[发明专利]纳米多孔材料、纳米多孔材料的制造以及纳米多孔材料的应用

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及纳米多孔材料、用于制造纳米多孔材料的方法以及纳米多孔材料的应用。这样的材料特别地但不排他地在分离技术中例如在分离膜中以及在制备用于能量产生和能量储存(例如，电池和/或超级电容器)技术的高表面积电极中具有效用。

相关技术

嵌段共聚物是包括两种或更多种在化学上不同的聚合物嵌段的一类大分子。常规地，将每种聚合物嵌段称为A、B、C，等等。

Hillmyer(2005)[Marc A.Hillmyer“Nanoporous Materials from Block Copolymer Precursors”Adv Polym Sci(2005)190：137-181]叙述了利用嵌段共聚物前体来形成纳米多孔材料的综述。这样的纳米多孔材料用作纳米光刻掩模、分离膜、间层电介质和纳米材料模板是所关心的。用于产生AB二嵌段共聚物、ABA三嵌段共聚物和ABC三嵌段共聚物的许多合成技术是已知的。

例如，在线型AB二嵌段共聚物中，已确定出四种平衡形态：薄片状、圆柱形、双连续螺旋形(bicontinuous gyroid)以及球形。所形成的形态取决于包括以下的因素：每个嵌段的相对体积分数(或单体单元的数量分数)，以及不同嵌段混合的不适宜程度。

Hillmyer(2005)综述了关于制备有序的嵌段共聚物材料以及随后对少数组分进行选择性蚀刻以便形成纳米多孔材料的工作。例如，形成圆柱形形态以及随后蚀刻圆柱体形成相，导致形成通过基质材料(基质材料是围绕圆柱体形成相的连续相)的纳米观通道。

Hillmyer(2005)指出，由于存在可利用的宽范围的嵌段共聚物结构，可设想出具有宽范围的可调谐性能的纳米多孔材料。然而，他还指出由有序的嵌段共聚物制备纳米多孔材料存在两个关键要求：(i)可蚀刻的材料必须对溶剂是物理上可达的，及(ii)基质材料必须能够支撑所得到的纳米多孔结构。(ii)通常通过使基质材料交联来实现。

Hillmyer(2005)讨论了不同的嵌段共聚物系统，包括：

PS-PBD：聚苯乙烯-聚丁二烯

PS-PI：聚苯乙烯-聚异戊二烯

PS-PBD：聚苯乙烯-聚丁二烯

PS-PEO：聚苯乙烯-聚(氧化乙烯)

PPS-PI-PPS：聚(4-乙烯基苯基-二甲基-2-丙氧基硅烷)-b-聚异戊二烯-b-聚(4-乙烯基苯基-二甲基-2-丙氧基硅烷)

PtBA-PCEMA：聚(丙烯酸叔丁酯)-b-聚(甲基丙烯酸2-肉桂酰乙酯)

PS-PMMA：聚苯乙烯-b-聚(甲基丙烯酸甲酯)

PS-PLA：聚苯乙烯-聚交酯

PI-PLA：聚异戊二烯-聚交酯

PCHE-PLA：聚环己基乙烯-聚交酯

PαMS-PHOST：聚(α-甲基苯乙烯)-b-聚(4-羟基苯乙烯)

PS-PFMA：聚苯乙烯-b-聚(甲基丙烯酸全氟辛基乙酯)

PI-PCEMA-PtBA：聚异戊二烯-b-聚(甲基丙烯酸2-肉桂酰乙酯)-b-聚(丙烯酸叔丁酯)

PS-PVP：聚苯乙烯-b-聚-4-乙烯基吡啶

P(PMDSS)-PI-P(PMDSS)：聚(五甲基二甲硅烷基苯乙烯)-b-聚异戊二烯-b-聚(五甲基二甲硅烷基苯乙烯)

PS-PDMS：聚苯乙烯-聚二甲基硅氧烷。

Lee等人(1989)[Lee J-S，Hirao A，Nakahama S“Polymerization of monomers containing functional silyl groups.7.Porous membranes with controlled microstructures”(1989)Macromolecules22：2602]报道了由PPS-PI-PPS形成的多孔膜的制备。获得了薄片状、圆柱形和球形的形态。当PI被降解和除去时，薄片状和圆柱形的形态的膜具有高的开放孔隙度，如通过氮气的吸附(利用BET(布鲁诺-埃梅特-特勒)方法)所测得的。对于球形的形态，虽然PI可被降解和除去，但是Lee等人(1989)将孔表征为封闭的，因为基本上未观察到氮气吸附。