二氧化硅Janus颗粒的性能调控与应用研究

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复杂性高分子纳米颗粒是一种性能优良的功能材料,其特殊的结构和性能现已成为材料科学研究的热点。它的几何形态可控和表面化学效应决定了其拥优异的组装结构和界面吸附行为性能。复杂性高分子颗粒对人类的经济和生活带来了巨大的影响,其在乳液稳定、生物传感、药物运输、光学探针、计量分析、色谱分离和自驱动马达等科技领域被广泛应用。传统合成高分子纳米颗粒的方法受到界面自由能的影响,制备出的颗粒大多表面结构不对称,化学组成均一。随着科学技术的快速发展,传统意义上的微粒已经不能在满足人们的各方面需求,各种新型高分子材料不断被研发出来。它们的化学组成、形状和制备方法都有很大的改善。Janus颗粒作为一种拥有特殊性能的复杂微粒,它的表面分区和可操控性特性使其在诸多方面都得到了广泛的应用。目前报道Janus的制备方法较多,但在结构的精细调控和可放大生产上仍存在问题。本论文主要以合成Janus微球、Janus纳米片为重点展开了以下三个方面的研究:  1)设计了一个制备非球形单分散Janus颗粒的方法,来解决此类微粒的批量生产困难。这种方法以Pickering乳液为基础,对镶嵌在石蜡上的纳米二氧化硅颗粒进行不对称刻蚀。没有被刻蚀的部分会保留一些功能基团,如改性过后的氨基、双键等,利用乳液聚合接枝方法,可以得到一系列非球形的Janus颗粒,如异丙基丙烯酰胺(NIPAM)SiO2胶体、二乙烯基苯(DVB)SiO2胶体,和带PS纳米花的SiO2胶体、带有PS帽的SiO2胶体及SiO2/PS二聚体等。伴随刻蚀时间的差异,最终能够获得不同形貌的Janus颗粒。  2)本论文采用溶胶-凝胶法,以氨水作为催化剂,利用正硅酸四乙酯(TEOS)作为硅源在高溶度氨水、高速搅拌的条件下发生水解,得到了球形的纳米二氧化硅颗粒。以此 SiO2胶体作为前驱粒子,通过硅烷偶联剂的作用引入功能性基团-NH2。然后将硅球与石蜡按1:20进行复合,利用质量分数为22%的NH4F溶液复合球进行刻蚀,并讨论了刻蚀时间对形貌的影响。对刻蚀22小时微球引入酰氯,并进行接枝聚合得到 PNIPAM-SiO2共聚物,最终得到兼有有机/无机结构并具有温度灵敏性的聚合物 Janus颗粒。通过红外谱图、电镜分析验证了 Janus颗粒的生成,利用热失重分析来确定其接枝率,并对其进行了乳化性能和温敏性的测试,与设想的结果相匹配。3)本论文设计了一种新型的合成方法,先设计制备中间部分为二氧化硅一端连接DVB一端为氨基Janus纳米片,以此为起始原料,首先在含有氨基的一端引入酰氯,得到初步改性的Janus纳米片。对上述Janus纳米片的其中一端进行以N-异丙基丙烯酰胺为单体的接枝聚合反应,最终得到具有温敏性的复合silica-g-PNIPAM Janus纳米片。通过红外谱图、电镜分析验证了Janus纳米片的生成,利用热失重分析来确定其接枝率,对其进行了乳化性能和温敏性的测试。与原始Janus纳米片相比, silica-g-PNIPAM Janus纳米片作为颗粒乳化剂得到的乳液体系更稳定。
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