一种介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料，该材料具有二维六方结构，空间群p6mm，孔径为5.0～9.0nm，孔容为0.4～1.0cm3/g，比表面积为300～800m2/g，聚合物和氧化钛硅均匀分布在介孔骨架中，钛原子主要以四配位形式键合在氧化硅骨架中；所述聚合物是酚醛树脂、呋喃树脂或脲醛树脂。本发明材料是通过在有机溶剂条件下，利用溶胶-凝胶技术将聚合物源、硅源、钛源引入到一个表面活性剂自组装的反应体系中，利用协同组装作用、聚合交联和溶剂挥发自组装技术制备而得。本发明的制备方法具有操作简单、原料来源广泛、设备要求低、制备成本低廉及适于工业化生产等优点。

权利要求

1.一种介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料，其特征在于：具有二维六方结构，空间群

3 2

p6mm，孔径为5.0～9.0nm，孔容为0.4～1.0cm/g，比表面积为300～800m/g，聚合物和氧化钛硅均匀分布在介孔骨架中，钛原子主要以四配位形式键合在氧化硅骨架中；所述聚合物是酚醛树脂、呋喃树脂或脲醛树脂。

2.一种权利要求1所述的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：a)将表面活性剂和稀盐酸加入有机溶剂中，在20～40℃搅拌至表面活性剂全部溶解；

其中：表面活性剂在有机溶剂中的浓度为0.16～0.4g/ml，氯化氢在有机溶剂中的浓度为

0.02～0.2mol/L；所述表面活性剂为烷烃-聚环氧乙烯醚或聚环氧乙烯醚-聚环氧丙烯醚-聚环氧乙烯醚三元嵌段共聚物；所述有机溶剂为醇类、四氢呋喃、乙醚、氯仿、二氯甲烷中的一种或几种的混合溶剂；

b)加入硅源，继续搅拌0.5～2小时；其中：硅源与表面活性剂的质量比为(1～

5)∶1；所述硅源为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯或正硅酸丙酯；

c)加入钛源，继续搅拌0.5～2小时；其中：钛源与硅源的摩尔比为1∶(5～200)；

所述钛源为钛酸异丙酯、四氯化钛、钛酸正丁酯或三氯化钛；

d)加入聚合物源，继续搅拌0.5～2小时；其中：聚合物源与硅源的质量比为(0.01～

0.99)∶1；所述聚合物源为酚醛树脂、呋喃树脂或脲醛树脂；

e)将反应溶液转移到蒸发皿，首先在20～40℃挥发4～24小时，然后在80～120℃聚合反应20～48小时；

f)将蒸发皿中的反应产物刮下、碾碎，在惰性气氛下焙烧；其中：焙烧温度为250～

400℃，焙烧时间为3～8小时，升温速率为1～5℃/min。

3.根据权利要求2所述的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂是通式为CaH2a+1EOb烷烃-聚环氧乙烯醚或EOcPOdEOc的聚环氧乙烯醚-聚环氧丙烯醚-聚环氧乙烯醚三元嵌段共聚物；其中：a为10～18，b为5～25，c为

5～135，d为25～135。

4.根据权利要求3所述的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂是C16H33EO10、C16H33EO20、C18H37EO10、EO20PO70EO20、EO106PO70EO106及EO132PO50EO132中的一种或几种的混合物。

5.根据权利要求2所述的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述稀盐酸的浓度为0.2～2mol/L。

6.根据权利要求2所述的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述聚合物源与硅源的质量比为(0.2～0.6)∶1。

7.根据权利要求2所述的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述聚合物源是分子量为300～500的水溶性酚醛树脂、呋喃树脂或脲醛树脂。

说明书

一种介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明是涉及一种具有介孔结构的聚合物-氧化钛硅纳米复合材料及其制备方法，属于介孔材料技术领域。

背景技术

[0002] 与传统的复合材料相比，纳米复合材料中各组分的复合更均一，所具有的性能不是各个组分性能的简单加和，而是保持各个组分材料特点的基础上协同产生的综合性能。介孔有机-无机纳米复合材料也具有这些优点，同时介观结构的纳米限制空间赋予了高分子-氧化硅和碳-氧化硅纳米复合材料独特的化学行为。这为合成和发展具有特殊应用(如催化、吸附、光学器件和电化学等)的介孔材料提供了良机。

