[发明专利]官能化的多孔聚合物纳米复合材料

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年10月9日提交的美国临时申请号62/062,035的优先权，其全部内容通过参考并入本文。

发明背景

学术界以及针对各种应用，比如气体分离、水纯化和传感器的工业对于功能性多孔聚合物膜非常感兴趣。多孔结构可不仅仅降低材料的密度，而且可也增加表面/界面面积。存在制造多孔膜的数种方法，比如称为‘呼吸图(breathfigure)’(BF)技术的水滴的自组装、水/油乳化技术和拉伸技术。这些技术关注孔结构(例如，尺寸)的控制。

发明内容

该技术涉及通过有效的和容易的方法，开发具有设计的官能作用的多孔聚合物纳米复合材料，用于广泛的应用，比如电子学、能源和环境。

简言之，根据一个方面，提供了多孔聚合物纳米复合材料。多孔聚合物纳米复合材料包括纳米颗粒和包括孔的聚合物基质，其中至少约10％的纳米颗粒(NPs)在孔的表面上。

根据另一方面，提供了乳液组合物。乳液组合物包括形成乳液的第一相和第二相。第一相包括第一溶剂中的纳米颗粒的悬液。第二相包括第二溶剂中的聚合物溶液。第一溶剂和第二溶剂不彼此混溶。乳液组合物用于制备本文所述的多孔聚合物纳米复合材料。

根据另一方面，提供了制备多孔聚合物纳米复合材料的方法。方法包括通过混合第一相和第二相制备包括第一相和第二相的乳液组合物。第一相包括第一溶剂中的纳米颗粒的悬液。第二相包括第二溶剂中的聚合物溶液。第一溶剂和第二溶剂不混溶。然后在衬底上浇注乳液组合物，以形成膜。干燥膜，以形成多孔聚合物纳米复合材料。

前述内容仅仅是示意性的，而决不旨在是限制性的。除了上述示意性方面、实施方式和特征，通过参考附图和下述详细说明，进一步的方面、实施方式和特征将变得显而易见。

这些和其他方面更详细描述在下面的文本中。

附图简述

图1图解了根据本发明的技术制备具有可控的纳米颗粒分散/分布的多孔聚合纳米复合材料的程序的例子。

图2(a)图解了通过包括两个相——聚合物溶液和纳米颗粒(NP)悬液——的乳液，制备多孔纳米复合材料的例子。图2(b)图解了乳液的组分/结构的示意图。图2(c)是多孔纳米复合材料膜干燥之后的数字照片。图2(d)和2(e)分别是多孔膜的表面(接触衬底)和破裂表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。比例棒:2(d)100μm，2(e)10μm。图2(f)是NP的受控制的分布的示意图。

图3(a)图解多孔膜的电特性的碳纳米管(CNT)装载依赖特性(草图显示传导渗滤形成的机制)。图3(b)是通过多孔结构构建的导电网络的光学图像。图3(c)是显示孔表面上NP的分布的SEM图像。

图4(a)–4(e)是破裂表面例子的SEM图像，其显示随着增加NP装载的孔结构(0.15的固定水/油(W/O)比被用于所有的浓度，比例棒：50μm)。图4(f)是作为NPs装载的函数的孔直径的图的例子。

图5(a)–5(d)阐释通过改变W/O体积比(NPs的总体装载是2重量百分数(wt％))对NPs的分布(孔结构)的控制，如通过光学图像揭示：(a)0.05，(b)0.15，(c)0.2和(d)0.3(比例棒：20μm)。图5(e)是W/O比对NPs的分布的作用的示意图。图5(f)是导电率分布状态依赖特性的图。

图6(a)-6(d)是具有受控制的NPs分布的多孔膜的例子的光学图像。(a)5×，(b)20×，(c)50×和(d)100×。

图7(a)-7(c)图解了对于具有以下不同装载的样品的NPs(MWCNTs)在孔上的分布：(a)1wt％(b)2wt％和(c)3wt％。在孔的表面上发现NPs，如通过具有高放大率的SEM图像显示的。

图8图解了对于具有2wt％的多壁碳纳米管(MWCNT)和0.15的W/O比的样品，膜厚度对孔尺寸的作用。插入物是多孔膜的破裂表面的SEM图像。比例棒：20μm。

图9(a)–9(d)是W/O比分别为0.1、0.15、0.2和0.3的样品的破裂表面的SEM图像，其显示具有2wt％MWCNT的多孔纳米复合材料的例子的孔尺寸的W/O比依赖特性。图9(e)显示作为W/O比的函数的孔的平均尺寸。