膨胀性材料及使用方法技术

本发明专利技术的一个方面包括一种膨胀性溶胶-凝胶组合物，所述组合物包含多个连通的有机硅纳米颗粒。本发明专利技术的另一方面包括一种膨胀性复合材料，所述材料包含多个连通的有机硅纳米颗粒和能与非极性或有机吸着物结合或反应的颗粒材料。干燥时，凝胶-溶胶组合物和膨胀性复合材料在接触非极性或有机吸着物时能够膨胀至其干燥体积的至少两倍。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术主要涉及，更具体而言，涉及当与非极性或有机吸着物接触时能膨胀至其干燥体积的至少两倍的膨胀性溶胶-凝胶。
技术介绍
具有膨胀能力的聚合材料可用于各种应用。膨胀的机制依赖于由材料的物理化学性质决定的分子水平的变化的发生(Escobedo等，Phys. Report 318 :85(1999))。溶胶-凝胶合成较简单，是制备具有各种形态和化学组成的有机/无机聚合物的通用方法(Wright, Sol-Gel Materials Chemistry and Applications, Gordon and BreachScience Publ.,阿姆斯特丹(2001))。与由生物材料制备的亲水聚合物(Khalid等Eur.J. Pharm. Sci. 15 :425(2002) ;Elvira 等，Biomaterials 1955 (2002))相比，干燥的由聚合的烷氧基硅烷构成的溶胶-凝胶(或者零凝胶)产生无弹性并且充分干燥时不易在溶剂中大量膨胀的SiO2基体。膨胀性的缺乏可能是由于在凝胶化和干燥过程中发生的可观的缩合反应以及交联聚合溶胶-凝胶材料(Brinker等，Sol-Gel Science. The Physics andChemistry of Sol-Gel Processing,Academic Press(San Diego), Chapter 9(1990))。由于溶胶-凝胶衍生的材料的固有化学结构，仅有少量经由溶胶-凝胶法制备膨胀性二氧化硅固体的报道。已采用胺桥连的硅烷前体配制成一些溶胶-凝胶组合物，其响应于PH变化(Rao 等，J. Sol-Gel Sci. and Tech. 26 :553(2003))或者温度变化而膨胀(Rao 等，Adv. Mater. 13 :274(2001) ；Rao 等，Adv. Mater. 14 :443(2002))从而产生“小”分子。这些胺桥连的溶胶-凝胶仅能非常有限地进行膨胀。
技术实现思路
本专利技术主要涉及膨胀性材料和使用方法，更具体而言，涉及当与非极性或有机吸着物接触时能膨胀至其干燥体积的至少两倍的膨胀性溶胶-凝胶。根据本专利技术的一个方面，膨胀性溶胶-凝胶组合物可包含多个连通的有机硅纳米颗粒。当干燥时，所述溶胶-凝胶组合物在与非极性或有机吸着物接触时能膨胀至其干燥体积的至少两倍。根据本专利技术的另一方面，膨胀性复合材料可包含多个连通的有机硅纳米颗粒以及能与非极性或有机吸着物桥连或反应的颗粒材料。当干燥时，所述膨胀性复合材料在与非极性或有机吸着物接触时能膨胀至其干燥体积的至少两倍。根据本专利技术的另一方面，用于处理受污染的水和土壤的组合物可包含多个连通的有机硅纳米颗粒。当干燥时，所述组合物在与非极性或有机吸着物、或者包含非极性有机吸着物的水溶液接触时能膨胀至其干燥体积的至少两倍。根据本专利技术的另一方面，提供了一种用于制备膨胀性复合材料的方法。所述方法的一个步骤可包括提供多个包含残余硅醇的有机硅纳米颗粒和颗粒材料。