[0003] 目前，有序介孔有机-氧化硅纳米复合材料的合成方法有：介孔氧化硅的表面官能化、在介孔氧化硅材料中填充有机分子单体后引发聚合和采用一步法合成周期性介孔有机硅(PMOs)。介孔有机硅的官能化分为采用含有有机基团的有机硅源和正硅酸乙酯为前驱体或利用官能化的表面活性剂为结构导向剂合成，该方法的缺点是：所用的原料有机硅源或官能化的表面活性剂价格昂贵、难以获得；同时有机官能团具有分布随机和可能会堵塞孔道的缺点，从而限制了该类材料的进一步应用；该方法的另外一个明显的不足是必须首先合成介孔氧化硅材料。采用桥联的双官能化的有机硅源为前驱体在表面活性剂的导向下组装合成PMOs的方法，虽然简单有效的将有机基团，如甲基、乙基、乙烯基、苯基等引入到骨架中，同时保持了孔道畅通和活性位点，但桥联有机硅源使合成非常不经济，在有机成分含量高的情况下疏水的有机基团导致相分离和无序材料的产生，特别是当氧化硅骨架中含有杂原子如钛、铁、镓等时，这一现象更为突出。由于骨架中的杂原子赋予介孔氧化硅独特的催化活性中心，这类材料在催化、吸附等方面有着广阔的应用前景，但合成多功能的、高有机基团含量的杂化介孔氧化硅分子筛十分困难，因此，目前未见具有介孔结构的聚合物-氧化钛硅纳米复合材料及其制备方法的相关报道。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种具有介观结构有序、比表面积大、孔道尺寸均一的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料及其一种操作简单、制备成本低廉及适于工业化生产的制备方法。

[0005] 本发明的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料，其特征在于：具有二维六方结构，3 2
空间群p6mm，孔径为5.0～9.0nm，孔容为0.4～1.0cm/g，比表面积为300～800m/g，聚合物和氧化钛硅均匀分布在介孔骨架中，钛原子主要以四配位形式键合在氧化硅骨架中；
所述聚合物是酚醛树脂、呋喃树脂或脲醛树脂。

[0006] 本发明所述的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的制备方法，包括如下具体步骤：

[0007] a)将表面活性剂和稀盐酸加入有机溶剂中，在20～40℃搅拌至表面活性剂全部溶解；其中：表面活性剂在有机溶剂中的浓度为0.16～0.4g/ml，氯化氢在有机溶剂中的浓度为0.02～0.2mol/L；所述表面活性剂为烷烃-聚环氧乙烯醚或聚环氧乙烯醚-聚环氧丙烯醚-聚环氧乙烯醚三元嵌段共聚物；所述有机溶剂为醇类、四氢呋喃、乙醚、氯仿、二氯甲烷中的一种或几种的混合溶剂；

[0008] b)加入硅源，继续搅拌0.5～2小时；其中：硅源与表面活性剂的质量比为(1～5)∶1；所述硅源为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯或正硅酸丙酯；

[0009] c)加入钛源，继续搅拌0.5～2小时；其中：钛源与硅源的摩尔比为1∶(5～200)；所述钛源为钛酸异丙酯(Ti(i-OC3H7)4)、四氯化钛(TiCl4)、钛酸正丁酯(Ti(OC4H9)4)或三氯化钛(TiCl3)；

[0010] d)加入聚合物源，继续搅拌0.5～2小时；其中：聚合物源与硅源的质量比为(0.01～0.99)∶1；所述聚合物源为酚醛树脂、呋喃树脂或脲醛树脂；

[0011] e)将反应溶液转移到蒸发皿，首先在20～40℃挥发4～24小时，然后在80～120℃聚合反应20～48小时；

[0012] f)将蒸发皿中的反应产物刮下、碾碎，在惰性气氛下焙烧；其中：焙烧温度为250～400℃，焙烧时间为3～8小时，升温速率为1～5℃/min。

[0013] 所述表面活性剂优选通式为CaH2a+1EOb或EOcPOdEOc的聚环氧乙烯醚-聚环氧丙烯醚-聚环氧乙烯醚三元嵌段共聚物，其中：a为10～18，b为5～25，c为5～135，d为25～135，尤其是Brij56(C16H33EO10)、Brij76(C16H33EO20)、Brij78(C18H37EO10)、P123(EO20PO70EO20)、F127(EO106PO70EO106)、F108(EO132PO50EO132)中的一种或几种的混合物。

