三亲性二嵌段共聚物共混体系的自组装行为

刘 静， 丁艳玲， 刘小云， 谭 正， 庄启昕

（华东理工大学材料科学与工程学院，特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室，上海 200237）

嵌段聚合物（BCP）的自组装过程会形成丰富多样的纳米结构，是开发具备新颖性和功能性的纳米材料的重要途径之一[1-3]。目前，纳米组装体方面的研究已经从两亲性二嵌段聚合物向复杂的三亲性多嵌段聚合物发展，如线形多元共聚物、星形多元共聚物、二嵌段共混等[4-11]，由亲水段A和疏水段B、C组装的ABC型嵌段共聚物是制备多样化纳米结构的良好方案，但ABC型三嵌段共聚物的合成过程复杂且耗时，因此很多研究者通过使用二嵌段共聚物共混来得到三亲性体系。如Zhu等[12]通过将两亲性AB二嵌段和疏水性BC二嵌段共聚物进行共混，制备得到具有微相分离的蠕虫状胶束。嵌段共聚物之间通过氢键和其他相互作用力连接在一起，与微相分离程度一起决定了自组装的形貌。因此，二嵌段共混不仅能提供多种具备不同亲溶剂能力的嵌段，还可简化合成步骤，是调节聚合物形态的实用方法之一[13]。

两亲性嵌段共聚物主要依靠亲、疏水相互作用在水溶液中实现自组装，其中疏水部分是影响组装形貌的关键因素[14-16]。含氟嵌段由于其独特的疏水、疏油性质常被引入三元嵌段共聚物中[17-18]，这主要是因为氟化链能进一步促进互不相容的微区的形成，能与水溶性的电晕形成明显的差别对比。嵌段共聚物的组装形态除了受嵌段的选择的影响，还与聚合物的结构、各嵌段比例、温度、溶剂和浓度等参数相关[19-25]，但是浓度对二嵌段共混组装体的影响鲜有研究。

为了进一步探究疏水部分对嵌段共混体系自组装的影响，本文选取聚乙二醇（PEG）作为亲水段，聚苯乙烯（PS）作为疏水段，聚甲基丙烯酸八氟戊酯（POFPMA）作为超疏水亲氟段，采用原子转移自由基聚合（ATRP）和单电子转移自由基聚合（SET-LRP）这两类聚合方法分别成功合成两种两亲性二嵌段共聚物PEGx-PSy、PEGx-POFPMAz（分别简称Ex-Sy、Ex-Fz，其中x，y，z分别代表各嵌段的聚合度），并通过共混的方法构建了一系列三亲性共混体系PEGx-PSy/PEGx-POFPMAz(Ex-Sy/Ex-Fz)。通过调节两亲性嵌段共聚物中疏水部分PS和POFPMA的长度来研究嵌段聚合度对三亲性二嵌段共混体系组装形态的影响，并选取其中合适的系列进一步研究。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

聚乙二醇（PEG，相对分子量约为2 000，纯度98%），购于上海泰坦科技股份有限公司，使用前在80 ℃真空烘箱中干燥24 h；苯乙烯（St，纯度99%），购于Aladdin公司；甲基丙烯酸八氟戊酯（OFPMA，纯度99%），购于上海国药集团化学试剂有限公司，单体在聚合之前需要过碱性氧化铝柱子以除去稳定剂；四氢呋喃（THF，分析纯）和甲苯（分析纯），购于上海泰坦科技股份有限公司，使用前均在室温下用氢化钙（CaH2）干燥24 h并加入分子筛密封干燥储存；溴化铜（CuBr2，纯度99%）和溴化亚铜（CuBr，纯度99%），购于上海迈瑞尔化学技术有限公司；根据文献[26]提供的方法活化铜丝。其他化学试剂均购于上海泰坦科技股份有限公司，使用前无需进一步处理。

