[发明专利]一种利用氢键构建的纳米多孔聚合物薄膜材料

说明书

本发明公开了一种利用氢键构建的纳米多孔聚合物薄膜材料。通过两种小分子之间氨基和羧基的氢键超分子相互作用能够组装得到规整的柱状相结构，进一步通过光交联和溶剂刻蚀即可制备得到所述的纳米多孔聚合物薄膜。该多孔聚合物薄膜具有很好的热稳定性、自支撑性以及耐溶剂性。其孔径大小约为1nm并且孔径分布均一，符合纳滤膜孔径要求，能够应用于纳滤膜的制备以及海水淡化方面。其制备过程简单易操作，便于进一步大面积制备。同时，孔径内部分布的羧基可以进一步进行化学修饰，有望应用于催化以及纳米模板等方面。

技术领域

本发明涉及多孔材料，尤其涉及孔径分布均一且孔径大小约为1nm的纳米多孔聚合物薄膜材料，主要应用在纳滤膜、海水净化、催化以及纳米模板等方面，属于材料化学领域。

背景技术

随着经济的发展和生活水平的不断提高，人们生活、商业以及农业对于水资源纯净度的要求不断提高，这对于水净化技术的发展提出了严峻的挑战。传统的水净化主要利用具有多孔结构的滤膜将杂质进行分离去除。泥垢等杂质可以利用大孔材料进行过滤处理，但是针对离子以及小分子等杂质则需要使用孔径更小(～1nm)的多孔薄膜材料。聚酰亚胺薄膜是目前广泛商用的水处理膜。但是其具有孔径大小不均一、孔径较大等缺点，这也限制了其进一步的应用和发展。因此，制备具有近1nm的均匀微孔的薄膜材料是重点研究目标。

近1nm的多孔薄膜材料主要分为两种体系：无机材料和聚合物。利用聚合物来构建多孔材料的方法由于易实现大的有序度以及孔隙度，易加工，易修饰，相对于活性炭、多孔硅等无机材料又可以在有机溶剂中保持良好的孔洞形状等特点，受到更多科研工作者的青睐。由于嵌段共聚物自组装尺寸的局限性，目前构建近1nm的多孔薄膜材料主要依靠于小分子的自组装来实现。

超分子组装体系是通过不同化合物之间的分子间相互作用形成具有特定结构和功能的聚集体体系，主要包括静电相互作用、氢键、疏水相互作用、范德华力等。其中，氢键是一种具有方向性的作用力，且强度适中，因此，利用氢键构建的超分子体系更利于分子取向。由于传统的小分子组装没办法保证薄膜的强度，因此需要通过交联进一步制备得到聚合物薄膜材料，提高其稳定性。多孔薄膜材料的多孔结构主要是通过刻蚀来实现。借助氢键的动态性特点，超分子组装体系可以通过更为简便的溶剂刻蚀方法得到多孔聚合物薄膜材料。

发明内容

本发明旨在开发一种构建孔径分布均一且孔径大小约为1nm的新型纳米多孔聚合物薄膜材料的方法，制备所得的纳米多孔聚合物薄膜材料可以应用在纳滤膜、海水净化等领域，同时孔径内部的羧基官能团可以进行进一步化学修饰，有望应用于催化以及纳米模板等方面。

本发明主要针对现有用于海水淡化的聚酰亚胺薄膜不具有均一多孔结构等的问题，借鉴基于氢键的超分子组装体的设计思路，利用光交联和溶剂刻蚀，构筑了孔径分布均一且孔径大小约为1nm的纳米多孔聚合物薄膜材料。本发明采用的是模板分子A和配体分子B之间的氢键相互作用组装成具有柱状相的超分子复合物，进一步通过紫外光交联形成具有一定稳定性以及柱状相结构的聚合物薄膜，再通过溶剂刻蚀将模板分子A洗去，从而得到孔径分布均一且孔径大小约为0.5～1.5nm的纳米多孔聚合物薄膜材料。由于制备过程中采用紫外光交联的方法将小分子之间紧密交联，因此可以使得纳米多孔的聚合物薄膜材料具有一定的热稳定性、自支撑性和耐溶剂性，有望应用在纳滤膜构建和净水技术方面。同时，孔径内部的羧基官能团可进一步进行化学修饰，有望应用于催化以及纳米模板等方面，大大拓宽其应用前景。

具体的，如图1所示，所述模板分子A为能够形成三重配位氢键的分子，能够与之形成氢键、分子末端含有可交联基团的分子为配体分子B，按一定比例利用氢键复合，通过自组装形成规则均匀的柱状相结构；然后通过交联方法固定相结构，再利用溶剂选择性刻蚀去除模板分子，即可得到含有1nm左右孔径的多孔薄膜材料。

所述的模板分子A是三聚氰胺衍生物，其结构如式I所示：