淺析高分子復(fù)合材料微加工

吳代烜

摘 要：研究高分子材料微加工對(duì)改善材料性能、提高生產(chǎn)效率有積極意義。本文分析當(dāng)前高分子材料研究熱點(diǎn)和瓶頸；分析復(fù)合功能中空微球和Janus顆粒兩種高分子材料；分析Janus顆粒常用制備方法和特殊制備方法。

關(guān)鍵詞：高分子材料；微球加工；改性研究

0 引言

對(duì)高分子材料的微觀加工和改造一直是高分子微觀材料研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)?？茖W(xué)家能否精確控制高分析材料的微觀結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確定位不同空間復(fù)合點(diǎn)，并增強(qiáng)高分子材料批量生產(chǎn)的能力是高分子材料改性研究水平的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。目前，高分子材料微觀改性研究中主要問題是：第一，如何做好對(duì)中空薄球的組成、厚度和完整性的控制；二是如何保障中空薄球兩側(cè)物質(zhì)和能量的交換；三是如何簡(jiǎn)易操作，增強(qiáng)高分子材料微觀加工改性的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

1 復(fù)合功能中空微球

中空球內(nèi)部有空洞的化學(xué)微觀顆粒，對(duì)光、電、熱等具有特殊作用，能夠形成保溫、隔熱等效果。目前，復(fù)合功能中空微球的制備主要涉及實(shí)心聚合物模板。實(shí)心聚合物模板的基本思路是：以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)，在微球模板中引入高分析凝膠物質(zhì)，形成微球表面結(jié)構(gòu)官能團(tuán)，改變微球表面的化學(xué)環(huán)境。同時(shí)，利用高分析凝膠的滲透作用，深入球體內(nèi)部，對(duì)球體內(nèi)部尺寸進(jìn)行調(diào)整和更新。這種方法能增強(qiáng)微球調(diào)節(jié)的連續(xù)性，提高微球改性的生產(chǎn)效率。

2 Janus顆粒及其常用制備方法

（一）Janus顆粒

Janus顆粒是一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。1989 年法國(guó)學(xué)者采用Janus來命名這種化學(xué)結(jié)構(gòu)。Janus一詞來源于古希臘，原指具有兩張不同臉型的神。Janus顆粒的關(guān)鍵特征是化學(xué)組成和空間結(jié)構(gòu)的雙面性，Janus結(jié)構(gòu)的雙面性猶如條形磁鐵同時(shí)具有正負(fù)級(jí)一樣，能夠在同一顆粒中產(chǎn)生相反的化學(xué)特性；Janus顆粒在空間結(jié)構(gòu)上的非對(duì)稱性，使其具有自組裝、靶位識(shí)別等特性。因此，Janus顆粒在采油、電子墨水、納米推進(jìn)器等領(lǐng)域具有重要作用。

（二）Janus顆粒常用制備方法

（1）界面保護(hù)法

界面保護(hù)法的基本原理是基于界面將膠體顆粒分兩部分，再根據(jù)膠體顆粒的不同特性進(jìn)行改性或功能復(fù)合，其關(guān)鍵是為了去除膠體表面界面的不糊性能，界面可分為2D和3D兩種。2D法能實(shí)現(xiàn)膠體顆粒結(jié)構(gòu)的精確控制，較簡(jiǎn)便直接，但生產(chǎn)產(chǎn)量較少，應(yīng)用價(jià)值不大。而3D法則有利于增加生產(chǎn)產(chǎn)量，常采用Pickering乳液法，即以改性SiO2為乳化劑，形成石蠟和水組成的乳液環(huán)境，SiO2漂浮或鑲嵌在乳液表面，再通過硅烷偶聯(lián)劑將表面SiO2去除。

（2）相分離法

非對(duì)稱結(jié)構(gòu)膠體聚合物分離還可采用誘導(dǎo)相位分離的方法。目前，較為成熟的是對(duì)啞鈴狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性。美國(guó)科學(xué)家通過溶脹單體性能改變，分析不同啞鈴狀聚合物的構(gòu)成要素，并設(shè)計(jì)聚合物功能反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)聚合物表面性能的改良，使膠體顆粒具有雙親性。

