实现微米或纳米级多孔材料功能化的处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种功能化材料的表面处理方法，特别是公开一种实现微米或纳米级多孔材料功能化的处理方法，是一种采用有机或无机或有机与无机混合材料，对微米或纳米级多孔材料表面进行修饰使其功能化的制备方法，所制得的功能化微米或纳米级多孔材料成品应用于生物医学、传感器、空气过滤、水处理、电池隔膜、电极材料、油水分离、服装等多孔材料领域。
【背景技术】
[0002]21世纪的今天，科学技术的发展给人类是生存与发展做出了卓越的贡献，多孔材料在实际生活与生产中的应用不可或缺。从简单的人们的穿着(如具备良好透气性的冲锋衣、运动鞋等)，到工业生产应用(包括污水的处理、空气的净化等)都离不开多孔纳米材料。尤其是微米或纳米级多孔材料由于具备孔径小、孔隙率高、比表面积大等特点，被广泛应用于催化、医药等领域。
[0003]但是，由于应用微米或纳米级多孔材料，需要其具备一定的功能性要求，因此现有技术增加了在制备微米或纳米级多孔材料的过程中通过添加各种表面修饰剂或功能纳米粒子的工艺，这就大大增加了功能化多孔材料制备的难度，同时也降低了功能化多孔材料的活性位点，使制造成本大大增加。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是解决现有技术的缺陷，公开一种实现微米或纳米级多孔材料功能化的处理方法，通过配制功能化溶液或悬浮液来对微米或纳米级多孔材料进行修改，获得具有多种功能的微米或纳米级多孔材料，本发明方法在使微米或纳米级多孔材料功能化的同时，还增强了部分微米或纳米级多孔材料的力学性能，解决其不耐搓及抗污染性能差等缺点。
[0005]本发明是这样实现的:一种实现微米或纳米级多孔材料功能化的处理方法，包括采用具有微米或纳米级多孔结构的片材、多孔微米或纳米级颗粒及多孔纳米复合材料作为基材、制备功能化溶液或悬浮液，及采用制备的功能化溶液或悬浮液修饰基材，使基材实现功能化，其特征在于:所述的处理方法是采用浸泡法将基材浸泡于功能化溶液或悬浮液中，或采用涂布法将功能化溶液或悬浮液直接涂布在基材表面，使功能化溶液或悬浮液渗入基材的孔隙中，然后通过物理吸附、化学反应或高分子聚合反应，使基材表面形成一层厚度为5?200nm的薄膜层，所述的薄膜层为单分子层或数层分子层的薄膜层；所述的功能化溶液或悬浮液采用小分子单体或低分子量的聚合物材料通过溶解或分散在溶剂中制备而成，所述的小分子单体或低分子量的聚合物材料具备与基材本身特性不同的表面物理和化学特性或带有功能官能团；所述的溶剂采用不能溶解基材，只能溶解或分散所述的小分子单体或低分子量的聚合物材料，制得功能化溶液或悬浮液；制备获得的功能化微米或纳米级多孔材料不溶于应用环境的水、油或有机溶剂介质；所述的处理方法包括以下步骤: A、步骤(I)制备功能化溶液或悬浮液:
(a)、制备功能化溶液:根据应用需求，将不同质量分数的小分子单体或低分子量的聚合物材料均一地溶解在溶剂中，形成均质的带有不同功能的官能团的功能化溶液；
(b)、制备功能化悬浮液:在水浴或非良溶剂中加入带有不同功能的官能团的纳米颗粒，将纳米颗粒有效均一的分散在溶剂中，形成均质的功能化悬浮液；
B、步骤(2)采用制备的功能化溶液或悬浮液修饰基材:
(a)、浸泡法:将基材直接浸泡在制备的功能化溶液或悬浮液中，在外力的作用下搅拌，通过物理吸附、化学反应或高分子聚合反应在基材的表面形成一层薄膜层，然后用纯水或有机溶剂清洗，去除未参加反应的单体，静置后放置于烘箱中直至烘干为止，得到具有核壳结构的功能化微米或纳米级多孔材料成品；
(b)、涂布法:在基材上直接涂布功能化溶液或悬浮液，再经用纯水或有机溶剂清洗，去除未参加反应的单体，然后静置后放置于烘箱中直至烘干为止，得到具有核壳结构的微米或纳米级多孔材料成品；
所述步骤(2)中用于清洗的有机溶剂选择不能溶解所述基材和所述薄膜层的乙醇或pH值为6~8的中性洗涤液，如纯水等。
