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Janus材料因其化学组成和结构的各向异性而具有独特的性质,成为材料科学领域的研究热点,在诸多领域具有重要的应用前景。而如何实现Janus材料的化学组成和微结构的精确控制及批量化制备是Janus材料研究中的重点和难点。针对这一关键问题,本论文提出乳液溶胀聚合法,批量化制备化学组成、微结构、尺寸及双亲性能(Janus balance)精确可控的Janus材料,并通过复合功能性物质赋予其不同化学分区以功能性,研究其作为颗粒乳化剂在油/水界面的聚集行为。主要内容如下:
1.以无机氧化物包覆聚苯乙烯核壳结构复合颗粒为模板,通过控制乳液溶胀聚苯乙烯内核的过程,制备表面化学分区严格可控的雪人状Janus颗粒。在乳液溶胀核壳结构颗粒过程中,由于聚合物内核材料渗透压的作用迫使无机壳层破裂挤出聚苯乙烯,形成聚苯乙烯突起,即得雪人状Janus颗粒。通过调节乳化剂浓度和对溶胀过程演化的跟踪分析,探索其形成机理。通过调节实验参数,实现对Janus颗粒表面化学分区和微结构的精细调控。本方法具有普适性。
2.选用油溶性引发剂和反应单体混合物替代溶胀聚苯乙烯内核的溶剂,结合自由基聚合反应和乳液溶胀法,制备结构稳定的Janus颗粒。调节聚合物突起的尺寸,实现Janus balance可调,即亲水-亲油平衡可调。探索Janus balance对Janus颗粒作乳化剂时所稳定乳液的类型、稳定性和在油/水界面处的聚集行为的影响。通过调节单体的种类,拓展Janus颗粒的化学组成和功能性。
3.基于聚合物相分离机理,一步法通过种子乳液聚合制备覆盆子状有机/无机杂化颗粒。突起结构在聚合物种子球表面原位生长,聚苯乙烯部分和二氧化硅部分分别朝向聚合物和水相。用溶剂除去种子球,得到突起结构,即Janus复合颗粒。通过调节实验参数,实现Janus颗粒尺寸在亚微米到纳米尺度范围内可调。在Janus颗粒表面不同化学分区分别引入聚合物链段,如PEG和PS,增强Janus颗粒亲水和亲油性能,并探讨不同双亲性能Janus颗粒的聚集行为。
4.以聚合物中空微球为种子球,将氨丙基三乙氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、水和乳化剂混合乳化成乳液,加入到种子乳液体系中,硅前驱体在种子球表面发生溶胶-凝胶反应,亲油和亲水基团在界面诱导下分别朝向聚合物和水相,形成不同结构的有机/无机复合壳层。用溶剂除去种子球后,得到Janus中空球或纳米片。进一步利用超声波细胞粉碎机处理,得到Janus纳米颗粒。