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有序多孔材料在催化、制药、过滤和吸附等方面有着广泛的前景,同时它也是制备光子晶体的核心材料,在推动光子技术进步等方面无疑会起着重要的作用。目前,采用胶体晶体模板定向合成技术是制备这类多孔材料的有效途径,可以比较容易的制得孔径可控,孔径分布有序的多孔材料。本课题通过胶体晶体模板法成功的制备了聚合物和无机物的有序多孔材料,主要工作如下:
1.采用Stober方法制备了粒径可控的单分散二氧化硅(SiO2)球形粒子,并经重力沉积法制备出SiO2胶体晶体模板。模板在高温热处理一段时间后,以聚苯乙烯/甲苯溶液填充,经甲苯自然挥发,通过氢氟酸刻蚀处理去除SiO2模板,制备得到聚苯乙烯有序多孔材料。利用同样的方法可以制备出聚偏氟乙烯、聚氯乙烯有序多孔材料。
采用紫外-可见光谱、热失重分析、扫描电子显微镜,红外光谱等各种测试手段研究了材料的结构和性能,结果表明超声波处理二氧化硅粒子、胶体晶体模板后期高温热处理、填充物粘度等是影响聚合物多孔材料形貌的关键因素。采用超声波分散振荡二氧化硅粒子约30分钟,后期模板在700~800℃热处理3个小时,聚合物填充物粘度在120mPa.s,能使聚合物形成长程有序、连续的多孔网络,聚合物孔具有典型的多孔结构,孔尺寸均匀,且排列有序,其排列方式与模板中的微球排列基本一致,是模板有序结构的精密“复型”。
2.采用无皂乳液聚合法成功的制备了甲基丙烯酸改性聚甲基丙烯酸甲酯单分散微球,其粒径在250nm左右。将聚合合成的胶乳在一定温度下蒸发一段时间将单分散微球组装成大面积的有序胶体晶体。以PMMA胶体晶体为模板制备SiO2多孔材料的过程中,用正硅酸乙酯、水、乙醇、盐酸等配成溶胶,填充在微球间空隙,干燥后通过焙烧去掉PMMA胶体晶体模板,可得到有序的二氧化硅多孔材料。焙烧后的样品表面可观察到五颜六色的彩光,这主要由于布拉格衍射所引起的。
扫描电子显微镜、红外谱图等测试表明,采用溶胶-凝胶法成功的制备了有序多孔二氧化硅材料,其孔径约为250nm,比模板的微球略小,孔洞由小孔窗连接,形成规则排列、相互连接的多孔材料。
3.胶体晶体模板法是一种高效、简便的制备聚合物和无机物的有序多孔材料的方法。