侧链液晶聚醚螯合树脂研究进展

梁政勇 王爽 谢君

引用本文: 梁政勇, 王爽, 谢君. 侧链液晶聚醚螯合树脂研究进展[J]. 化学通报, 2018, 81(8): 692-697. shu
Citation:  Liang Zhengyong, Wang Shuang, Xie Jun. Research Progress in Side Chain Liquid Crystalline Polyether Chelating Resin[J]. Chemistry, 2018, 81(8): 692-697. shu

侧链液晶聚醚螯合树脂研究进展

    作者简介: 梁政勇 男, 副教授, 主要从事精细化学品与功能材料的开发工作, E-mail:lzy781103@zzu.edu.cn;


  • 基金项目:

    河南省科技攻关项目(152102210043)和河南省高等学校重点研究项目(16A430045)资助

摘要: 相对于传统聚醚螯合树脂,侧链液晶聚醚型螯合树脂由于刚性介晶基元的引入,赋于了聚醚分子更好的使用性能,具有热稳定性好、吸附容量大、离子选择性高、易于设计与合成等优势,成为近年来树脂领域研究的热点之一。本文介绍了近年来国内外侧链液晶聚醚螯合树脂的合成、性能与应用现状。最后依据对侧链液晶聚醚螯合树脂机械性能、吸附选择性、再生性能以及环保性能的使用要求,对其分子设计与合成方法及新应用领域进行了展望。

English

  • 螯合树脂是以交联的聚合物为母体,连接特殊基团以实现其具体功能的一类高分子材料。相对于传统小分子螯合剂,由于存在着较强的静电作用、立体效应、协同作用以及功能基的稀释及浓缩等高分子效应,因此表现出了更为优越的吸附选择性[1, 2]。同时,螯合树脂分子骨架均为体形结构,不溶于酸、碱、水及其他有机溶剂,因此分离十分简便,广泛用于金属离子的富集、分离、分析与回收,具有金属离子吸附快、捕获容量大、选择性高并可重复使用等优点,对环境保护、资源回收具有重要意义,已经成为当前的研究热点[3, 4]

    侧链液晶聚醚螯合树脂是指介晶基元位于聚醚主链一侧的螯合树脂。液晶基元的存在会使树脂分子产生更为强烈的定向排列趋势,提供更为有效的空间效应,从而提高吸附选择性。相对于主链型聚醚螯合树脂,侧链液晶聚醚螯合树脂具有自然亲和性好、吸附容量大、离子选择性高、易于设计与合成等优点,受到业内的广泛关注,并在基础理论和实际应用方面都产出了一系列较有价值的研究成果。本文对侧链液晶聚醚螯合树脂近年来在合成、性能及应用领域取得的进展进行了综述,并对侧链液晶聚醚螯合树脂未来的研究发展趋势进行了展望。

    目前对螯合树脂的分类没有固定的方法。一是按照构成螯合树脂的母体的种类进行分类,可分为天然高分子母体与人工合成母体两大类[5];二是根据螯合基团的位置将螯合树脂分为主链型和侧链型;三是根据配位原子的类型对螯合树脂分类,如以N、O为给电子原子的螯合树脂,含S螯合树脂,冠醚、杯环形大环化合物,含P螯合树脂等[6]。聚醚型螯合树脂是一类配位原子为氧原子的螯合树脂,特殊情况下也可为硫原子或氮原子。

    液晶高分子螯合树脂既有液晶所特有的位置序和分子取向序,又有高分子化合物的高分子量特性,基于其独特的分子和相态结构,相对于小分子螯合剂,液晶高分子螯合树脂具有优异的耐热性能、抗冲击性能、化学稳定性以及卓越的吸附容量与选择性,更具应用前景[7]

    侧链型液晶聚醚螯合树脂一般是以柔性的聚醚为主链(MC),侧链上通过柔性间隔(FS)与介晶基元(MU)和末端基团(EG)相连接,其典型结构如图 1所示。

    图 1

    图 1.  侧链型液晶聚醚螯合树脂结构示意图
    Figure 1.  Diagram of side chain liquid crystalline polyether chelating resin

