微反應器內連續制備拓撲結構聚合物的研究進展

向亮，鐘子豪，蘇遠海

（上海交通大學化學化工學院化工系，教育部變革性分子前沿科學中心，上海 200240）

引 言

近年來，對聚合物的合成研究逐漸由傳統高分子轉變為拓撲結構聚合物的功能化定制。拓撲結構聚合物的制備過程既依賴于各種聚合技術的發展，即以（活性）自由基聚合、離子聚合、開環易位聚合等方法幾乎能夠定制任何可以想象的鏈結構，又借助于反應器操作工藝的完善，即通過模塊化組合反應器的進料、反應、純化、分離等多種工序，實現由單體到功能聚合物產品的規?；a。微反應器作為一種重要的過程強化設備，能夠實現可控的多相微尺度流動，強化聚合反應中的混合、傳質和傳熱過程。相比于間歇操作，以微反應技術為代表的連續操作工藝在聚合物的分子量分布、分子結構和宏觀形貌調控及聚合物生產效率等方面展現出優勢。但微反應技術目前集中于對線形結構聚合物的定制，而對復雜拓撲結構的聚合物的設計及合成則報道較少，這有待相關研究者深入擴展。本文介紹了拓撲結構聚合物的結構性能、合成方法及微反應技術的理論基礎背景，概括了微反應技術在聚合物的合成應用領域的優勢，重點介紹了當前連續合成支鏈型和環狀等復雜拓撲結構聚合物的研究進展，并展望了設計連續聚合過程中的混合傳遞、動力學模型結合、自動化控制及放大生產等未來主要研究方向，為微反應器制備拓撲結構聚合物的過程調控及產品性能優化提供重要的借鑒。

1 聚合物的拓撲結構

聚合物具有豐富的多層次結構且緊密相關，其中分子結構（即鏈結構）和分子的聚集態結構是決定其性能的最主要層次。小分子單體在聚合過程中被連接成特定鏈結構的大分子聚合物，形成原生聚集狀態，可通過“信號”植入賦予高分子之間特定的相互作用力，進而在加工過程的外場作用下表現出所需的特定聚集態結構[1]。因此，對鏈結構進行有效設計及精密制造是提升高分子材料性能及附加值的關鍵[2]。近年來，對聚合物的合成研究逐漸由傳統高分子轉變為拓撲結構聚合物的功能化定制。這其中，含復雜拓撲鏈結構的聚合物的發展極大地豐富了高分子材料的種類與性能，比如含支鏈構型的聚合物具有獨特的黏彈性，相比于同分子量的線形聚合物會表現出不同的溶液性能和熱性能等。如何結合相關的聚合方法和反應器操作工藝實現對拓撲結構高分子精準、便利的合成，已成為高分子化工領域工作者的關注熱點。

1.1 聚合物的鏈結構

如表1 所示，聚合物的鏈結構可分為緊密相關的三個層次。一級結構為官能團結構，即通過引入含官能團側基的單體對主鏈骨架功能化，或使用含特殊官能團的引發劑、控制劑等對主鏈末端功能化，繼而改變高分子材料的極性、溶解性、親憎水性和生物相容性等本征特性。二級結構為序列結構或組成分布，即共聚物鏈上不同單體的排列順序或所占分率，共聚物可按此分為四大類：無規、交替、嵌段、梯度。單體的共聚增加了聚合物的種類，拓寬了高分子材料的應用范圍，而具有相同單體組成但含不同序列結構的聚合物會呈現出不同的性能。三級結構為拓撲結構，即聚合物鏈在空間的排布情況。除了最為常見的線形結構，拓撲結構還包括支鏈型、環狀和多環形結構等。

表1 聚合物鏈結構分類［3］Table 1 Categories of polymer chain architectures［3］

拓撲結構是鏈結構的重要一環，并顯著影響聚合物的相關性能。聚合物按拓撲結構主要分為線形、支鏈型和體型結構三大類。支鏈型聚合物含有連接到線形主鏈上的側鏈，且側鏈之間未通過化學鍵連接。體型聚合物的鏈段之間則通過化學鍵相互連接，進而形成具有三維網絡的一個整體。不過，支鏈型和體型聚合物都可視為由線形基鏈貫穿于若干個支化點并按照一定的空間排布方式相互連結而形成的拓撲結構，前者還被細分為超支化、星形、接枝/梳狀等[4]。當每條基鏈的一端可自由地連接到另一條鏈上且后者鏈上的單體單元具有同等被選擇概率時，形成無規支化聚合物；當多條基鏈的一端與共同的核連接時，會形成星形聚合物；當每條基鏈的端基單元通過共價鍵相互連接而形成一條主鏈，這對應接枝/梳狀聚合物；當超支化聚合物中每條線形基鏈上被平均分配至少一個支化點時，體系出現網絡凝膠，這對應交聯聚合物；當線性基鏈的首尾兩端連接在一起時，這將形成環狀聚合物。