1.2 测试与表征

核磁共振波谱仪(德国Bruker公司，AVANCEⅢ 400 MHz型）：氘代氯仿（CDCl3）为溶剂；凝胶渗透色谱（美国Waters 公司，1515型）：线性聚苯乙烯标准物进行校准，四氢呋喃作为洗脱剂，流速为1 mL/min，温度为35 ℃；动态光散射仪（英国Malvern公司，Zeta sizer NanoZS型）：室温下获取多分散度（PDI）和平均流体动力学直径（粒径）；透射电子显微镜（日本日立公司，JEM-1400型）；扫描电子显微镜（德国蔡司公司，SEM 500型）：10～30 kV的加速电压下工作。

1.3 实验步骤

通过ATRP和SET-LRP方法分别合成二元嵌段共聚物PEG-PS和PEG-POFPMA，并将二者在水溶液中共混得到三亲性二嵌段共混体系，具体合成路线如图1所示。

图 1 PEG-PS和PEG-POFPMA的合成路线Fig. 1 Synthetic route of PEG-PS and PEG-POFPMA

1.3.1 PEG-PS的合成 根据参考文献[27]制备大分子引发剂PEG-N3(-Br)，按照以下物质的量比分别称取试剂：n (PEG-N3(-Br)):n (St): n (PMDETA) : n (CuBr)=1 : A : 1 : 1（A代表St的理论设计聚合度，PMDETA为N, N, N', N', N''-五甲基二亚乙基三胺），在Schlenk管中加入PEG-N3(-Br)，St，PMDETA和适量溶剂THF，室温下搅拌溶解，3次冷冻-抽真空-解冻循环脱气，回填氮气，在充满氮气的环境下加入CuBr，继续3次循环脱气，回填氮气，置于50 ℃的恒温油浴中反应8 h且溶剂变黏稠，用THF稀释，过氧化铝柱子，甲醇中沉淀、过滤，水中透析3 d，干燥过夜得到嵌段共聚物PEG-PS，并通过1H-NMR证明其成功合成，核磁图谱如图2(a)所示。

1.3.2 PEG-POFPMA的合成 按照n(PEG-N3(-Br)) :n (OFPMA) : n (PMDETA) : n (CuBr2)=1 : B : 0.5 :0.2（B代表POFPMA的理论设计聚合度）的物质的量之比，将PEG-N3(-Br)，OFPMA，PMDETA和适量甲苯加入Schlenk管中，溶解后进行3次冷冻-抽真空-解冻循环脱气操作，充满氮气的环境下加入12.5 cm的活化铜丝，继续3次循环脱气，回填氮气，置于90 ℃的恒温油浴中反应12 h且溶剂变黏稠。后续采用与1.3.1节中相同的处理方法，制备得到嵌段共聚物PEG-POFPMA，核磁图谱见图2(b)所示。

1.3.3 三亲性二嵌段共混体系的自组装 为研究疏水段对组装体的影响，亲水段PEG的聚合度为50，PEG50-PSy和PEG50-POFPMAz(即E50-Sy和E50-Fz)的分子量如表1所示，所有共聚物的分子量分布都较窄，且通过1H-NMR计算得到的分子量与GPC(凝胶渗透色谱)实测分子量接近，其差异基本在误差范围内，但对E50-Fz来说随着氟段增加，差值明显增大，这可能是由氟段的疏水、疏油性质引起的。

图 2 PEG-PS (上)和PEG-POFPMA (下)的1H-NMR图谱Fig. 2 1H-NMR spectra of PEG-PS (up) and PEG-POFPMA (down)

表 1 二嵌段共聚物E50-Sy和E50-Fz的分子特征数据Table 1 Molecular characteristics data of diblock copolymers E50-Sy and E50-Fz

称取质量比为1∶1的PEG-PS和PEG-POFPMA，并将其溶于THF中充分搅拌3 h，以每10 s 1滴的速度滴加去离子水，直至高分子溶液开始变半透明，此时用激光照射出现丁达尔效应，停止加水。将其转移至透析袋中透析72 h, 每隔8 h更换去离子水。透析完毕之后将高分子溶液转移至合适的容量瓶中得到一系列三亲性二嵌段共混高分子溶液。

