有机纳米材料

有机纳米材料

有机(高分子) 纳米颗粒材料是纳米材料的重要组成部分, 它具有稳定的形态结构, 可通过选择聚合方式和聚合单体从分子水平上来设计合成和制备, 且易控制其尺寸大小和颗粒的均一性, 使之在具有小尺寸效应、表面效应和量子隧道效应的同时, 还具有其他特定功能, 如温度、pH、电场和磁场等响应性。由于高分子纳米颗粒材料分子结构的可设计性正日益受到科学工作者的关注, 进而也更加快了其开发应用的步伐。美国等西方发达国家在这一研究领域起步较早, 技术力量已相当强; 日本也在这一研究领域中投入大量人力和财力, 获得了众多的成果与专利; 近年来我国虽有不少科研人员开始从事该领域的工作, 并取得了一定的基础研究成果, 但总的来说与国外相比仍有一定的差距。传统合成高分子颗粒的方法很多, 如乳液聚合、沉淀聚合、种子聚合和分散聚合等。乳液聚合(无皂乳液聚合除外) 和分散聚合虽能得到纳米级颗粒材料, 但由于在颗粒(微球) 表面吸附的表面活性剂(分散稳定剂) 等脱除困难, 在生物工程与医疗上的应用受到很大限制。沉淀聚合和种子聚合等合成的微球直径较大, 表面缺少亲水性官能基团, 分散稳定性较差, 在生物工程与医疗应用方面也受到限制。近年来, 国外已有关于用分散共聚反应法合成纳米到微米级微球的报道, 其关键是亲水性或双亲性大分子单体的制备、共聚反应条件的选择和较高的脱氧要求。此方法可根据实际需要进行分子设计, 解决了分散稳定剂或表面活性剂在微球表面的物理吸附问题。作者着重对几种常见有机纳米颗料材料的制备方法与特点、性能及表征加以简单的阐述。

1 纳米颗粒材料的制备方法

111 乳液聚合法

乳液聚合法是制备聚合物的主要实施方法之一。由于乳液聚合法和聚合物乳液产品有着许多优点, 尤其是它以水为介质代表了当今由溶剂型向水性产品转换的发展方向, 这赋予了乳液聚合技术和聚合物乳液应用技术以强大的生命力。目前在世界范围内该法被用来大量制备各种类型的聚合物或聚合物乳液, 其产品已广泛地应用于各个技术领域中。乳液聚合技术发展至今已有80 余年的历史, 比较有代表性的是Harkins、Smith 及Ewart 的工作。前者提出了定性理论, 后两者则在前者的基础上提出了定量理论[1 ] , 为现代乳液聚合技术和理论奠定了基础。随着乳液聚合理论的不断深化及乳液聚合物生产水平的不断提高, 乳液聚合技术也在不断发展和创新, 派生出不少乳液聚合新的分支, 目前出现了许多新的乳液聚合方法, 如反相乳液聚合、非水质中的正相乳液聚合、无皂乳液聚合、微乳聚合、乳液缩聚、制备具有互穿网络结构乳胶粒的乳液聚合、辐射乳液聚合和种子乳液聚合等。乳液聚合体系的特点有: 反应中心胶粒直径小, 易散热; 具有高的聚合反应速度, 又可获得高分子质量的聚合物; 以水代替溶剂是发展的方向; 生产灵活性大; 聚合物乳液可直接利用; 聚合反应过程设备简单, 操作方便, 不污染环境。所生产的乳液聚合物和聚合物乳液已广泛应用于石油开采、皮革、生物医学、工业涂装, 纺织印染及建筑等各个技术领域。根据乳液聚合的动力学特征, 可将整个聚合过程分为3 个阶段[2 ] 。在加入引发剂前, 体系中没有聚合反应发生, 只是在乳化剂稳定作用和机械搅拌下, 把单体以珠滴的形式分散在水相中, 变为乳状液, 因此可称为乳化阶段。由聚合反应开始到胶束消失一段时间为阶段Ⅰ, 在这一阶段将生成大量乳胶粒, 亦称为成核阶段。胶束耗尽到单体珠滴消失一段时间为阶段Ⅱ, 在这一阶段乳胶粒不断长大, 称为乳胶

粒长大阶段。由单体珠滴消失至达到所要求的单体转化率一段时间间隔为阶段Ⅲ, 该阶段又叫聚合反应完成阶段。另根据需要在体系中还可加入其他组分, 如助乳化剂、分子质量调节剂和pH 值缓冲剂等。不管是非水溶性还是水溶性单体, 从理论上来说, 任何能进行自由基加成聚合反应的单体都可用乳液聚合法来制备