1.2 拓撲結構聚合物的制備方法

各種新穎高效合成方法的涌現，使得聚合物拓撲結構的設計定制更為便捷，這極大地豐富了相關高性能高分子材料的品種。文獻報道及生產實踐中最常見的是線性聚合物，其可以通過多種聚合技術包括自由基聚合（FRP）、離子聚合、配位聚合及開環聚合等制備，在此不做贅述。本文中主要介紹支鏈型和環狀的拓撲結構聚合物的制備方法。

1.2.1 支鏈型聚合物的制備方法 早期合成支鏈型聚合物常以ABx型[5]或A2+B3型[6]單體進行縮聚，主要用于超支化聚酯和聚氨酯的制備。但該合成路線要求單體含醇、異氰酸酯等功能基團，或者體系中含有特定的催化劑，此外存在縮聚動力學的平衡問題，這會降低反應速率，且單體轉化率不高，產物易降解。后續出現以單烯和二烯的自由基共聚制備支化聚合物的方法。但共聚過程中，隨著二烯參與交聯反應程度的提高，聚合物從可溶的支化結構（溶膠）向不溶的交聯結構（凝膠）轉變。由于FRP過程中聚合物鏈是瞬間形成的，期間混雜交聯反應的同時還伴隨不可忽略的環化反應，這將使實際的凝膠點數值嚴重偏離理論預測值[7]。

1995 年Fréchet 等[8]提出的自縮合乙烯基聚合（SCVP）技術使支鏈型聚合物的合成研究取得重大突破。SCVP 基于自引發單體AB*，包含乙烯基A 和側基B*, 其中B*能夠引發聚合或轉化成具有再引發能力的基團。AB*既作為引發劑又相當于聚合單元，通過彼此間的交替引發增長可進行支化均聚。不過SCVP 體系的自引發單體往往不能直接商業獲取，而需在反應前進行煩瑣的合成。

Sherrington 等[9-10]提出了一種新穎的Strathclyde合成方法。他們在FRP 過程中加入大量的硫醇作為鏈轉移劑，通過增強鏈轉移反應以降低線形基鏈的分子量，從而抑制聚合物鏈分子間的過度交聯，避免形成凝膠。該方法通過單乙烯基單體與低含量的多乙烯基單體共聚得到長鏈支化聚合物，適用于一系列商業化的乙烯基單體，包括苯乙烯（St）[11-12]、甲基丙烯酸甲酯（MMA）[9,13]、乙酸乙烯酯[14]等。不過由于體系中引入大量鏈轉移劑，聚合產物的分子量分布往往較寬。

20 世紀90 年代興起的可逆失活自由基聚合（RDRP）技術，為支鏈型聚合物的制備和復雜結構的精確控制提供了新的技術依托。目前應用最廣的RDRP 技術主要有三種：氮氧穩定自由基聚合（NMP）、原子轉移自由基聚合（ATRP）和可逆加成斷裂鏈轉移自由基聚合（RAFT）。RDRP 體系中通過加入一種鈍化鏈增長自由基的化合物，建立活性種與休眠種的可逆平衡，顯著降低體系內自由基濃度，進而減緩鏈增長速率，同時抑制自由基的雙基終止。將RDRP 技術用于單烯與二烯的共聚體系時，較低的自由基濃度使聚合物鏈具有充足的舒展和擴散時間，因此由二烯提供的懸掛雙鍵能與其他增長鏈自由基充分地接觸，這有利于生成均勻的支化/交聯結構，減少微凝膠的形成[15]。

聯用RAFT 與SCVP 技術，即將單烯與二烯、RAFT 試劑一鍋法共聚或將含有RAFT 官能團的單烯單體進行均聚，可制得超支化聚合物。Wang 等[16]采用半連續操作，通過不同加料策略，以單烯/二烯的RAFT 共聚定制了超支化聚丙烯酰胺（b-PAM）。Liang 等[17]從RAFT 聚合的基元反應出發，建立了與實驗結果匹配的單烯/二烯支化共聚動力學模型，可用于指導超支化PMMA 和聚丙烯酰胺-海藻酸鈉雙網絡凝膠的合成。

星形聚合物是一類含有至少三條鏈（臂）且各條鏈無主、支鏈的區分，以化學鍵連接于同一點（核）而形成的支鏈型聚合物，其通常采用“臂先”（arm-first）與“核先”（core-first）兩種策略來制備。在“臂先”法中，首先使單體轉化為線形的聚合物臂，隨后與交聯劑發生偶合反應形成星形分子?！昂讼取狈ǔ２捎枚喙倌軋F的引發劑作為核，通過調整交聯核的官能團含量以精確控制星形聚合物的臂數目。Wang 等[18]詳細比較了采用不同二烯進料模式以RAFT 聚合制備星形聚丙烯酰胺（s-PAM）的結果，發現“核先”法產物的二烯利用效率更高，但分子量調控困難，而“臂先”法更適合對高分子量、多臂數的s-PAM的定制。