（3）微加工法

微加工法具有較好的可操作性，目前較為成熟的技術(shù)包括：微流體法、電紡絲法。這兩種方法能夠調(diào)整和改善膠體顆粒的功能結(jié)構(gòu)，以此改變膠體的性能。但是，這兩種方法仍存在一定缺陷，即無法解決批量生產(chǎn)和較小尺寸結(jié)構(gòu)調(diào)整。

3 Janus顆粒特殊制備方法

常見的Janus制備方法對(duì)高分析膠體顆粒的精確調(diào)控和批量制備有一定的局限性，為此，筆者分析了幾種有利于解決上述問題的制備方法。

（1）雙相ATRP接枝制備

通過分析界面保護(hù)法，我們發(fā)現(xiàn)分散于界面的膠體顆粒容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致對(duì)膠體進(jìn)行改性時(shí)，這些膠體顆粒始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，Ganick采用石蠟固定部分膠體顆粒，再對(duì)未被覆蓋的膠體顆粒進(jìn)行改性，這種方式較為繁瑣。為此，筆者設(shè)計(jì)一種雙向同時(shí)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）接枝技術(shù)?；舅悸肥牵篠iO2顆粒表面經(jīng)過偶聯(lián)劑改性后，可以穩(wěn)定Pi乳液，偶聯(lián)劑中存在芐基氯，可以在油性和水性中同時(shí)發(fā)生ATRP反應(yīng)，這樣可以將SiO2兩個(gè)區(qū)域固定在PS和PAM中。

（2）基于化學(xué)腐蝕方法的Janus顆粒制備

結(jié)構(gòu)控制也是Janus顆粒制備的關(guān)鍵。筆者仍通過Pickering乳液，對(duì)Janus顆粒非球形改性措施進(jìn)行優(yōu)化。首先，將石蠟覆蓋部分SiO2表面，再通過刻蝕劑對(duì)尚未被石蠟覆蓋的SiO2表面進(jìn)行腐蝕，通過一定時(shí)間的刻蝕，球形的顆粒逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉乔蛐蔚哪z體顆粒，如蘑菇型等。同時(shí)，在膠體表面尚未進(jìn)行刻蝕的表面仍具有功能基團(tuán)，這些功能基團(tuán)可以通過表面接枝形式聚合。

（3）Janus批量制備方法

批量制備時(shí)進(jìn)行高分子材料改性的關(guān)鍵內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)從科學(xué)研究向生產(chǎn)實(shí)踐的過渡。目前，學(xué)術(shù)界關(guān)于批量制備Janus顆粒的方法主要有：基于表面潤(rùn)濕--去潤(rùn)濕原理和基于多組分聚合物的誘導(dǎo)分離原理。

基于表面潤(rùn)濕--去潤(rùn)濕原理。通常采用乳液復(fù)合技術(shù)，制備復(fù)合Janus顆粒，科學(xué)家研究此過程中相關(guān)影響因素，分析化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。還可以通過無機(jī)表面刻蝕、硅烷歐聯(lián)改性等方式，拓展Janus顆粒結(jié)構(gòu)，通過無機(jī)表面刻蝕的方式，能夠很好的實(shí)現(xiàn)顆粒表面的平衡控制，增強(qiáng)高分子聚合過程中小分子的相互誘導(dǎo)。

基于多組分聚合物的誘導(dǎo)分離原理。該方法用于制備Janus顆粒中空球，利用溶脹技術(shù)，形成化學(xué)官能團(tuán)的改性，并增強(qiáng)誘導(dǎo)物質(zhì)的生長(zhǎng)能力，由此可以產(chǎn)生一系列的Janus顆粒結(jié)構(gòu)，如SiO2/PS、TiO2/PS等。這種Janus的制備方式，具有較好的組成純度，為薄球模板形態(tài)。通過控制反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)量，可以調(diào)整Janus顆粒的平衡性，為批量控制做好準(zhǔn)備。

4 結(jié)語(yǔ)

高分子材料微觀改性研究是高分子材料的重要研究領(lǐng)域，研究高分子材料微觀加工的關(guān)鍵，一是尋找材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組合方式；二是改善材料表面識(shí)別官能團(tuán)的位置和性能；三是研究高分子材料批量改性生產(chǎn)的途徑和方式。

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