不同维度纳米材料在水油界面自组装行为研究
水油液-液界面为聚合物纳米复合材料的制备提供了一个广阔的平台。将聚合物溶解于油相，纳米材料分散于水相，如聚合物与纳米材料存在静电、氢键等相互作用，通过在水油界面自组装，可制备具有电、光、磁等功能的聚合物纳米复合材料。其中纳米材料的尺寸效应是影响所制备复合材料微观结构与性能的关键因素之一。本论文用碳量子点，纤维素纳米晶，氧化石墨烯片等纳米材料分别与聚合物自组装，通过调控溶液pH值、聚合物浓度、分子量等，研究了不同维度纳米材料与聚合物在水油界面自组装行为。主要成果如下: 1.对零维羧基化碳量子点(c-CQDs)与聚苯乙烯-b-聚(2-乙烯基吡啶)((PS-b-P2VP)嵌段共聚物在水-甲苯界面自组装的研究发现:水相pH和PS-b-P2VP分子量对嵌段共聚物界面组装所形成的结构有重要影响。水相pH值降低，界面处P2VP嵌段的质子化程度增加，P2VP嵌段与c-CQD相互作用增强。同时，P2VP嵌段浸入水相程度增加会增大PS嵌段在界面处的堆积密度及缠结，从而使PS-b-P2VP/c-CQDs组装体模量显著增加。在相同情况下，聚合物分子量增大也会导致组装体模量增加。对组装体微观结构研究发现，水相pH值较小时，CQDs与PS-b-P2VP自组装形成球形结构，随水相pH增大，CQDs与PS-b-P2VP组装形成的球形结构出现取向排列的趋势。表明可实现利用纳米粒子调控嵌段共聚物的界面组装结构。 2.对一维棒状纤维素纳米晶(CNC)与官能化笼型聚倍半硅氧烷(POS S-NH2)通过Langmuir-Blodgett(LB)技术进行界面组装的研究发现:CNC与POSS-NH2通过静电相互作用以长轴方向无规吸附在界面处，并形成单层CNC-POSS-NH2组装薄膜。调控Langmuir槽挡板的移动速度可调控界面组装膜的微观结构。挤压速度越小，界面处纳米粒子受到的挤压力越稳定，得到组装膜取向度越高。挤压速度越大，纳米粒子重排受限，形成无规排布的组装结构。此外，组装结构的演变也体现在膜压曲线的变化上，组装结构发生重排时膜压曲线出现拐点，随后随着纳米粒子重排的进行膜压继续线性增长。 3.对二维氧化石墨烯(GO)与氨基封端聚苯乙烯(PS-NH2)在水/甲苯界面自组装的研究发现:GO与PS-NH2在水油界面可通过静电相互作用组装形成GO表面活性剂(GOS)，从而降低水—甲苯间界面张力。GO尺寸越小，界面张力下降越快，且界面张力稳定值越低。界面张力降低的速率与GO向界面的扩散速度，GO在界面上平铺的吸附方式，以及相对于GO表面积的官能化程度和GO片界面内运动有关。水相pH通过影响GO片边缘官能团及油相中-NH2的解离程度影响GO界面组装强度和稳定性。当水相pH较小时，GO与PS-NH2在界面相互作用增强，界面被GOS全覆盖，并形成阻塞(jamming)现象。通过流变测试发现，小尺寸GO在界面组装形成的薄膜具有更高的弹性模量，可以长时间保持非平衡态液滴形状不变。 4.通过CQDs/CNCs混合纳米粒子与聚合物PS-NH2自组装稳定Pickering乳液，制备了功能性多孔材料。乳液稳定性、液滴尺寸及分布，以及利用冷冻干燥法制备的多孔材料及其孔径均依赖于水相的pH值，聚合物浓度、分子量以及CQDs与CNCs配比。孔径与乳液液滴尺寸的变化具有一致性。水相pH值越小，聚合物分子量越小、浓度越大，乳液液滴尺寸和多孔材料孔径越小，分布越均匀。所制备多孔材料的结构稳定性越好，电子迁移率越大。该部分工作展示了纳米粒子界面自组装材料的应用潜力。
纳米材料;液-液界面;自组装;结构化液滴;原子力显微镜
北京化工大学
博士
材料科学与工程
王东
2021
中文
TB383
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）