官能化的多孔聚合物纳米复合材料制造技术

提供了具有的可控制的成分分布/分散的多孔聚合物纳米复合材料。这些纳米复合材料可用于各种应用，比如用于电池的柔性3D电极、柔性传感器和导体等。还提供乳液组合物和制备多孔聚合物纳米复合材料的方法。

Functionalized porous polymer nanocomposites

Porous polymer nanocomposites with controlled component distribution / dispersion are provided. These nanocomposites can be used in a variety of applications, such as flexible 3D electrodes for batteries, flexible sensors and conductors. Emulsion composition and method for preparing porous polymer nanocomposites.

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本申请要求于2014年10月9日提交的美国临时申请号62/062,035的优先权，其全部内容通过参考并入本文。专利技术背景学术界以及针对各种应用，比如气体分离、水纯化和传感器的工业对于功能性多孔聚合物膜非常感兴趣。多孔结构可不仅仅降低材料的密度，而且可也增加表面/界面面积。存在制造多孔膜的数种方法，比如称为‘呼吸图(breathfigure)’(BF)技术的水滴的自组装、水/油乳化技术和拉伸技术。这些技术关注孔结构(例如，尺寸)的控制。
技术实现思路
该技术涉及通过有效的和容易的方法，开发具有设计的官能作用的多孔聚合物纳米复合材料，用于广泛的应用，比如电子学、能源和环境。简言之，根据一个方面，提供了多孔聚合物纳米复合材料。多孔聚合物纳米复合材料包括纳米颗粒和包括孔的聚合物基质，其中至少约10％的纳米颗粒(NPs)在孔的表面上。根据另一方面，提供了乳液组合物。乳液组合物包括形成乳液的第一相和第二相。第一相包括第一溶剂中的纳米颗粒的悬液。第二相包括第二溶剂中的聚合物溶液。第一溶剂和第二溶剂不彼此混溶。乳液组合物用于制备本文所述的多孔聚合物纳米复合材料。根据另一方面，提供了制备多孔聚合物纳米复合材料的方法。方法包括通过混合第一相和第二相制备包括第一相和第二相的乳液组合物。第一相包括第一溶剂中的纳米颗粒的悬液。第二相包括第二溶剂中的聚合物溶液。第一溶剂和第二溶剂不混溶。然后在衬底上浇注乳液组合物，以形成膜。干燥膜，以形成多孔聚合物纳米复合材料。前述内容仅仅是示意性的，而决不旨在是限制性的。除了上述示意性方面、实施方式和特征，通过参考附图和下述详细说明，进一步的方面、实施方式和特征将变得显而易见。这些和其他方面更详细描述在下面的文本中。附图简述图1图解了根据本专利技术的技术制备具有可控的纳米颗粒分散/分布的多孔聚合纳米复合材料的程序的例子。图2(a)图解了通过包括两个相——聚合物溶液和纳米颗粒(NP)悬液——的乳液，制备多孔纳米复合材料的例子。图2(b)图解了乳液的组分/结构的示意图。图2(c)是多孔纳米复合材料膜干燥之后的数字照片。图2(d)和2(e)分别是多孔膜的表面(接触衬底)和破裂表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。比例棒:2(d)100μm，2(e)10μm。图2(f)是NP的受控制的分布的示意图。图3(a)图解多孔膜的电特性的碳纳米管(CNT)装载依赖特性(草图显示传导渗滤形成的机制)。图3(b)是通过多孔结构构建的导电网络的光学图像。图3(c)是显示孔表面上NP的分布的SEM图像。图4(a)–4(e)是破裂表面例子的SEM图像，其显示随着增加NP装载的孔结构(0.15的固定水/油(W/O)比被用于所有的浓度，比例棒：50μm)。图4(f)是作为NPs装载的函数的孔直径的图的例子。图5(a)–5(d)阐释通过改变W/O体积比(NPs的总体装载是2重量百分数(wt％))对NPs的分布(孔结构)的控制，如通过光学图像揭示：(a)0.05，(b)0.15，(c)0.2和(d)0.3(比例棒：20μm)。图5(e)是W/O比对NPs的分布的作用的示意图。图5(f)是导电率分布状态依赖特性的图。图6(a)-6(d)是具有受控制的NPs分布的多孔膜的例子的光学图像。(a)5×，(b)20×，(c)50×和(d)100×。图7(a)-7(c)图解了对于具有以下不同装载的样品的NPs(MWCNTs)在孔上的分布：(a)1wt％(b)2wt％和(c)3wt％。在孔的表面上发现NPs，如通过具有高放大率的SEM图像显示的。图8图解了对于具有2wt％的多壁碳纳米管(MWCNT)和0.15的W/O比的样品，膜厚度对孔尺寸的作用。插入物是多孔膜的破裂表面的SEM图像。比例棒：20μm。图9(a)–9(d)是W/O比分别为0.1、0.15、0.2和0.3的样品的破裂表面的SEM图像，其显示具有2wt％MWCNT的多孔纳米复合材料的例子的孔尺寸的W/O比依赖特性。图9(e)显示作为W/O比的函数的孔的平均尺寸。图10(a)–10(d)是W/O体积比分别为0.1、0.15、0.2和0.3的样品的光学图像。图10(e)–10(h)是对于W/O体积比分别为0.1、0.15、0.2和0.3的样品，与玻璃衬底接触的表面的SEM图像。图11(a)–11(f)显示了通过开发的乳化技术的实施方式制备的D2-PNC膜：图11(a)具有28wt％CNT装载的D2-PNC膜的数字照片；图11(b)结构的示意图；图11(c)、(d)、(e)和(f)分别是接触玻璃衬底的背表面、多孔部分的破裂表面、非多孔部分(复合集电器)的破裂表面和接触空气的自由表面的SEM图像。D2-PNC在图11(b)和图11(c)–(f)中显示从多孔至非多孔的梯度结构)。梯度结构对电极应用可非常有吸引力，因为它们在一侧上结合3D多孔结构，其中非多孔层在另一侧上。3D多孔结构可用作应用的活性(active)部分，而非多孔层可直接用作复合集电器。以自组装方式形成的该构造可明显改善具有电极功能的多孔部分和具有集电器功能的非多孔部分之间的界面/接触图12(a)–12(c)是多孔D2-PNC膜(PC/CNT膜，CNT：2wt％)的接触表面(与衬底侧)的SEM图像。图(b)和图(c)显示孔的放大。图13(a)–13(c)是多孔D2-PNC膜(PC/CNF膜，CNF的装载是4wt％)的接触表面(与衬底侧)的SEM图像。图14(a)–14(c)是不同放大率的多孔D2-PNC膜(PC/CNF)的破裂表面的SEM图像：图14(a)2,500×，图14(b)10,000×和图14(c)20,000×(CNF：4wt％)。图15(a)–15(c)是具有高阳极颗粒(石墨)装载的D2-PNC膜在不同放大率的破裂表面的SEM图像：图15(a)2,000×，图15(b)10,000×和图15(c)20,000×(石墨装载：50wt％)。图16(a)–16(c)是具有混合NPs(石墨和炭黑)的高装载的D2-PNC膜在不同放大率的破裂表面的SEM图像：图16(a)2,000×，图16(b)10,000×和图16(c)20,000×(总体装载：50wt％，石墨42wt％，炭黑8wt％)。图17(a)和17(b)显示了具有约28wt％CNT的D2-PNC膜的阻燃特性。图17(c)–17(e)呈现了对于在D2-PNC的背表面(多孔侧)上的液滴，不同时间期间接触角的快照(例如液体电解质、碳酸异丙烯酸酯中的高氯酸锂，1mol/L)。图18图解了基于乳化技术制备多孔D2-PNC膜的流程图:1是乳液系统的传统的组分和，2是在本公开的一些实施方式中出现的官能化的组分。专利技术详述在下述详细说明中，参考组成其一部分的附图。在附图中，类似的符号通常指示类似的成分，除非上下文另外指出。在详细说明书、附图和权利要求中详细描述的示意性实施方式并不本文档来自技高网...