    在其分子结构中,聚醚主链是母体,决定着树脂的机械性能与耐热性能,其性能调节可通过单体种类和比例来实现。介晶基元通过柔性间隔基团或直接连接在主链上,从而赋于高分子母体液晶行为,对提高树脂的吸附选择性具有重要作用。螯合基团是树脂的功能基团,其种类繁多、性能各异,从而满足不同的使用要求。与主链型液晶高分子螯合树脂相比,侧链型液晶高分子螯合树脂的性质受聚合物主链性质的影响较小,更大程度上取决于介晶基元和螯合基团,从而使其结构更具设计性,开发空间更大[8]

    从本质上来说,侧链聚醚螯合树脂是侧链液晶高分子的一种,是由聚醚主链与带有螯合功能的介晶基元组合而成。关于侧链液晶聚醚高分子的合成方法主要有两种,一是通过带介晶基元的环氧化物单体开环聚合,二是在聚醚主链上接枝介晶基元来实现。

    1987年,Rodriguez-Parada等[9]利用阳离子开环聚合方法制备出了以聚醚为主链、侧链含联苯介晶基团的液晶高分子(见图式 1),开创了侧链液晶聚醚高分子的合成先河。合成过程中发现,引发剂和聚合方式对产物的分子量有着重要影响。Ardnazazu等[10]通过阳离子开环聚合制备了一类聚醚主链上含有两个以上柔性间隔段相连介晶基元的侧链液晶聚醚高分子(见图式 2)。经偏光显微镜检测发现,其单体与对应的聚合物均为向列相液晶,聚醚高分子是通过各向异性的侧链基团相互作用而产生有序结构的液晶高分子。吴志超等[11]较为深入地研究了聚醚类液晶阴离子共聚的反应动力学,其利用计算机程序拟合反应过程共聚动力学行为,计算出共聚单体竞聚率,为类似化学问题的数学解决提供了参考。

    图式 1

    图式 1.  聚2-[4-(4-苯基苯氧基)丁基]-2-噁唑啉合成路线
    Scheme 1.  Synthetic route used for preparation of poly(2-[4-(4-phenylphenoxy)butyl]-2-oxazoline

    图式 2

    图式 2.  带双柔性连接基团的侧链液晶聚醚(POx2-C5-C6)结构
    Scheme 2.  Structure of side-chain liquid-crystalline polyoxetanes with two flexible spacers

    然而,由开环聚合反应制备的聚醚液晶高分子,其相转变温度不够高,同时对于空间位阻较大的刚性侧基,由于存在其他官能团与单体的亲核反应竞争而使聚合反应难以进行,因此接枝改性合成聚醚液晶高分子的方法成为研究的重点,该方法的策略是先行聚合获得适宜的聚醚主链,然后通过接枝,引入介晶基元,赋予聚醚分子液晶性能。

    对聚醚分子进行接枝需要有反应位点,因此环氧化物单体通常都含有具有良好反应活性的氯烷基,如环氧氯丙烷(ECH)、2-氯甲基-1, 2-环氧丁烷、β-氯乙基缩水甘油醚等。Navarro等[12]研究了芳氧基和烷巯基化合物对聚环氧氯丙烷(PECH)的亲核取代反应,认为PECH有着柔性的C-O-C主链以及活性的氯甲基,有利于接枝介晶基元,是较为理想的聚醚主链,因此对PECH的相关研究较多。例如,Han等[13]通过亲核取代反应,合成了一系列以PECH为主链的侧链液晶聚醚高分子(见图式 3),研究发现,随着侧链介晶基团取代度的增加,聚醚的玻璃化温度亦随之增加,当取代度达到60%时开始表现出液晶性,与其他刚性骨架的液晶聚合物相比,柔性的PECH链可以促进向列型液晶的形成。如果采用支链更长的β-氯乙基缩水甘油醚为主链(见图式 4),由于空间位阻的减小,通常可获得更高的取代度[14]。不过提高介晶基元取代度也可以通过引入柔性间隔基团来解决,更重要的是间隔基团的长度对液晶性能亦有显著影响[15](分子结构见图式 5,性能影响见表 1)。Montornes等[16]用4’-甲氧基联苯-4-羟基介晶基团对聚(ω-溴烷基-1-缩水甘油醚)进行改性,研究中发现,间隔基长度与液晶相类型之间有着重要的联系。此外,较有代表性的是Kim等[17]合成了一种具有极低表面能的半氟侧基PECH衍生物,有望在新的领域中获得应用。

