基于功能砌块组装的多尺度复合材料构效调控研究

In this project, based on a systematic study on structural control regulars, functional modification and combination, hole effect, size effect and synergies of metal-organic framework materials (MOFs) and metallic oxide nano-micron particles (NMP). MOFs and NMP materials, which contain different active functional groups, are designed and synthesized with functional integration of MOFs and NMP as the goal, and with the design of organic ligands and functional groups as a guide. Then MOFs and NMP materials are loaded respectively into the macromonomers of polyurethane (MPU). By reaction of functional groups, MPU are cut into corresponding MPU-MOFs and MPU-NMP blocks. Finally, a new kind of polymer matrix composites PU @ MOFs @ NMP was built by radical polymerization of carbon-carbon double bond( C = C-) terminal groups of MPU in different blocks, which implements chemical bond splicing between blocks. Furthermore, Energy transfer effects between different particles and macro integrated effects of materials are studied in the composite system. And the structure and properties of synergistic effect between the different blocks and the obtained functional materials are also explored. By tailoring, coordinating physical and chemical properties of different blocks, the structures and properties of materials are regulated, which can give materials the adsorptive separation, energy storage and transmission, magnetic and other properties. A new kind of composite functional materials, which combines the structure-function integration, is developed.

本项目以金属有机骨架材料(MOFs)、金属氧化物纳微米粒子(NMP)的功能集成为目标，以有机配体、功能性官能团设计为引导，在考察MOFs和NMP的结构调控、功能化修饰与组合、MOFs和NMP的孔洞效应、尺寸效应、协同效应等的基础上，设计合成含有不同活性官能团的MOFs、NMP材料，分别将其加载到聚氨酯类大单体(MPU)体系中，经官能团反应，剪裁成相应的MPU-MOFs、MPU-NMP砌块，不同砌块中MPU的C=C-端基经自由基聚合，实现砌块之间的化学键拼接，构筑一类新型的聚合物基复合材料PU@MOFs@NMP。研究复合材料体系中不同粒子间的能量传递效应和材料的宏观集成效应，探索不同砌块间的协同作用与目标功能材料间的构效关系，通过剪裁、协调不同砌块的物理化学性能，实现材料结构与性能的调控，赋予材料吸附分离、能量存储与传输、磁性等性能或特殊功能，开发一类结构/多功能一体化的新型复合功能材料。

本项目按项目研究计划进行，主要研究内容有：1、金属有机骨架材料(MOFs)的研究：设计构筑了一系列具有新颖结构和独特性能的二维蜂窝层状MOF、微孔和介孔笼状骨架MOF等金属有机骨架功能材料。经研究表明，部分有机骨架材料对CO2、N2、Fe3+等表现出优异的吸附性和选择性。2、纳微米粒子(NMPs)的研究：通过设计，制备了Co-Mn纳米粒子、二维层状双羟基金属氧化物(LDH)、三维结构纳米电极材料、核壳结构的纳米粒子、硫化铜复合材料微球等纳微米粒子。由微纳米粒子构建的电容器器件展现出高能量密度和超长的循环使用性能。3、聚氨酯大分子单体及其聚合物的设计合成：通过分子设计，合成了一系列具有不同结构、性能的聚氨酯功能材料。4、基于功能砌块组装的聚氨酯复合材料的构筑及构效研究：将所合成的金属有机骨架材料和纳微米粒子加载到聚氨酯基体中，制备了可功能砌块组装的聚氨酯基功能复合材料，所构筑的聚氨酯基功能复合材料兼具金属有机骨架材料、纳微米粒子以及聚氨酯材料的性能，并呈现出优异的发光性能、光和热敏感性、吸附性等性质，为探索MOFs和NMPs在功能器件的应用奠定了基础。该项目研究，进一步揭示了配体、纳米粒子的类型、合成条件等因素对MOFs和NMPs的结构和功能的调控规律；探索了MOFs和NMPs与目标功能材料的构效关系，以及多功能模块间功能叠加下的协同和关联效应，得到了对该领域研究具有实际指导意义的结论、初步规律和潜在应用前景，为本领域的后续深入研究奠定了基础。