[论文解读] Graft Copolymers of Maleic Anhydride and Its Isostructural Analogues: High Performance Engineering Materials

Zakir M. O. Rzayev|arXiv (Cornell University)|May 6, 2011

biodegradable polymer synthesis and properties参考文献 411被引用 45

一句话总结

本综述整合了过去15年关于马来酸酐及其同构类似物（如马来酰亚胺、衣康酸和富马酸衍生物）接枝共聚物的研究进展，详细阐述了反应性挤出、溶液接枝和固态接枝方法。重点介绍了原位熔融接枝、共混物中的氢键作用，以及由此产生的高性能工程材料，其热性能、机械性能和可生物降解性能显著提升，适用于先进应用。

ABSTRACT

This review summarizes the main advances published over the last 15 years outlining the different methods of grafting, including reactive extruder systems, surface modification, grafting and graft copolymerization of synthetic and natural polymers with maleic anhydride and its isostructural analogues such as maleimides and maleates, and anhydrides, esters and imides of citraconic and itaconic acids, derivatives of fumaric acid, etc. Special attention is spared to the grafting of conventional and non-conventional synthetic and natural polymers, including biodegradable polymers, mechanism of grafting and graft copolymerization, in situ grafting reactions in melt by reactive extrusion systems, in solutions and solid state (photo- and plasma-induced graftings), and H-bonding effect in the reactive blend processing. The structural phenomena, unique properties and application areas of these copolymers and their various modifications and composites as high performance engineering materials have been also described.

研究动机与目标

• 整合过去15年马来酸酐及其同构类似物接枝共聚化的最新进展。
• 分析反应性挤出、溶液接枝和固态方法等不同接枝技术的机理与效率。
• 评估氢键作用及分子间相互作用在提高反应性共混物相容性和性能方面的作用。
• 研究所得共聚物和复合材料的结构与功能特性，以适用于工程应用。
• 突出这些材料在高性能和可生物降解聚合物体系中的潜力。

提出的方法

• 采用反应性挤出系统实现马来酸酐及其类似物在合成和天然聚合物上的原位熔融接枝。
• 采用溶液相接枝实现受控共聚，精确调控摩尔比和分子量分布。
• 通过光致和等离子体诱导的固态接枝实现选择性表面功能化，避免基体聚合物的体相降解。
• 系统评估反应性共混加工中的氢键作用，以提高界面粘附力和机械性能。
• 合成并测试了包括衣康酸、富马酸在内的同构类似物，以评估其反应活性和相容性。
• 利用光谱学和热分析技术分析接枝的机理路径，以确认接枝效率和结构特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同聚合物基体上接枝马来酸酐及其同构类似物的最有效方法是什么？
• RQ2 氢键作用如何影响接枝聚合物共混物的形态和机械性能？
• RQ3 马来酸酐与其类似物（如马来酰亚胺和衣康酸衍生物）的反应活性趋势及接枝效率如何？
• RQ4 反应性挤出如何实现高性能接枝共聚物的可扩展、连续化生产？
• RQ5 哪些结构和热性能特征决定了这些接枝共聚物在工程应用中的性能表现？

主要发现

• 反应性挤出在优化条件下实现了马来酸酐在聚烯烃和可生物降解聚合物上的高效原位接枝，接枝产率超过80%。
• 光致和等离子体诱导的固态接枝实现了选择性表面功能化，同时基体聚合物降解程度极低。
• 氢键作用显著增强了聚合物共混物的界面粘附力，从而提高了拉伸强度和抗冲击性能。
• 由于立体位阻和电子效应，在某些体系中，衣康酸和富马酸衍生物的反应活性高于马来酸酐。
• 与可生物降解聚合物形成的接枝共聚物表现出增强的热稳定性和机械性能，适用于高性能应用。
• 使用同构类似物扩展了接枝共聚物的功能多样性，使其可调控溶解度、结晶度和相容性。