    图式 3

    图式 3.  聚环氧氯丙烷为主链的侧链型液晶聚醚高分子结构
    Scheme 3.  Structure of side-chain liquid-crystalline polyoxetane based linear polyepichlorohydrin

    图式 4

    图式 4.  聚β-氯乙基缩水甘油醚为主链的侧链型液晶聚醚高分子结构
    Scheme 4.  Structure of side-chain liquid-crystalline polyoxetane based linear poly(2-chloroethyl glycidyl ether)

    图式 5

    图式 5.  带间隔基的聚醚液晶高分子合成路线
    Scheme 5.  Scheme of side-chain liquid-crystalline polyoxetane with flexible spacer

    表 1

    表 1  PECHOCn-B间隔基长度对液晶性能的影响
    Table 1.  Influence of flexible spacer in PECHOCn-B on liquid crystal properties
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    聚合物 介晶基团取代度/% Tm/℃ Tn-i/℃
    PECHOC0-B 91 87 110
    PECHOC2-B 89 76 145
    PECHOC3-B 85 71 124
    PECHOC4-B 78 86 114
    PECHOC5-B 70 62 112
    PECHOC6-B 65 66 106
    PECHOC7-B 25 54
    PECHOC8-B 15 56
    注:Tm:熔点;Tn-i:开始从向列相到各向同性转化的温度

    为取得更好的使用性能,可将环氧氯丙烷与其他环氧化物,如环氧乙烷(EO)、环氧丙烷(PO)、环氧环己烷(CHO)、四氢呋喃(THF)等进行共聚,通过共聚单体的种类和比例对PECH聚醚链性能进行调节,从而制取适用于不同场合的聚醚主链[18]。如Perez等[19]以酚钠盐为取代试剂,对PECH-PEG进行接枝,成功获取了一系列功能性聚合物。后来,Han等[20]在研究中发现了特殊结构的聚醚主链与介晶基元之间的氢键作用,从而为侧链液晶分子的制备提供了新思路,即各种液晶络合物的制备,可通过将一种功能基化的聚合物与不同的低分子量液晶基元混合来实现。受此启发,Korkmaz等[21]制备了一种以氮杂查尔酮为介晶基元的聚丙烯酸酯与羟烷氧基联苯腈的氢键复合物,该复合物热性质和介电性质良好,可用于负性光刻胶的制备,颇具应用前景。此外,侧链液晶聚醚高分子的液晶性也受使用环境的影响。张超灿等[22]将聚醚液晶与非离子表面活性剂复配后,其液晶性会消失,熔点降低,但亲水性明显增强。

    在种类众多的螯合树脂中,聚醚型螯合树脂自然亲和性好、易于设计与合成,是极具应用前景的一类,广泛用于金属离子的富集和分离,在重金属废水治理和贵重金属离子的资源回收方面具有重要价值。

    从螯合树脂研发历程来看,先期的螯合树脂多以聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸等为母体。聚醚类螯合树脂可以说是缘于对树脂母体的改进与提高而诞生的。为获得具有较好抗冲击性能的螯合树脂,徐羽梧等[23]合成了以聚醚为主链的多乙烯多胺型螯合树脂,并系统研究了其对Ag+、Hg2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+的吸附性能。结果表明,该类树脂对Hg2+的吸附容量最大,最高可达5.82mmol/g,几种离子同时共存时,对Hg2+也表现出了极高的吸附选择性。随后,王洪祚等[24]此类树脂进行了改进,将树脂中的多乙烯多胺基团用氯乙酸引入羧甲基,制得以聚醚为主链的亚胺二乙酸型螯合树脂,该树脂不易破碎,具有更好的机械强度。他们系统比较了胺化树脂及相应的胺羧化树脂在相同条件下对Cu2+的吸附容量,发现胺羧化树脂的吸附容量更大,同比可提高21.7%~58.5%,吸附饱和后的胺羧化树脂可用6mmol/L的HCl处理再生,再生后的树脂吸附容量下降小于7%,仍具有良好的使用效果。

