聚合物纳米线的研究进展

聚合物纳米线的研究进展 唐知灯 (湖南学院化学化工学院—湖南湘潭411100) 摘要:全面综述了聚合物纳米线的制备方法及研究现状,根据聚合物纳米线的制备机理和实施方法的不同,可以分为静电纺丝法, 模板法,自主装法三种。本文评述了其研究现状及可能的应用前景。 关键词:纳米线;聚合物纳米线;研究进展。 Advanced in polymer Nanowire Tangzhideng (Department of Chemistry and Technology, Hunan Institute of Engineering, Hunan Xiangtan 411100) Abstract:An overview of the latest research metal.It can be distributed electrospinning ,porous template and self-assembly by its diffirent synthesis.The possible applications of such kind of materials in the future were foreeasted. Key words:nanowire polymer Nanowire advanced 引言:聚合物纳米线作为一种特殊结构的纳米材料有其特别的性能和用途。纳米线作为一维纳米材料,是指直径处于10nm~100nm的纳米尺度而长度可迭微米量级的线性纳米材料。本文将着重评述聚合物纳米线的制备方法及机理、性能以及潜在的应用等。 1 聚合物纳米管的制备方法及原理 聚合物纳米线自发现几年来,研究一直在不断深入、完善和创新中。其主要着眼点在于通过新的制备方法,新的聚合物品种等来开发新的聚合物纳米管,以期寻找新的性能及用途。综合起来,目前已有的制备方法可分为多孔模板法、线模板法、自组装法等几大类。现根据目前研究情况,从制备方法及原理的角度归纳如下,并分述如下: 1.1.1静电坊丝法:静电纺丝法是将聚合物溶液或熔体置于几千至上万伏高压电场,带电的聚合物液滴在电场力作用下在毛细管的Taylor锥顶点被加速,克服表面张力形成喷射细流,细流在喷射过程中溶剂蒸发固化,最终落在接收装置上,形成类似非织布状的纤维毡(Fig.I)t”。前用静电纺丝法制备的聚合物已达几十种。如聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯醇(PV A)、聚苯乙烯(Ps)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)等。聚合物中加入掺杂剂或是在三重体系中进行电纺可以大大降低所得纳米线的直径。。有些是由聚合物和溶剂组成的两相体系中选择 性溶去一种,也可得多孔纳米线,如PLA在二氯甲烷中进行电纺可得多孔纳米纤维(Fig.2)。最近新出现了一种称为共电纺的方法可制备核壳结构的纳米纤维,两种不同组成的液体分别从核和其周围的同心环形喷嘴喷出,经溶剂蒸发或熔体冷后在接收板上固化形成核壳结构的纳米纤维,这种方法特别适合本身不能进行电纺的聚合物,以其作为核,壳材料就可作为其模板从而进行电纺得到核壳复合结构。静电纺丝法是现在制备纳米纤维最常用的方法,但是其影响因素多,参数较难控制。 1.1.2模板合成法 用化学方法制备纳米材料通常都涉及到从分散的原子或分子逐渐聚集、长大的生长过程。模板合成法就是设法让纳米粒子的成核和生长在所谓“纳米笼”中进行,“纳米笼”的大小和形状就决定了作为产物的纳米结构的尺寸和形状。这些“纳米笼”就是模板合成技术中的“模板”。模板合成法可以同时解决颗粒尺寸、形状控制以及分散稳定性问题。具有特定微孔结构的材料,如径迹蚀刻高分子膜、阳极氧化铝膜、多孔硅等,都可作为制备纳米结构的模板。模板法制备纳米线可以追溯到1970年。Possion 在用高能离子轰击云母形成中制备出了直径只有40 nm的多种金属线。后来,Williams W D和GiordanoN¨驯改进了这一方法制备出直径小于10 nm的Ag线。之后,模板法得到了迅速发展。 聚合物纳米线的模板合成可通过将模板浸入含有单体和引发剂的溶液中来完成。聚合物优先在孔壁成核和生长,因此沉积时间短时得到纳米管而经过长时间沉积后得到纳米线。用这种膜已经得到聚吡咯纳米管和一些其它导电高分子的纳米线和纳米管,并且发现它们具有很高的电导率,这归因于导电高分子沉积的有序性。 1.1. 2.1用于纳米线组装的模板--聚碳酸酯膜 高分子模板中应用最广泛的是核径迹.蚀刻膜(track.etchmembrane)模板,它是国外20世纪70年代发展起来的一种新型微孔滤膜。