制备空间尺度/化学组成梯度复合功能材料的辐射接枝新方法研究

The immobilization of nanoparticles to the substrate materials is the bottle-neck for the applications of nanoparticles. There are several methods for the direct immobilization of nanoparticles to the substrate materials. However, the weak adherence and the affect on the properties of the nanoparticles limits these methods for applications. In this project, a novel kind of functional material containing gradient size and chemical composition is prepared by irradiation induced grafting method. Metal-Organic-Frameworks (MOFs) which is in size of micrometer level while contains nanopores is used as mediate between the polymer substrates and inorganic nanoparticles. The synthetic route is: firstly, the MOFs containing carbon-carbon double bonds in the surface are prepared; secondly, inorganic nanoparticles are in-situ synthesized by the hydrolyzation of the precusor in the nanopores of the MOFs;thirdly, the composites of TiO2@MOFs are immobilizated onto the surface of polymer substrates by irradiation induced grafting. The gradient functional material is composed by the organic polymer substrates in macroscopic scale, the organic-inorganic hybrid MOFs in micrometer scale and the inorganic nanoparticles in nanometer scale, which cause the gradient functional material has all the advantages of the three kinds of materials. This project will afford a novel avenue to the immobilization of nanoparticles to the substrates which is promising for various applications.

如何将纳米粒子固定在宏观材料上，避免其在使用过程中流失，是纳米材料实际应用的技术瓶颈。将纳米粒子以物理或化学方法直接在宏观材料上固定,存在结合力不强、降低纳米粒子性能等缺点。本项目提出利用辐射接枝法制备梯度复合功能材料的概念，即采用一种粒径在微米级、内部又充满纳米孔的金属有机框架化合物（MOFs）材料作为宏观材料和纳米粒子的中介，先在MOFs的纳米孔中原位生成无机纳米粒子，再利用辐射接枝法将MOFs/无机纳米粒子复合材料用共价键牢固结合到宏观尺度的高分子基底上，制备出高分子基材/MOFs/无机纳米粒子的复合材料。这种材料在空间尺度上是宏观-微米-纳米的梯度复合，在化学组成上是有机-有机无机杂化-无机材料的梯度复合，兼具三者的优点。通过本项目对梯度功能复合材料的合成路线和反应规律的系统研究，发展将纳米粒子牢固结合在高分子材料上的辐射接枝新方法，为实现纳米材料的广泛应用提供一种通用的技术平台。

如何在保持性能不变的前提下将纳米粒子牢固结合到宏观材料上，避免其在使用过程中流失，是纳米材料走向实际应用的难点之一。将纳米粒子以物理或化学方法直接在宏观材料上固定,存在结合力不强、降低纳米粒子性能等缺点。本项目提出了梯度复合功能材料的概念，即使用前驱体法，在的微米级颗粒金属有机框架化合物（MOFs）的纳米孔道内合成出无机纳米粒子，随后将无机纳米粒子@MOFs复合材料的微粒通过辐射共接枝方法固定到宏观尺度的高分子材料表面，从而制备出在空间尺度上呈现纳米/微米/宏观梯度复合、在化学组成上呈现无机/无机有机杂化/有机梯度复合的材料，为纳米材料的实际应用和高分子材料的表面改性提供新的路线。在项目执行过程中，系统研究了MOFs材料在纺织品表面辐射接枝的动力学，掌握了反应条件对接枝产物性能影响的规律；通过前驱体法在MOFs材料的纳米孔道内合成了纳米二氧化钛粒子，从而制备出纳米二氧化钛@MOFs复合材料；将纳米二氧化钛@MOFs通过辐射共接枝固定到纺织品表面，制备得到空间尺度上呈现纳米/微米/宏观梯度复合、在化学组成上呈现无机/无机有机杂化/有机梯度复合的纺织品，所制得的纺织品具备良好的光催化自清洁性能和功能耐久性。本项目的研究发展了将纳米粒子牢固结合在高分子材料上的辐射接枝新方法，为实现纳米材料的广泛应用提供一种通用的技术平台，同时也为高分子材料表面改性、制备功能耐久的新型功能高分子材料提供了新的路线。