以具有至少一个能与残余硅醇反应的基团以及至少一个烷基的试剂对所述残余硅醇进行衍生化。然后可干燥所述膨胀性复合材料。根据本专利技术的另一方面，提供了一种用于治理包含非极性或有机吸着物的受污染的液体或土壤的方法。所述方法的一个步骤可包括使受污染的液体或土壤与膨胀性复合材料在可有效导致膨胀性复合材料吸纳非极性或有机吸着物的条件下接触。膨胀性复合材料可包含多个连通的有机硅纳米颗粒，当干燥时，所述膨胀性复合材料在与非极性或有机吸 着物接触时能膨胀至其干燥体积的至少两倍。 附图说明通过参考附图阅读下述描述，本专利技术的前述和其他特征对本专利技术所涉及的领域的技术人员而言将变得显而易见，在附图中图I是显示基于电子显微镜分析的、由本专利技术的膨胀性材料吸收溶解的有机物的推测模式的示意图(I——对材料表面的初始吸附；2——充分吸附开始引发基体膨胀导致跨越材料-水边界的吸收；3——孔隙填满导致进一步渗入材料中；4——连续的材料膨胀增加可用的空隙体积)(A——干燥非溶胀状态的膨胀性材料；B——部分溶胀的材料，对应于模式中的2 ；C-完全溶胀的材料，对应于模式中的3和4)；图2是显示包含亲水性内层和富芳香结构外层的膨胀性有机硅纳米颗粒的示意图；图3是一组电子显微照片，显示包含多个连通的有机硅纳米颗粒和颗粒材料的膨胀性复合材料。左图显示标准模式，右图显示反向散射能量鉴别(亮点表示颗粒材料)；图4A 4C是一组显示膨胀性复合材料用于TCE治理的图；图5是显示制备本专利技术的另一方面的膨胀性复合材料的方法的流程图；图6是TCE浓度(ppm)与时间(天)的关系图；图7是TCE浓度(ppm)与时间(天)的关系图，显示含4% nZVI的膨胀性复合材料(实心圆)、含4%nZVI和0. 001%钯催化剂的膨胀性复合材料(实心方块)、以及含4%nZVI、0. 001%钯催化剂和3X w/w柠檬酸的膨胀性复合材料(空心菱形)的原位TCE脱氯；图8是氯乙烯浓度(ppm)与时间(天)的关系图，显示仅ZVI (空心圆)以及ZVI膨胀性复合材料和钯(实心方块)的氯乙烯还原性脱氯；图9是1，I-二氯乙烯(1，1-DCE)浓度与时间(天)的关系图，显示仅ZVI (空心圆)以及ZVI膨胀性复合材料和钯(实心方块)的1，I-DCE还原性脱氯；和图10是I, 2_氯乙烯(反式-I, 2-DCE)浓度与时间(天)的关系图，显不仅ZVI (空心圆)以及ZVI膨胀性复合材料和钯(实心方块)的反式-1，2-DCE还原性脱氯。具体实施例方式除非另有说明，否则本说明书中所用的所有技术术语均与本专利技术所属
的技术人员通常所理解的含义相同。在本专利技术的上下文中，术语“膨胀性”可表示膨胀性材料在与非极性或有机吸着物接触时膨胀至其干燥体积的大于约两倍的能力。例如，膨胀性材料在与非极性或有机吸着物或含所述吸着物的水溶液接触时可膨胀至其干燥体积的大于约3倍、4倍、5倍、6倍或7倍以上。此处所用的术语“非极性吸着物”和“有机吸着物”可表示能被本专利技术的膨胀性材料吸纳(通过吸附、吸收、或两者组合)的物质，非极性吸着物的实例可包括有机溶剂，例如乙醇、乙腈、甲基叔丁基醚和二氯甲烷。有机吸着物的实例可包括烃类，如己烷和辛烷；芳香烃类，如苯、甲苯、二甲苯、萘、硝基苯、苯酚和间硝基苯酚；以及氯代有机物，如三氯乙烯、全氯乙烯、二氯乙烯、氯乙烯和多氯联苯。本专利技术主要涉及膨胀性材料和使用方法，更具体而言，涉及当与非极性或有机吸 着物接触时能膨胀至其干燥体积的至少两倍的膨胀性溶胶-凝胶。