有机硅多孔聚合物的制备及性能研究

有机硅多孔聚合物的制备及性能研究

基于三嗪环的共价有机多孔材料（CTFs）具有高孔隙率、低骨架密度、低失重率、孔性能可调等优点,被广泛应用于气体吸附与分离、污水净化、生物传感等领域。但是目前用于制备CTFs材料的合成单元主要为芳香腈化合物,种类有限,并且由于其结构的特殊性,功能化困难,从某种程度上限制了CTFs种类及应用范围,因此设计合成更多适宜制备CTFs的构筑单元并实现其功能化是非常有必要的。

本文中,我们将苯腈基引入有机硅单体,设计合成新的CTFs构筑单元,从而制备出一系列含硅三嗪基多孔聚合物（Si-CTFs）,优化其制备条件,研究其功能化的可能性,并探索其在气体吸附和污水处理方面的应用价值。本文首先利用四种不同结构的氯硅烷,在正丁基锂辅助条件下,分别与4-溴苯腈反应合成四种对应结构的苯腈基硅烷单体:甲基三苯腈基硅烷（MTCS）、二甲基二苯腈基硅烷（DMDCS）、乙烯基三苯腈基硅烷（VTCS）和甲基乙烯基二苯腈基硅烷（MVDCS）,并借助红外谱图（FTIR）、核磁共振氢谱及碳谱(¹H-NMR、

¹³C-NMR)和元素分析等手法表征了产物的结构,结果表明我们成功合成了四种新的硅烷单体。

我们首先利用甲基三苯腈基硅烷和二甲基二苯腈基硅烷,在熔融氯化锌催化条件下,探索了制备Si-CTFs的适宜条件。研究表明,在300oC条件下,氰基反应不完全,导致所得聚合物孔性质较差。

将温度升高到400oC后,可以消除氰基的残留,得到交联完全的Si-CTFs材料,其比表面积分别为774和381 m² g^-1。XRD、SEM和TEM 测试表明这两种Si-CTFs材料均是无定形聚合物,热重分析测试方法证明这两种

Si-CTFs材料的热稳定性极高。

CO₂吸脱附实验表明,Si-CTF-1具有很高的CO₂吸

附量(54.4 cm³ g^-1)。此外,Si-CTF-1还具有良好的染料吸附性能,其平衡吸附量为648.9 mg g^-1,其吸附动力行为和等温吸附过程分别与Pseudo-Second-order kinetic行为和Langmuir模型相吻合。

为了实现材料的功能化,我们利用乙烯基三苯腈基硅烷和甲基乙烯基二苯腈基硅烷合成了两种多孔聚合物Si-CTF-3和Si-CTF-4,希望通过乙烯基的引入完

成材料的功能化。但是分析表明,在聚合反应中乙烯基无法保留,因此无法通过该方法完成材料的功能化。

氮气吸脱附测试表明这两种材料的BET数值分别为383和500 m² g^-1,其二氧化碳吸附量分别为28.7和20.7 cm³

g^-1。将Si-CTF-4应用于刚果红吸附实验,其吸附量数值最高为640 mg g^-1,该吸附机理与Pseudo-Second-order kinetic模型和Langmuir模型相贴近。

本文的研究内容为三嗪基多孔聚合物材料的制备提供了新的研究思路,对多孔聚合物的功能化进行了探索,对该类材料的发展具有一定的指导意义。