包含嵌段共聚物的自组装结构和膜以及通过旋涂法(IIIa)制备它们的方法_3

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0范围内,优选在约19 :约81至约25 :约75范围内,以及更 优选为约20 :约80。在一个实施方式中,第二单体的体积分数为总聚合物的约78%,以及 质量分数为约74%。
[0080] 在一个实施方式中,第二单体的体积分数与第一单体的体积分数之比是约 3.5 : 1,这有利于形成圆柱体形态。第二单体的质量与第一单体的质量分数之比为约 3.4 : 1〇
[0081] 在一个【具体实施方式】中,自组装结构和膜包含具有下列结构的式(I)的二嵌段共 聚物,尤其是,其中η是150且m是675:
[0082]
[0083] 在一个实施方式中,自组装结构和膜包含具有下列结构的式(I)的二嵌段共聚 物,其中单体具有外型构型,尤其是,其中η是150且m是675 :
[0084]
[0085] 上述二嵌段共聚物可以通过如下方法制备,包括:
[0086] (i)使用开环易位聚合(ROMP)催化剂聚合下式两个单体之一:
[0087]
[0088] 获得具有活性链端的开环聚合物;
[0089] (ii)在(i)中获得的开环聚合物的活性端上聚合两个单体中的另一个,获得具有 活性端的二嵌段共聚物;以及
[0090] (iii)使用可选取代的烷基乙烯基醚封端(ii)中获得的二嵌段共聚物的活性端。
[0091] 在上述方法中,首先聚合的单体具有下式:
[0092]
[0093] 在上述单体聚合后,在其上聚合的第二单体是下式的单体:
[0094]
[0095] 第一单体和第二单体可以是外型或内型立体化学构象。在一个实施方式中,第一 和第二单体具有外形构象,例如具有98%或更高的外型异构体的单体。
[0096] 在第一和第二单体中,R1和R2与对于上述式(I)的二嵌段共聚物所述相同。第一 和第二单体是(氧杂)降冰片烯(二)羧酸酰亚胺衍生的单体。单体可以通过任意合适的 方法制备,例如,自马来酰亚胺和咲喃开始,经由Diels-Alder反应制备,如下所示:
[0097]
[0098] 第一单体可以经由Mitsunobu偶合反应合成,如下所示:
[0099]
[0100] 或者,第一单体可以通过N-三乙二醇单甲醚马来酰亚胺与咲喃经由Diels-Alder 反应而合成。
[0101] 第二单体可以经由在乙腈中N-苯基马来酰亚胺和呋喃之间的Diels-Alder反应 而合成,如下所示:
[0102]
[0103] 通过开环烯烃易位聚合(ROMP)进行单体的聚合,其中环状烯烃单体通过环状烯 烃单体的开环进行聚合或共聚。典型地,含有卡宾配体的过渡金属催化剂作为易位反应的 媒介。
[0104] 可以使用任意合适的ROMP催化剂,例如,Grubbs-代、二代和三代催化剂,可以使 用Umicore、Hoveyda-Grubbs、Schroch以及Schrock-Hoveyda催化剂。这类催化剂的实例 包括下列:
[0105]


[0108] 在一个实施方式中,尤其合适的是Grubbs三代催化剂,因为它们具有多种优势, 例如在空气中稳定,耐受多官能团,和/或快速聚合引发和增长速率。此外,使用Grubbs三 代催化剂,端基可以设计为与任意相容基团相适应,并且催化剂可以容易地回收。这样的催 化剂的优选实例是:
[0109]
[0110] 上述第三代Crubbs催化剂(G2)可以商购得到或者从Grubbs二代催化剂制备,如 下所示:
[0112] 第一单体和第二单体依次聚合,以获得二嵌段共聚物。两个单体的任意一个可以 首先聚合。例如,第一单体可以首先聚合,随后是第二单体。或者,第二单体可以首先聚合, 随后是第一单体。
[0113] 典型地,单体的化学纯度是至少95%,优选99%或更高,以及更优选99. 9%或更 高。优选的是,单体不含干扰聚合的杂质,例如会影响ROMP催化剂的杂质。这类杂质的实 例包括胺类、硫醇类、酸类、膦类以及N-取代马来酰亚胺。
[0114] 在合适的溶剂例如通常用于进行ROMP聚合的溶剂中进行单体聚合。合适的溶剂 的实例包括芳香烃,例如苯、甲苯以及二甲苯,脂肪烃,例如正戊烷、己烷以及庚烷,脂环烃 例如环己烧,以及卤代经,例如二氯甲烷、二氯乙烷、二氯乙烯、四氯乙烷、氯苯、二氯苯和三 氯苯,以及其混合物。
[0115] 当在有机溶剂中进行聚合时,单体浓度可以在1至50wt%,优选2至45wt%,以及 更优选3至40wt%范围内。
[0116] 可以在任意合适的温度下进行聚合,例如,-20至+100°C,优选10至80°C。
[0117] 聚合可以进行任意合适的时间,以获得各嵌段的适当链长度,这可以是约1分钟 至100小时。
[0118] 可以以任意合适的量选择催化剂的量。例如,催化剂与单体的摩尔比可以是约 1 : 10至约1 : 1000,优选约1 : 50至1 : 500,以及更优选约1 : 100至约1 : 200。例 如,催化剂与单体的摩尔比可以是1 :η和1 :m,其中η和m是平均聚合度。
[0119] 在两个单体聚合之后,通过向聚合混合物中加入可选取代的烷基乙烯基醚对二嵌 段共聚物的链端进行封端。
[0120] 可以通过任何合适的技术例如用非溶剂沉淀分离出二嵌段共聚物。
