浅析高分子复合材料微加工

    吴代烜

    摘 要：研究高分子材料微加工对改善材料性能、提高生产效率有积极意义。本文分析当前高分子材料研究热点和瓶颈；分析复合功能中空微球和Janus颗粒两种高分子材料；分析Janus颗粒常用制备方法和特殊制备方法。

    关键词：高分子材料；微球加工；改性研究

    0 引言

    对高分子材料的微观加工和改造一直是高分子微观材料研究的重点和热点。科学家能否精确控制高分析材料的微观结构，准确定位不同空间复合点，并增强高分子材料批量生产的能力是高分子材料改性研究水平的重要参考标准。目前，高分子材料微观改性研究中主要问题是：第一，如何做好对中空薄球的组成、厚度和完整性的控制；二是如何保障中空薄球两侧物质和能量的交换；三是如何简易操作，增强高分子材料微观加工改性的生产效率，实现批量化生产。

    1 复合功能中空微球

    中空球内部有空洞的化学微观颗粒，对光、电、热等具有特殊作用，能够形成保温、隔热等效果。目前，复合功能中空微球的制备主要涉及实心聚合物模板。实心聚合物模板的基本思路是：以化学反应为基础，在微球模板中引入高分析凝胶物质，形成微球表面结构官能团，改变微球表面的化学环境。同时，利用高分析凝胶的渗透作用，深入球体内部，对球体内部尺寸进行调整和更新。这种方法能增强微球调节的连续性，提高微球改性的生产效率。

    2 Janus颗粒及其常用制备方法

    （一）Janus颗粒

    Janus颗粒是一种非对称结构。1989 年法国学者采用Janus来命名这种化学结构。Janus一词来源于古希腊，原指具有两张不同脸型的神。Janus颗粒的关键特征是化学组成和空间结构的双面性，Janus结构的双面性犹如条形磁铁同时具有正负级一样，能够在同一颗粒中产生相反的化学特性；Janus颗粒在空间结构上的非对称性，使其具有自组装、靶位识别等特性。因此，Janus颗粒在采油、电子墨水、纳米推进器等领域具有重要作用。

    （二）Janus颗粒常用制备方法

    （1）界面保护法

    界面保护法的基本原理是基于界面将胶体颗粒分两部分，再根据胶体颗粒的不同特性进行改性或功能复合，其关键是为了去除胶体表面界面的不糊性能，界面可分为2D和3D两种。2D法能实现胶体颗粒结构的精确控制，较简便直接，但生产产量较少，应用价值不大。而3D法则有利于增加生产产量，常采用Pickering乳液法，即以改性SiO2为乳化剂，形成石蜡和水组成的乳液环境，SiO2漂浮或镶嵌在乳液表面，再通过硅烷偶联剂将表面SiO2去除。

    （2）相分离法

    非对称结构胶体聚合物分离还可采用诱导相位分离的方法。目前，较为成熟的是对哑铃状结构进行改性。美国科学家通过溶胀单体性能改变，分析不同哑铃状聚合物的构成要素，并设计聚合物功能反应，实现聚合物表面性能的改良，使胶体颗粒具有双亲性。

    （3）微加工法

    微加工法具有较好的可操作性，目前较为成熟的技术包括：微流体法、电纺丝法。这两种方法能够调整和改善胶体颗粒的功能结构，以此改变胶体的性能。但是，这两种方法仍存在一定缺陷，即无法解决批量生产和较小尺寸结构调整。

    3 Janus颗粒特殊制备方法

    常见的Janus制备方法对高分析胶体颗粒的精确调控和批量制备有一定的局限性，为此，笔者分析了几种有利于解决上述问题的制备方法。

    （1）双相ATRP接枝制备

    通过分析界面保护法，我们发现分散于界面的胶体颗粒容易发生旋转，从而导致对胶体进行改性时，这些胶体颗粒始终处于不稳定状态，Ganick采用石蜡固定部分胶体颗粒，再对未被覆盖的胶体颗粒进行改性，这种方式较为繁琐。为此，笔者设计一种双向同时原子转移自由基聚合（ATRP）接枝技术。基本思路是：SiO2颗粒表面经过偶联剂改性后，可以稳定Pi乳液，偶联剂中存在苄基氯，可以在油性和水性中同时发生ATRP反应，这样可以将SiO2两个区域固定在PS和PAM中。

    （2）基于化学腐蚀方法的Janus颗粒制备

    结构控制也是Janus颗粒制备的关键。笔者仍通过Pickering乳液，对Janus颗粒非球形改性措施进行优化。首先，将石蜡覆盖部分SiO2表面，再通过刻蚀剂对尚未被石蜡覆盖的SiO2表面进行腐蚀，通过一定时间的刻蚀，球形的颗粒逐渐转变为非球形的胶体颗粒，如蘑菇型等。同时，在胶体表面尚未进行刻蚀的表面仍具有功能基团，这些功能基团可以通过表面接枝形式聚合。

    （3）Janus批量制备方法

    批量制备时进行高分子材料改性的关键内容，实现从科学研究向生产实践的过渡。目前，学术界关于批量制备Janus颗粒的方法主要有：基于表面润湿--去润湿原理和基于多组分聚合物的诱导分离原理。

    基于表面润湿--去润湿原理。通常采用乳液复合技术，制备复合Janus颗粒，科学家研究此过程中相关影响因素，分析化学反应机理。还可以通过无机表面刻蚀、硅烷欧联改性等方式，拓展Janus颗粒结构，通过无机表面刻蚀的方式，能够很好的实现颗粒表面的平衡控制，增强高分子聚合过程中小分子的相互诱导。

    基于多组分聚合物的诱导分离原理。该方法用于制备Janus颗粒中空球，利用溶胀技术，形成化学官能团的改性，并增强诱导物质的生长能力，由此可以产生一系列的Janus颗粒结构，如SiO2/PS、TiO2/PS等。这种Janus的制备方式，具有较好的组成纯度，为薄球模板形态。通过控制反应时间和反应量，可以调整Janus颗粒的平衡性，为批量控制做好准备。

    4 结语

    高分子材料微观改性研究是高分子材料的重要研究领域，研究高分子材料微观加工的关键，一是寻找材料内部结构的组合方式；二是改善材料表面识别官能团的位置和性能；三是研究高分子材料批量改性生产的途径和方式。

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