2 结果与讨论

2.1 三亲性二嵌段共混高分子溶液的制备

自组装过程通常依靠亲疏水的相互作用、氢键和金属-配体的相互作用等非共价键形式来驱动，尤其是两亲性嵌段共聚物组装容易得到亲水电晕和疏水核心，其中疏水部分对聚合物组装成不同形态起关键作用。共聚物中包含两种甚至两种以上的疏水嵌段有利于微相分离进而产生多室胶束。本文设计的分子结构中，水是PS和POFPMA嵌段的不良溶剂，可利用两个疏水段核心来驱动聚合物的自组装，水溶性PEG段用来稳定自组装得到的纳米结构。因此固定两种嵌段共聚物中亲水段PEG的长度（聚合度），研究疏水段PS和超疏水段POFPMA的长度和比例对三亲性二嵌段共混体系PEG50-PSy/PEG50-POFPMAz(E50-Sy/E50-Fz)的组装体的影响。

表2示出了一系列共混纳米组装体的粒径（Dh）及其分布（PDI）的动态光散射测量数据，其中溶剂为水，被测样品的质量浓度均为0.1 mg/mL。部分组装体系在水中尺寸较大，主要是因为组装得到的类似条状胶束或条状胶束与小尺寸球形胶束混合体使得粒径分布较宽，但可以看到大部分体系在水中都形成尺寸较小且分布较窄的纳米颗粒。

表 2 E50-Sy/E50-Fz共混自组装体的粒径、分散度以及质量分数Table 2 Size, dispersion and mass fraction of E50-Sy/E50-Fz blend self-assembly

2.2 不同疏水长度下共混体系的自组装

为了研究疏水段PS和超疏水段POFPMA的长度对共混体系自组装体的影响，首先固定二嵌段PEG-PS的聚合度，研究PS聚合度较低（50）时POFPMA长度对该系列共混物在水溶液中的组装形态的影响。E50-S35/E50-Fz共混物在水溶液中自组装体的TEM和SEM形貌分别如图3和图4所示。

随着E50-Fz中POFPMA聚合度的增加，共混物组装体的形貌大致从球形胶束向蠕虫状转变，直至观察到短条状。当POFPMA聚合度较低时，E50-S35/E50-F7在水溶液中形成直径约为200 nm的球形胶束（图3（a）），这与表2中DLS测得的E50-S35/E50-F7粒径基本一致。图3（a）中可观察到POFPMA段形成的黑色区域和PS段形成的灰色区域，亲水的PEG嵌段很难在TEM图中捕捉到，POFPMA在水溶液中的疏水能力明显强于PS段，因此疏水的PS灰色区域包覆超疏水的POFPMA黑色区域并共同构成球形胶束的疏水核心。当POFPMA聚合度由7增加至13时，E50-S35/E50-F13共混物仍组装成球形胶束（图3（b）），但由原来的松散构象发展为紧凑的球形胶束，由该形貌的SEM图（图4（a））可知直径约为50 nm。随着POFPMA长度的继续增加，E50-S35/E50-F35体系组装形貌发生较大变化，得到缠结较为密集的蠕虫状胶束（图3（c）），胶束的直径为50～100 nm，与图3（b）中球形胶束的直径相近。该形貌的形成主要归因于POFPMA的明显增加使得成核链段所占比例越来越大，亲水电晕PEG的比例不足以稳定比表面积较大的球形胶束，于是球形胶束逐渐连接得到蠕虫状胶束。当POFPMA的聚合度增加至72时，E50-S35/E50-F72共混物体系仍组装为蠕虫胶束（图3（d）），但更为分散。当POFPMA聚合度继续增加时，E50-S35/E50-F110共混体系进一步组装成纺锤状胶束（图3（e）），长度在1 μm左右，宽度约为200 nm，其SEM图见图4（b），这可能是由于POFPMA质量分数达到0.81，而氟化部分具有结晶性，POFPMA含量较大的结晶区中的分子链发生倾斜滑移，晶片被拉伸并沿着外力方向取向。

