专利名称：一种具三维孔道结构的介孔高分子或碳/氧化硅纳米复合材料及其制备方法
一种具三维孔道结构的介孔高分子或碳/氧化硅纳米复合材料及其制备方法技术领域 本发明涉及纳米新材料技术领域，具体涉及一种具有三维立方Im m孔道结构的介孔纳
米复合材料及其制备方法。
背景技术：
有序介孔材料是以表面活性剂分子聚集体为模板，通过有机物和无机物之间的界面相互作用组装而成的孔道结构规则、孔径介于2 50 nm的多孔材料。介孔材料具有如下优越特征①长程即介观水平结构有序的孔道结构；②孔径分布狭窄，孔径大小可以连续可调； ③通过优化合成条件或进行后处理，可具有很好的热稳定性和一定的水热稳定性；④极高的比表面积，可高达100(T1500 m2/g ；⑤颗粒具有规则外形，且可在微米尺度内保持高度的孔道有序性；⑥孔隙率高；⑦表面富含不饱和基团。上述特征使其在吸附、催化、分离等方面发挥重要的作用。此外，介孔材料在超级电容器电极材料、新型组装材料、光电器件、微电子技术、化学传感器、非线性光学材料等领域也展现出微孔材料和大孔材料无可比拟的优越性和广阔的应用前景。介孔纳米复合材料不仅具有有机组分的柔韧性、疏水和易官能化等特点，同时还具有无机组分高的热稳定性和机械强度等性能。介孔碳/氧化硅纳米复合材料是一种重要的介孔纳米复合材料，比单一介孔碳或介孔氧化硅材料具有更加优良的热、导电、机械和化学性能等。同时，体系中的氧化硅组分可以有效克服单纯有机体系碳化过程中骨架收缩严重、孔径小、比表面积低的缺点。介孔碳/氧化硅纳米复合材料的重要用途之一是用来制备大孔径、骨架稳定性高的介孔碳材料。目前，介孔碳/氧化硅纳米复合材料的合成方法主要有介孔氧化硅的表面官能化、后嫁接法和三元共组装方法。介孔氧化硅的表面官能化方法是利用含有机官能团的硅源或特殊的表面活性剂合成表面官能化的介孔有机氧化硅，而后进一步碳化的方法，此法中硅试剂和表面活性剂原料价格昂贵并且难以合成，不利于大批量生产；后嫁接法是在介孔氧化硅材料中填充聚合物或碳，而后进行碳化的方法，该方法操作繁琐、不经济，而且聚合过程很难控制，容易造成孔道堵塞；三元共组装法是复旦大学先进材料实验室赵东元教授课题组于2006年率先报道的，首先通过商品化的三嵌段共聚物、正硅酸乙酯和酚醛树脂预聚体的三元共组装合成介孔高分子/氧化硅纳米复合材料，进一步进行焙烧处理将其转化为介孔碳/氧化硅纳米复合材料，该法克服了前两种方法的缺点，但是采用该方法仅能得到具有二维六方结构的介孔碳/氧化硅纳米复合材料。而具有三维立方孔道结构的介孔碳/氧化硅纳米复合材料至今未见文献报道。嵌段共聚物聚二甲基硅氧烷-聚氧乙烯(PDMS-PEO)是常见的有机硅表面活性剂之一，由性能差别很大的聚硅氧烷链段和聚醚链段通过化学键连接而成。其中，聚硅氧烷是含硅的有机化合物，交替出现的硅氧原子特殊结构赋予其许多优良的性能，如低表面张力、 优良的粘温性能、柔顺性、在极性表面展布性以及良好的疏水性和适合在宽温度范围下的使用性能等；亲水性的聚醚链段赋予聚硅氧烷水溶性，使其既具有传统聚硅氧烷的耐高低温、抗老化、低表面张力等优异性能，又具有润滑、柔软、良好的铺展性和乳化稳定性等。除此之外，PDMS-PEO嵌段共聚物还具有生物相容性、良好的适应性和低的玻璃化温度，因此 PDMS-PEO是众多具有优势的表面活性剂中的一种。迄今为止，采用PDMS-PEO为模板剂合成多孔材料仅见N. Husing在2003年的文献报道，其采用PDMS-PEO为模板剂合成多孔氧化硅材料，但该文献并没有对所得材料的孔结构及其性质进行表征，即不能确认其具有有序的介孔结构。而且，该文献采用PDMS-PEO 合成介孔氧化硅材料并没有太大意义，只有采用PDMS-PEO作为结构导向剂合成介孔碳/硅氧化硅纳米复合材料或介孔碳材料时才能发挥其增加骨架稳定性和增大孔径等的优势。
