构组成、嵌段位置、接枝排序均也达到了预定要求。但是如果将这些已经开发的活性聚合方法用于工业化的生产，会带来很直接的问题，那就是工业化成本太高，其最大的问题就在于方法的反应条件都比较苛刻，严格的温度控制，无氧无杂质的反应条件，复杂的工艺都是最终导致产品的工业化成本太高的因素。

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