[0014] 所述稀盐酸的浓度优选0.2～2mol/L。

[0015] 所述聚合物源与硅源的质量比优选(0.2～0.6)∶1。

[0016] 所述聚合物源优选分子量为300～500的水溶性酚醛树脂、呋喃树脂或脲醛树脂。

[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

[0018] 本发明首次制得了具有介观结构有序、比表面积大、孔道尺寸均一、聚合物含量高、硅钛摩尔比可调的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料，所述材料在催化、吸附等方面有着广阔的应用前景，为介孔材料领域增添了一个新品种；本发明的制备方法具有操作简单、原料来源广泛、设备要求低、制备成本低廉及适于工业化生产等有益效果。

附图说明

[0019] 图1是实施例1制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的XRD谱图；

[0020] 图2是实施例1制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的N2吸附等温线；

[0021] 图3是实施例1制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的孔径分布曲线；

[0022] 图4是实施例1制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的TEM照片；

[0023] 图5是实施例1制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的XPS谱图；

[0024] 图6是实施例1制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的FT-IR谱图。

具体实施方式

[0025] 下面结合实施例对本发明作进一步详细、完整的说明，实施例中所用的试剂均为化学纯。

[0026] 实施例1

[0027] a)将1.6g表面活性剂F127和1ml浓度为0.2mol/L的稀盐酸加入10ml无水乙醇中，在40℃搅拌至表面活性剂全部溶解；

[0028] b)加入2.08g正硅酸乙酯(TEOS)，在40℃继续搅拌2小时；

[0029] c)加入0.0568g钛酸异丙酯，在40℃继续搅拌1小时；

[0030] d)加入1.0g分子量为300～500的水溶性酚醛树脂，在40℃继续搅拌0.5小时；

[0031] e)将反应溶液转移到蒸发皿，首先在30℃挥发12小时，然后在120℃聚合反应20小时；

[0032] f)将蒸发皿中的反应产物刮下、碾碎，在惰性气氛下于350℃焙烧5小时，升温速率为3℃/min，即得：聚合物含量为50％【TG计算得到】、硅钛摩尔比(Si/Ti)为50的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料。

[0033] 图1是本实施例制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的XRD谱图，由XRD谱图可见：在小角区间内出现了3个衍射峰，其d值的比值为1∶√3∶2，表明本实施例所制备的材料具有有序二维六方结构(空间群：p6mm)。

[0034] 图2是本实施例制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的N2吸附等温线，由图可见：本实施例所制备材料的N2吸附等温线为第IV型吸附等温线，在中等压力段发生了毛细凝聚现象，表明本实施例所制备的材料具有均匀的介孔孔径。

[0035] 图3是本实施例制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的孔径分布曲线，该孔径分布曲线是根据图2的N2吸附等温线，进一步通过BJH方法计算得到的；由图可见：本实施例所制备材料的孔径分布均匀。

[0036] 图4是本实施例制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的TEM照片，由图可见：本实施例所制备材料具有有序的二维六方直通孔道，进一步表明该材料具有有序的介观结构。另外，从TEM图估算得到样品的单胞大小为14nm，与小角XRD的结果一致。

[0037] 图5是本实施例制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的XPS谱图，从XPS谱图中可见：样品的Ti2p3/2和Ti2p1/2键能出峰位分别是459.8eV和465.7eV，而四配位的Ti(IV)离子的Ti2p3/2和Ti2p1/2出峰位分别在460eV和466.0eV，通过分峰技术利用峰面积可以计算得到四配位的Ti(IV)离子含量分别为67％，表明钛原子主要以四配位形式键合在氧化硅骨架中。

[0038] 图6是本实施例制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的FT-IR谱图，-1FT-IR谱图中在波长为960cm 处的特征峰一般认为是Si-O-Ti的伸缩振动峰，从而证明Ti-O-Si的存在。

