一种有机/无机杂化三层结构Janus纳米片、其制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种有机/无机杂化三层结构Janus纳米片及其制备方法和应用。所述Janus纳米片包括：复合夹层、亲水层和功能性层，其中所述复合夹层为包括无机纳米颗粒和聚合物的中间夹层；所述亲水层位于所述复合夹层的一侧；所述功能性层位于所述复合夹层的另一侧。本发明专利技术的Janus纳米片具有严格的化学分区，其结构可精确控制，能够适应多种应用需求。本发明专利技术的Janus纳米片的制备方法合成工艺简单，有较高的工业应用潜质。的工业应用潜质。

【技术实现步骤摘要】
一种有机/无机杂化三层结构Janus纳米片、其制备方法及应用


[0001]本专利技术属于有机/无机复合纳米材料领域，具体涉及一种有机/无机杂化三层结构Janus纳米片、其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]在过去的20年中，Janus材料经历了快速的发展。具有可调整的形态，尺寸和组成的Janus复合材料的合理设计是其Janus性能的核心问题。Janus材料的一些代表性的形态，例如Janus颗粒、Janus棒、Janus片和Janus空心球等已显示出各种潜在的应用，例如固体表面活性剂，上层建筑的组成部分，光学检测和显示以及自行式纳米马达。Janus纳米片由于在组成和结构上有着明确的严格分区，同一个纳米片的两部分具有截然不同的物理或化学性质，因而具有特异性功能，在纳米片乳化剂、非均相催化剂、复杂结构构筑等方面具有重要意义(Liang F,Zhang C,Yang Z.Advanced Materials,2014,26(40):6944-6949)。
[0003]制备方法的优化对于实现Janus纳米片的工业应用至关重要，其中结构控制和规模化的制备方法是核心问题。目前常用的二维界面保护法、三维界面保护法、微流控法、印刷法等虽能实现结构的精确控制，但都难以批量化生产。并且，这些方法都几乎无法一步实现多种物质的杂化，为材料的功能性杂化改性造成了难度。
[0004]Janus纳米片因为具有较大的比表面积，在纳米片乳化剂方面尤其具有较好的应用前景(Liang F,Shen K,Qu X,et al.Angewandte Chemie International Edition,2011,50(10):2379-2382)。但是目前Janus纳米片的种类仍然较少，极大程度的限制了Janus纳米片的应用范围。若要得到具有更多功能的Janus纳米片，则需要复杂的改性和杂化过程，且将不同的材料复合到一起需要分多步完成，这显然不利于Janus纳米片的工业化生产。
[0005]在现有的Janus材料批量化制备方法中，乳液聚合具有一定的优势，并且基于本课题组其他相关研究，通过乳液聚合过程可以实现多种材料的一步复合，简称“一锅法”。这种制备方法不仅可以实现Janus纳米片的量产，还可以实现不同材料间简单的复合，在功能集成方面具有显著优势。因此，利用乳液聚合的方法，可以批量化制备杂化Janus纳米片。