聚合物。非水溶性单体可进行正相(O/ W) 乳液聚合;而水溶性单体可进行反相(W/ O) 乳液聚合。在乳液聚合体系中乳化剂起着至关重要的作用, 它可被吸附在单体珠滴和乳胶粒表面上, 形成稳定的聚合物乳液, 还直接影响到乳液聚合

的反应速率。按乳化剂亲水基团的性质可将其分为4 类: 阴离子型、阳离子型、两性和非离子型乳化剂。近年, 国内外关于合成高分子纳米颗粒的方法有很多集中在该体系, 如Ford[3 ] 、Chew[4 ] 、徐相凌[5 ] 、闫翠娥[6 ]等的工作, 均取得了较好的成绩。112 分散聚合法分散聚合是一种20 世纪70 年代初由英国ICI 公司的研究者们首先提出的新的聚合物制备方法。严格来讲, 分散聚合本质上是一类特殊的沉淀聚合。目前普遍接受的反应成核机理及粒子稳定的机理有两种:齐聚物沉淀成核和接枝共聚物聚结成核机理。齐聚物沉淀成核机理: 单体、稳定剂和引发剂溶解在介质中; 反应开始后, 引发剂分解生成自由基,在介质内引发单体聚合, 生成溶于介质的齐聚物。当聚合物链增长达到临界链长时, 从介质中析出并通过自身或相互缠结、聚并成核。此时所生成的核并不稳定, 需要吸附介质中的稳定剂分子, 同时进一步聚并, 直至形成稳定的聚合物颗粒为止。当形成的稳定颗粒数量足以捕捉介质中继续产生的自由基活性链和新的聚合物小

颗粒时, 体系内不再形成新的核, 成核阶段结束。已经生成的核进一步捕捉介质中的单体和自由基, 成为被单体溶胀的聚合物颗粒, 并在颗粒内继续反应, 即

粒子增长阶段, 直至单体耗尽。而根据接枝共聚物聚结成核机理, 在反应开始后, 溶液中的自由基在稳定剂分子链的活泼氢位置上进行接枝反应, 形成接枝共聚物。这些接枝共聚物中的接枝链聚结成核, 稳定剂链段则伸向介质, 使粒子稳定地悬浮于介质中, 成核阶段结束。生成的粒子继续吸附介质中的单体和自由基, 进行聚合反应, 使聚合的粒子不断长大, 直至单体耗尽。一般来说, 分散聚合是以齐聚物沉淀成核机理进行, 同时稳定剂的接枝共聚物也参与成核, 其中稳定

剂分子可通过物理吸附和锚式吸附对粒子起稳定的作用。由分散聚合制备的有机聚合物颗粒与乳液聚合的相比, 一般较大, 但改变反应条件如增加分散稳定剂

的用量、增加搅拌速度等可控制颗粒直径在纳米尺寸范围。其代表性工作有Paine[7 ]和Covolan[8 ]等对分散聚合体系的研究, 他们均取得了很好的成绩, 但国内对此方面的研究还较少。113 自组装法自组装法即通过分子间特殊的相互作用, 如静电吸引、氢键、疏水性缔合等, 组装成有序的纳米结构, 实现高性能化和多功能化。纳米结构的自组装体系的形成有两个重要的条件: 一是有足够的非共价键或氢键存在; 二是自组装体系能量低, 否则很难形成稳定的自组装

体系。其成核机理如下: 可通过自组装法制备成颗粒或微球的聚合物一般为双亲聚合物, 其分子链中一部分为亲水部分, 而另一部分为疏水部分。正是这种特殊分子结构使得其在溶剂中可通过类似于表面活性剂形成胶束的过程来形成具有

核- 壳结构的聚合物微球。微球的形成是两种力共同作用的结果, 一个是导致分子缔合的吸引力, 包括范得华力、电荷作用、氢键作用等; 另一个则是阻止微球无限制增长形成宏观态的排斥力。利用该技术制备纳米材料的研究工作已有很多: ①纳米棒, 如Radzilowski[9 ]等发现的刚性棒状嵌段和一个柔性线圈状嵌段自组织形成的长条形的聚集体; ②纳米管, 美国Li[10 ]等人合成的β- 和γ- 环糊精纳米管, 直径为2 nm; ③多层膜, 由美国伊利诺伊大学[11 ]成功自组装合