新的聚合方法可能会改变特种塑料的生产方式

卡内基梅隆大学化学系的研究人员改进了一种流行的技术，该技术用于生产一系列工业塑料，用于从油漆和涂料到粘合剂和密封剂等应用。

该新方法采用环境友好的反应条件，包括在水中、在光和水溶性染料下进行反应，为在乳液聚合过程中以更环保、更实用的方式生产聚合物提供了一种有前途的方法。

在商业环境中，乳液聚合是制造一系列有用聚合物的最便宜的方法之一。然而，该工艺受到限制，因为科学家无法精确控制所得聚合物的分子量和分散性。而控制聚合物结构是制造具有非常特殊特性的特种聚合物的关键。

在《美国化学学会杂志》上发表的一项研究中，化学博士生胡晓蕾开发了一种新方法——光驱动微乳液原子转移自由基聚合(ATRP)，可以精确控制所得聚合物的结构。这种新方法扩大了可使用乳液聚合制备的聚合物的范围。

华纳大学自然科学教授 Krzysztof Matyjaszewski 表示：“这是在长波光(特别是红光和近红外光)下稳健高效的微乳液光ATRP的第一个例子。”

“在工业环境中进一步探索和应用这项技术，可以实现明确/特种聚合物的可持续、经济生产。”

ATRP 是可控聚合中最可靠的方法，它使科学家能够将单体逐个串联起来。通过精确控制聚合物的生长和形状，科学家可以制造出具有特定性能的高度定制聚合物。

然而，在乳剂中成功进行 ATRP 反应面临各种挑战，其中许多挑战已通过 Matyjaszewski 团队的工作得到克服。胡是 Matyjaszewski 指导的三年级博士生，他利用长波长光下的光诱导 ATRP，使其在乳剂中得到更有效的利用。

胡解释说，传统上，乳液聚合是通过添加化学试剂来引发的，但他的目标不同。他的目标是开发一种更绿色的 ATRP 反应，这种反应可以在对环境无害的反应条件下进行，例如在水中、在露天，也可以通过光源引发。

胡说：“如今，光化学——本质上是使用低能光来引发和介导聚合——由于其易于设置和绿色环保而引起了极大的关注。”

虽然其他研究人员已经使用光来引发乳液聚合，但他们使用的是紫外线或短波长可见光，当这些光照射到乳液中时会发生散射，而乳液本质上是一种不相互溶解的液体混合物，例如水中的油。由于光会散射，因此它不能均匀地在整个乳液中引发聚合，从而导致反应缓慢，对最终聚合物性质的控制有限。这在大规模反应中尤其如此。

为了解决这个问题，胡博士转向了光谱中红光和近红外区域的较长波长的光。他使用一种常见的染料亚甲蓝作为光催化剂。光催化剂是一种在暴露于光时激活的材料，从而驱动化学反应。亚甲蓝是一种市售的水溶性染料，用于许多应用，包括作为药物。

在JACS上发表的一篇早期论文中，胡发现这种染料具有非常有趣的光化学特性，可应用于 ATRP。他证明了亚甲蓝在露天的均匀溶液中表现异常出色，可实现快速且控制良好的聚合。

胡教授表示：“这个结果确实激励了我们，因此我们致力于开发一种用于乳液的光ATRP系统，使用亚甲蓝作为红光/近红外光下的光催化剂。”

在目前的研究中，胡发现红光/近红外光可增强微乳液中的聚合，而紫外线几乎不会导致聚合。科学家还表明，当亚甲蓝暴露于红光/近红外光时，可诱导 ATRP 过程的快速启动，并控制聚合。

胡表示，最重要的是，新方法中使用的较长波长的光即使在较大的反应器中也能保持聚合效率。“这一发现对于光诱导乳液聚合在商业环境中的实际应用至关重要，”胡说。

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