научная статья по теме ПОЛИМЕРЫ НА ОСНОВЕ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ АЛКОКСИДОВ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ПОЛИМЕРЫ НА ОСНОВЕ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ АЛКОКСИДОВ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия С, 2011, том 53, № 7, с. 1239-1245

УДК 541.64:547(25+35)

ПОЛИМЕРЫ НА ОСНОВЕ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ АЛКОКСИДОВ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ1

© 2011 г. А. Д. Помогайло, Г. И. Джардималиева, С. И. Помогайло, Н. Д. Голубева

Учреждение Российской академии наук Институт проблем химической физики РАН 142432 Черноголовка Московской обл.

Получены и охарактеризованы металлополимеры на основе непредельных алкоксидов тугоплавких металлов (И(ГУ), У(У), Та(У), №(Х)); методами ТГА, ТМА и ДСК изучено их термическое поведение. Показано, что в ходе полимеризации металлосодержащих мономеров и последующего контролируемого термолиза формирующихся продуктов могут быть синтезированы нанокомпозитные материалы.

ВВЕДЕНИЕ

Создание полимерных материалов, содержащих в своем составе химически связанные металлы, — это актуальное направление, которое активно развивается на стыке химии высокомолекулярных соединений, металлоорганической и координационной химии. Металлосодержащие полимеры обладают целым рядом уникальных свойств: высокой каталитической активностью во многих реакциях основного органического синтеза, необычными магнитными, электрофизическими свойствами, биологической активностью и т.д., что обусловливает их практическую ценность.

Существуют три основных способа получения металлосодержащих полимеров: 1) полимерана-логичные реакции, т.е. взаимодействие соединений металлов с линейными функционализован-ными полимерами, при котором не затрагивается основная полимерная цепь; 2) поликонденсация соответствующих прекурсоров, в которых ион металла встраивается в основную цепь и его удаление из нее сопровождается разрушением полимера; 3) полимеризация и сополимеризация металлосодержащих мономеров (МСМ).

Как правило, традиционные способы получения макромолекулярных металлокомплексов являются многостадийными и трудоемкими. Почти во всех случаях они включают стадии функциона-лизации полимера, взаимодействия его функциональных групп с металлокомплексами (МХИ) и удаления несвязанных реагентов. Альтернатив-

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 11-03-00769-а).

E-mail: adpomog@icp.ac.ru (Помогайло Анатолий Дмитриевич).

ный одностадийный подход получения металло-полимеров — полимеризация МСМ, содержащих в лигандном окружении металла по крайней мере одну группировку с кратной связью, способной полимеризоваться. Наиболее близко эта фундаментальная проблема связана с комплексно-радикальной полимеризацией неионогенных мономеров [1]. Образование комплексно-связанных мономеров и радикалов, как правило, влияет на стадию роста и обрыва цепи, а также не исключается их роль в реакциях инициирования и передачи цепи.

В этой связи металлосодержащие мономеры представляются удобными модельными системами для изучения закономерностей роста цепи при радикальной полимеризации, поскольку уже содержат в своем составе химически связанный атом металла, способный к координационному взаимодействию с макрорадикалом и другими компонентами реакционной системы.

В последние годы интерес к металлополиме-рам заметно возрос благодаря возможности получать на их основе перспективные гибридные на-нокомпозитные материалы. Алкоксидные соединения тугоплавких металлов (Т1, V, ИГ, МЪ, Та, Яе) широко используются в качестве прекурсоров при получении оксидной керамики для полупроводниковой электроники, защитных термостойких покрытий и т.д. Однако к настоящему времени не разработаны подходы к созданию композиционных полимерных материалов на их основе.

Цель настоящей работы — исследование поли-меризационных процессов непредельных алкок-сидов тугоплавких металлов Т1(ГУ), №(Х), Та(Х), XV) и синтез нанокомпозитных материалов на их основе.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Т1(ГУ)-содержащие мономеры получали реакцией переэтерификации по ранее описанным методикам [2]. Синтез и характеристики

У(У)-, МЪ(У)- и Та(У)-содержащих мономеров приведены ранее [3, 4]. Структурные формулы и названия исследуемых МСМ представлены ниже:

(BuO)3TiOCH2CH2OC(O)C(Me)=CH2 Метакрилоксиэтокситри-1-бутоксититан (1) (BuO)31iOC(Me)2C=C—CH=CH2 Винилэтинилдиметилкарбинолокситри-1-бутоксититан (2) (Ви0)2Т1(0СН2СН20С(0)С(Ме)=СН2)(0-ментил) [1Л,2^,5Д)-(—)-ментокси] метакрилоксиэтоксиди-1-бутоксититан (3) (EtO)2(OBu)T1OCH2CH2OC(O)C(Me)=CH2 Метакрилоксиэтокси(2-бутокси)триэтоксититан (4) (PrO)2V(O)OCH2CH2OC(O)C(Me)=CH2 Метакрилоксиэтоксиоксидиизопропоксиванадий (5) (EtO)4NbOCH2CH2OC(O)C(Me)=CH2 Метакрилоксиэтокситетра этоксиниобий (6) (EtO)4TaOCH2CH2OC(O)C(Me)=CH2 Метакрилоксиэтокситетра этокситантал (7)

Ti(OC4H9)4 перегоняли в вакууме (Ткип = 224— 136°С/0.5—1 мм рт. ст.). Примеси диметакрилатов в монометакриловом эфире этиленгликоля, одном из наиболее удобных и хорошо полимеризуе-мых непредельных спиртов, удаляли экстракцией из водного раствора петролейным эфиром и перегоняли в вакууме (Ткип = 52°С/1 мм рт. ст.).

