聚碳酸酯多孔整体材料的制备与性能研究

摘要

聚合物多孔整体材料(Porous polymer monolith)是一类具有一定形状的多孔材料，因具有密度低、比表面积大、孔隙率高、质量传递效率佳、易化学改性等优点，在色谱分离、吸附、催化等领域具有广阔的应用前景，已成为新型材料的研究热点之一。目前，制备聚合物多孔整体材料的方法主要有原位聚合法、气体发泡法、自组装法和相分离法等。其中，相分离法由于具有简单、易操作、低成本等优势得到科研人员的广泛关注。相分离法是通过在聚合物溶液体系中加入非溶剂或降温的方式，破坏溶液体系的热力学平衡，引发相分离形成聚合物富相和溶剂富相，随后通过溶剂萃取和冷冻干燥等方法除去体系中的残余溶剂，最终得到具有多孔结构的聚合物材料。通过改变相分离法中的聚合物浓度、相分离温度和非溶剂类型等制备条件，可以实现对多孔结构的有效调控。
　　本文首先采用热影响非溶剂诱导相分离法(TINIPS)制备出具有三维连通纳米纤维状骨架的聚碳酸酯(PC)多孔整体材料，进而探讨了制备工艺条件（非溶剂类型、相分离温度和聚合物浓度）对材料微观结构的影响机理和规律。得到结论如下：(1)水为非溶剂、高相分离温度和低聚合物浓度的制备条件更有利于旋节线相分离的进行，最终形成具有纳米纤维状骨架的三维连通多孔结构；(2)得出最佳的制备工艺条件（PC浓度为70 mg/mL、非溶剂为水和相分离温度为4 oC），此条件下制得的试样呈现由纳米纤维骨架和连通介孔组成的独特鸟巢状结构，比表面积大且孔径分布窄；(3)结合制备条件特点和相分离机理阐明了多孔结构的形成机理，即最初形成双连续的聚合物富相和溶剂富相结构，随后溶剂富相变为液滴状的分散相并逐步生长粗化，最终形成三维连通多孔结构；(4)部分PC分子链结晶并形成微晶结构，在相分离过程中充当了交联点，有利于纳米纤维状骨架结构的形成。
　　随后，对PC多孔整体材料的疏水、吸油和热稳定性能进行研究，建立了微观多孔结构—性能之间的关系。结果表明：(1)多孔结构导致的表面粗糙度升高和“气穴”效应，PC多孔整体材料具有优异的疏水性能（接触角达143.9o），因而表现出自清洁和高油吸附量的特性；(2)三维连通介孔结构有利于挥发性产物扩散和热量传递，PC多孔整体材料的热降解起始温度降低，热稳定性减弱；(3)PC多孔整体材料的热降解反应主要有碳酸酯键的水解/醇解、异亚丙基裂解和碳酸酯键的重排反应等；(4)热降解过程中，多孔结构被逐渐破坏并逐渐形成致密炭化层，提高了热降解的活化能。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 聚合物多孔整体材料的制备方法

1.2.1 原位聚合法

1.2.2 自组装法

1.2.3 气体发泡法

1.2.4 相分离法

1.3 聚合物多孔整体材料的应用

1.2.1 色谱分离

1.2.2 吸附材料

1.2.3 催化载体

1.2.4 模板合成

1.2.5 表面增强拉曼光谱

1.4 相分离法的研究现状

1.4.1 相分离法的制备条件

1.4.2 多孔材料的微观结构

1.5 本论文的研究意义及研究内容

1.5.1 研究意义

1.5.2 研究内容

2 PC多孔整体材料的制备与微观结构研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料及仪器

2.2.2 PC多孔整体材料的制备

2.2.3 微观结构表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 材料微观形貌

2.3.2 多孔结构形成机理

2.3.3 比表面积及孔径分布

2.3.4 结晶行为

2.4 本章小结

3 PC多孔整体材料的性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验原料及仪器

3.2.2 性能表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 疏水性能

3.3.2 吸油性能

3.3.3 热稳定性能

3.4 本章小结

4 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果

致谢