高分子复合粘土纳米管及其性质研究

纳米管可应用在可控释放、热/声绝缘、智能流体、催化分离等众多领域。针对目前纳米管制备普遍存在的问题，本项目提出以廉价易得的粘土矿物-埃洛石纳米管为模板，通过埃洛石纳米管表面的原位复合、聚合接枝、高分子化学改性和功能物质复合等联合技术制备结构、组成可控的复合功能纳米管，并对其性质进行系统研究。主要围绕聚合接枝改性复合方法，开展两方面性质研究：1）润湿性，以改性粘土纳米管作为颗粒乳化剂，制备Pickering 乳液，通过不同的包覆方法，控制其结构和组成；2）敏感性，对粘土纳米管进行选择性溶解处理，在纳米管壁造就纳米孔通道，对孔通道及两端进行敏感性处理，进行封装物质、可控装载及释放的研究。这些工作尚未见文献报道，可对埃洛石纳米管的复合功能化提供一种普适的方法，同时可以指导开发更多功能的粘土矿物，从而提高我国丰富的非金属粘土矿物资源的利用率。

本项目提出以廉价易得的粘土矿物-埃洛石纳米管为模板，通过埃洛石纳米管表面的原位复合、聚合接枝、高分子化学改性和功能物质复合等联合技术制备结构、组成可控的复合功能纳米管，并对其润湿性能和敏感性能进行系统研究。在原位复合方面，通过调节体系pH值，常温下一步制备了锐钛矿型、锐钛矿/金红石混晶、金红石型TiO2复合粘土纳米管，避免了高温煅烧所引起的TiO2晶粒尺寸的改变和粘土纳米管结构改变等问题。进一步研究了光催化性能，结果表明：可见光下，锐钛矿粘土纳米管、锐钛矿-金红石混晶的粘土复合纳米管的光催化性能均优于P25和粘土纳米管，且锐钛矿-金红石混晶的粘土纳米管光催化性能较强。将上述常温液相制备结晶TiO2/粘土纳米管的方法进一步延伸至其它结晶无机物及金属、聚合物复合粘土纳米管的制备中。在聚合物改性粘土纳米管的制备、官能团转化及凝胶化方面，围绕ATRP制备了聚合物改性粘土纳米管，并对聚合物改性的粘土纳米管进一步改性衍生高分子凝胶，以凝胶特性诱导功能物质优先生长（如磁性金属镍纳米颗粒、导电性聚苯胺、无机TiO2等），实现对其尺寸、组成、晶体结构的调控。在复合功能粘土纳米管润湿性能研究方面，发展了简单可大规模生产制备Janus纳米管和微胶囊的方法，具有普适性。通过常规的硅氧偶联剂对粘土纳米管的内/外表面同时改性，再通过HCl选择性刻蚀内表面的Al2O3，得到内/外表面性质不同的Janus纳米管，Janus纳米管的空腔尺寸、形状和润湿性可通过刻蚀时间进行调控，同时可对其功能性和形状进行衍生，制备出一系列复合的Janus纳米管和纳米片。以不同润湿性的复合功能粘土纳米管作为颗粒乳化剂，制备了Pickering 乳液，再结合溶胶-凝胶、溶剂挥发诱导相分离、界面聚合等手段，得到不同组成及结构的中空、实心、毛刺状微胶囊。在复合功能粘土纳米管敏感性能研究方面，利用酸选择性地去除复合粘土纳米管中的Al2O3，通过调节刻蚀时间，控制空腔和比表面积的大小。进一步利用化学方法对刻蚀粘土纳米管进行化学改性，如硅烷偶联剂改性并进行ATRP反应引入特定官能团，赋予敏感特性。利用响应型聚合物水凝胶的敏感特性控制聚合物交联网络的膨胀和收缩，实现了粘土矿物负载型催化剂催化活性的调节和功能物质的可控装载及释放。