하나의 방법으로 제조된 압축성 단일체 미세다공성 폴리머 스폰지

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 15957(2015) 이 기사 인용

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압축성 및 모놀리식 미세다공성 폴리머(MP)가 보고되었습니다. MP는 1,3,5-트리에티닐벤젠(TEB)과 비스(브로모티오펜) 단량체(PBT-Br)의 Sonogashira-Hagihara 결합 반응을 통해 단일체로 제조되었습니다. 폴리머는 가역적으로 압축 가능했으며 칼을 사용하여 어떤 형태로든 쉽게 절단할 수 있었습니다. MP에 대한 현미경 연구에 따르면 폴리머는 해양 해면에서 흔히 발견되는 것과 유사한 관형 미세 구조를 가지고 있는 것으로 나타났습니다. 압축 상태에서 튜브 다발의 탄성 좌굴이 광학 현미경을 사용하여 관찰되었습니다. PBT-Br 대 TEB의 몰비 0.8:1을 사용하여 합성된 MP-0.8은 463m2g-1의 높은 BET 표면적을 갖는 미세다공성을 나타냈습니다. 폴리머는 물 접촉각이 145°로 매우 소수성이었으며 자체 중량의 7~17배에 달하는 유기 액체를 흡수했습니다. 흡수물은 간단한 압축으로 방출되어 폴리머를 재활용할 수 있게 되었습니다. MP는 구조화된 탄소 재료의 잠재적인 전구체입니다. 예를 들어 MP-0.8의 열분해에 의해 부분 흑연 물질이 얻어졌으며 이는 MP-0.8과 유사한 관형 구조를 나타냈습니다.

바다 스폰지의 매혹적인 형태는 재료 과학 연구자들에게 영감을 주었습니다. 스펀지의 외부 표면 세포에는 많은 양의 물이 스펀지 내부로 이동할 수 있는 진피 구멍이라는 작은 구멍이 많이 있습니다. 내부 채널은 외부 표면 세포에서도 발견됩니다. 스펀지의 골격은 콜라겐과 실리카, 탄산칼슘과 같은 무기 성분으로 구성됩니다. 일부 스폰지에는 spongin1이라는 네트워크 구조를 구성하는 콜라겐 섬유가 있습니다. 스폰지와 같은 구조는 합성 물질에 널리 적용되었으며 나노 생성, 촉매 작용, 초커패시턴스, 광전지, 약물 전달 및 조직 생성과 같은 다양한 분야에서 향상된 성능을 보여주었습니다2,3,4,5,6,7,8 .

재료로서 스펀지는 다공성, 유연성 및 압축성을 특징으로 합니다. 해양 동물로부터 얻은 스펀진 섬유의 망상 구조를 지닌 스펀지는 고대부터 액체를 흡수하여 제거하는 데 사용되어 왔습니다. 또한 다양한 합성 폴리머 스폰지를 사용할 수 있습니다. 스펀지를 합성하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 고분자를 황산나트륨과 같은 무기 결정과 혼합한 다음 혼합물을 가열하여 제거하여 고분자 매트릭스에 기공을 생성하는 것입니다. 형성된 기공 크기는 결정의 크기에 따라 달라지며 일반적으로 밀리미터에서 마이크로미터 규모까지 다양합니다. 유화용매 확산법을 사용하여 제조된 스폰지는 메조기공 범위9의 기공을 갖는 것으로 알려져 있습니다. 키토산10, 멜라민11, 셀룰로오스12 및 폴리디메틸실록산13과 같은 재료를 기반으로 한 고분자 스폰지는 화학적으로 변형되어 특정 용도에 적합한 특성을 제공합니다.

최근 상향식 접근법을 이용하여 작은 기공을 갖는 스펀지를 합성하려는 노력이 진행되고 있다. Guiet al. 페로센과 1,2-디클로로벤젠을 각각 촉매 전구체와 탄소 공급원으로 사용하는 화학 기상 증착 공정을 사용하여 모놀리식 탄소 나노튜브(CNT) 기반 스폰지에 대해 보고했습니다. 이 CNT 스폰지는 300~400m2g-1의 표면적과 약 80nm의 평균 기공 크기를 가졌습니다. Hashimet al. 페로센을 촉매 전구체로 사용하여 톨루엔의 화학 기상 증착 동안 붕소 도핑 전략을 통해 거대 다공성(기공 직경 >50 nm) CNT 스폰지를 합성했습니다. 과도한 붕소 원자는 나노튜브 공유 상호 연결을 형성하는 "팔꿈치" 접합부에서 발견되었습니다15.

스펀지의 가장 매력적인 특징은 압축성인데, 압력을 가하면 흡착물을 쉽게 제거할 수 있습니다. 큰 기공을 가진 스폰지는 주로 흡수를 통해 액체를 제거하는 데 사용되는 반면, 미세 기공을 가진 스폰지는 분자 저장, 분리 및 촉매 작용과 같은 광범위한 응용 분야를 갖습니다. IUPAC 표기법16,17에 따르면 미세다공성은 직경이 2nm 미만인 기공이 있는 다공성을 의미합니다. 제올라이트, 활성탄 및 MOF(금속-유기 구조)는 전형적인 미세 다공성 물질이지만 압축되지 않습니다. 최근 미세다공성 유기고분자(MOP)는 다양한 기능성과 기계적 안정성으로 인해 광범위하게 연구되어 왔습니다. 대부분의 MOP는 일반적으로 3개 이상의 다기능 빌딩 블록의 단계적 중합을 사용하여 제조되며 가교 구조로 인해 침전된 입자로 얻어집니다. 거시적 겔18,19 또는 모놀리식 폴리머20,21,22가 때때로 형성되지만 건조 후 쉽게 조각으로 부서집니다. 우리가 아는 한, 압축성 미세다공성 중합체는 아직 보고되지 않았습니다.