图 3 E50-S35/E50-Fz共混自组装体的TEM图Fig. 3 TEM images of E50-S35/E50-Fz blend self-assembly

当PS段聚合度为70时，POFPMA对三亲性嵌段共混组装体TEM和SEM形貌的影响分别如图5、图6所示。与E50-S35/E50-Fz共混物体系类似，当POFPMA含量较低时，亲水段PEG有足够的长度以确保满足较低的填充参数，共混体系通常形成直径约为250 nm的球形胶束（图5（a）和图6（a）），其中PEG段形成电晕包封疏水段PS和超疏水段POFPMA链段，并可观察到部分球形胶束之间有连接。在E50-S70/E50-F13共混物中直接观察到多个球形胶束连接成长条状胶束（图5（b）和图6（b）），这是共混物沿着某个方向有组织地堆叠产生的结果。值得注意的是，构成该胶束的球状单元内部有明显的黑色核，表明PEG-PS构筑成球形胶束疏水外壳，使得较多的氟化链在球内部聚集，通过在球外壳的内侧分散以扩大占有面积，得到图5（c）中的组装体。

图 4 (a) E50-S35/E50-F13和(b) E50-S35/E50-F110 共混自组装体的SEM图Fig. 4 SEM images of blend self-assembly of (a) E50-S35/ E50-F13 and (b) E50-S35/ E50-F110

当POFPMA的聚合度增加至72（图5（d））和110（图5（e））时，组装体形态已从条状胶束转变成树枝状胶束，图6(c)中的SEM图进一步证实了这一点。总之，随着POFPMA聚合物的增加，E50-S70/E50-Fz共混组装体先形成球形胶束，然后球形胶束发生连接得到长条状胶束，最后得到树枝状胶束。

图 5 E50-S70/E50-Fz共混自组装体的TEM图Fig. 5 TEM images of E50-S70/E50-Fz blend self-assembly

继续增加PS段至110，E50-S110/E50-Fz组装体的TEM见图7。E50-S110/E50-F7体系形成球形胶束（图7（a）），而图7(b)中由E50-S110/E50-F13共混物组装得到的直径约为250 nm的有核球形胶束与E50-S70/E50-F13共混物的长条状组装体的构成单元类似。结合表2中各嵌段的质量分数，可总结出当w(PEG)∶w(PS)∶w(POFPMA)≈ 1∶2∶1时，体系倾向于形成有核的球形胶束。图7（c）中观察到长度约为150 nm，宽度约为50 nm的纺锤状胶束，这与E50-S35/E50-F110共混物在水中发生取向的组装体形貌相近，其形成原因同前文所述。结合表2发现这两种形貌的亲水与疏水比例均约为1∶9。随着POFPMA聚合度继续增加，组装体形貌明显出现向囊泡转变的趋势。图7(d)中E50-S110/E50-F72共混组装体的囊泡尺寸分布较宽；图7(e)中共混组装体为尺寸均一的囊泡，这与DLS测试得到的粒径分布数据一致，表明当疏水部分远大于亲水部分时，体系倾向于组装形成囊泡。

继续增加PS段长度，当PS聚合度为136时，一系列E50-S136/E50-Fz共混组装体的TEM和SEM图分别如图8和图9所示。可以看出无论POFPMA长度如何，该系列组装形貌均为球形。图8（a）中的球形胶束发生局部凹陷得到图8(b)中的E50-S136/E50-F13共混组装体，该转变的原因类似于E50-S35/E50-Fy体系中POFPMA聚合度从7增加到13。从图9（a）和9（b）中的SEM图明显可以观察到组装体构象紧凑，表面由凹凸不平转变为光滑。

图 6 E50-S70/E50-Fz共混自组装体的SEM图Fig. 6 SEM images of E50-S70/E50-Fz blend self-assembly

