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可見光驅(qū)動的超快水溶液ATRP,成功用于3D打印

更新時間:2023-04-14點擊次數(shù):1163

自 1990 年代提出原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)以來,人們一直致力于發(fā)展能夠獲得具有預(yù)定分子量、低分散性的聚合物,以及定義明確的結(jié)構(gòu)的ATRP體系。與早期的熱引發(fā)系統(tǒng)相比,光誘導(dǎo)的 ATRP (photo-ATRP)越來越受到人們的關(guān)注,因為它具有豐富的光源、廣泛可用性、環(huán)境友好性和時空控制性。到目前為止,photo-ATPR 已廣泛應(yīng)用于精密聚合、納米技術(shù)、納米醫(yī)學(xué)和聚合物凝膠網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。


光引發(fā)的常規(guī)自由基聚合(FRP)在3D 打印應(yīng)用的最為廣泛。然而,F(xiàn)RP 提供的控制有限,會導(dǎo)致死聚合物鏈的產(chǎn)生,從而誘導(dǎo)異質(zhì)凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成,無法進(jìn)一步的鏈延伸和后功能化。相反,通過活性自由基聚合(如,ATRP 和RAFT)形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)更均勻,“活"的聚合物鏈的特性使網(wǎng)絡(luò)很容易進(jìn)行后修飾。但photo-ATRP 尚未在 3D 打印方面取得突破,主要因為有兩個障礙需要克服:典型 photo-ATRP 系統(tǒng)的聚合速率緩慢和氧氣抑制問題(3D 打印需要在露天條件下進(jìn)行)。


基于此,鄭州大學(xué)龐新廠教授團(tuán)隊首。次報道了以碳量子點為催化劑,可見光驅(qū)動的超快水溶液聚合,一分鐘內(nèi)單體轉(zhuǎn)化率高達(dá)90%以上,且聚合物的分子量分布低于1.25。利用該體系成功實現(xiàn)了首。例基于ATRP的3D打印由于碳量子點優(yōu)良和穩(wěn)定的光學(xué)特性也為打印物體提供了有趣的光致發(fā)光能力。該方案的成功將為功能和刺激響應(yīng)性水凝膠材料的制備提供一個新的平臺。該研究以為“Ultrafast Visible-Light-Induced ATRP in Aqueous Media with Carbon Quantum Dots as the Catalyst and Its Application for 3D Printing"為題發(fā)表于最新一期的《JACS》。


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在此之前作者發(fā)現(xiàn)100%吡啶氮摻雜的碳量子點比其它碳量子點催化可見光誘導(dǎo)的ATRP表現(xiàn)出更優(yōu)異的催化能力,具有更高的聚合速率和較窄的分子量分布。因此在這個工作中作者選擇此類碳量子點為催化劑,研究其催化丙烯酸羥乙酯聚合的能力。作者首先受用不同的光源研究了其聚合動力學(xué),研究發(fā)現(xiàn)即使利用綠光(6W, λmax = 530 nm, 2 mW cm?2)和太陽光,25min內(nèi)單體也可以轉(zhuǎn)化80%以上(圖1a-b)。而使用藍(lán)光(6W, λmax = 460 nm, 2 mW cm?2)時,單體在十分鐘就可以轉(zhuǎn)化90%以上,隨著單體轉(zhuǎn)化率的提高,聚合物的分子量線性的增加,且分子量保持較窄的分布,具有優(yōu)異的控制性(圖1c)。此外,控制實驗表明,光源的存在與否可以有效的控制聚合反應(yīng)的開關(guān),具有完。美的控制性(圖1d)。


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圖1. a)反應(yīng)裝置圖,b)不同光照射下ATRP的動力學(xué)圖,c) MnMw/Mn在不同光照射下的演化,d) CuBr2/TPMA濃度和光源對ATRP的影響。


隨后作者通過控制實驗對聚合條件進(jìn)行了優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)碳量子點的最佳用量為0.25和0.50 mg/mL(圖2a-c)。而Na2EDTA的用量的提高可以顯著的提高聚合速率,使單體在1min內(nèi)聚合90%以上,但是當(dāng)用量超過10 mM時,會促進(jìn)羥基自由基的形成,從而阻礙形成活性聚合(圖2d-f)。即使在氧氣存在的條件下,當(dāng)Na2EDTA的用量為10 mM時,單體可以在5min內(nèi)轉(zhuǎn)化81%而不發(fā)生失活。有效的證明了該體系對氧氣的耐受性和用于3D打印的潛力(圖2g-i)。


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圖2. a-c)無氧條件下,碳量子點的投料量對聚合速率和分子量及分子量分布的影響,d-f)無氧條件下,Na2EDTA的用量對聚合速率和分子量及分子量分布的影響,g-i)有氧條件下,Na2EDTA的用量對聚合速率和分子量及分子量分布的影響。


最后,作者通過簡單地調(diào)整固化時間和切片層厚,3D打印出不同的長方體、圓柱體和字母,甚至是結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的金字塔,證明了該體系用于3D打印的能力(圖3)。


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圖3. 3D打印的長方體、圓柱體和字母,以及金字塔。


總結(jié):作者發(fā)展了首。例可見光誘導(dǎo)、碳量子點催化的、具有耐氧特性的超快水溶液ATRP聚合,并成功利用3D打印具有光致發(fā)光行為的高精度聚合物材料,為功能和刺激響應(yīng)性水凝膠材料的制備提供了一個新的平臺。


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