基于无溶剂纳米流体的新型杂化膜材料制备及其性能研究

本项目的主要研究内容是通过阳离子、阴离子的设计，合成不同类型的基于纳米二氧化硅的无溶剂可聚合型纳米流体，研究其性能，进而通过无溶剂聚合制备有机/纳米二氧化硅杂化膜材料。由于聚合过程完全不用溶剂，可以彻底克服聚合过程中溶剂对环境造成污染，促进绿色化学和材料学科的发展。利用新型无溶剂可聚合纳米流体直接制备有机无机纳米杂化膜材料，无需使用任何有机溶剂，从而可以减少对环境的污染，并克服制备过程中因干燥逸出大量气体，而导致材料存在大量微孔及产生收缩。该新型纳米流体具有典型的核壳结构，是由二氧化硅纳米颗粒与含可聚合官能团的PEG壳构成。高分子壳的存在可以抑制纳米颗粒团聚的发生，获得长期稳定的纳米流体。无溶剂可聚合型纳米流体具有离子液体结构，在室温下是液体，它的出现丰富了离子液体和纳米流体的种类，是一种新型的环境友好材料，无疑具有重要的科学意义和环境意义。

合成了四种新型纳米流体，并制备多种纳米流体/聚合物杂化材料。这些杂化材料具其独特的物理化学性质，因此可以应用在锂离子电池隔膜、聚合物电解质、燃料电池、纳米反应器等许多领域。.1.对纳米SiO2进行表面修饰获得含氨基的纳米流体。其熔融峰在11.49oC处，并含有34.2wt％的SiO2。氨基纳米流体与TDI可以在水汽下制备纳米杂化聚脲。树脂呈透明状且没有相分离，颗粒高度分散并具有较好的力学性能。.2.含丙烯酸酯基的纳米流体的熔融峰在11.23oC，并含有36.9wt％的SiO2。可以用于制备紫外固化材料。如将丙烯酸酯纳米流体与SR494共聚合获得一种新型丙烯酸酯树脂。纳米颗粒在基团中分布非常均匀，没发现团聚现象，也没有颗粒脱落的现象，证明基体和纳米流体有良好的结合力。.3.利用环氧基团和叔胺生成季铵盐的反应，得到含羟基的纳米流体。其在8.2oC处有一个熔融峰，并具有14.76wt％的SiO2。与MDI、PTMEG、乙二醇共聚可以制备纳米流体/聚氨酯杂化材料。其拉伸强度随纳米流体的添加量有所增加。因为大量的羟基起到交联剂的作用，另外纳米粒子的加入也有利于力学性能的提高。.4.咪唑型纳米流体在16.69oC处出现一个熔融峰，并具有15.0wt％的SiO2。.1）制备了咪唑型纳米流体/环氧树脂杂化材料，随着纳米流体含量的增加，杂化膜的润湿性增强，膜表面的亲水性增强，说明随着纳米流体的加入，环氧树脂由亲油性向亲水性转变。萃取掉纳米流体，得到多孔环氧树脂材料。此材料可以用作有机合成的微反应器和催化剂载体。.2）采用咪唑纳米流体为制孔剂制备多孔聚酰亚胺隔膜。孔隙率最高可达80％，并具有良好的机械性能，可以作为锂离子电池隔膜。通过在聚酰亚胺的主链中引入庞大三氟甲基侧基，提高聚酰亚胺的溶解性、热稳定性和保液率，而且有助于提高锂离子电池的安全性和容量。.3）以PEO为基体，成功制备出纳米流体掺杂的(PEO)10-LiClO4聚合物电解质。纳米流体掺杂使聚合物电解质的离子电导率得到了大幅度提高，当纳米流体与PEO质量比为25%时，电导率为2.64×10-4S•cm-1,比(PEO)10-LiClO4的电导率(6.58×10-5S•cm-1)提高了大约一个数量级。XRD结果显示，纳米流体的加入降低了PEO的结晶性，增加了锂离子传输的非晶相，从而提高了电导率。