图 7 E50-S110/E50-Fz共混自组装体的TEM图Fig. 7 TEM images of E50-S110/E50-Fz blend self-assembly

图8（c）～8（e）中3种共混物均组装成多孔纳米球，这与Zhang等[6]的发现是类似的：三臂嵌段聚合物(P4VP-b-PS)3的组装形貌随着PS的增加最后出现多孔纳米球，这可能是由于体系中亲水段连接两种疏水能力不同的疏溶剂段，PS和POFPMA的长度增加使得其与溶剂水之间的排斥力也逐渐增大，并因此增加PEG-PS和PEG-POFPMA中PEG链段之间的空间排斥，从而出现小孔形貌。结合图9（c）中E50-S136/E50-F72的SEM图可见表面上的小孔是穿透整个球，所以才能在图8（c）～8（e）中观察到呈长条状的小孔，这是TEM的透射原理造成的。

由于疏水部分是影响组装形貌的最重要因素，因此结合上述结果，利用表2中各个嵌段的质量分数（w(PEG)，w(PS)）绘制了二元相图（图10），该相图反映了共混体系中组分比例与其组装形态之间的相关性。由于实验目的主要是为了研究疏水段对组装形貌的影响，亲水段PEG的聚合度均固定在50，因此相图主要区间是[0＜w(PEG)＜0.5，0＜w(PS)＜0.8]，图10数据中已将不同组装形貌用不同图例进行标识，根据这些形态相图被分为4个区域。橘色区域是球形胶束的聚集区，该区域中PEG和PS的质量分数都比较高，w（POFPMA）较小，超疏水氟段的比例太低，难以和疏水段PS形成显著的微相分离，组装体的形成主要依靠亲水段PEG和疏水段PS之间的亲疏水相互作用，因此该区间主要形成的是球形胶束。其他较特殊的形貌主要聚集在区间[0＜w(PEG)＜0.3，0＜w(PS)＜0.5]内，紫色区域主要是形成条状胶束，而黄色区域和蓝色区域分别是树枝状胶束和特殊球状组装体的聚集区。在区间[0.15＜w(PEG)＜0.3，0＜w(PS)＜0.5]内，整个区域均倾向于组装成条状胶束；而区间[0＜w(PEG)＜0.15，0＜w(PS)＜0.5]内具有丰富的自组装形态，从图中的色块可以看出：共混物的组装形貌随着PS的长度的增加从条状胶束向树枝状胶束、囊泡形和多孔球形转变，PS的继续增大最终会导致球形胶束的形成。因此可以总结出亲水段PEG和疏水段PS的质量分数较低时，具体表现在区间[0＜w（PEG）＜0.3，0＜w(PS)＜0.5]内，3种具有不同亲溶剂能力的嵌段才能更好地发挥其作用，进而组装得到丰富的纳米结构。

图 8 E50-S136/E50-Fz共混组装体的TEM图Fig. 8 TEM images of E50-S136/E50-Fz blend self-assembly

图 9 E50-S136/E50-Fz共混自组装体的SEM图Fig. 9 SEM images of E50-S136/E50-Fz blend self-assembly

图 10 E50-Sy/E50-Fz共混自组装体的二元相图Fig. 10 Binary phase diagram of blend self-assembly of E50-Sy/E50-Fz

2.3 不同浓度下三亲性二嵌段共混体系的自组装

嵌段共聚物在溶剂中组装得到的多样化形态在许多领域都具有潜在应用。在溶剂中进行的自组装通常可以通过控制聚合后的条件（如不同溶剂或混合溶剂、pH、温度、聚合物浓度等）来实现控制组装形貌的目的，其中有关浓度对嵌段聚合物的组装形态的研究较少，尤其是针对嵌段共聚物共混体系的研究更是寥寥无几。以2.2节中的研究结果为参考，考察E50-S110/E50-Fz在不同质量浓度下的组装形貌，结果如表3所示，可知该系列纳米组装体的粒径及分布较为均一。

