[发明专利]一种苯并噁嗪树脂纳米聚合物球及炭球的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及球形纳米材料可控制备的领域，更具体的说是涉及一种简便的制备单分散、尺寸可控、富氮纳米聚合物球，并以此纳米聚合物球为前躯体炭化得纳米炭球的技术。

背景技术

球形纳米材料因其独特的形貌特征和优异的性能得到了广泛的关注和应用。球状结构、粒径大小几十纳米至几十微米、单分散的球形材料在吸附、催化剂载体、光子晶体、药物缓释、纳米器件、储气储能、润滑剂等发面取得了广泛的应用。常见单分散的球形纳米材料包括无机氧化物球、有机聚合物球、炭球等。

目前研究较多、工艺技术较成熟的是无机氧化物球如氧化硅球，在几代科研工作者的努力下，可以达到单分散、粒径可控的工艺，但是由于其无机特性，易被酸碱腐蚀，在一些苛刻的条件下无法达到令人满意的效果。于是有机聚合物球和炭球得到了人们的广泛关注。

单分散纳米聚合物球，由于其均一的物理化学性能，表面丰富可控的官能团，在载体催化、免疫分析、生物化学、分析化学、情报信息、微电子领域、液晶电视等一些高新技术领域有着广泛的应用。

制备单分散聚合物球的传统方法，如乳液聚合、悬浮聚合、分散聚合等，常见的有机聚合物球有聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛树脂等。大部分高分子聚合物球如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等虽然能得到单分散的产品，由于具有较低的分解温度，在一定程度上限制了它们的应用。酚醛树脂则不存在低温分解的问题，并且有较高的残炭量，但是由于酚醛单体都具有较高的反应活性，反应不易控制，现存工艺得到的酚醛树脂聚合物球大部分都是多分散的，球形材料流动性强，动力学性能好的特性得不到体现。因此制备单分散的酚醛树脂聚合物球便显得尤为重要。

苯并噁嗪树脂作为新型的酚醛树脂，除了保留了传统酚醛树脂的优点外，还改善了其缺点，例如，聚合过程中无小分子放出，不用强腐蚀性的强酸或强碱做固化剂，而且苯并噁嗪最显著的特点是分子结构的可设计性强，可以根据应用的需要，选择不同的酚源或者胺源，合成出不同结构的苯并噁嗪，达到进一步改善目标产物综合性能的目的。

由于酚醛树脂在一定的温度下有较高的残炭量，所以苯并噁嗪树脂及其他酚醛树脂的另外一个应用优势就是可直接热缩聚得到相应的炭材料。球形炭材料更是具有耐热、耐化学腐蚀、强度高、微孔丰富及比表面积可调等特点，在吸附、催化剂载体、储气储能、光子晶体、分子模拟、药物缓释、纳米器件等发面取得了广泛的应用。

目前针对纳米炭球的合成有化学气相沉积、等离子体沉积、催化热解、直接热缩聚法，液相乳化法、悬浮法等方法，但多数合成方法能耗高、设备昂贵，或操作复杂，产品大小不均，或是只是某些反应的副产物，因而分离纯化困难。在这些制备纳米炭球的方法中，直接热缩聚法步骤简单易操作，设备简单易实现，是现在工业应用最广泛的方法之一。但是如何得到单分散尺寸均一的聚合物球是待解决的前提条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够制备出单分散的、尺寸均一的苯并噁嗪树脂纳米聚合物球及炭球的方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：以酚、醛、胺为原料，水为溶剂，经低温聚合制备单分散的纳米聚合物球；具体包括如下步骤：

将酚按比例溶解于水中，加入表面活性剂搅拌均匀，再加入醛继续搅拌均匀，快速将胺注入到反应液中，此时可见澄清透明的反应液在1min之内变成白色胶体。待体系稳定后，将上述反应液移至50-90℃水浴锅中，搅拌4-24h，优选10-24h，得到单分散的纳米聚合物球的水溶液，离心洗涤后，将产物置于室温或者50℃烘箱干燥过夜，得到粒径在90nm-700nm的苯并噁嗪树脂纳米聚合物球。本发明中，酚与醛的摩尔比为1∶1-1∶3，酚与胺的摩尔比为1∶0.1-1∶2，酚与水的质量比为1∶200-1∶3000，酚与表面活性剂的摩尔比为100∶1-100∶7。

制备方法中所述酚为双酚A、苯酚、间苯二酚中的一种；所述醛为甲醛、多聚甲醛、糠醛、戊二醛中的一种，其中甲醛、多聚甲醛、糠醛常配置为37wt.％的溶液使用，戊二醛常配置为25wt.％的溶液使用；所述胺为N-甲基咪唑、赖氨酸、乙二胺、1，4-丁二胺、1，6-己二胺、1，8-辛二胺、苯胺中的一种；所述表面活性剂为聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物P123(Pluronic-P123)、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物F127(Pluronic-F127)、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、油酸中的一种。