[0006]所述步骤(2)中的基材为具有微米或纳米级多孔结构的片材、多孔微米或纳米级颗粒及多孔纳米复合材料，包括通过熔融纺丝、湿法纺丝、静电纺丝或相分离法制得的多孔高分子材料以及通过液相法、物理气相法和电化学法制得的无机多孔材料或不同方式相互结合制得有机无机杂化多孔材料，所述的多孔高分子材料包括溶剂型聚醚酰亚胺、聚氨酯、聚酰亚胺、聚砜、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯亚胺、聚丙烯酰胺、聚乳酸纤维素、醋酸纤维素、乙基纤维素及甲壳素中的一种或几种的混合物，所述的无机多孔材料包括氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铜及氧化铁中的一种或多种混合形成的复合氧化物。
[0007]所述的小分子单体或低分子量聚合物材料包括壳聚糖、聚乙二醇、聚乙烯亚胺、吡啶基、咪唑盐、季磷盐、多巴胺、含氟醇、各类二嵌段、三嵌段高分子以及生物可兼容材料，所述的生物可兼容材料包括聚乳酸，聚己内脂；所述功能化溶液或悬浮液带有不同功能的官能团，包括亲水、疏水、带正、负电嵌段、具有重金属络合基团、具有生物生长因子官能团，所述的重金属络合基团包括巯基、氨基或羟基，所述的具有生物生长因子官能团为促生、调控、抑制和阻断官能材料中的一种或多种。
[0008]所述步骤(I)中使用的不能溶解基材的溶剂包括可溶性溶剂:水、醋酸、四氢呋喃、三氟乙酸、三氯甲烷及N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺中的一种或几种的任意比例混合。
[0009]所述的浸泡法在基材表面形成一层薄膜层所使用的功能化悬浮液是将具有不同功能的官能团的纳米颗粒均一分散在无机或有机混合溶液中制成复合杂化悬浮液，其中的纳米颗粒为金属纳米颗粒或无机纳米颗粒，颗粒直径在5?200纳米；所述的金属纳米颗粒为金属颗粒或金属氧化物颗粒，包括金属银、铜、锌、氧化铜和氧化锌中的一种或几种的混合物，所述的无机纳米颗粒包括二氧化钛、电气石和勃姆石中的一种或几种的混合物。
[0010]所述的无机或有机混合溶液的制备是首先将无机或金属纳米颗粒分散在溶剂中，然后进行超声分散10分钟到I小时，使其呈现为均一的悬浮液，然后再加入带有不同功能官能团的小分子单体或低分子量聚合物材料，在磁力搅拌子的作用下搅拌10?24小时，温度控制在20?100°C，制得均一的带有不同功能官能团的复合杂化悬浮液。
[0011]所述具有微米或纳米级多孔结构的片材、多孔微米或纳米级颗粒及多孔纳米复合材料的基材在通过功能化溶液或悬浮液修饰后微米或纳米级多孔材料产生交联结构，从而大大提高微米或纳米级多孔材料的力学性能，强度达到20MPa?lOOMPa。
[0012]本发明方法是一种通过简单的物理交联形成多级孔结构的成膜方法，通过含单体聚合或高分子涂层成膜来修饰微米或纳米级多孔材料的纳米纤维，形成多级结构的复合型多孔纳米材料，再进行烘干，固化得到性能稳定的多级孔核壳结构涂层。本发明方法构造了三维粗糙结构，可以有效地降低微米或纳米级多孔材料的孔径并且提高其比表面积，且由于材料之间产生交联的结构，大大提高功能化微米或纳米级多孔材料的耐磨性和应用强度，其实际应用范围更加广泛。
[0013]尤其是针对具有所需某种官能团的材料，但单体或聚合物本身不具有制备微米或纳米级复合结构的情况而言，本发明方法更加能体现出独特的优势。带修饰的功能化微米或纳米级多孔复合材料在工业、能源、医学等领域具有广泛的应用，本发明方法拓展了制备功能化微米或纳米级复合材料的方式。与现有技术(如多孔材料的表面化学改性等制备方法)相比，具有操作简单，成膜均一性好，孔隙率高，比表面积大，价格低廉且易工业化等优点。
[0014]本发明的有益效果是:本发明方法通过对微米或纳米级多孔材料的表面修饰，使其能够成形成壳核结构的微米或纳米级多孔材料，并且固定活性金属(如金属银，铜，锌，硝酸银，硝酸铜，硝酸锌，氧化铜，氧化锌等)或无机纳米颗粒(如二氧化钛，电气石，勃姆石等)中的一种或多种，不仅大大提高微米或纳米级多孔材料的比表面积，而且使得微米或纳米级多孔材料进一步的功能化。并且，经过修饰后，功能化溶液或悬浮液中的纳米颗粒嵌入于微米或纳米级多孔材料里，具有不易脱落等特征。此外，本发明方法制得的功能化微米或纳米级多孔材料由于增加了粘连点，其强度大大提高，由此拓宽了其应用