技术实现思路

[0006]专利技术要解决的问题
[0007]现有技术中Janus纳米片的种类较少，难以满足多种应用的需要，限制了其应用范围。此外，常用的Janus纳米片的制备方法难以实现批量化生产，且无法一步实现多种物质的杂化，给Janus纳米片的工业化生产带来了困难。
[0008]用于解决问题的方案
[0009]具体地，本专利技术通过以下方案解决本专利技术的技术问题。
[0010][1]一种有机/无机杂化三层结构Janus纳米片，其包括：复合夹层、亲水层和功能
性层，其中所述复合夹层为包括无机纳米颗粒和聚合物的中间夹层；所述亲水层位于所述复合夹层的一侧；所述功能性层位于所述复合夹层的另一侧。
[0011][2]根据第[1]项所述的Janus纳米片，其中所述亲水层、复合夹层和功能性层的厚度比为1-3:8-12:1-3；所述Janus纳米片的尺寸在10-300nm的范围内。
[0012][3]根据第[1]或[2]项所述的Janus纳米片，其中所述无机纳米颗粒选自金属单质、金属合金、金属氧化物、无机单质、无机盐、无机氧化物、无机碳化物、无机氮化物和石墨烯中的一种或多种。
[0013][4]根据第[1]或[2]项所述的Janus纳米片，其中所述复合夹层中所述无机纳米颗粒为分散相，所述聚合物形成连续相。
[0014][5]根据第[1]或[2]项所述的Janus纳米片，其中所述复合夹层中的聚合物由包含油溶性单体和交联剂的原料组合物经聚合形成；其中所述油溶性单体选自烯烃类、丙烯酰胺类和(甲基)丙烯酸酯类单体中的一种或多种；所述交联剂选自二乙烯基苯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、1,4-苯二丙烯酸二乙酯、二丙烯酸二乙二醇酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、二甲基丙烯酸甘油酯和二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或多种。
[0015][6]根据第[1]或[2]项所述的Janus纳米片，其中所述亲水层包含亲水性聚合物或者与所述复合夹层中的聚合物通过化学键连接的带亲水基团的结构和/或亲水性链段。
[0016][7]根据第[6]项所述的Janus纳米片，其中形成所述亲水性聚合物或亲水性链段的单体为选自丙烯酰胺类、(甲基)丙烯酸类和聚乙二醇甲基丙烯酸酯中的一种或多种。
[0017][8]根据第[6]项所述的Janus纳米片，其中所述亲水基团为选自羧基、氨基、羟基和磺酸基中的一种或多种。
[0018][9]根据第[1]或[2]项所述的Janus纳米片，其中所述功能性层包含功能性聚合物或者与所述复合夹层中的聚合物通过化学键连接的带有功能性基团的结构和/或功能性链段。
[0019][10]根据第[9]项所述的Janus纳米片，其中所述功能性聚合物或所述功能性链段具有响应性，优选具有pH响应性、温度响应性、光响应性、磁场和/或电场响应性中的一种或多种。
[0020][11]根据第[10]项所述的Janus纳米片，其中形成所述功能性聚合物或功能性链段的单体包括PH响应性单体、温度响应性单体和/或光响应性单体；所述pH响应性单体选自甲基丙烯酸二乙基氨基乙酯(DMAEMA)，丙烯酸(AA)、4-乙烯基吡啶、甲基丙烯酸(MMA)或乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMA)；所述温度响应性单体选自N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)或N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)；所述光响应性单体选自丙烯酰胺基偶氮苯(AAAB)或异丙基丙烯酰胺(NIPAM)。
[0021][12]根据第[1]-[11]项中任一项所述的有机/无机杂化三层结构Janus纳米片的制备方法，包括：
[0022]将油溶性单体、交联剂、油溶性氧化剂、油分散性无机纳米颗粒溶解和分散在石蜡中作为油相；
[0023]将水和表面活性剂混合作为水相；
[0024]将油水两相混合乳化成乳液后，向其中加入水溶性还原剂，通过界面氧化还原聚合得到稳定的颗粒乳液；
[0025]向得到的颗粒乳液中加入亲水性单体进行聚合，或者加入带有亲水基团和/或亲水链段的化合物进行反应，得到有机/无机杂化二层结构颗粒乳液；
[0026]向得到的有机/无机杂化二层结构颗粒乳液中加入单体和油溶性引发剂，聚合得到有机/无机杂化三层结构颗粒乳液；
[0027]从得到的乳液中分离有机/无机杂化三层结构颗粒，然后机械破碎，得到有机/无机杂化三层结构Janus纳米片。
[0028][13]根据第[12]项所述的制备方法，其中(油溶性单体+交联剂)/(石蜡)的质量比为1/10-10/1。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有机/无机杂化三层结构Janus纳米片，其包括：复合夹层、亲水层和功能性层，其中所述复合夹层为包括无机纳米颗粒和聚合物的中间夹层；所述亲水层位于所述复合夹层的一侧；所述功能性层位于所述复合夹层的另一侧。2.根据权利要求1所述的Janus纳米片，其中所述亲水层、复合夹层和功能性层的厚度比为1-3:8-12:1-3；所述Janus纳米片的尺寸在10-300nm的范围内。3.根据权利要求1或2所述的Janus纳米片，其中所述无机纳米颗粒选自金属单质、金属合金、金属氧化物、无机单质、无机盐、无机氧化物、无机碳化物、无机氮化物和石墨烯中的一种或多种。4.根据权利要求1或2所述的Janus纳米片，其中所述复合夹层中所述无机纳米颗粒为分散相，所述聚合物形成连续相。5.根据权利要求1或2所述的Janus纳米片，其中所述复合夹层中的聚合物由包含油溶性单体和交联剂的原料组合物经聚合形成；其中所述油溶性单体选自烯烃类、丙烯酰胺类和(甲基)丙烯酸酯类单体中的一种或多种；所述交联剂选自二乙烯基苯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、1,4-苯二丙烯酸二乙酯、二丙烯酸二乙二醇酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、二甲基丙烯酸甘油酯和二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或多种。6.根据权利要求1或2所述的Janus纳米片，其中所述亲水层包含亲水性聚合物或者与所述复合夹层中的聚合物通过化学键连接的带亲水基团的结构和/或亲水性链段。7.根据权利要求6所述的Janus纳米片，其中形成所述亲水性聚合物或亲水性链段的单体为选自丙烯酰胺类、(甲基)丙烯酸类和聚乙二醇甲基丙烯酸酯中的一种或多种。8.根据权利要求6所述的Janus纳米片，其中所述亲水基团为选自羧基、氨基、羟基和磺酸基中的一种或多种。9.根据权利要求1或2所述的Janus纳米片，其中所述功能性层包含功能性聚合物或者与所述复合夹层中的聚合物通过化学键连接的带有功能性基团的结构和/或功能性链段。10.根据权利要求9所述的Janus纳米片，其中所述功能性聚合物或所述功能性链段具有响应性，优选具有pH响应性、温度响应性和/或光响应性。11.根据权利要求10所述的Ja...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨振忠，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：