发明内容
本发明目的在于提供一种具三维孔道结构的介孔高分子或碳/氧化硅纳米复合材料。本发明的另一目的在于提供上述复合材料的制备方法。本发明的目的是通过如下技术方案实现的
一种具三维孔道结构的介孔高分子或碳/氧化硅纳米复合材料，其特征在于它是采用两嵌段聚合物聚二甲基硅氧烷-聚氧乙烯(PDMS-PEO)和三嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(PE0-PP0-PE0，F127)为混合结构导向剂，酚醛树脂预聚体Resol为碳源前驱体，进行混合、反应得As-made中间体，再经焙烧制得；所述As-made中间体，其小角X射线散射(SAXS)图谱中，具有110、200、211、220、310、222和321晶面衍射峰，所述衍射峰的
值比为\ a 名。上述As-made中间体，它具有如
图1中a所示的小角X射线散射曲线。上述具三维孔道结构的介孔高分子或碳/氧化硅纳米复合材料的氮气吸附/脱附等温线具有IV型氮气吸附曲线和H2型滞后环。上述具三维孔道结构的介孔高分子或碳/氧化硅纳米复合材料的制备方法，其特征在于将两嵌段聚合物聚二甲基硅氧烷-聚氧乙烯(PDMS-PEO)和三嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(ΡΕ0-ΡΡ0-ΡΕ0，F127)溶液，与酚醛树脂预聚体Resol溶液混合、 烘干反应，再经焙烧制得具三维孔道结构的介孔高分子或碳/氧化硅纳米复合材料；所述烘干时间为20 30h，温度为80 100°C。上述PDMS-PEO和F127的溶液是将PDMS-PEO和F127溶于溶剂中制得，上述酚醛树脂预聚体溶液是将酚醛树脂预聚体溶于溶剂中制得；所述溶剂可为甲苯、无水乙醇、THF (四氢呋喃)等，最优选采用THF作为溶剂。上述PDMS-PEO嵌段共聚物是有机硅材料中重要的一类，其分子结构模型如下所示
权利要求
1.一种具三维孔道结构的介孔高分子或碳/氧化硅纳米复合材料，其特征在于它是采用两嵌段聚合物聚二甲基硅氧烷-聚氧乙烯(PDMS-PEO)和三嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(PE0-PP0-PE0，F127)为混合结构导向剂，酚醛树脂预聚体Resol为碳源前驱体，进行混合、反应得As-made中间体，再经焙烧制得；所述As-made中间体，其小角X射线散射(SAXS)图谱中，具有110、200、211、220、310、222和321晶面衍射峰，所述衍射峰的值比为L· m m。
2.如权利要求1所述的纳米复合材料，其特征在于所述As-made中间体，它具有如图 1中a所示的小角X射线散射曲线。
3.如权利要求1或2所述的纳米复合材料，其特征在于所述具三维孔道结构的介孔高分子或碳/氧化硅纳米复合材料的氮气吸附/脱附等温线具有IV型氮气吸附曲线和H2 型滞后环。
4.如权利要求1 4任一项所述纳米复合材料的制备方法，其特征在于将两嵌段聚合物聚二甲基硅氧烷-聚氧乙烯(PDMS-PEO)和三嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(ΡΕ0-ΡΡ0-ΡΕ0，F127)的四氢呋喃(THF)溶液，与酚醛树脂预聚体Resol的四氢呋喃 (THF)溶液混合、烘干反应，再经焙烧制得具三维孔道结构的介孔高分子或碳/氧化硅纳米复合材料；所述烘干时间为20 30h，温度为80 100°C。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述焙烧，在3(KT45(TC焙烧2 4h得到三维有序介孔高分子/氧化硅纳米复合材料，在80(T95(TC温度范围内焙烧1.5 3 h得到三维有序介孔碳/氧化硅纳米复合材料。
