聚合物孔材料的合成與應(yīng)用

徐文淵

宜興市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所

聚合物孔材料的合成與應(yīng)用

徐文淵

宜興市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所

聚合物孔材料因?yàn)槠淅砘再|(zhì)方面的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其合成方法不斷推陳出新，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣闊。聚合物孔又細(xì)分為微孔、介孔和大孔三大類，分別適用于不同的合成方法及應(yīng)用范圍。其中微孔聚合物材料的合成工藝較為復(fù)雜，主要應(yīng)用納米領(lǐng)域。介孔聚合物材料的合成最為復(fù)雜，在應(yīng)用上也具有最大的廣度。而大孔聚合物材料的合成方法眾多，合成難度相對(duì)最小，是現(xiàn)代材料科學(xué)的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。本文將對(duì)聚合物孔材料的合成方法與應(yīng)用情況進(jìn)綜述性的研究分析。

聚合物孔；合成；應(yīng)用

一、聚合物孔材料的種類

1.微孔聚合物材料

微孔聚合物材料的最主要構(gòu)成部分是聚合物濾膜。這種聚合物濾膜的具有納米結(jié)構(gòu)。通過(guò)核裂變碎片反復(fù)持續(xù)地攻擊濾膜的表面，從而形成微觀損傷。通過(guò)對(duì)這些損傷通過(guò)化學(xué)手段進(jìn)行刻蝕，精確地制造出具有納米結(jié)構(gòu)的聚合物濾膜。聚合物濾膜包含有各個(gè)圓桶狀的微孔，各微孔直徑相當(dāng)，在膜中自由分布，使微孔聚合物材料在性質(zhì)上具有良好的穩(wěn)定性。

2.介孔聚合物材料

介孔聚合物材料因?yàn)槠淇讖娇梢栽谝粋€(gè)較大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，因而其應(yīng)用范圍更加廣泛。該類材料的孔徑性質(zhì)決定其廣泛應(yīng)用于大分子催化、分子電子器件制造和生物分離等多個(gè)領(lǐng)域。介孔聚合物材料在合成當(dāng)中的核心技術(shù)，是借助表面活性劑，形成超分子和嵌段共聚物，最后通過(guò)合成來(lái)形成介孔聚合物材料。

3.大孔聚合物材料

大孔聚合物材料的孔徑和材料尺寸都更大，其大尺寸效應(yīng)非常明顯，具有許多小孔徑材料所不具備的優(yōu)異性能。同時(shí)，因?yàn)榇罂拙酆衔锊牧系某叽巛^大，在合成和研究當(dāng)中相對(duì)可控，其難度和工藝的復(fù)雜程度相對(duì)于其他兩種材料都更為低。

二、聚合物孔材料的合成

1.微孔聚合物材料合成

通過(guò)核裂變碎片進(jìn)行撞擊，在濾膜的表面產(chǎn)生大量的微觀損傷，為后續(xù)處理打下良有好的基礎(chǔ)。其后運(yùn)用化學(xué)手段進(jìn)行刻蝕，精確地制造出具有納米結(jié)構(gòu)的聚合物濾膜Tranck-etch膜，就獲得了合成微孔聚合物材料的基礎(chǔ)材料。

接著進(jìn)行基礎(chǔ)材料的合成。選取一層作為陰極的金屬膜，將之覆蓋在Tranck-etch膜的表面。其后通過(guò)電化學(xué)方法，形成具有良好的相融性的聚合物生長(zhǎng)孔壁，并讓聚合物以孔壁為通道向外生長(zhǎng)，產(chǎn)生導(dǎo)電聚合物納米管。導(dǎo)電聚合物納米管的厚度，可以過(guò)控制進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間來(lái)加以調(diào)整，最終表現(xiàn)為聚合物孔壁的厚度。

以上是目前較為常用的微孔聚合物材料合成方法。但科學(xué)家也研究出了其他類型的方法，如用單體溶液浸泡Tranck-etch膜，利用化學(xué)方法，引發(fā)Tranck-etch膜的原位聚合。以上兩種方法，對(duì)于孔壁與微孔聚合物材料的相容性的要求都非常高，因而在當(dāng)前情況下，微孔聚合物材料的合成還沒(méi)有普及，有待于進(jìn)一步加強(qiáng)研究開(kāi)發(fā)。