【技术保护点】
多孔聚合物纳米复合材料，其包括纳米颗粒和包括孔的聚合物基质，其中至少约10％的所述纳米颗粒在所述孔的表面上。

【技术特征摘要】
2014.10.09 US 62/062,0351.多孔聚合物纳米复合材料，其包括纳米颗粒和包括孔的聚合物基质，其中
至少约10％的所述纳米颗粒在所述孔的表面上。
2.权利要求1所述的多孔聚合物纳米复合材料，其中至少50％的所述纳米颗
粒在所述孔的表面上。
3.权利要求1所述的多孔聚合物纳米复合材料，其中所述纳米颗粒选自传导
性纳米颗粒、磁性纳米颗粒、催化纳米颗粒、电极纳米颗粒、传感器纳米颗粒和
其组合构成的组中。
4.权利要求1所述的多孔聚合物纳米复合材料，其中所述聚合物选自聚碳酸
酯、聚醚酰亚胺、聚丁二烯和其组合构成的组中。
5.水/油乳液组合物，其包括水相和油相，其中
所述水相包括悬浮在水中的纳米颗粒；和
所述油相包括包含聚合物和与水不混溶的有机溶剂的溶液。
6.权利要求5所述的水/油乳液组合物，其中所述纳米颗粒包括传导性纳米颗
粒、磁性纳米颗粒、催化纳米颗粒、电极纳米颗粒、传感器纳米颗粒或其组合。
7.权利要求5所述的水/油乳液组合物，其中所述纳米颗粒包括碳纳米管。
8.权利要求5所述的水/油乳液组合物，其中所述纳米颗粒是多壁碳纳米管。
9.权利要求5所述的水/油乳液组合物，其中所述水相进一步包括导电聚合物。
10.权利要求9所述的水/油乳液组合物，其中所述导电聚合物包括聚(3,4-乙烯
基二氧噻吩)、聚苯乙烯磺酸酯、聚苯胺、聚(噻吩)、聚(吡咯)、聚咔唑、聚吲哚、
聚氮杂、聚(乙炔)、聚(对亚苯基亚乙烯)、聚(芴)、聚亚苯基、聚芘、聚薁和/或聚

【专利技术属性】
技术研发人员：B·李，Y·王，W·H·钟，
申请(专利权)人：华盛顿州立大学，
类型：发明
国别省市：美国;US