[0121] 在二嵌段共聚物的制备期间形成的均聚物,以及本发明的二嵌段共聚物可以通过 任意已知技术表征它们的分子量和分子量分布。例如,可以使用MALS-GPC技术。该技术经 由高压栗,使用流动相穿过一排填充有固定相的柱子洗脱聚合物溶液。固定相根据链尺寸 分离聚合物样品,随后通过三种不同的检测器检测聚合物。可以使用一系列检测器,例如紫 外检测器(UV-检测器),随后是多角度激光散射检测器(MALS-检测器),接着是一列折光 系数检测器(RI-检测器)。UV-检测器测量聚合物在254nm波长处的光吸收;MALS-检测 器测量聚合物链相对于流动相的散射光。
[0122] 本发明的二嵌段共聚物优选是高度单分散的。例如,共聚物的Mw/Mn为1. 01至 1. 2,优选为 1. 05 至 1. 10。
[0123] 本发明提供了包含含有上述二嵌段共聚物的多孔膜的自组装结构和膜。
[0124] 在一个实施方式中,通过旋涂二嵌段共聚物的溶液而制备得到自组装结构。为制 备自组装结构,将二嵌段共聚物首先溶于合适的溶剂或溶剂体系中,并且通过旋涂流延为 薄膜。
[0125] 聚合物溶液可以通过本领域技术人员已知的任意合适方法制备。将二嵌段共聚物 加入到溶剂体系中并搅拌,直到获得均匀溶液。如果需要,溶液可以搅拌延长的时间,使得 二嵌段共聚物在溶液中呈现为其热动力学有利的结构。将二嵌段共聚物溶于良溶剂或含有 良溶剂的混合物中。
[0126] 合适的溶剂体系的实施方式包括选自卤代烃类、醚类、酰氨类和亚砜类的溶剂或 溶剂混合物。在一个实施方式中,溶剂体系包括易挥发溶剂,例如,沸点低于100 °c的溶剂。
[0127] 例如,溶剂体系包括选自二氯甲烷、1-氯戊烷、1,1-二氯乙烷、N,N-二甲基甲酰 胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMA)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲亚砜(DMS0)、四氢呋喃 (THF)、1,3-二氧六环和1,4-二氧六环的溶剂或溶剂混合物。
[0128] 因此,例如,可以使用DMF和THF的混合物、DMA和THF的混合物、DMS0和THF的混 合物、DMS0和1-氯戊烷的混合物、NMP和1-氯戊烷的混合物、DMF和1-氯戊烷的混合物、 1,3-二氧六环和THF的混合物、1,4-二氧六环和THF的混合物,或者1,3-或1,4二氧六环、 DMF和THF的混合物作为溶剂体系。
[0129] 在一个优选的实施方式中,可以使用DMF和THF的混合物、DMA和THF的混合物、 DMA和1-氯戊烷的混合物、DMS0和THF的混合物、1,3-二氧六环和THF的混合物、1,4-二 氧六环和THF的混合物作为溶剂体系。
[0130] 在一个更优选的实施方式中,可以使用二氯甲烷或DMF和THF的混合物作为溶剂 体系。
[0131] 在上述实施方式中,当溶剂混合物用作溶剂体系时,混合物可以包含任意合适比 例的溶剂,例如,在二元溶剂混合物中,各种溶剂可以以80/20、75/25、70/30、65/35、60/40、 55/45或50/50的体积比,或者介于其间的任意比例存在。在三元溶剂体系中,三种溶剂的 任一种可以以任何合适的比例,例如 80/10/10、75/15/10、70/20/10、65/25/10、60/30/10、 55/25/30、40/40/20或30/30/40的体积比,或者介于其间的任意比例存在。
[0132] 聚合物溶液可以含有任意合适量的二嵌段共聚物。根据一个实施方式,聚合物溶 液含有约0. 1至约2%,优选约0. 5至约1. 5%,以及更优选约0. 8至约1. 2%重量的二嵌段 共聚物。在一个实例中,聚合物溶液含有约1%重量的二嵌段共聚物。聚合物浓度可以控制 由旋涂法获得的薄膜厚度,以及因此获得的膜的厚度。
[0133] 旋涂典型地涉及将小体积的聚合物溶液沉积到大致平坦的基材上,优选沉积到基 材中央。可以使用注射器或点滴器沉积聚合物溶液,或从罐连续沉积。
[0134] 当沉积聚合物溶液时,基材可以是固定的或低速旋转的,例如至多约500rpm。在聚 合物溶液沉积之后,将基材加速到高速度,例如约3000rpm或更高。
[0135] 在一个实施方式中,将基材加速到约1500rpm至约6000rpm的旋转速度。由于旋 转所施加的离心力作用,聚合物溶液沿径向流到基材上,并且多余的聚合物溶液从基材边 缘溅出。一旦达到期望的旋转速度,将旋转速度保持合适的时间段,例如约1分钟至lh,优 选1. 5分钟的时间段。在基材上形成的薄膜持续缓慢变薄,直到它达到平衡厚度,或者它变 成固体状,因为随着溶剂从其中蒸发,溶液粘度增加。对于给定的聚合物浓度,通过变换旋 转速度,可以控制薄膜厚度。
[0136] 薄膜可以流延成任意合适的厚度,典型地厚度为约50nm至约500nm,,优选约100 至约300nm,以及更优选约100nm。
[0137] 维持在旋转基材上的气氛可以是任意合适气氛,例如环境气氛、控制湿度和/或 温度的气氛、惰性气体气氛,或者涂覆在真空下进行。在一个实施方式中,可以保持溶剂蒸 气气氛退火,并且诱导嵌段聚合物自组装。
[0138] 任意合适的基材可用于旋涂聚合物溶液。基材可以是多孔或无孔的。合适基材的 实例包括玻璃、硅晶片、金属板、聚合物或塑料薄膜,以及
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