2.介孔聚合物材料合成

為了達(dá)到介孔聚合物材料孔徑大小范圍可控的效果，其在合成過(guò)程當(dāng)中工藝更加復(fù)雜。其聚合的模板，必須要選擇具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，能夠承受聚合物孔徑的伸縮變化所產(chǎn)生的應(yīng)力而不致斷裂。

目前較為常見(jiàn)的介孔聚合物材料合成方法，首先需要選用具有良好的雙親性的環(huán)氧乙烷和苯乙烯，將兩者作用產(chǎn)生的嵌段共聚物作為合成介孔聚合物材料的模板，形成SiO2孔材料。與此同時(shí)，融合甲基炳烯酸甲酯、偶氮二異丁腈和二醇二甲基丙烯酸酯，形成良好的聚合反應(yīng)體系。將SiO2孔材料放置到反應(yīng)體系當(dāng)中，注入HF酸，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生IPN介孔材料，完成介孔聚合物材料的合成。

3.大孔聚合物材料合成

目前較為常見(jiàn)的大孔聚合物材料合成方法，就有懸浮聚合法、大分子結(jié)構(gòu)模板法、超臨界流體快速降壓法、膠態(tài)晶體模板法行四類。本文將介紹在工藝上最為先進(jìn)的大分子結(jié)構(gòu)模板法。

首先需要形成聚合物薄膜，并確保薄膜孔徑大小的一致。將星型聚合物放置溶液當(dāng)中靜置，其后將之取出涂于玻璃片上，放置在濕潤(rùn)的空氣環(huán)境當(dāng)中，待其溶液自然揮發(fā)，提取出薄膜。通過(guò)星型聚合物包圍溶液液滴，形成緊密堆疊的六角形陣列，則可以在溶液揮發(fā)之后得到滿足要求的聚合物孔材料。在合成過(guò)程當(dāng)中，需要保證合成環(huán)境的清潔純凈。因?yàn)榭啄?duì)于各類粉塵雜質(zhì)非常敏感，而本實(shí)驗(yàn)又在暴露空間當(dāng)中進(jìn)行，所以對(duì)環(huán)境清潔程度的要求非常高。

三、聚合物孔材料的應(yīng)用

1.微孔聚合物材料應(yīng)用

因?yàn)槲⒖拙酆衔锊牧显谏a(chǎn)工藝上已經(jīng)達(dá)到了納米級(jí)，通過(guò)納米效應(yīng)，可以應(yīng)用于各類高科技領(lǐng)域的高精尖設(shè)備上。例如電子、機(jī)械和光學(xué)設(shè)備等的制造，以及生物及藥物膠囊等的合成領(lǐng)域。微孔聚合物材料在應(yīng)用中最大的特征是其應(yīng)用范圍較小，集中于高附加值深加工或高精尖技術(shù)領(lǐng)域。

2.介孔聚合物材料應(yīng)用

在大分子催化、分子電子器件制造和生物分離等多個(gè)領(lǐng)域，都有介孔聚合物材料的應(yīng)用。通過(guò)應(yīng)用實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，雖然介孔聚合物材料因其孔徑大小可以靈活地調(diào)整，因而應(yīng)用范圍廣泛，但其制造過(guò)程相對(duì)于其他兩種聚合物材料更為復(fù)雜，而且成品具有更大的不穩(wěn)定性。所以需要進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐研究和論證，探索更為簡(jiǎn)便的合成方法，提升介孔聚合物材料在應(yīng)用當(dāng)中性能的穩(wěn)定性。

3.大孔聚合物材料應(yīng)用

大孔聚合物材料廣泛應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)、催化劑載體和選擇性傳輸?shù)阮I(lǐng)域。因?yàn)榇罂拙酆衔锊牧暇哂械拇蟪叽绾痛罂讖教攸c(diǎn)，導(dǎo)致其既可以構(gòu)建其他微觀實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，又可以作為各類實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)的載體或通道，所以是高科技研究的常用物質(zhì)。在大孔聚合物材料當(dāng)中，使用最為廣泛的是三維有序的大孔聚合物材料。因?yàn)槿S有序的大孔聚合物材料在材料結(jié)構(gòu)、理化性能上具有更好的穩(wěn)定性，所以成為現(xiàn)代材料科學(xué)領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)，其有更多可供研究的合成方法，可供開(kāi)發(fā)的應(yīng)用領(lǐng)域還有待于后來(lái)的科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)。

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