微孔聚酰亚胺超分子自组装及其多级多孔材料制备研究

具有类似于分子筛结构的微孔聚合物是最近几年发展起来的崭新聚合物材料体系，以其高比表面积和独特的有机骨架结构，在多相催化、膜分离和储氢等领域显示出重要前景。本课题首先通过分子设计在二酐、二胺单体以及交联剂中引入刚性螺环结构，深入研究所获得的微孔聚酰亚胺的结构-性能关系。然后利用多尺度超分子自组装原理，以微孔聚酰亚胺前驱体/嵌段共聚物所形成的超分子聚合物作为纳米结构组装单元，通过精确分子设计以及自组装过程和酰亚胺化过程控制，实现微孔聚酰亚胺在薄膜与单分散微球中的自组装有序结构形成与控制。进一步通过可控热裂解或溶剂洗脱除去嵌段共聚物，获得多级多孔聚合物材料。最后，以共价或非共价连接向多孔聚合物材料中引入活性金属组分，探索其在高效多相催化氧化中的应用。本课题的研究成果将为通过超分子自组装原理制备具有复杂结构的多级多孔聚合物材料及其功能化提供一条有效的途径。

基于高性能聚合物的微孔材料是近几年发展起来的崭新聚合物材料体系,以其高比表面积和独特的有机骨架结构，在多相催化、膜分离和储氢等领域显示出重要前景。我们首先通过分子设计合成了螺环二酐、螺环二胺等一系列具有非线性扭曲结构的二酐与二元胺单体，克服扭曲结构的低活性与易形成环状低聚物的难点，获得了具有优异力学性能的微孔聚酰亚胺薄膜材料，深入研究所制备微孔聚酰亚胺的结构-性能关系。为解决线性扭曲结构聚酰亚胺分子链的缓慢松弛问题，进一步设计并合成了一系列含五蝶烯结构的自具微孔聚酰亚胺材料。然后利用多尺度超分子自组装原理,以微孔聚酰亚胺前驱体与嵌段共聚物形成分子间氢键聚合物，通过控制溶剂挥发获得了复杂微相分离结构，进一步通过选择性刻蚀除去作为牺牲模板的嵌段共聚物，获得多级多孔结构的聚酰亚胺材料。并进一步通过原位络合与还原，制备在壳层中含有均匀金属纳米粒子的多级多孔空心球结构。在上述工作基础之上，进一步发展了基于聚合反应诱导结晶与聚合反应诱导自组装的高性能聚合物复杂形貌控制方法。通过酰亚胺交换反应，以原位形成的气泡为模板，获得了由聚酰亚胺纳米粒子构成的复杂多尺度空心球。而引入动态共价化学，能够有效的实现聚甲亚胺从不均匀球形到椭球形到铁饼并最终形成微米级圆片的可控形貌转变。为强化聚酰亚胺微孔结构的稳定性，进一步合成一系列多元胺单体，通过反应诱导自组装，结合二次成核生长，获得纳米片修饰的多级多孔八面体结构。最后利用界面附生结晶新方法，使聚合反应与界面结晶过程协同进行，获得基于聚酰亚胺的碳纳米管纳米杂化串晶结构。项目的研究成果为芳香族聚合物的多级多孔形貌控制合成及其杂化材料的制备奠定了良好的基础。并且通过本项目的研究，在专业期刊上发表论文五篇，包括高分子专业的顶级期刊杂志Polymer两篇。