基本信息
- 项目名称：
- 离子交换植入原位制备聚酰亚胺/氧化锡纳米复合薄膜及其亚微结构与性能研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 首次通过直接离子交换植入法成功制备了氧化锡纳米粒子在基体聚酰亚胺表面分散均匀的聚酰亚胺/氧化锡纳米复合薄膜。依据不同应用需求，该制备技术方法可以推广应用到聚酰亚胺基其它金属氧化物纳米复合薄膜的制备，目前已经探索制备出了PI/Fe2O3，PI/Cu/CuO, PI/NiO，PI/ZnO等一系列纳米复合薄膜。
- 详细介绍：
- 以原位直接离子植入的方式制备聚酰亚胺/氧化锡纳米复合薄膜，以求制备出氧化锡纳米粒子在PI薄膜表层均匀分布、力学性能优异和半导体性能均优异的聚酰亚胺/氧化锡纳米粒子复合薄膜。其制备工艺如下：首先合成聚酰胺酸，随后将其与金属锡离子的乙醇溶液进行离子交换，形成金属离子掺杂的聚酰胺酸层，然后在氧气存在的情况下进行热固化。在热固化的过程中聚酰胺酸发生环化反应生成聚酰亚胺，同时锡离子在热和氧的作用下自动分解、迁移聚集形成锡氧化物粒子，从而得到聚酰亚胺/磁性纳米粒子复合薄膜。显然，该技术可以推广应用到聚酰亚胺基其它金属氧化物纳米复合薄膜的制备方面，具有制备推广的普适性。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 通过撰写该文阐述了用直接离子植入法制备聚酰亚胺/氧化锡纳米复合薄膜的方法及表征手段，对其的应用进行了探究。该方法可以还可以推广到聚酰亚胺/其它金属氧化物纳米复合薄膜的制备，目前已经探索制备出了PI/Fe2O3，PI/Cu/CuO, PI/NiO，PI/ZnO等一系列纳米复合薄膜。
科学性、先进性及独特之处
- 首次采用直接离子交换植入锡离子的方法制备了PI/SnO2纳米复合薄膜，通过优选离子交换植入的条件、热处理的调节实现了SnO2纳米粒子在PI薄膜表层呈均匀分布的纳米复合薄膜。实验所制备的PI/SnO2纳米复合薄膜在保持了聚酰亚胺优异的力学性能和耐高温性能的基础上，还具有了SnO2纳米薄膜的功能性特点。此外，根据应用要求的不同，该技术可以推广应用到聚酰亚胺基其它金属氧化物纳米复合薄膜的制备。
应用价值和现实意义
- 聚酰亚胺/氧化锡纳米复合薄膜在太阳能电池、UV激光器、发光二极管、微电子设备、气敏传感和可燃气体检测等方面具有广泛的应用。此外，依据不同应用需求，该制备技术方法可以推广应用到聚酰亚胺基其它金属氧化物纳米复合薄膜的制备。
学术论文摘要
- 以均苯四甲酸二酐和4，4'-二胺基二苯醚为原料合成聚酰胺酸，并流延成膜，以氯化亚锡为氧化锡的前驱体，通过直接离子交换使Sn2+载入到聚酰胺酸薄膜表面，随后的热处理使聚酰胺酸脱水环化生成聚酰亚胺，同时Sn2+氧化生成氧化锡。运用ATR-FTIR研究了热处理前后基体化学结构的变化；运用XRD研究了薄膜表面氧化锡的晶型。运用ICP，SEM和TEM研究了离子交换时间对复合薄膜微观形貌的影响。实验中所制备的PI/SnO2纳米复合薄膜保持了纯聚酰亚胺的力学和热稳定性能，并且表面氧化锡层和基体之间具有良好的粘接性能。该纳米复合薄膜在保持了聚酰亚胺优异的力学性能和耐高温性能的基础上，还具有了SnO2纳米薄膜的功能性特点，使其在光电，催化，气敏传感等领域具有广泛的应用前景。该制备技术具有实验操作简单、周期短、和低成本等优点。此外，该技术可以推广应用到聚酰亚胺基其它金属氧化物纳米复合薄膜的制备，具有较高的学术价值。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- Shengli Qi，Zhanpeng Wu, Dezhen Wu. J. Phys. Chem. B, 2008, 112 (18). Shengli Qi, Dezhen Wu, Macromolecular rapid communications, 27, 372–376 Shengli Qi, Zhanpeng Wu, Dezhen Wu. Polymer.2009, 50, 845–854 Naoto Shirahata , Atsushi Hozumi. Chem. Mater. 