在辉光放电中八氟环丁烷聚合的研究

I 理论部分：对未知结构聚合物的ESCA谱进行表征，一是利用已知结构小分子化合物的ESCA谱中结合能值进行标定，二是运用电荷电位模型经量子化学计算对谱峰进行归属。由于所处化学环境不同，用小分子化合物的ESCA谱峰位对象合物标定不够准确，量子化学计算又太复杂。本工作提出了电负性经验公式，可计算ESCA谱中C_(1S)结合能位移值，与实测值作对照即可判断聚合物结构，方法简便，准确可靠。电负性经验公式表达如下：聚合物分子链上某碳原子1S电子结合能位移ΔEc可看作该碳原子与相邻基团间电负性差值和的函数，即ΔEc = K_c ∑ from i=1 to 4 1/(n_i) (X_i - 2.5) + b。聚合物分子链上各碳原子的实际电负性为X_c = (∑ form j=1 to 4 1/(n_j) X_j/∑ form j=1 to 4 1/(n_j) + 2.5)/2运用电负性经验公式计算了九个模型化合物中C_(1S)的ΔEc，推导出F作为α、β、γ位碳上的取代基的对α位碳上1s电子结合能位移影响产生的效应值，即，对于ΔEc = aα + bβ + cγ，有α = 3.018 (±0.007)，β = 0.2513 (±0.0007) γ = 0.0176 (±0.003)。此结果与ESCA谱实测值相符。本工作设计了十六种化合物模型，模型中具有含氟等离子体聚合物中可能存在的大部分基团，通过电负性经验公式计算求得化学环境不同的C_(1S)结合能位移值，把ESCA谱的实测值和计算值进行对照，可对象合物的求知结构作出大致判断。II 在辉光放电中八氟环丁烷的聚合与刻蚀反应：在碳氧化合物的辉光放电中同时存在聚合与刻蚀两种相反的过程，聚合与刻蚀竞争的结果对聚合速率，产物结构都有很大影响。本工作通过测定聚合速率、IR谱、ESCA谱研究了反应条件对八氟环丁烷等离子体聚合与刻蚀的影响，得到了一致的和半定量的结果。实验证实，随着功率的增大或压力的减小，刻蚀有增强的趋势，不同的等离子气体对聚合与刻蚀的竞争过程有不同的影响，刻蚀强弱的顺序为Ar>N_2>H_2>He，增加等离子气体对单体的比率，引起刻蚀增加。聚合速率不随功率的改变而变化的状态是由聚合与刻蚀间的平衡引起的。随着功率增大或压力减少，聚合产物支化程度增加，线性程度减小，F/C比相应减小。同样随等离子气体种类不同，聚合物支化程度大小的顺序是Ar>N_2>H_2>He，F/C比相应变化。总之，聚合产物支化程度的变化和聚合与刻蚀的竞争结果相一致。对等离子体聚合与刻蚀竞争过程的定量描述未见文献报导。III 八氟环丁烷等离子体聚合物的结构和表征：用IR和ESR谱测得OFCB等离子体聚合物中存在五种元素：C、F、O、N、Si，并对可能存在于结构中的基因作了分析。通过NaHSO_3的亲核双键加成反应，用IR和ESR谱证实了等离子体聚合物中存在的双键及其类型。类似工作未见文献报导。用CuSO_4·5H_2作标样，测出PPOFCB中的自由基浓度为10~(19)自旋数/克。在80、100、120、140 ℃考察PPOFCB中俘获自由基的衰减过程，证实此过程涉及两类不同的反应，一是自由基的复合反应，二是自由基的氧气的终止反应。对上述两类反应进行动力学处理，求出了自由基复合反应在不同温度时的速度常数，并得到反应治化能为374焦耳/摩尔或8.869千卡/摩尔。氧和自由基的终止反应中，氧气的扩散过程是决定反应速度的步骤，反应速度常数就是扩散速度常数，K = 5.3 * 10~(-23)自旋数~(-1)、克分~(-1)。根据VPO测出的PPOFCB的分子量和自由基浓度，算出每4.5个分子中有一个自由基。类似工作未见文献报导。PPOFCB的分子量随反应条件不同而变化，用VPO测出，在80W和40W功率，在Ar存在下制备的OFCB等离子体聚合物的分子量分别为2736和2003。用~(19)F-NMR谱对PPOFCB中的基团进行定量计算，得出在一个90W，He气中制备的聚合物分子中，CF_3-CF_2为6.1，CF_2为13.5，CF_3-CF为7.9，CF为17.5，CF_3-C为6.1，C为13.5。在用上述方法进行结构表征的基础上，提出了OFCB等离子体聚合物的结构模型。IV 八氟环丁烷等离子体聚合的反应历程：以Ar、N_2、H_2、He为等离子气体，分别对OFCB等离子体聚合的气体冷凝物进行GC-Mg、~(19)F-NMR和ESR测试，观察到在气相中，OFCB经历了等离子态反应。单体被打断的程度，和高能电子浓度有关。体系中电子浓度依赖于气体的第一电离势和气相内的化学反应类型。初级粒子二氟卡宾：CF_2和中间体六氟丙烯是气相中的主要产物。~(19)F-NMR证实气相中存在支化产物，表明聚合物在气相中发生了重排。ESR谱测得，在气相产物中存在高浓度的由二种以上组分混合而成的自由基，自由基间的复合反应是生成聚合物的主要增长过程，气相产物的分子量随放电功率的升高而增大。根据聚合物中存在的高含量CF_3基团，分析了CF_3基团对聚合过程的影响。CF_3基团产生了屏蔽效应，它既保护了聚合物不致被降解，也限制了生成高分子量产物。实验证实，CF_3基团的生长来自F的重排，同时未自支化气相产物的非均相增长。OFCB等离子体聚合物中俘获自由基主要是由高能电子轰击聚合物表面产生的，同时来自被固相吸附的带有自由基的气相产物。在碳氟化合物的等离子体聚合中，吸附是和聚合同样重要的过程，气相产物被吸附后，可继续再引发、增长、刻蚀等反应过程、直到成为固相内层分子为止。ESR谱证实，高能粒子的轰击在辉光放电中起主导作用，紫外辐射对含氟聚合物引发和脱氟作用微弱。在气相和表面反应历程讨论的基础上，提出了OFCB等离子体聚合的反应历程模型，解释了碳氢和碳氟两个等离子体象合体系遵循不同反应历程的原因。本部分工作的实验和反应历程解释基本未见文献报导。