接枝聚合物由眾多的線形側鏈接枝于一個中心骨架構建而成。當接枝密度足夠高時，側鏈之間相互排斥使得主鏈被迫伸展，整個聚合物的構象類似于梳子，此時被稱為梳狀聚合物，其制備策略包括：（1）收斂法（graft to），通過特定官能團的反應將側鏈和預聚物主鏈連接在一起；（2）發散法（graft from），在先合成的主鏈上的活性位點再引發單體聚合得到側鏈；（3）大分子單體法（graft through），以末端含雙鍵或其他反應基團的大分子單體進行聚合。接枝聚合物的分步制備往往采用多種合成方法的組合。如Perrier 等[19]采用graft from 策略，先對N-(2-羥乙基)丙烯酰胺進行RAFT聚合得到主鏈，后使單體單元的羥基與小分子RAFT 的羧基發生Steglich 酯化反應，從而側鏈“活性”鏈增長形成丙烯酸酯類的嵌段共聚物，最終得到復雜的瓶刷狀構型聚合物。采用相同策略，Jia 等[20]先以RAFT 制備含丙烯酸丁酯（BA）及螺吡喃單元的共聚主鏈，后以ATRP 技術接枝上PMMA 側鏈。他們通過調控接枝共聚物中PMMA 分散相的尺寸，開發了一種基于熒光共振能量轉移技術的力致變色材料。

1.2.2 環狀聚合物的制備方法 環狀聚合物是一類具有特殊拓撲結構的聚合物，其每個重復單元具有等同性。環狀聚合物可劃分為單環或多環聚合物，而單環聚合物是各種環狀結構聚合物研究和構建的基礎，合成方法主要包括擴環法和關環法。擴環法中，通過引發劑活化環形單體，再進行擴鏈增長實現聚合。關環法中，則是首先合成線形聚合物，然后使端基功能化作為線形前體，繼而通過偶聯反應閉環（包括分子內關環與分子間關環）形成環狀聚合物[21]。如Pan等[22]采用擴環法，先設計一種環狀二硫代酯RAFT 試劑，調控丙烯酸甲酯（MA）的低溫輻射聚合后制備分子量在8 kg/mol 左右的高純度環化PMA，再對N-異丙基酰胺（NIPAM）進行擴鏈聚合，最終得到環狀嵌段共聚物PMA-b-NIPAM。Huang 等[23]則選用分子內關環的路徑，先以陰離子聚合制備端基為羥基的線形聚苯乙烯，然后以羥基為引發位點，通過陰離子開環聚合在線形鏈的兩端接枝上聚環氧乙烷，繼續將聚環氧乙烷鏈端的羥基修飾為炔基，最后以Glaser 偶合反應閉環得到環狀嵌段聚合物。

1.3 拓撲結構聚合物的性能及應用

拓撲聚合物的性能與其結構緊密相關。支鏈型聚合物常表現出三維橢球狀的空間構型，分子鏈纏結作用較小，較難結晶。高度支化的分子外圍富集了大量的活性基團，它們大量堆積使聚合物中心形成了密閉式的空腔結構，同時這些功能基團為進一步直接或間接的改性提供了有利條件。通過控制功能基團的數量和類型，可以實現對支鏈型聚合物溶解性、反應性、界面自組裝、表面吸附以及電化學和光學性質等多領域的調控。典型的如星形聚合物，由線形鏈和支化點相應構成的臂和核因其不同特性，使聚合物能夠在本體、溶液等相界面上發生相分離，隨后形成的聚集體（如膠束）中的隔離空間可以提供特定的化學環境以儲存各種小分子。在星形聚合物的致密鏈段中引入對熱、光、pH 等響應的單體單元，可定制靈敏的智能材料等。相比于同等分子量的線形聚合物，支鏈型聚合物具有更低的玻璃化轉變溫度和熔融溫度、更好的溶解性、更強的負載能力，以及更密集的功能基團等特性[9,24-26]，這些獨特的優勢使支鏈型聚合物在乳化、催化、光子學、藥物輸送、復合材料等領域具有廣泛的應用[27-29]（圖1）。

圖1 支鏈型聚合物的結構性能關系及相關應用[29]Fig.1 Structure-property relationships of branched polymers and related applications[29]

類似地，環狀聚合物相比于線形聚合物沒有鏈末端，因此其物理、化學性質不受“端基效應”影響。與線形聚合物相比，環狀聚合物具有較高的密度和玻璃化轉變溫度，較低的特性黏度和較小的流體力學體積[30]。在熒光性質上，相同分子量的大環聚合物的熒光強度更高，熒光壽命更長[31]。在結晶性能上，環狀聚合物的結晶速率更快[32]。在溶液中，環狀聚合物具有更低的臨界溶液溫度和更高的折射率[33]。在生物應用方面，環狀聚合物應用于基因載體表現出更低的細胞毒性和更高的基因搭載效率[34]。

