[发明专利]一种聚合物基二维拓扑材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种聚合物基二维拓扑材料及其制备方法和应用，其是以聚合物纳米片为结构单元，是一种新型柔性二维拓扑结构，所述聚合物纳米片理化性质、尺寸及搭接方式的充分可调节性，而表现出特殊的光、声、热、液体浸润等表界面性能。本发明的包括上述聚合物基二维拓扑结构的复合材料是聚合物基二维拓扑材料增强或功能化的具体体现并伴生丰富应用。所述的方法对不同种类的聚合物体系具有广泛的普适性；相分离微观结构可调节性较强，可产生丰富变化，所得多孔聚合物材料可具备多种功能；所述聚合物基二维拓扑材料及包括该材料的复合材料可以广泛应用于辐射降温，或用于高性能浮力材料、油性污染物的去除、隔热、声波阻尼、催化剂载体等领域中。

技术领域

本发明涉及多孔高分子材料加工技术领域，具体为一种聚合物基二维拓扑 材料及包括该材料的复合材料、二者的制备方法和应用。

背景技术

二维纳米片(Nanoflakes，NFLs)因其高比表面积和高活性位点暴露度的 特性而颇受关注，在能源、催化、环保、生物医疗等领域具有广泛应用。常见 的纳米片层材料一般通过控制晶体生长方式或采用特殊制备工艺得到，前者如 石墨烯、磷烯、氮化硼、MOFs等，后者如金属及其氧化物、过渡金属及其化合 物等。进一步地，基于二维纳米片构建三维多孔骨架(3D-NFLs)，即一种二 维拓扑材料，则可赋予二维材料丰富的宏观性能，其具有更为广泛的应用前景； 但尚存一些局限性。其一，通常二维拓扑材料的制备需引入特殊的牺牲模板或 化学交联结构，较为复杂且不具有普适性；其二，除石墨烯外，受NFLs本身力 学性能、分散性和可交联性限制，最终多孔结构难以实现比表面积和力学性能 的双优。此外，二维纳米材料高昂的制取成本在很大程度上阻碍了其走向实际 应用。可溶结晶性聚合物，尤其是超高分子量聚烯烃在这方面则具备独到的优 势。

由于溶液结晶所得晶片厚度为纳米级，通过调控热致相分离(TIPS)条件 可直接得到聚合物基3D-NFLs材料，但其性能需要进一步优化，相关研究也较 少。从早期的发泡材料到后来的气凝胶，虽然多孔聚合物材料已有悠久的发展 历史，但其中3D-NFLs结构却鲜有报道。主要原因在于仅通过发泡或原位固化 的方法难以将聚合物片层厚度控制在100nm以内(甚至更低)，更难以在低固 含量(所述固含量即在材料成型或固化前，聚合物相对于初始溶液体系的重量 分数)下得到具有较好力学性能的功能材料；而聚合物气凝胶的几何结构单元 一般为纳米颗粒或纤维。因此，研究和制备高性能聚合物基二维拓扑材料仍极具挑战性。

发明内容

为了解决前述诸多问题，本发明的目的之一是提供一种聚合物基二维拓扑 材料及其制备方法和应用。

本发明的目的之二是提供一种复合材料及其制备方法和应用，所述复合材 料包括上述的聚合物基二维拓扑材料。

发明人经过大量的实验研究和文献调研发现，基于热致相分离，利用高分 子与小分子粘弹性的显著差别以及在温度响应性上的差异，通过溶剂的选择、 并结合降温速率及梯度调控来改变相分离状态，可以在较低的初始聚合物固含 量下(可低至10^-5wt％量级)构建出连续的聚合物基二维拓扑结构。且与现有的 热致相分离法制备多孔聚合物材料工艺所不同的是，本发明所述方法中选用的 固态溶剂分子量较高，在热致相分离过程中会发生增黏、凝固或冻结，并且与 聚合物分子间有较强的作用力，这就强化了热致相分离温度变化对结构的影响， 同时大大延长热致相分离趋于平衡所需时间。

由此得到的聚合物基二维拓扑材料的结构及其性能均具备充足调节空间。 主要涉及到如下几个方面，其一，组成聚合物基二维拓扑结构的二维纳米片的 尺寸、搭接方式、取向及材料孔径大小对制备条件具有较高的响应性；其二， 热致相分离法(TIPs)为普适的方法，可根据预期功能选择不同的聚合物体系； 其三，得到的聚合物基二维拓扑材料易于实现多种官能团引入或功能材料负载。 由此，本发明制备的聚合物基二维拓扑材料不仅本身可作为功能材料，用于热 管理、吸附分离等，也可作为普适的柔性载体或模板。