Стирол, ММА и 4-винилпиридин использовали в свежеперегнанном виде. (-)-Ментол (Тпл =

= 42.5 К, удельное вращение [a]D° = —38.6° в гек-сане, c = 3) использовали без дополнительной очистки. R(-)-BuOH выделяли в виде бруциновой соли фталевой кислоты с последующей обработкой

HCl и перегонкой (Ткип = 100°С, [a]2° = -29.1°, ДМСО : HCl = 1 : 1, c = 0.8).

Радикальную гомо- и сополимеризацию МСМ проводили в органическом растворителе (гексан, бензол, ДМФА) в присутствии инициатора ДАК в запаянных ампулах при фиксированной температуре. Реакционные смеси предварительно дегазировали до остаточного давления 5 х 10-3 мм рт. ст. Осаждающиеся в ходе синтеза полимеры отделяли фильтрованием, промывали 2-3 раза сухим растворителем и сушили в вакууме при 40-50°С.

Кинетику полимеризации изучали методом изотермической калориметрии на дифференциальном автоматическом калориметре ДАК 1-1А в режиме прямой регистрации скорости тепловыделения (dQ/dt) при заданной температуре. Преобразованный посредством аналогового цифрового устройства сигнал записывали на компьютер. Данные обрабатывали с помощью специальной программы с учетом того, что степень превращения в любой момент времени пропорциональна количеству тепла, выделившемуся в реакционной системе.

Состав сополимеров изучали по содержанию металла в полимере на начальных степенях превращения (до 10 %), которое определяли атомно-аб-сорбционным непламенным методом на приборе

"Сатурн" (относительное стандартное отклонение измерений 0.2%).

Элементный анализ проводили методом органического микроанализа при окислительном разложении веществ и количественном измерении образующихся диоксида углерода и воды.

Среднечисленную молекулярную массу Мп сополимеров измеряли в ДМФА на мембранном осмометре-502 ("Hewlett-Packard") в интервале концентраций растворов сополимеров 1—3 мг/мл при 25°С.

Термолиз образцов вели в неизотермическом реакционном сосуде при 370 или 600°С. Газообразные и конденсированные продукты термического превращения изучали методом ИК-спек-троскопии в области 400—4000 см-1 на спектрофотометре "Specord IR-75"; газообразные продукты анализировали на квадрупольном масс-спектрометре MS-3701.

Термические превращения МСМ в неизотермическом режиме в атмосфере воздуха или инертного газа исследовали методом термического анализа на дериватографе С (МОМ, Венгрия) в интервале 0—600°С со скоростью подъема температуры 10 град/мин. Термический анализ выполняли на дифференциальном сканирующем калориметре "Mettler Toledo Star System".

Оптическую активность измеряли на спектро-поляриметре "JASCO Model Dip-360".

Термомеханические свойства метало(со)поли-меров изучали на приборе УИП-70 с программированной скоростью нагревания (2.5 град/мин) и автоматической записью деформации s, давление на образец составляло 1 кг/см2. Образцы полимеров представляли собой цилиндры из прессованного порошка размером 7 х 1 мм.

Электронно-микроскопические исследования металлополимерных нанокомпозитов осуществляли с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEOL с ускоряющим напряжением 100 кВ и электронного микроскопа высокого разрешения JEM 3010 (300 кВ).

ЭПР-спектры регистрировали на радиоспектрометре '^Е/Х-2544" (фирмы "Яаёюрап") при 77 К. Порошки в инертной атмосфере помещали в тонкостенные стеклянные ампулы диаметром ~5 мм и запаивали. Содержание Х4+ оценивали из сравнения вторых интегралов спектров ЭПР исследуемого образца и эталона с известным содержанием спинов. В качестве стандартного образца использовали С^04 • 5И20.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Гомо- и сополимеризация непредельных алкоксипроизводных титана(1У)

Полимеризация ТЩХЬсодержащих мономеров характеризуется рядом особенностей [2], что отражается в необычных кинетических закономерностях, например в заниженном значении порядка скорости реакции по скорости мономера (рис. 1).

Кинетическая схема процесса включает следующие стадии [2]:

Г

2Я,

Я + М

Я + пМ

(ЯМ)

Я'

(ЯМ) + пМ

(ЯМ п)

(ЯМ п) + (ЯМ „)

(ям п) + Я;

Я п + Я;

р

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

(6) (7)

Здесь к1 — константа скорости реакции распада инициатора I, КР1 — константа равновесия реакции комплексообразования мономера М с радикалом, кр и кр- — константы скорости реакции роста цепи с участием Т1(ГУ)-координированных и некоординированных радикалов, к, к{, кг — константы скорости соответствующих реакций обрыва цепи, Р — продукты реакции.

В схеме учитывается образование комплексов радикала и мономера (реакция (2)) и рост цепи с участием как обычных (реакция (3)), так и координированных с мономером радикалов (реакция (4)). Обрыв цепи происходит по бимолекулярному механизму (реакции (5)—(7)), при этом в процессе участвуют не только радикалы обычного типа, но и радикалы, координированные с метал-

Жп0 х 10, моль/л мин 2

,,1/2 1/2. 1/2 М0 , моль /л

Рис. 1. Зависимость начальной скорости полимеризации ™п0 мономера 2 от концентрации мономера М. [ДАК] = 7.64 х 10-2 моль/л, растворитель бензол, Т = = 80°С.

ломономерами, структура которых представлена ниже

сн2=сн

Х-О-Т1(ОЯ)3

+ Я- —

сн2-сн

Х~О-Т1(ОЯ)3

сн2=сн

(8)

Х-О-Т1(ОЯ)3 Я'

В соответствии с этим начальная скорость полимеризации описывается

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком