基于聚合物-SiO2納米復(fù)合乳液制備三維有序多孔材料.pdf

1、有機-無機復(fù)合材料兼具有兩組分的優(yōu)勢,并賦予材料新的結(jié)構(gòu)和性能。聚合物乳液與納米SiO2結(jié)合,是提高聚合物性能的重要途徑。文獻中對聚合物/SiO2納米復(fù)合乳液的制備方法、復(fù)合粒子形態(tài)、復(fù)合涂層的性能等方面進行了大量研究。但人們的興趣主要集中在以上三個方面,且復(fù)合乳液的成膜溫度一般為環(huán)境溫度。本論文基于聚合物/SiO2納米復(fù)合乳液,將其直接在不同的溫度下干燥,分別得到三維有序大孔聚合物膜和表面形貌梯度材料,并進一步利用該乳液為二元粒子體系

2、,將其用作模板,采用原位自組裝法制備了多級有序多孔材料,從而為傳統(tǒng)的聚合物/SiO2納米復(fù)合乳液開發(fā)了新的用途。具體的研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)采用無皂乳液聚合法和分散聚合法制備一系列單分散的聚合物微球分散液,再與SiO2納米粒子混合均勻,得到穩(wěn)定的納米復(fù)合乳液。將此復(fù)合乳液直接在較高的溫度下強迫干燥,成功制備了三維有序大孔聚合物膜,制備過程無需去除模板,方法簡單、價廉且環(huán)境友好,可進行大量制各。然而,要得到有序大孔結(jié)構(gòu)的聚

3、合物膜,必須首先保證復(fù)合乳液的穩(wěn)定性,聚合物微球和二氧化硅納米粒子之間的強的靜電排斥作用是制備穩(wěn)定納米復(fù)合乳液的必要條件。在此基礎(chǔ)上,詳細考察了形成大孔結(jié)構(gòu)的條件和影響因素,研究發(fā)現(xiàn),聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)、聚合物微球殼層親水組分的含量、SiO2納米粒子的粒徑、聚合物微球的粒徑、分散介質(zhì)的揮發(fā)速度以及聚合物微球的結(jié)構(gòu)對孔的形成和結(jié)構(gòu)都有重要的影響,而采用聚合物空球則有望制備相互連通的大孔結(jié)構(gòu)。SEM的形貌觀察和USAXS的晶面衍射

4、結(jié)果表明,得到的有序大孔膜屬于典型的面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)。調(diào)整乳液的干燥程序,綜合XPS、TGA和SEM等實驗結(jié)果,大孔結(jié)構(gòu)可能的形成機理為:復(fù)合乳液的干燥從氣-液的界面開始,孔的形成也從膜的表面開始,隨著介質(zhì)的蒸發(fā),孔的形成逐層進行,并一層層向基材推進,最終形成三維有序的大孔結(jié)構(gòu)。制得的有序大孔聚合物膜具有光子晶體效應(yīng),呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)色,并對不同折光指數(shù)的溶劑和乙醇/水介質(zhì)具有光學(xué)響應(yīng)性。該技術(shù)為有序多孔膜的制備提供了新的范例,所得到的有

5、序多孔膜可應(yīng)用于光子晶體、生物傳感、模板、催化劑載體等。
　　(2)基于聚合物/SiO2納米復(fù)合乳液,進一步控制復(fù)合乳液的干燥條件,直接在較低的溫度下干燥,可直接得到有序多孔的表面形貌梯度,制備過程簡單快速,不需精確控制梯度參數(shù)。聚合物的Tg、分散介質(zhì)、復(fù)合乳液的干燥溫度以及SiO2的含量對表面形貌都有顯著影響。當(dāng)聚合物的Tg相對較低時,在室溫或稍高的溫度下干燥均可制備形貌梯度表面;而當(dāng)聚合物的Tg較高時,則不能形成形貌梯度表面。

6、而當(dāng)干燥溫度較高時,得到的復(fù)合膜為三維有序的大孔結(jié)構(gòu),而不能形成表面形貌梯度。干燥溫度對復(fù)合膜形貌的影響可能是由于不同的成膜機理造成的:當(dāng)成膜溫度較低時,成膜過程遵循對流自組裝機理;而在較高的溫度下干燥時,成膜過程主要遵循氣.液界面自組裝機理,而在中間溫度干燥時,則這兩種機理同時發(fā)揮作用。該方法提出了一種制備聚合物表面形貌梯度的新方法,該方法有望用來制備其它功能性有機和無機組分的表面形貌梯度材料。
　　(3)基于聚合物/SiO2納

7、米復(fù)合乳液的二元粒子體系,以蔗糖為碳源,硫酸為碳化催化劑,采用原位自組裝法制備多級有序多孔炭材料。該方法將納米復(fù)合乳液在程序升溫過程中,歷經(jīng)干燥成膜、初步碳化和最終碳化過程得到三維有序大孔碳/SiO2復(fù)合膜,最后除去SiO2納米粒子,得到有序大孔/介孔炭材料。與常用的其它模板法相比,該方法既不需預(yù)先合成多級有序多孔硬模板或膠體晶體模板,也不需額外的反填,聚合物膠體晶體的形成過程和碳源的填充在同一體系中同時完成。因此,制備過程非常簡單快捷