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【新材料热点抢先看】材料界新宠——多孔纳米复合材料

更新时间:2018-01-02 14:49:00 来源:化工新型材料

       多孔纳米复合材料以多孔材料为支撑体,修饰或负载其它功能性物质,综合了无机材料(刚性等)和有机高分子材料(延展性等)的优点,是一种性能优异的新型材料,在催化载体、吸附、电化学、生物医药等方面的应用日益广泛。目前制备多孔材料的方法主要有溶胶G凝胶法、水热合成法、共沉淀法和模板法等,而乳液模板法因其形式多样、简便易行及所制备材料结构可控等特点,在功能材料领域的优越性日益明显。将纳米粒子引入高内相乳液可以实现聚合物、无机纳米粒子及多孔材料的有机结合。按照粒子组分的不同,将该类材料分为无机物/聚合物多孔纳米复合材料、聚合物/聚合物多孔纳米复合材料、黏土/聚合物多孔纳米复合材料。其中,无机物/聚合物多孔纳米复合材料占主导地位。

——无机物/聚合物多孔纳米复合材料
      无机物/聚合物纳米复合材料是将纳米级无机粒子填充到聚合物基体中形成的复合材料。由于纳米分散相具有比表面积大、界面相互作用强等特点,使得纳米复合材料表现出不同于一般宏观复合材料的热力学、电磁学性能,还可能具有原组分不具备的一些特殊性能。常用的纳米无机粒子主要有碳酸盐、金属氧化物、石墨烯及SiO2等。碳酸钙、碳酸镁、碳酸钡等碳酸盐纳米粒子可以提高聚合物的性能,且在乳液聚合体系中,此类无机纳米粒子可以取代乳化剂起稳定乳液的作用。研究人员以价格低廉的纳米碳酸钙取代山梨糖醇脂肪酸酯(Span80)制得稳定的高内相乳液并得到相应的多孔聚合物材料,实验表明15 wt/v%(相对于连续相质量体积分数)的纳米粒子足以稳定内相分数为85%的乳液,且制备出的大孔复合材料强度较大,可根据实际需要调节纳米碳酸钙与Span80的比例来制备不同孔径和性能的复合材料。另有研究者以超临界CO2乳液模板法成功制备了纳米碳酸钙/聚丙烯酰胺多孔纳米复合材料,该材料具有典型的开孔、贯通结构,孔径分布较窄,也可通过对纳米粒子调控得到不同孔径分布的复合材料以满足实际应用需要。将纳米SiO2引入高内相乳液体系也能够对所制备的多孔复合材料起增强增韧作用,显著提高材料的力学性能。

——聚合物/聚合物多孔纳米复合材料

       除了固体无机纳米粒子稳定高内相乳液可以制备聚合物多孔复合材料外,利用高分子乳胶粒来稳定乳液制备聚合物/聚合物多孔纳米复合材料的研究也引起了研究者广泛兴趣。具备合适亲水亲油性的高分子乳胶粒能较好地稳定乳液,较为简便地使材料功能化,得到具有不同特殊结构的新型材料。研究者以低能乳化法成功制备了内相高达95%的水包油Pickering高内相乳液,其中聚氨酯脲纳米粒子起机械屏障的作用,阻止液滴的聚集。所得多孔材料为亲水性开孔聚合物泡沫,形态随油水比、聚氨酯脲浓度的改变而改变。该法提供了一种以水包油高内相乳液为模板制备形态可控亲水性聚合物泡沫的简单路线。

——黏土/聚合物多孔纳米复合材料
       具有层状结构的蒙脱土是最具商业价值和实际应用前景且能制成纳米复合材料最理想的天然矿物。黏土/聚合物纳米复合材料因其独特的分子结构,使得这种复合材料既有聚合物的可加工性、介电性,又具有黏土的优良强度及稳定性。将高内相乳液与黏土结合可改变所制备多孔纳米复合材料的泡孔尺寸、孔隙率、机械性能和热性能等,可根据需要制备相应材料。研究者将两种类型的有机黏土及钠蒙脱石引入高内相乳液来控制泡孔形态、尺寸及开孔含量等。实验发现材料开孔含量随着有机黏土含量的增加而增加,平均泡孔尺寸随着钠蒙脱石的增加而减少。自然界中蒙脱土是亲水性的,因此较难分散到有机相中,单体分子也很难插入到黏土层中。因此必须对原生黏土进行改性以改善黏土的疏水性能同时促进单体的嵌入,这种改性也能提高黏土在连续相中的分散性。另有研究者先以阳离子交换树脂对蒙脱土进行改性,再制备出纳米复合微孔材料,其实验证实原生黏土在聚合物基体中分散性较差,对材料的热性能和机械性能几乎没有影响,而改性黏土使材料的硬度和屈服强度得到了加强,且含量较高时杨氏模量增加而弹性不变;但超出一定界限后,黏土聚集体的存在会导致降解温度的降低。