2005, 17, 20-27 Jun Zhang, Shurong Wang，Shihua Wu. J. Phys. Chem. C 2009, 113,1662–1665 Mauro Epifani, Jordi Arbiol.crystalgrowth&design.2008,8, 1774-1778 X. Du,Y. Du, S. M. George. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 9211–9219 Yong Wang,Jim Yang Lee, Hua Chun Zeng. Chem. Mater. 2005, 17, 3899-3903 Gang Xu, Ya-Wen Zhang, Xiao Sun. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 3269-3278 Sang Hyun Park, Young Chan Son, William S. Willis. Chem. Mater. 1998, 10, 2389-2398 Qin Kuang, Chang-Shi Lao, Zhong Lin Wang. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 11539–11544
同类课题研究水平概述
- 近年来，聚合物/氧化锡纳米复合材料的研究引起了人们相当大的兴趣。这种以金属氧化锡纳米粒子作为功能组分，以氧化锡纳米粒子属于n-型半导体功能金属氧化物，其在光催化、气敏、透明微电极以及染料敏化电池等领域具有广泛的应用。在众多聚合物中，聚酰亚胺（PI）以其优异的成膜性、耐高低温性能、高强度、柔韧性和满足连续卷曲制备工艺等特点，成为制备有机/无机复合薄膜的优选基底材料。 传统的外部沉降的金属氧化物的复合薄膜制备方法，例如物理气相沉降法、热诱导化学气相沉降法、光诱导化学气相沉降法、电沉降法、真空蒸发和溅射等方法往往可以存在金属氧化物与聚合物基体间的界面粘合力不强而容易脱落的缺点。 共混法是用来制备PI/金属氧化物纳米复合薄膜较简单的一种方法。它是指首先合成较低粘度的聚酰胺酸，然后将磁性纳米粒子注入到聚酰胺酸中，然后将该混合物流延成膜并在高温下热亚胺化得到复合薄膜。但由于纳米粒子的尺寸小，比表面积和比表面能很大，因此极易发生团聚，难以得到粒子均匀分布的聚酰亚胺薄膜。 原位法是用来制备聚酰亚胺/金属氧化物复合薄膜的典型方法。它是指将锡盐加入到聚酰亚胺的前驱体聚酰胺酸树脂溶液中制成均一溶液，然后流延成膜并进行热处理。在热处理的过程中，聚酰胺酸发生酰亚胺环化反应生成聚酰亚胺，同时原位分解形成锡氧化物，从而得到聚酰亚胺/氧化锡复合薄膜。该方法必须选用和聚酰胺酸溶液具有很好的相容性的锡盐作为前驱体，因此锡盐的种类受到很大的限制。而且随着锡盐掺杂量的增大，薄膜的柔韧性急剧下降，变脆，失去使用价值。 申请人率先提出了以原位直接离子植入的方式制备聚酰亚胺/氧化锡纳米复合薄膜，以求制备出氧化锡纳米粒子在PI薄膜表层均匀分布、力学性能优异和半导体性能均优异的聚酰亚胺/氧化锡纳米粒子复合薄膜。其制备工艺如下：首先合成聚酰胺酸，随后将其与金属锡离子的乙醇溶液进行离子交换，形成金属离子掺杂的聚酰胺酸层，然后在氧气存在的情况下进行热固化。在热固化的过程中聚酰胺酸发生环化反应生成聚酰亚胺，同时锡离子在热和氧的作用下自动分解、迁移聚集形成锡氧化物粒子，从而得到聚酰亚胺/纳米粒子复合薄膜。此外，该技术可以推广应用到聚酰亚胺基其它金属氧化物纳米复合薄膜的制备方面，具有制备推广的普适性。