2 微反應技術對聚合物拓撲結構的調控

2.1 微反應器及其特性

微反應技術興起于20 世紀90 年代。狹義上，微反應器是指特征尺度在微米至毫米之間的用于進行化學合成的管式、板式或芯片式的反應裝置；而廣義上，它是包含混合、反應、換熱、控制、分離、化學分析等各種微型化工設備的高度集成的微反應系統[35]。微反應技術的應用促進了化工設備小型化和化工過程集約化，大幅提升了資源利用率，從根本上解決了傳統間歇工藝的效率低、能耗高及安全性能差等技術難題。

微反應器中，流體流動、傳質、傳熱和反應這四種基本的化工過程被耦合在微小的受限空間，因此，微反應器在流體力學、混合傳遞、反應和分離等方面主要表現出如下優勢[36-38]：

（1）擴散距離短，速度、溫度、濃度、壓力等物理量梯度大，對應的化工過程中傳質傳熱的推動力較大，因此具有較高的混合效率和熱質傳遞速率；

（2）通過成熟的微加工技術可將混合、反應、換熱、分離等多個單元操作與相匹配的傳感、閥門等器件集成到微反應器中，因此整個裝置體系高度集成化；

（3）可通過改變微通道的長度與流量設計停留時間，調節多種反應參數如溫度、壓力以優化產物的時空收率和選擇性，因此能實現對反應條件的精確控制；

（4）反應持液量少，減少有毒物質的生成，同時大比表面（比表面積達5000～50000 m2/m3）使得強放熱反應體系產生的熱量能被快速移除，避免“飛溫”，因此微反應器的反應安全性能高；

（5）可通過并行增加反應管的數量實現微反應器的快速放大，而不需要進行傳統的尺寸放大，這可以縮短工業放大工序，使實際生產更為靈活，因此操作易于放大[39-40]。

2.2 微反應器在聚合物合成的應用

聚合物的合成是微反應技術應用的一個重要領域。最早報道微反應器內聚合過程可追溯到20世紀60 年代初，Szwarc 等[41]構建了一種連續毛細管裝置，能實現單體和含活性基團聚合物的高效混合及在管末端的反應快速終止，在室溫及0.1～0.8 s 的反應時間條件下研究了St 的陰離子聚合動力學，并制備了分子量分布較窄的聚苯乙烯（PSt）。這一思路正是聚合過程強化的關鍵，即利用微反應器操作工藝，應用于常見的聚合反應包括自由基聚合、陰/陽離子聚合、縮聚等強放熱快速反應過程，控制產物的分子量結構。隨著微反應技術的發展，以其調控聚合物的鏈結構、聚集態結構和宏觀形貌也逐漸成為微尺度聚合研究的熱點。

聚合物的分子量控制是聚合物合成中最基本的研究課題之一。鏈式聚合（自由基聚合和離子聚合）的分子量分布主要受體系溫度、反應物濃度分布的影響，逐步聚合（縮聚）的分子量分布與反應器內的停留時間分布有關。微反應器良好的混合、熱質傳遞性能及接近平推流的反應器操作特性，使其對鏈式聚合和逐步聚合過程都具有較好的分子量調控。Yoshida 等[42]詳細研究了五種單體在微反應器中的FRP 動力學特性，發現相比于間歇聚合，高放熱的聚合體系包括聚甲基丙烯酸芐酯、聚甲基丙烯酸甲酯及聚丙烯酸丁酯的分子量分散系數（?）顯著降低，如聚丙烯酸丁酯的?可從10 左右降至3.16，而對于低放熱的體系如PSt 和聚苯甲酸乙烯酯，則沒有這種明顯的影響。Theato 等[43]報道了一種從三烷氧基硅烷到聚倍半硅氧烷的連續縮聚過程。由于微反應器內的混合效率高，反應時間可以從間歇操作的3 h 縮短到0.22～2.64 min 范圍內，聚合物的分子量偏差從50%降低到3.4%，即微反應器操作可實現更快的反應速率和更高的聚合物產率。

在聚合物的鏈結構控制方面，微反應器模塊化的組合方式為含功能端基、不同序列組成及復雜拓撲結構的高分子的可控設計及制備創造了有利條件。Zha 等[44]發現在微反應器中導入惰性氣體可極大地改善微觀混合效果，采用氮氣-高分子溶液兩相流強化的方法制備磺化PSt。Nagaki 等[45]使用三級串聯的微反應器實現了St 和丙烯酸酯類單體的嵌段共聚。不同的微反應模塊可選擇獨立的溫度控制單元，他們對此進行工藝優化，在分段溫度控制下實現了對PSt 的端基改性及三嵌段共聚物的連續合成。

在聚合物的形貌控制方面，以微反應器精確調控內部的多相流型及液滴的體積、數量和組成，通過多級串聯等操作工藝，可以構建單分散液滴、單分散多重乳液、Janus 液滴等分散相流體，而液滴內的單體經聚合、光固化交聯后，可形成具有特殊宏觀形貌的單分散微球、多重包覆顆粒、多芯微膠囊等。Xu 等[46]以多級微流控裝置制備的穩定O/W/O雙重乳液為模板，通過原位紫外光引發FRP 后得到核殼微粒（圖2）。由于水凝膠外殼層的保護，在多個分隔內核中的量子點不易被泄漏且熒光特征波長互不影響，熒光性能在局域空間內增強，具有很好的醫學成像應用。Song 等[47]采用多股進料，在微反應器內以彈狀流或液滴流的操作實現了對聚吡咯/二氧化錳（PPy/MnO2）核殼結構復合物材料的可控制備，產物用于超級電容器的電極活性材料，比塊狀形貌的PPy/ MnO2復合物或MnO2表現出更大的比電容量。

圖2 利用微反應器制備多色量子點編碼的聚合物核殼微粒[46]Fig.2 Preparation of multicolor quantum-dot-encoded core-shell microparticles in a microfluidic platform[46]

2.3 微反應器中的RDRP

FRP因其反應條件溫和、適用于多種聚合方式、單體適用面廣等優點而被廣泛應用于工業生產。據統計目前市面60%以上的大宗聚合物是通過FRP 方式生產的。RDRP 技術在繼承這些特點的同時，其強大的分子設計能力在新材料結構性能的設計定制方面引起了研究者們的廣大關注。而微反應器在聚合物的分子量分布控制、鏈結構和宏觀形貌調控等方面具有優勢。因此，將RDRP 與連續流微反應技術相結合，可逐步拓展RDRP 聚合技術的應用領域。

如對于NMP 聚合，其聚合溫度往往超過100℃且體系是放熱反應，而微反應器良好的傳熱特性可以使產物的結構調控優于間歇操作。Serra 等[48]進行微反應器中的NMP 均相聚合，發現摩爾放熱量低的St 聚合與間歇釜的操作結果相似，而放熱量高的BA 的聚合速率和分子量調控顯著優于間歇聚合。Studer 等[49-50]在St和MMA 的聚合體系中得到類似的結論，他們還合成兩嵌段共聚物，發現產物性質受微混合器的幾何構型（如通道數、特征尺寸等）影響。在ATRP 聚合領域，Zhu 等[51]報道相關連續流操作的應用。他們將硅膠負載的CuBr-HMTETA 配體填充于銅管中，進行MMA 均聚和MMA-BMA 的兩嵌段共聚。該微通道反應器可以長時間運行并保持較好的催化活性，產物無須除銅處理。在RAFT聚合方面，Hornung 等[52]開展了乙酸乙烯酯類、丙烯酰胺類、丙烯酸酯類等多種單體的連續溶液聚合，均獲得窄分子量分布的均聚物及兩嵌段共聚物。他們在微反應器系統中集成在線脫氣、聚合、產物沉淀分離、RAFT 端基脫除等工序，開發了由單體到純凈聚合物的一體化制備工藝[53]。Cheng 等[54]在不銹鋼微管中進行了MMA 的自穩定無皂乳液聚合和水溶性單體的兩嵌段共聚，體系均表現出良好的活性特征（?≤1.2）。他們調整串級進料的單體分別為親水性和疏水性，可制備兩親性嵌段共聚物，并發現在連續流動的聚合誘導自組裝過程中，聚合物膠束的粒徑受混合裝置（T 型三通或靜態混合器）的選型影響[55-56]。他們還在石英材質的微管中以可見光的RAFT 聚合制備水溶性聚合物，除考察光源波長的影響外，發現該體系在實現單體高轉化率的同時可簡化除氧操作[57]。

值得一提的是，部分RDRP 熱聚體系的反應速率較慢，放熱不顯著，并不會明顯受益于微反應器優良的傳熱傳質特點，但通過對微反應器多種模塊組合等操作方式的改進，可提高聚合過程的能量利用效率，快速優化反應條件，推進產品放大生產的研發進程。

3 微反應器對拓撲結構聚合物的調控

3.1 微反應器對線形聚合物的調控

線形聚合物的空間排布最為簡單，這也是當前微反應技術應用于聚合物合成中報道最多的拓撲結構（三級結構）。進一步細分至對線形聚合物的二級結構的調控，已在微反應器中連續制備出包括多嵌段、梯度和單分子序列寡聚物等不同序列結構的聚合產品，其合成精度、效率往往高于間歇過程。

如對于多嵌段（嵌段數≥3）共聚物，Boyer 等[58]利用曙紅Y 和三乙醇胺的光催化體系，串聯多個微反應器，基于多種丙烯酰胺、丙烯酸酯類單體，在10 min 的綠光光照條件下合成了PDMAA-b-PDMAAb-PDMAA 三嵌段共聚物，分子量可達1 萬，產量達到300 g/d。Junkers 等[59]通過串級微反應器中丙烯酸酯類單體的順次進料，以100℃高溫加快每段單體RAFT 熱聚的反應速率，在40 min 的總停留時間內得到?≤1.47的四嵌段共聚物，并進行了連續運行26 h獲得150 g產物的放大生產。Perrier等[60]設計一種環管反應裝置，采用各嵌段增長過程中的單體注入、循環流動、產物收集的操作工藝，以RAFT 熱聚制備得到含六嵌段的丙烯酰胺類共聚物。局限于對多嵌段聚合物的各段活性控制，這些報道中的嵌段聚合物鏈節數目較低，數均分子量在1 萬以內。對此，有望通過微反應器中的液滴流、氣液兩相流等非均相操作提高聚合產品的分子量[61]。Mastan等[62]針對環管微反應器中苯乙烯/丁二烯的陰離子共聚體系，模擬了連續制備含多嵌段數共聚物的聚合過程并分析產物的鏈長及組成分布，產物分子量可達10萬以上，有望用于熱塑性彈性體。

梯度聚合物在以間歇操作制備時，對單體的適用范圍、梯度趨勢可調區域有較大限制，而以半連續加料操作合成時，易遇到分子量分布寬、鏈段活性低的問題。對此，Zhou 等[63]開發了計算機輔助的流動化學活性梯度共聚，即在微反應器中，基于不同單體在液滴與載流體的溶解度差異，使競聚率相近或差別較大的單體均能以RAFT 聚合得到梯度共聚物（圖3），該方案具有產物分子量分布窄、可程序合成等優點。

圖3 （a）計算機輔助的液滴式光照流動聚合裝置；（b）基于單體擴散原理的光控連續制備梯度共聚物[64]Fig.3 (a) Computer-aided droplet-flow setup for photopolymerization; (b) Process for the synthesis of gradient copolymers via the droplet-flow photopolymerization based on the monomer diffusion[64]

對于單分子序列寡聚物，Leibfarth 等[65-66]提出了一種流動-迭代指數增長（flow-IEG）的操作工藝。他們在微反應器系統中集成了單體的選擇性脫保護、在線純化、點擊反應等工序，解決了間歇IEG 增長中純化步驟煩瑣的問題，而且能夠規?；苽鋯畏稚⒕酆衔?。Xu 等[67]在光照條件下通過連續和交替插入不同單體，精確合成了包括五個單體單元的低聚物。該微反應器的五步迭代操作產率達到59%, 能夠在較短的生產時間內（數天）實現克級產物的制備，為合成序列精確的寡聚物提供了新合成技術。

3.2 微反應器對支鏈型聚合物的調控

相比于線形聚合物，支鏈型聚合物的連續合成報道較少，以下詳細列舉已知的微反應器對各種支鏈型聚合物的調控報道。

對于超支化聚合物，Isaure 等[68]在2006 年報道了通過平行微通道裝置合成水溶性的超支化聚二甲基丙烯酰胺。與燒瓶中的間歇合成相比，連續操作的產率更高，且兩者產物略有不同，這可能是因為微反應器的密封性更好，有效排除了體系中微量的O2。Liu 等[69]使用含交叉指型微混合器的微反應器系統，采用多步縮聚法，在室溫（而非間歇操作要求的0℃低溫）條件下，將每一步的反應時間從幾小時縮短至幾秒鐘。Wilms 等[70]在微芯片裝置中以陰離子開環聚合制備單分散的超支化聚縮水甘油。該放熱體系受益于微反應器高效的傳熱傳質性能，避免了間歇操作中耗時的單體慢滴加工序，聚合時間顯著縮短。Serra 等[71]利用ATRP SCVP，在連續流中合成支化PMMA，其相比間歇產物具有更高的支化度（圖4）。他們對螺旋微反應器加以改進，使流動方向突變的“拐角”增多，可削弱在高轉化率時因黏度增加而導致的擴散限制，極大地增強混合程度，進而提高聚合產物的支化效率。Junkers 等[72]在微反應器中以光引發自由基本體聚合制備支化聚丙烯酸丁酯，20 min內單體幾乎完全轉化，通過24 h的連續放大可穩定生產300 g 支化產物。Xiang 等[73]采用Strathclyde 方法，在鏈轉移劑十二硫醇的調控下以丙烯酸丁酯和二乙烯基苯共聚，在微反應器中得到了不同支化程度的超支化聚合物。他們詳細考察反應配方工藝的影響，發現微反應器更好的傳遞特性有利于提高產物的支化效率并避免局部熱點下的副反應。此外他們還探索了更為環保的細乳液連續制備超支化聚合物的路徑，相比于溶液聚合，細乳液體系的反應速率更快，產物的支化度更高。Advincula 等[74]利用RAFT SCVP，在室溫透氣環境以水/甲醇為溶劑，連續合成水系的超支化聚（聚乙二醇甲基醚）丙烯酸酯，再以熱解氣相色譜-質譜聯用等手段詳細表征了產物的支化結構。

圖4 以間歇和微反應操作得到的支化聚合物比較[71]Fig.4 Schematic comparison of branched polymer synthesis in batch and microreactors[71]

對于星形聚合物，Junkers 等[75]在微反應器中結合光控ATRP，以多官能團的環糊精為引發劑核，按“核先”策略得到4、6 及21 條臂的星形聚合物，且每種臂進行多次擴鏈反應，最終產物具有對pH 的刺激響應性。Yin[76]以類似方案，先將SiO2微球與含Br的ATRP 引發劑通過化學鍵連接后填充到色譜柱上，再通過SiO2核上的多個活性位點原位鏈增長，連續制得含有N-異丙基丙烯酰胺和對氯苯乙烯單元的嵌段共聚物臂的星形聚合物，產物具有設計的表面接觸角及染料負載功能?！昂讼取狈ㄖ幸l劑上的官能團數目限制了臂的數目，而且線形臂的組成及分布較難檢測，對此Junkers 等[77]發展紫外光照下的“臂先”法，在20 min 的停留時間內合成了臂數約為30、重均分子量18萬的PMA-PBA 雜臂星形聚合物。Xiang 等[78-79]搭建了一種毛細管串級微反應器系統，基于對微反應器中第一步形成線形臂和第二步形成星形大分子的動力學研究，優化反應配方及操作工藝，以RAFT“臂先”法連續制備了一系列滿足設計臂組成的星形聚合物（圖5）?？紤]到星形聚合物的功能基團多、組成便于調控的特點，他們制備含有親水/疏水臂或溫度/pH 響應功能臂的星形聚合物，產物可以直接用于乳化劑或作為金屬納米粒子催化劑的載體。

圖5 以串級微反應器連續制備刺激響應型星形聚合物，產物用于Au催化劑的載體[78]Fig.5 Schematic overview of the cascade microreactor system for the continuous synthesis of stimuli-responsive star polymers, and the products were used to support the Au catalyst[78]

對于接枝/刷狀聚合物，Guironnet 等[80]先通過計算機程序控制毛細管中連續操作的停留時間，以開環聚合制備不同鏈長的大單體。然后大單體半連續地進入燒瓶中，發生開環易位聚合（ROMP）反應并以graft through 方式接枝到線形主鏈上。他們結合實驗與分子模擬，發現由電鏡觀察到的聚合物宏觀形貌近似于所設計的“瓶刷”結構。Boyer 等[81]在反應體系中引入兩種具有不同特征波長和鏈轉移能力的RAFT 試劑，通過調控微反應器兩段反應部分的外部光源，無須中間體除雜工序等，可快速切換生產含接枝或超支化構型的聚合物產品（圖6）。Guo 等[82]利用串級微反應器，第一步通過負載酶的固定床大大加快己內酯的開環聚合反應效率，第二步以graft through 的策略使降冰片烯基團發生ROMP反應，最終得到瓶刷狀聚合物。

圖6 微反應器內通過切換光源選擇性制備超支化或接枝聚合物[81]Fig.6 Selective production of hyperbranched or grafted polymers by switching light sources in microreactors[81]

3.3 微反應器對其他復雜拓撲結構聚合物的調控

對于具有其他復雜拓撲結構聚合物合成的調控，有關微反應技術的應用主要集中于環狀聚合物。如圖7 所示，Zhang 等[83]采用關環法，即先以RAFT 聚合制備線形的PSt，然后通過微反應器進行UV 光照，在極稀溶液條件下，使PSt 一端的鄰醌二甲烷轉化為共軛雙鍵，再與另一端的二硫酯發生Diels-Alder反應，從而制備得到環狀的PSt。該連續操作得益于光照的均勻性，比間歇操作的產量更高。Baeten 等[84]在Zhang 等[83]方案上添加了循環裝置，使未充分轉化的原料返至微反應器入口并繼續參與反應。這種環管型設計在達到直管反應器相同的生產能力時，反應器體積可降至直管的1/43。Barner-Kowollik 等[85]通過切換不同光源的波長使兩種光反應互相正交，即功能大單體在350 nm 光源下發生鏈增長，而在410 nm 時發生[2+2]環化反應，從而在串級微反應器中實現了環狀聚合物的連續合成。Shen 等[86]將線形聚合物（聚環氧乙烷或聚3-己基噻吩）和催化劑通過微混合器發生Glaser 偶聯成環。他們發現反應速率、環化效率主要和兩相的相對流速有關，表明反應受擴散控制，且添加回流泵裝置能使催化劑相循環利用，從而提高了原料的轉化效率。

圖7 以間歇或連續方式制備環狀聚合物[83]Fig.7 Preparation of cyclic polymers under batch and continuous-flow reaction conditions[83]

4 微反應器調控復雜拓撲結構聚合物的難點與改進方案

目前，通過微反應器連續調控復雜拓撲結構聚合物的研究仍處于興起階段，主要存在以下難點。

（1）復雜拓撲結構聚合物在合成過程中的溶液黏度可能存在較大變化。例如在相同分子量下，支鏈型聚合物的特性黏度低于線形聚合物，這在理論上適合于連續操作。但是由于支化過程存在凝膠點的轉變，即此時聚合物的分子量急劇增加，體系黏度驟升，使得微反應器內的阻力和壓降增大而造成通道堵塞。此外，微反應器的內壁或接口處附著交聯聚合物后，很難通過溶劑沖洗去除，可能導致微反應裝置存在難以重復使用的問題。

（2）復雜拓撲結構聚合物的合成路線較為復雜，如對于星形聚合物，不管按照“核先”還是“臂先”法，單體與交聯劑都必須順次加入、多步聚合；對于環狀聚合物，無論是按照擴環法或是關環法，都要對聚合物鏈段進行相應的修飾，逐步聚合，并對每步產物分離純化[33]。如何將這種復雜的聚合物合成過程在連續裝置中實施，這對微反應器的設計與操作工藝提出挑戰。

(3)復雜拓撲結構聚合物的結構表征有待改進。這既受到高分子檢測手段的制約，也源于連續操作過程中很難對聚合動力學進行實時在線監控。而收集微反應器內的不同空間位置處產物的狀態信息，對了解聚合進程及快速優化反應條件等起到重要的作用。

對此有如下改進方案。

（1）為了避免支化過程發生凝膠，需對反應配方進行工藝優化，如針對FRP 體系選用具有高鏈轉移能力的硫醇或RAFT 試劑等。此外，需要控制反應進程以避免達到凝膠點轉化率，這可以通過相關的動力學模型預測[15,87]。

（2）針對多步操作，可以設計微反應器的串、并聯操作，并優化多個流股中的流量、反應時間，避免可能的返混等不利影響[78-79]。通過微反應器的外場強化，如以光熱耦合手段加快反應速率，提高反應物的轉化率，從而減少聚合過程中的中間體純化工序[88]。

（3）針對復雜拓撲結構聚合物的表征問題，在合成研究中應選用研究成熟的單體體系，如苯乙烯、（甲基）丙烯酸酯類單體，并結合多種檢測手段如凝膠滲透色譜，多維核磁共振及在線紅外、紫外等檢測和分析產物結構[26]。此外，借助與實際情形相匹配的動力學模型，可通過模擬實時預測實驗體系難獲取的關鍵動力學指標，這有利于加深研究者對聚合反應過程的認識并指導工藝優化[89-90]。

5 結論與展望

拓撲結構作為聚合物多層次鏈結構中的重要一環，極大地影響了高分子材料的物理化學性質，賦予其全新的應用潛能。聚合物的合成制備依托于聚合方法、反應器及操作工藝。以RDRP 技術等為代表的聚合方法在聚合物鏈結構調控方面蘊含著巨大的分子設計潛力。微反應技術也在提高聚合產品收率、優化反應條件及放大生產上具有突出的優勢?；谖⒎磻鞯倪B續操作工藝能對聚合物的分子量分布、鏈結構和宏觀形貌進行多方面的有效調控，然而相比于線形聚合物，支鏈型等復雜拓撲結構聚合物的連續合成在近些年才興起?？紤]到拓撲結構聚合物的應用潛力，將微反應器用于聚合物的鏈結構調控及連續生產將具有很強的前瞻性和很高的實踐意義。

迄今為止， 國內外學術界已陸續報道了利用微反應器技術對超支化、星形、接枝、環狀等拓撲結構聚合物的連續合成，且取得了較好的成果。然而在基礎研究方面，針對毛細管微反應器內支化過程如何受到傳質、擴散的影響，如何優化反應配方及操作工藝以避免體系發生凝膠，以及如何充分認識連續微反應裝置中各處的反應物性質、動力學特征，這有待高分子化工研究者們深入探索。這既需要了解高分子反應機理并剖析相關的聚合過程，還要求掌握化工單元操作以深刻探究反應與傳遞之間的關系。此外，可考慮采用自動化在線檢測平臺對聚合產物性質實時分析，以及利用合適的數學模型對連續過程進行預測及匹配等。在工程放大方面，應用于聚合物并行放大生產過程中的低能量損失、流動分布均勻的流體分布器結構仍需開發及優化，對裝置長時間運行時體系潛在的凝膠風險需做及時的預防。在產品應用方面，應把握聚合物結構與性能的關系，以產品性能為導向去設計聚合物的鏈結構，進而耦合相關的微反應器操作，實現對期望產物的連續制備，并擴展到乳化、催化、控釋、光電材料等新興領域，從而推進微反應技術與功能高分子材料研究的產業化應用。