[发明专利]一种聚脲多孔材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚脲多孔材料的制备方法，属于功能高分子材料领域。

背景技术

由于多孔材料在离子交换、吸附、化学催化、固相萃取、色谱分析、能源储备、酶固定、细胞和组织工程、微反应器和传感技术等领域有重要的应用价值，已成为材料学领域的一个重要研究内容。常用的多孔材料包括活性炭、分子筛、粘土、多孔金属氧化物、聚合物多孔材料及其复合材料等。与上述其他多孔材料相比，聚合物多孔材料因具有比表面高、孔径大小及形状易于控制、容易进行加工处理、制备方法丰富、可功能化和比重低等特点而受到人们的青睐(参见Chemical Reviews,2012年,卷112,页3959-4015)。

制备聚合物多孔材料的传统方法有模板法、嵌段共聚物自组装法、高内相乳液聚合法和分散聚合法等。模板法可通过改变模板的形状和大小准确控制所得多孔材料孔的形貌和大小。例如，Zhang等人向二氧化硅微球规整堆积形成的胶体晶体的空隙中充入乙烯单体并进行聚合反应，之后用氢氟酸刻蚀去除二氧化硅微球得到了孔径大小均一且三维有序的聚乙烯多孔材料(参见Polymer,2008年,49卷,页5446-5451)。嵌段共聚物自组装法所得多孔材料结构有序，形貌规整，部分具有智能或刺激响应性。将聚（丙交酯-N,N-二甲基丙烯酰胺-苯乙烯）的三嵌段共聚物在NaOH的乙醇-水溶液中进行降解以去除聚丙交酯，干燥后得到了亲水性的聚合物多孔材料(参见Hillmyer等，Macromolecules,2005年,38卷,页3-5)。高内相乳液聚合法是以高体积分数的内相（不连续相）为孔隙模板，在含有聚合单体的外相（连续相）中进行聚合反应，之后将内相去除从而得到多孔聚合物，孔隙率较高（74～95%），是一种常用的制备聚合物多孔材料的方法，美国专利US5210104和中国专利CN102617782A，CN102516435A、CN1265678A、CN1270177A、CN102617782A等都有所描述。分散聚合主要是通过致孔剂的去除获得聚合物的孔结构。例如以聚乙烯吡咯烷酮为分散剂、十二烷为致孔剂、甲醇/水为分散介质采用分散聚合法制备聚合物复合微球，去除十二烷后得到了高尔夫球型的多孔材料(参见Okubo等，Industrial and Engineering Chemistry Research,2008年,47卷,页6445–6449)。

虽然上述方法都是较为成熟的技术，但也都存在一些缺陷。模板法严重依赖于附加模板，制备过程复杂，不利于所得多孔材料的规模化生产和应用。自组装法制备多孔材料，由于嵌段共聚物价格较高受到限制，也不易进行规模化生产和应用。高内相乳液聚合和分散聚合法一般需加入乳化剂、分散剂及致孔剂等多种化学试剂，过程复杂，不但有废水废气及有害有机溶剂产生，而且耗能较多。所用稳定剂和有机溶剂致孔剂在产物中即便微量残留也会对产品的应用领域产生限制，尤其是在生物医药等领域。另外，上述所有方法一般都经聚合物合成、功能化改性等多个步骤，合成过程所需时间较长，一般为12～24h，对多孔材料的功能化往往需要多步复杂的化学反应，且经常会导致被改性多孔材料比表面降低，孔容变小或者二者同时发生。

二异氰酸酯与多元胺可以发生逐步聚合形成聚脲，通过二者在适宜溶剂中的溶液聚合或者沉淀聚合可以获得聚脲多孔材料。中国专利文件CN1602995A（200410054328.8）对芳香族二异氰酸酯和芳香族二元胺在催化剂和致孔剂作用下在有机溶剂中进行共聚合，将产物浸入凝固剂凝固成膜再去除溶剂后制备了聚脲多孔膜。CN102574972A在有机溶剂中和氮气气氛下将四胺基苯基甲烷与四异氰酸酯基单体进行共聚合，干燥后获得聚脲多孔材料。CN102471438A使用多官能团异氰酸酯和芳香族以及脂肪族多元胺在有机溶剂中进行聚合，制备了聚脲多孔绝缘材料。美国专利文件20110152846A1使用二官能度和三官能度异氰酸酯在三乙基胺和水的混合物中聚合制备了多孔材料和碳材料气溶胶。上述聚脲多孔材料的制备过程中都使用了结构复杂、难以制备因而价格高昂的多元胺及多异氰酸酯，都使用有机溶剂、催化剂或者其他添加剂。所使用有机溶剂和催化剂等添加剂最后都需要去除，不但提高制造成本，对环境污染也有不利影响。

发明内容

针对现有技术制备多孔材料依赖附加模板、稳定剂、致孔剂或其它辅助试剂、过程繁琐且耗时、功能化改性复杂、原料价格较高和工业化生产困难等问题，本发明提供了一种无需任何表面改性，通过沉淀聚合一步到位制备表面富含胺基的聚脲多孔材料的方法。

本发明的技术方案如下：