所述膨胀性溶胶-凝胶材料是疏水性的，在水或水蒸汽的存在下不膨胀。被膨胀性溶胶-凝胶材料吸收是非选择性的，从甲醇到己烷的非极性或有机吸着物均可导致该吸收。由于膨胀性溶胶-凝胶材料快速扩大，非极性或有机吸着物的吸纳产生大于100N/g的力。此外，膨胀和吸收由储存的张力而非化学反应驱动。实际上，如果通过蒸发或洗涤/干燥来去除所吸收的吸着物，吸附是完全可逆的。膨胀性溶胶-凝胶材料还可包含能与非极性或有机吸着物结合或反应的颗粒材料。膨胀性溶胶-凝胶组合物包含多个直径在纳米范围的、灵活接系并连通的有机硅颗粒。多个连通的有机硅纳米颗粒可通过多个交联的芳香性硅氧烷形成无序的微孔阵列或基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.09.15 US 12/560,0021.一种膨胀性溶胶-凝胶组合物，所述溶胶-凝胶组合物包含多个互连的有机硅纳米颗粒，所述溶胶-凝胶组合物在干燥时与非极性或有机吸着物接触时能膨胀至其干燥体积的至少两倍。2.如权利要求I所述的溶胶-凝胶组合物，所述溶胶-凝胶组合物是疏水性的，抗吸水。3.如权利要求I所述的溶胶-凝胶组合物，其中，所述溶胶-凝胶组合物通过吸收所述非极性或有机吸着物而发生的体积变化产生至少ΙΟΟΝ /g的力。4.如权利要求I所述的溶胶-凝胶组合物，所述有机硅纳米颗粒包含具有有机桥连基团的聚硅氧烷。5.如权利要求4所述的溶胶-凝胶组合物，所述溶胶-凝胶组合物包含在聚硅氧烷的硅原子之间柔性连接的芳香桥连接团。6.如权利要求I所述的溶胶-凝胶组合物，所述溶胶-凝胶组合物还包含能与所述非极性或有机吸着物结合或反应的颗粒材料。7.如权利要求6所述的溶胶-凝胶组合物，所述颗粒材料能还原卤代有机吸着物从而产生碳氢化合物和卤素离子终产物。8.如权利要求7所述的溶胶-凝胶组合物，所述颗粒材料包含反应性金属。9.如权利要求8所述的溶胶-凝胶组合物，所述反应性金属包括过渡金属。10.如权利要求8所述的溶胶-凝胶组合物，所述反应性金属包括零价铁(ZVI)、钯、金、钼、镍、锌及其组合中的至少ー种。11.如权利要求I所述的溶胶-凝胶组合物，基于干燥的溶胶-凝胶组合物的重量，所述溶胶-凝胶组合物还包含约O. 5 % 约5 %的ZVI。12.如权利要求6所述的溶胶-凝胶组合物，所述颗粒材料包括沉积在所述颗粒材料的至少部分表面上的金属催化剂。13.如权利要求12所述的溶胶-凝胶组合物，所述金属催化剂包括过渡金属。14.如权利要求13所述的溶胶-凝胶组合物，所述过渡金属选自由钯、镍和锌组成的组。15.—种膨胀性复合材料，包含 多个互连的有机硅纳米颗粒；和 能与非极性或有机吸着物结合或反应的颗粒材料； 其中，所述复合材料在与非极性或有机吸着物接触时能膨胀至其干燥体积的至少两倍。16.如权利要求15所述的复合材料，所述复合材料是疏水性的，抗吸水。17.如权利要求15所述的复合材料，所述有机硅纳米颗粒包含具有有机桥连基团的聚硅氧烷。18.如权利要求17所述的复合材料，所述复合材料包含在聚硅氧烷的硅原子之间柔性连接的芳香桥连接团。19.如权利要求15所述的复合材料，所述颗粒材料能还原卤代有机吸着物从而产生碳氢化合物和卤素离子终产物。20.如权利要求15所述的复合材料，所述颗粒材料包含反应性金属。21.如权利要求20所述的复合材料，所述反应性金属包括过渡金属。22.如权利要求20所述的复合材料，所述反应性金属包括ZVI、钯、金、钼、镍、锌及其组合中的至少ー种。