表 3 E50-S110/E50-Fz在不同质量浓度下的粒径、分散度Table 3 Size and dispersion of E50-S110/E50-Fz at different mass concentrations

图11示出了E50-S110/E50-Fz分别在质量浓度0.10、0.08、0.06、0.04、0.02 mg/mL下的自组装形貌，从图中可以得知：与调整嵌段比例相比，该共混体系在水溶液中的组装形貌随质量浓度的变化不是特别明显，整体形貌主要是球状，没有观察到蠕虫状胶束，仅在E50-S110/E50-F35中出现长度约为200 nm的纺锤结构，且组装的形貌基本可通过调节嵌段聚合度来实现。但值得注意的是当氟链的占比较高且质量浓度为0.06或0.08 mg/mL时（图11（b2）、（b3）、（c5）、（d2）、（d3）），均观察到之前未发现的线团状结构，图11（c4）是E50-S110/E50-F35在质量浓度0.04 mg/mL的条件下组装得到的不规则的多孔结构，随着质量浓度降低到0.02 mg/mL，体系为结构较为松散的线团状图11（c5）。由此可以猜测多孔球倾向形成线团状结构。随着质量浓度的升高，E50-S110/E50-F72共混体系组装分别得到多孔球形、线团结构和囊泡状。图11（d2）和11（d3）中是囊泡和线团两种结构的共混体，其中囊泡臂厚约为20 nm，这与构成线团结构的线的尺寸是一样的，因此可以推测出囊泡是由线团结构进一步融合得到。

图12所示为结合表2和图11结果绘制得到的E50-S110/E50-Fz二元相图（其中w(PS+POFPMA)是表2中w(PS)和w(POFPMA)之和），研究具有不同疏水比例的嵌段组装体在不同质量浓度下的变化，主要适用于疏水段所占比例较高的情况。图中深橘色区域主要是多孔球的形成区域，主要在质量浓度低于0.05 mg/mL的条件下组装得到，在这个浓度区间形貌基本不受亲疏水比例的影响；而浅橘色是其他组装形貌的形成区，组装体的形成受多种因素控制，在高质量浓度下，质量浓度对组装体的影响较小。因此，从相图中的两个色块得出质量浓度对该嵌段共混体系组装体的整体影响较小，尤其是当质量浓度较高时，溶液中共聚物含量也较高，组装结构主要受各嵌段与嵌段和溶剂之间的相互作用的影响；但当质量浓度足够低时，质量浓度对组装体的构建有一定的作用。虽然图12示出的结果是由E50-S110/E50-Fz体系得到的，但对其他体系也会有一定的参考价值。

图 11 E50-S110/E50-Fz在不同质量浓度下自组装体的TEM图Fig. 11 TEM images of E50-S110/E50-Fz blend self-assembly at different mass concentrations

图 12 E50-S110/E50-Fz组装体不同质量浓度下的二元相图Fig. 12 Binary phase diagram of E50-S110/E50-Fz assemblies at different mass concentrations

3 结 论

（1）采用ATRP和SET-LRP两种聚合方法成功制备两种两亲性嵌段共聚物PEG-PS和PEGPOFPMA，并以此构建了一系列三亲性二嵌段共聚物共混体系PEG-PS/PEG-POFPMA，通过DLS测定共混高分子组装体的粒径及其分布，结合TEM和SEM研究疏水段PS和超疏水段POFPMA对共混组装体的影响。

（2）不同比例的疏水嵌段对三亲性二嵌段共聚物共混体系的组装形貌产生重要的影响。当疏水段和亲水段所占比例较高时，共混物倾向形成球形胶束；反之氟化链能更好地发挥其超疏水作用并促进组装体的形貌变化，得到囊泡状、多孔纳米球形、纺锤状、树枝状和长条状结构等。

（3）与嵌段比例相比，质量浓度对共混组装体的影响较小，质量浓度低时较易通过浓度控制组装体形态。由此总结得到的相图可用于指导聚合之前靶向预定合适的纳米组装体。