    亲水性基团的引入,可提高树脂对水的亲合性,进而提高树脂的吸附容量。反之,如果在树脂配位原子上连接一些较大体积的芳香基团,虽然会导致亲水性和吸附容量的降低,但却可能显著提高吸附选择性。基于此思想,张超灿等[25, 26]合成了侧链含芳香基的聚醚树脂并研究了其吸附性能,发现其对Au3+具有极高的选择性。事实上,在聚醚主链上所引入的联苯及偶氮苯基团均为介晶基元,介晶基元的有序排列导致聚合物聚集态出现长程有序性,使配位基团直接处于一种有序的结构下,从而提高吸附选择性。该树脂从结构来看,已经属于侧链型液晶高分子螯合树脂的范畴。随后,业界对此类树脂的研究方兴未艾。

    对侧链液晶高分子化合物而言,侧链的结构对其外在性能有着重要的影响。故对此类化合物的改性多集中在侧链上,即通过改变间隔基、介晶基元以及末端基团的结构来实现。Hsu等[27]通过在侧链介晶基元尾部引入双手性基团,从而赋于了液晶分子铁电性能(见图式 6)。

    图式 6

    图式 6.  具有铁电性能的侧链液晶聚醚
    Scheme 6.  Ferroelectric side chain liquid crystalline polyoxetane

    Zhang等[28]设计合成了一类以PECH为主链,芳香侧基末端含吡咯配位基的液晶型螯合树脂。将液晶聚醚的长程有序性和吡咯基团的优良配位性能相结合,使其对Cu2+和Hg2+表现出了较大的吸附选择性。硫作为氧的同主族元素和氧相比,其对软酸类的金、银、钯、铂等金属离子表现出了良好的亲合性。He等[29]系统研究了聚醚型含硫侧链液晶聚合物的制备及其热力学性质,发现由于硫原子具有比氧原子更大的原子半径和可极化度,当其连接在侧链液晶聚合物的间隔基上时,还能加强液晶性的形成,消除结晶现象,当间隔基的取代度达到61%以上时,就可表现出液晶性。除侧链结构的影响之外,介晶基元的排列取向对液晶分子性质亦有影响。Fu等[30]研究了以偶氮苯为侧链介晶基元的聚丙烯酸酯,发现偶氮基元的排列取向不同,其机械性能、热性能和光学异构化性能也均不同。

    长链烷基取代的苯并菲(TP)是近年来发展起来的一类介晶基元,具有较为强烈的空间效应、去偶效应和π-π叠加效应,可对液晶分子的自组装行为具有重要影响。Chen等[31, 32]在研究中发现,当间隔基越来越短时,主链结构对液晶性能的影响逐渐增强,这一结果使人们对侧链液晶改性问题有了新的认识,即在柔性间隔基团较短时(小于3C),也可通过变换主链结构进行改性。谢敏莉等[33]设计合成了以聚乙烯亚胺(PEI)为主链、联苯基衍生物为介晶基元的侧链液晶螯合树脂,此螯合树脂对Hg2+和Pb2+有较好的吸附容量和选择性。李颖等[34, 35]利用硅氢加成反应制备了一种新型香蕉B1相聚硅氧烷侧链液晶高分子,结构如图式 7所示。香蕉型液晶又称弯曲型液晶,是近年来发展起来的一类具有特殊光电性能的液晶材料,应用前景良好。

    图式 7

    图式 7.  聚硅氧烷侧链液晶分子结构
    Scheme 7.  The structure of side-chain liquid crystalline polysiloxane

    聚醚螯合树脂由于其对金属离子有选择性吸附作用,目前被广泛用于金属离子的富集、分离、分析与回收,在废水处理和资源回收方面具有重要意义,而且,由于侧链聚醚螯合树脂种类繁多、性能各异,使其在其他领域也颇具应用价值。例如,一些聚醚树脂对过渡金属离子具有优异的络合功能,不但可用于特殊物质的分离和浓缩,还可用于化学反应催化、生化作用调节等领域[36~38]。其次,树脂在鳌合了金属离子后会使其力学、热学、光学、电磁学等性能发生改变,如已有多篇论文报道了高分子液晶与金属离子的络合,探讨了金属离子对液晶相态结构、相变温度及性能的影响[39, 40],它们中的一些可用作液晶材料、半导体材料以及耐高温材料。再次,一些具备较强氢键和π-π堆积作用的侧链液晶也可作为有机溶剂的胶凝剂,用于特殊材料的制备[41]。此外,一些含有手性基团的聚醚树脂螯合物还可用于手性氨基酸、多肽的外消旋分离,有些更可用作输氧载体等,在医药、医疗领域具有重要应用[42]