23.如权利要求15所述的复合材料，基于复合材料的重量，所述复合材料包含约O.5% 约 5%的 ZVI。24.如权利要求15所述的复合材料，所述复合材料还包含沉积在所述颗粒材料的至少部分表面上的金属催化剂。25.如权利要求24所述的复合材料，所述金属催化剂包括过渡金属。26.如权利要求25所述的复合材料，所述过渡金属选自由钯、镍和锌组成的组。27.一种用于处理受污染的水和土壤的组合物，所述组合物包含多个互连的有机硅纳米颗粒，所述溶胶-凝胶组合物在与非极性或有机吸着物接触时能膨胀至其干燥体积的至少两倍。28.如权利要求27所述的组合物，所述组合物是疏水性的，抗吸水。29.如权利要求27所述的组合物，所述有机硅纳米颗粒包含具有有机桥连基团的聚硅氧烷。30.如权利要求29所述的组合物，所述组合物包含在聚硅氧烷的硅原子之间柔性连接的芳香桥连接团。31.如权利要求27所述的组合物，所述组合物还包含能与非极性或有机吸着物结合或反应的颗粒材料。32.如权利要求27所述的组合物，所述颗粒材料能还原卤代有机吸着物从而产生碳氢化合物和卤素离子终产物。33.如权利要求32所述的组合物，所述有机吸着物包括下述物质中的至少ー种四氯こ烯(PCE)，四氯化碳(CT)，三氯こ烯(TCE)，三氯甲烷(TCM)，顺式-1，2-ニ氯こ烯(cDCE)，三溴甲烷(TBM)，反式-1，2_ ニ氯こ烯(tDCE)，l，2_ ニ溴こ烷(12EDB)，1，1-ニ氯こ烯(IlDCE),三氯氟こ烧(Freon 113),氯こ烯(VC),三氯氟甲烧(Freon 11),六氯こ烷(HCA)，1，1，2，2-四氯こ烷(1122TeCA)，l，2，3-三氯丙烷(123TCP)，1，1，1，2-四氯こ烷(1112TeCA)，l，2-ニ氯丙烷(12DCP)，1，1，I-三氯こ烷(IllTCA)，林丹，1，1，2-三氯こ烷(112TCA)，六氯丁ニ烯(HCBD)，1，I-ニ氯こ烷(IlDCA)，具有式C12HichxCIx的多氯联苯、其中X是大于I且小于11的整数，有机氯杀虫剂，用作化学武器的卤代物种，或易于还原的物质。34.如权利要求31所述的组合物，所述颗粒材料包含反应性金属。35.如权利要求34所述的组合物，所述反应性金属包括过渡金属。36.如权利要求31所述的组合物，所述反应性金属包括ZVI、钯、金、钼、镍、锌及其组合中的至少ー种。37.如权利要求27所述的组合物，基于组合物的重量，所述复合材料还包含约O.5% 约5%的ZVI。38.如权利要求27所述的组合物，所述组合物还包含能促进所述组合物施用至水或土壤中的生物降解性表面活性剂或改性剂中的至少ー种。39.如权利要求31所述的组合物，所述组合物还包含沉积在所述颗粒材料的至少部分表面上的金属催化剂。40.如权利要求39所述的组合物，所述金属催化剂包括过渡金属。41.如权利要求40所述的组合物，所述过渡金属选自由钯、镍和锌组成的组。42.ー种制备膨胀性复合材料的方法，所述方法包括下述步骤 提供包含残余硅醇的多个互连的有机硅纳米颗粒和颗粒材料； 以具有至少ー个能与所述残余硅醇反应的基团和至少ー个烷基的试剂对所述残余硅醇进行衍生化；和 干燥所述膨胀性复合材料。43.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·L·艾德密斯东，
申请(专利权)人：ABS材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：