这种膜是利用核反应堆中的热中子使铀.235裂变,裂变产生的碎片穿透有机高分子膜,在裂变碎片经过的路径上留下一条狭窄的辐照损伤通道。这些通道经氧化后,用适当的化学试剂蚀刻,即可把薄膜上的通道变成园柱状微孔。控制核反应堆的辐照条件和蚀刻条件,就可以得到不同孔密度和孔径的核孔膜。核径迹一蚀刻膜膜孔的分布是无 规律不均匀的,孔径可以小到10 nm,孔率可达到109个/cm2,所用膜材料一般是聚碳酸酯、聚酯及其它聚合物材料。聚碳酸酯膜模板是所有聚合物膜模板中使用最广的一种,它用作过滤膜,已有许多商业产品。 1.1.3自组装法: 所谓自组装,就是通过一些组分的自发连接而朝空间限制的方向发展,形成在分子、共价键或超分子、非共价键层次上分立或连续的实体的过程。聚合物纳米线的自组装法是通过聚合物单体与掺杂剂本身所携带的亲水性或疏水性基团之间的相互作用形成管胶束,所形成的胶束起到“类模板”的作用,然后聚合形成掺杂的聚合物纳米线或管。如电致发光材料1,3-二苯基一2一吡唑啉(DP)纳米纤维、PANI—NSA及PAN+NSA/Fe3O4。纳米纤维等。 2 聚合物纳米线的应用前景 纳米材料由于其纳米效应可广泛应用于国民经济的各个领域。聚合物纳米线由于其独特的性质,可应用于生物医学、纳米微电子、催化材料等领域 2.1生物医学 目前聚合物纳米线主要用于药物释放体系和组织工程等方面。通过三相或两相体系的电纺丝,而后除去其中一相便可得多孔纳米线,以其作模板又可得多孔纳米管。由于其纳米尺寸和多孔丧面,可作为药物的载体和控制体系。通过其形状和尺寸可使其在身体特定部位定位,然后通过孔可进行缓释。另一应用领域是用于组织工程,如PLA纳米线由于其良好的生物相容性,可用于生长骨细胞和间叶组织细胞。这些纤维是由纯聚乳酸或聚乳酸掺杂磷酸三钙组成,经研究发现.细胞紧贴PLA线生长,无相斥现象。 2.2微电子 现已有很多复合纳米管被合成出来。如PS/Pd、PS/PPY、PPX/Pd、PPX /Al、PPX/Au等,这些纳米管外面是不导电的聚合物,里面是金属或导电聚合物,可用于制作纳米电缆,从而可制成微电子器件。如果制得金属/不导电聚合物/金属三重复合管,便可用于纳米电容。此外,有些聚合物纳米管∕线由于其本身所具有的性质,可制成微传感器。由于导电聚合物具有良好的电学、光学以及氧化还原特性.因此在近20年里一直备受关注。利用模板法制备的纳米结构导电聚合物材料的电导率比常规法得到的粉体或薄膜结构的同类材料高几个 数量级。周剑等利用表面活性剂对阳极氧化铝(AAO)模板进行化学修饰,发展了模板合成法,从而得到更小尺寸的聚苯胺纳米管、线。在表面活性剂十八烷基脂肪酸(R18)修饰下,在14 nm孔径的AAO模板中合成7 nm的纳米线。对不同表面活性剂的比较后发现,通过改变修饰表面活性剂上烷基链长可以对所制备的聚合物纳米管、线的直径进行调控。王臻等利用多孔阳极氧化铝(AAO)模板制备出高度有序的PANI纳米线阵列。聚苯胺纳米线作为一种高聚物材料,具有稳定性好、易于合成等优点,在化学传感器、显示器、光电池等光电器件上有许多潜在应用价值。 2.3催化材料 将聚合物和Pd、Sc等金属复合。便可用于一些有机化学反应的异相催化材料,如将PLA和醋酸钯用二氯甲烷溶解,通过润湿技术在多孔模板上形成PLA 掺杂醋酸钯的复合管,加热至150℃,便可将醋酸钯转化为钯颗粒,可用于催化材料。如果继续加热至250℃,便可得钯纳米管,同样可以用于催化材料,可以催化加氢反应和Heck偶联反应,与Pd—C催化剂相比具有较好的选择性。 3 结语 聚合物纳米线可以用于生物医学、微电子、催化材料等方面,可将聚合物良好的加工性能与纳米材料的特性结合起来,具有潜在的应用前景。目前有多种方法合成聚合物纳米线材料,但主要以静电纺丝法, 模板法,自主装法为主。合成方面有广阔的应用前景。尽管国内外学者对纳米线合成方法及其性能已作了大量研究,但对于合成材料的晶粒尺寸、结构控制成批生产具有实用价值的材料的研究还有待进一步深入 4 致谢 感谢湖南工程学院图馆提供的电子资源信息及陈建芳老师的悉心指导。 5 参考文献 【1】曹渊1,陶长元1,杜军1,张丙怀2。模板法制备纳米线的研究进展(重庆大学1化学化工学院;2材料科学与工程学院,重庆400044) 【2】宋国君, 李建江, 佘希林。聚合物纳米管研究进展(青岛大学化工学院,青岛266071) 【3】浦鸿汀,谢娟。聚合物一维纳米材料的研究进展(同薪大学材料学院 功蛇高分子所-上蠢200092) 【4】何靖1.2 程发良1 庞浩2 廖兵2导电聚合物纳米管线的制备与应用(1.东莞理工学院,广东东莞523106;2.中国科学广州化学所,广东,广州)【5】葛东涛王纪孝王世昌。聚吡咯纳米线(管)的合成(天津大学化工学院化学工程研究所天津300072) ! "