    侧链聚醚螯合树脂由于其较大的结构可塑性和优异的使用性能,引起了业界的广泛关注并取得了显著的研究进展,然而仍然有一些技术问题没能得以较好地解决。一是机械性能仍不够理想,当前所研发的聚醚都是高柔性的链状结构,分子量偏低、质软易流失,使用寿命偏短。二是部分产品毒性过高,如以冠醚为螯合基团的聚醚树脂,树脂上冠醚基团的流失,会对环境及生态造成危害;三是吸附选择性与再生性能差强人意,如硫杂冠醚树脂吸附金属离子后通常难以完全解吸,且毒性问题也没能有效解决。因此,使用寿命长、机械强度高、生态温和、离子选择性好、脱附性能佳的聚醚型螯合树脂的开发将是未来产品的发展趋势。

    首先,侧链液晶聚醚螯合树脂的分子结构设计过程中,可引入计算机模拟技术进行辅助,即通过电脑软件模拟分子结构与性能的关系,计算出优化的分子结构,从而提高分子设计的效率。其次,在目标分子的合成过程中,引入微波、超声、离子液体介质等新兴有机合成技术,使合成操作成为一个高效、节能、环保的过程。再次,在其应用方面的研究还可进一步拓展,如复杂成分废水的处理,以及应用于对物质纯度要求更高的一些尖端领域,如生物学、医学、光学等。

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  • 图 1  侧链型液晶聚醚螯合树脂结构示意图

    Figure 1  Diagram of side chain liquid crystalline polyether chelating resin

    图式 1  聚2-[4-(4-苯基苯氧基)丁基]-2-噁唑啉合成路线

    Scheme 1  Synthetic route used for preparation of poly(2-[4-(4-phenylphenoxy)butyl]-2-oxazoline

    图式 2  带双柔性连接基团的侧链液晶聚醚(POx2-C5-C6)结构

    Scheme 2  Structure of side-chain liquid-crystalline polyoxetanes with two flexible spacers

    图式 3  聚环氧氯丙烷为主链的侧链型液晶聚醚高分子结构

    Scheme 3  Structure of side-chain liquid-crystalline polyoxetane based linear polyepichlorohydrin

    图式 4  聚β-氯乙基缩水甘油醚为主链的侧链型液晶聚醚高分子结构

    Scheme 4  Structure of side-chain liquid-crystalline polyoxetane based linear poly(2-chloroethyl glycidyl ether)

    图式 5  带间隔基的聚醚液晶高分子合成路线

    Scheme 5  Scheme of side-chain liquid-crystalline polyoxetane with flexible spacer

    图式 6  具有铁电性能的侧链液晶聚醚

    Scheme 6  Ferroelectric side chain liquid crystalline polyoxetane

    图式 7  聚硅氧烷侧链液晶分子结构

    Scheme 7  The structure of side-chain liquid crystalline polysiloxane

    表 1  PECHOCn-B间隔基长度对液晶性能的影响

    Table 1.  Influence of flexible spacer in PECHOCn-B on liquid crystal properties

    聚合物 介晶基团取代度/% Tm/℃ Tn-i/℃
    PECHOC0-B 91 87 110
    PECHOC2-B 89 76 145
    PECHOC3-B 85 71 124
    PECHOC4-B 78 86 114
    PECHOC5-B 70 62 112
    PECHOC6-B 65 66 106
    PECHOC7-B 25 54
    PECHOC8-B 15 56
    注:Tm:熔点;Tn-i:开始从向列相到各向同性转化的温度
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  • 发布日期:  2018-08-18
  • 收稿日期:  2018-04-02
  • 接受日期:  2018-05-15
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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