基于仿生多巴胺化学与表面引发光诱导活性自由基聚合制备新型冠醚功能化玻璃纤维/聚合物复合材料及对锂同位素分离研究

Lithium isotopes, i.e., lithium-6 and lithium 7, play an essential role in nuclear fusion reactions. High efficient lithium isotope separation is of great significance for advanced national nuclear energy technology. Compared to other methods, extraction chromatography based on the specific coordination bonding between crown ether and lithium holds a lot of attraction for practical applications. However, current crown ether decorated adsorbents exists some drawbacks, including low adsorption capacity, relatively small separation factor. In this study, photo induced electron transfer-atom transfer radical polymerization (PET ATRP) integrated with bio-inspired polydopamine chemistry will be used, for the first time, to prepare macrocyclic crown ether-functionalized glass fiber and polymer composite and its behavior for lithium isotope separation will be investigated. It is dedicated to establish and further optimize the fabrication technology for polydopamine modified glass fiber and polymer composite through surface initiated PET ATRP. Moreover, the effect of polymer molecular weight, polydispersity, polymer architecture and crown ether grafting content onto lithium isotope separation will be discussed. A novel kind of method for synthesis of functional glass fiber and polymer composite is expected to be put forward. Besides, the scientific support for the relationship between polymer conformation, functionality and lithium isotope separation will be provided.

锂同位素Li-6和Li-7在核聚变中起着重要作用，实现锂同位素的有效分离对于我国发展先进核能技术具有深远战略意义。基于冠醚类化合物对锂的特定络合作用构建的萃取色谱分离方法具有良好的应用前景，但是现有冠醚修饰的吸附材料大多存在吸附容量偏低、分离系数较小等缺陷。本项目拟将仿生多巴胺化学与光诱导电子转移的原子转移自由基聚合（PET ATRP）技术结合，首次应用于大环冠醚功能化玻璃纤维/聚合物复合材料的制备并研究其对锂同位素的吸附分离行为。研究将建立并优化基于多巴胺化学改性玻璃纤维并辅助表面引发PET ATRP制备功能性玻璃纤维复合材料的方法，探讨聚合物分子量及分布、链段构象、冠醚接枝量等因素对锂同位素吸附分离行为的影响规律。本项目预期将为功能性玻璃纤维/聚合物复合材料的制备提供新方法，并为玻璃纤维表面聚合物与冠醚官能化程度及锂同位素吸附分离“构效关系”提供科学支持。

锂同位素Li-6和Li-7在核聚变中起到重要作用，实现锂同位素的有效分离对于我国发展先进核能技术具有深远战略意义。基于冠醚类化合物对锂的特定络合作用构建的萃取色谱分离方法具有良好的应用前景。本项目采用仿生多巴胺化学和表面引发的原子转移活性自由基聚合（SI-ATRP），以玻璃纤维为基体，制备冠醚功能化固相萃取材料。首先通过多巴胺的自聚合反应，进行多巴胺对玻璃纤维的改性，通过聚多巴胺层的酚羟基或氨基实现玻璃纤维表面ATRP聚合引发剂的锚定；其次，基于原子转移自由基聚合（ATRP）实现多巴胺改性玻璃纤维表面聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（PGMA）大分子刷的可控生长，PGMA分子量分布Ð≤1.45，制得玻璃纤维/PGMA复合材料。采用“稀释策略”及合适的引发剂与催化剂摩尔比有利于聚合物层大分子的分子量分布及拓扑结构的有效调控；最后，通过PGMA链段中大量环氧基团的开环反应，实现冠醚配体的接枝，制备冠醚功能化玻璃纤维/PGMA复合材料，冠醚的接枝量为4.83 wt%。冠醚功能化玻璃纤维/PGMA复合材料对Li(I)具有较好的吸附选择性，Li(I)吸附量最高为7.3 mg•g-1，最大分离系数ɑ=1.037±0.002，较小介电常数的溶剂和较软的锂盐阴离子有利于提高材料对Li(I)的吸附容量。. 为进一步实现玻璃纤维表面聚合物生长的“时空”调控，构建半导体量子点CdS QDs催化的可见光PET RAFT聚合体系，以半导体量子点做催化剂，实现多种单体在LED蓝光（λmax=465 nm）的可控聚合，聚合过程中分子量可控且具有较窄地分子量分布，聚合物链末端保留活性可以实现嵌段聚合物的合成，聚合过程能够实现“光开关”控制。为表面引发光诱导活性自由基聚合（PET ATRP）制备冠醚功能化玻璃纤维提供科学依据。