[0039] 另外，利用BET公式计算得到本实施例的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的2 3
比表面积为655m/g，孔容为0.65cm/g；利用BJH方法计算得到最可几孔径为7.1nm。

[0040] 实施例2

[0041] a)将1.6g表面活性剂F127和1ml浓度为2mol/L的稀盐酸加入10ml无水乙醇中，在40℃搅拌至表面活性剂全部溶解；

[0042] b)加入4.98g正硅酸乙酯(TEOS)，在40℃继续搅拌2小时；

[0043] c)加入0.068g钛酸异丙酯，在40℃继续搅拌1小时；

[0044] d)加入1.0g分子量为300～500的水溶性酚醛树脂，在40℃继续搅拌0.5小时；

[0045] e)将反应溶液转移到蒸发皿，首先在40℃挥发4小时，然后在80℃聚合反应48小时；

[0046] f)将蒸发皿中的反应产物刮下、碾碎，在惰性气氛下于400℃焙烧3小时，升温速率为1℃/min，即得：聚合物含量为50％、硅钛摩尔比(Si/Ti)为100的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料。

[0047] 本实施例制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的XRD谱图、N2吸附等温线、孔径分布曲线、TEM照片、XPS谱图及FT-IR谱图的分析结果均与实施例1中所述相2
同。另外，本实施例制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的比表面积为468m/
3
g，孔容为0.50cm/g，最可几孔径为6.8nm。

[0048] 实施例3

[0049] a)将1.6g表面活性剂F127和1ml浓度为1mol/L的稀盐酸加入10ml无水乙醇中，在30℃搅拌至表面活性剂全部溶解；

[0050] b)加入4.16g正硅酸乙酯(TEOS)，在40℃继续搅拌2小时；

[0051] c)加入0.568g钛酸异丙酯，在40℃继续搅拌1小时；

[0052] d)加入1.0g分子量为300～500的水溶性酚醛树脂，在40℃继续搅拌0.5小时；

[0053] e)将反应溶液转移到蒸发皿，首先在20℃挥发24小时，然后在100℃聚合反应24小时；

[0054] f)将蒸发皿中的反应产物刮下、碾碎，在惰性气氛下于250℃焙烧8小时，升温速率为5℃/min，即得：聚合物含量为50％、硅钛摩尔比(Si/Ti)为10的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料。

[0055] 本实施例制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的XRD谱图、N2吸附等温线、孔径分布曲线、TEM照片、XPS谱图及FT-IR谱图的分析结果均与实施例1中所述相2
同。另外，本实施例制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的比表面积为476m/
3
g，孔容为0.49cm/g，最可几孔径为7.4nm。

[0056] 实施例4

[0057] a)将1.6g表面活性剂F127和1ml浓度为0.2mol/L的稀盐酸加入10ml无水乙醇中，在20℃搅拌至表面活性剂全部溶解；

[0058] b)加入1.66g正硅酸乙酯(TEOS)，在20℃继续搅拌2小时；

[0059] c)加入0.453g钛酸异丙酯，在20℃继续搅拌2小时；

[0060] d)加入1.0g分子量为300～500的水溶性酚醛树脂，在20℃继续搅拌2小时；

[0061] e)将反应溶液转移到蒸发皿，首先在25℃挥发12小时，然后在120℃聚合反应20小时；

[0062] f)将蒸发皿中的反应产物刮下、碾碎，在惰性气氛下于350℃焙烧5小时，升温速率为3℃/min，即得：聚合物含量为50％、硅钛摩尔比(Si/Ti)为5的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料。

[0063] 本实施例制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的XRD谱图、N2吸附等温线、孔径分布曲线、TEM照片、XPS谱图及FT-IR谱图的分析结果均与实施例1中所述相同。