6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于所述PDMS-PEO的<=3012，dm、-eo20。
7.如权利要求4、5或6所述的制备方法，其特征在于所述酚醛树脂预聚体的THF溶液的质量百分浓度为15 40wt% ；所述PDMS-PEO和F127的四氢呋喃(THF)溶液中，PDMS-PEO 和F127的质量百分浓度为3 7 wt%0
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于所述酚醛树脂预聚体的THF溶液的质量百分浓度为20wt%，所述PDMS-PEO和F127的四氢呋喃(THF)溶液中，PDMS-PEO和F127 的质量百分浓度为5wt%。
9.如权利要求4 8任一项所述的制备方法，其特征在于所述模板剂PDMS-PE0、F127 和碳源前驱体Resol的质量比为0. 7 1. 2 :0. 7 1. 2 :1. 8 2. 2。
10.如权利要求4所述的制备方法，按如下步骤进行将F127和PDMS-PEO溶于四氢呋喃(THF)中，然后加入酚醛树脂预聚体Resol的THF 溶液，搅拌0. 3 0. 7 h得到均勻的溶液；其中物质的质量比为PDMS-PEO :F127 =Resol =1 1 2 ；酚醛树脂预聚体的THF溶液的质量百分浓度为15 40wt%，PDMS-PEO和F127的THF溶液中，PDMS-PEO和F127质量百分浓度为3 7 wt%wt% ；将所述溶液转移到培养皿中，室温下挥发5 8 h，再将培养皿置于100°C烘箱内反应Mh，得到透明的橙黄色薄膜材料，将上述材料从培养皿上刮下，研磨成粉末，得到As-made中间体；将所述As-made样品置于管式炉中在氮气气体保护下进行焙烧，30(T45(TC焙烧2 4h 得到三维有序介孔高分子/氧化硅纳米复合材料，在80(T95(TC温度范围内焙烧1. 5^3 h2得到三维有序介孔碳/氧化硅纳米复合材料；在焙烧的过程中，当温度为600°C以下时，升温速度设定为1°C /min,当温度为600°C以上时，升温速度设定为5°C /min。
全文摘要
一种具三维孔道结构的介孔高分子或碳/氧化硅纳米复合材料，它是采用PDMS-PEO和F127为混合结构导向剂，酚醛树脂预聚体Resol为碳源前驱体，进行混合、反应得As-made中间体，再经焙烧制得；所述As-made中间体小角X射线散射(SAXS)图谱中，具有110、200、211、220、310、222和321晶面衍射峰，所述衍射峰的q值比为。本发明具有三维立方Imm孔道结构的介孔碳/氧化硅纳米复合材料的比表面积在650~1600m2/g范围内，孔容范围为0.45~0.63cm3/g，孔径尺寸在5.0~6.2nm范围内，且介孔材料骨架稳定性高达900℃；本发明高分子或碳/氧化硅纳米复合材料特别适用于超级电容器电极材料、吸附剂、催化剂载体、生物分子的分离、气敏材料、光电子器件以及储氢等领域。
文档编号B01J13/02GK102380334SQ20111020874
公开日2012年3月21日 申请日期2011年7月25日 优先权日2011年7月25日
发明者刘玉荣 申请人:重庆文理学院