[0064] 实施例5

[0065] a)将1.6g表面活性剂F127和1ml浓度为0.2mol/L的稀盐酸加入10ml无水乙醇中，在20℃搅拌至表面活性剂全部溶解；

[0066] b)加入7.48g正硅酸乙酯(TEOS)，在30℃继续搅拌0.5小时；

[0067] c)加入0.051g钛酸异丙酯，在30℃继续搅拌0.5小时；

[0068] d)加入1.0g分子量为300～500的水溶性酚醛树脂，在30℃继续搅拌1小时；

[0069] e)将反应溶液转移到蒸发皿，首先在25℃挥发12小时，然后在120℃聚合反应20小时；

[0070] f)将蒸发皿中的反应产物刮下、碾碎，在惰性气氛下于350℃焙烧5小时，升温速率为3℃/min，即得：聚合物含量为50％、硅钛摩尔比(Si/Ti)为200的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料。

[0071] 本实施例制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的XRD谱图、N2吸附等温线、孔径分布曲线、TEM照片、XPS谱图及FT-IR谱图的分析结果均与实施例1中所述相同。

[0072] 实施例6

[0073] a)将1.6g表面活性剂F127和1ml浓度为0.2mol/L的稀盐酸加入4ml无水乙醇中，在20℃搅拌至表面活性剂全部溶解；

[0074] b)加入2.08g正硅酸乙酯(TEOS)，在30℃继续搅拌2小时；

[0075] c)加入0.142g钛酸异丙酯，在30℃继续搅拌1小时；

[0076] d)加入0.16g分子量为300～500的水溶性酚醛树脂，在30℃继续搅拌1小时；

[0077] e)将反应溶液转移到蒸发皿，首先在25℃挥发10小时，然后在120℃聚合反应20小时；

[0078] f)将蒸发皿中的反应产物刮下、碾碎，在惰性气氛下于350℃焙烧5小时，升温速率为3℃/min，即得：聚合物含量为35％、硅钛摩尔比(Si/Ti)为20的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料。

[0079] 本实施例制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的XRD谱图、N2吸附等温线、孔径分布曲线、TEM照片、XPS谱图及FT-IR谱图的分析结果均与实施例1中所述相2
同。另外，本实施例制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的比表面积为641m/
3
g，孔容为0.76cm/g，最可几孔径为8.0nm。

[0080] 实施例7

[0081] a)将1.6g表面活性剂F127和1ml浓度为0.2mol/L的稀盐酸加入8ml无水乙醇中，在20℃搅拌至表面活性剂全部溶解；

[0082] b)加入2.08g正硅酸乙酯(TEOS)，在30℃继续搅拌2小时；

[0083] c)加入0.284g钛酸异丙酯，在30℃继续搅拌1小时；

[0084] d)加入0.16g分子量为300～500的水溶性酚醛树脂，在30℃继续搅拌1小时；

[0085] e)将反应溶液转移到蒸发皿，首先在25℃挥发10小时，然后在120℃聚合反应20小时；

[0086] f)将蒸发皿中的反应产物刮下、碾碎，在惰性气氛下于350℃焙烧5小时，升温速率为3℃/min，即得：聚合物含量为35％、硅钛摩尔比(Si/Ti)为10的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料。

[0087] 本实施例制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的XRD谱图、N2吸附等温线、孔径分布曲线、TEM照片、XPS谱图及FT-IR谱图的分析结果均与实施例1中所述相2
同。另外，本实施例制备得到的介孔聚合物-氧化钛硅纳米复合材料的比表面积为711m/
3
g，孔容为0.89cm/g，最可几孔径为8.0nm。

[0088] 另外，实验证明实施例1中的表面活性剂可以被等质量的烷烃-聚环氧乙烯醚或通式为CaH2a+1EOb或EOcPOdEOc(其中：a为10～18，b为5～25，c为5～135，d为25～135)的其它聚环氧乙烯醚-聚环氧丙烯醚-聚环氧乙烯醚三元嵌段共聚物所替代；实施例
1中的有机溶剂可以被等体积的四氢呋喃、乙醚、氯仿、二氯甲烷中的一种或几种的混合溶剂所替代；实施例1中的硅源可以被等摩尔的正硅酸甲酯或正硅酸丙酯所替代；实施例1中的钛源可以被等摩尔的四氯化钛(TiCl4)、钛酸正丁酯(Ti(OC4H9)4)或三氯化钛(TiCl3)所替代；实施例1中的聚合物源可以被等质量的呋喃树脂或脲醛树脂所替代。