1．复合中空微球

 

中空微球结合空腔和特定的壳组成，有着广泛实际应用，其微结构控制和规模化制备方法学是关键。我们发展了规模化制备中空微球的普适性新方法，首次提出了模板合成技术结合高分子凝胶软物质诱导功能物质定位生长新概念（Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 1943; Adv. Funct. Mater. 2003, 13, 949），充分利用凝胶可渗透性和容易与功能物质复合等特点，制备了壳层厚度与腔体尺寸可连续调节的中空微球，系统研究了高分子凝胶诱导功能物质定位生长的物理与化学问题，指出如催化、络合、静电吸附和离子交换等多重作用决定空间精确定位的生长过程机制，在国际上具有重要影响，已成为广泛使用的方法。该工作的创新性得到了国际材料学家Archer教授的高度认同（Adv. Mater. 2008, 20, 3987）：首次利用高分子凝胶特性制备复合功能中空微球的新概念。上述概念进一步从单个胶体颗粒拓展到三维阵列。相关工作以封面文章发表（Macromol. Mater. Eng. 2002, 287, 627）。以多孔中空高分子微球为模板，通过控制物质生长的位点，制备系列新型结构复合微球，同步实现了物质的空间分布和形态精确控制（如单层/双层，表面微结构等）（Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 6727; Adv. Funct. Mater. 2005, 15, 1523）。该方法具有普适性，高分子凝胶种类/微环境可调，保证其可与宽泛组成的功能物质进行复合，中空球的组成可在更宽范围内调节，为材料微结构控制和诱导优先生长复合功能物质奠定了基础。

 

2．相变储能微胶囊

 

 

 

相变材料在窄温度区域发生相变，吸收或释放大量相变潜热，在储能、隔热、智能控温等领域具有重要应用价值。相变材料发生固液相变时，易引起流动、挥发和迁移，严重影响了其潜在应用。对相变材料进行微胶囊化是解决该问题基本途径。基于凝胶诱导物质优先生长和聚合诱导相分离的原理，利用乳液聚合技术，建立了批量制备相变微胶囊的方法，壳体材料组成与微胶囊尺寸可调，所制得微胶囊具有焓值保有率高、环保、热稳定性好等特点，制备方法简单、高效，并已实现中试生产。并对于微胶囊进行改性，改善与基体材料的界面相容性、改善相变材料的热输运效率。与北新建材公司合作，成功实现相变微胶囊与石膏板的复合，并建造了样板房，连续四年的实测数据显示在春夏秋冬四季中，相变样板房都具有温度波动小、舒适度高、显著节能特点。部分产品已在重要领域中得到实际应用。 

 

3．阻燃防火微胶囊

 

泡沫保温材料在建筑物外墙保温中具有广泛的应用，但其广泛使用带来的一个重要隐患就是消防安全问题。通用阻燃剂在实际使用过程中常常存在诸多问题，例如阻燃剂易吸水失效、与聚合物基体相容性不好、影响聚合物发泡、降低材料机械性能、小分子阻燃剂扩散失效等。阻燃剂微胶囊化是行之有效方法。囊壁隔离阻燃剂与外界环境接触，提高阻燃剂耐久性，改善阻燃效果。我们将高效液体阻燃剂通过包覆形成微胶囊粉末，改善阻燃剂与聚合物材料相容性，减少对复合材料机械性能的不利影响，使用更方便，应用更广泛。微胶囊材料表面进一步改性，以适应不同环境。该阻燃剂为适应不同的应用的防火提供了新思路。

 

4．Janus复合材料

 

古罗马神Janus的头部具有双面结构，分别朝向过去和未来，与中国的阴阳概念类似，体现了事物的辩证统一。1991年，de Gennes在诺贝尔颁奖演讲中，首次借用Janus一词描述同一颗粒两面具有不同化学组成或性质，并预测Janus颗粒类似双亲性分子可在液/液界面自组装具有明确指向，颗粒间的缝隙为物质在两相间传输提供了通道。de Gennes充满启发性的演说引发了Janus颗粒的研究热潮。

Janus材料是物质空间分区和功能集成的典范。进一步将控制复合结构与功能分区拓展到组成和性质分区概念，发展合成不对称的Janus颗粒基本方法，系统研究其性质，为实际应用奠定基础。利用单分散二氧化硅在Pickering乳液油水界面分区特性，结合双相原子转移自由基聚合，制备了有机/无机复合Janus球形胶体，解决了颗粒在液体界面转动难题（Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3973）。发展了Pickering乳液界面颗粒选区刻蚀并复合方法，制备组成和结构可控的非球形Janus胶体（Chem. Commun. 2009, 3871）。进一步发展了乳液种子聚合诱导相分离方法并结合我们发展的凝胶复合功能物质技术，首次批量制备了组成严格分区的亚微米两亲性Janus胶体颗粒（Chem. Commun. 2010, 46, 4610; Macromolecules 2010, 43, 5114; 2011, 44, 3787）。首创性得到了充分肯定（Prog. Polym. Sci. 2012, 37, 445）。

发展了利用界面双亲性环境，诱导溶胶-凝胶在其界面自组装制备Janus中空球方法，Janus中空球作为容器能选择性地在空腔内装载物质，为中空微球在油水分离，催化和可控装载释放等方面应用提供了新途径（Chem. Commun. 2011, 47, 1231）。进一步选区复合高分子并控制微结构，制备了聚合物复合的多孔Janus中空球（Polymer 2012, 53, 3712；Macromolecules 2013, 46, 4126）。在空腔内装载功能性纳米颗粒，如具有光催化作用的二氧化钛纳米颗粒，实现了有机染料的富积和催化降解（Chem. Commun. 2013, 49, 6161）。将上述Janus中空球磨碎得到Janus纳米片材料，作为颗粒乳化剂，能高效稳定流体，甚至可在空气中获得稳定的"干液滴（dry droplets）"（Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2379）。选择生长复合物质如Fe₃O₄赋予其功能性如乳液液滴的磁操纵及颗粒乳化剂的磁回收。上述特性在油水分离和强化采油等领域中具有重要意义。审稿人认为"该方法简单、易于批量制备，是一类文献几乎没有报道的新材料"。相关研究结果发表后，被Nature China和NPG Asia Materials 作为Research Highlight给予了高度评价。选区复合聚合物，实现Janus片表面不同化学分区向功能分区转化，赋予Janus片外场（磁、光、离子、温度、pH等）响应和操控性能（Macromolecules 2012, 45, 1460；Macromolecules 2013, 46, 2754；Chem. Commun. 2014, 50, 5706）, 为赋予Janus片外场操控和生物识别奠定了基础。研究了材料表面微结构对浸润性的影响，利用嵌段聚合物自组装特性，制备了形状规则、均一的盘状Janus材料（Adv. Mater. 2014, 26, 4469；Macromolecules 2013, 46, 7107；Macromolecules 2014, 47, 3701）。基于以上Janus材料研究，受邀为Advance Materials撰写综述（Adv. Mater. 2014, 26, 6944）。

 

5．介孔复合膜

 

高分子链与聚集态结构的控制为制备有机-无机复合体系的物质复合与微结构控制提供了物质基础和理论依据。以嵌段共聚物超分子结构为模板，与无机物复合得到系列有序纳米孔材料，选用不同硅源物质，控制纳米孔材料骨架与孔表面的组成与化学性质。首次以多孔氧化铝膜为模板，结合二氧化硅的溶胶/凝胶和嵌段共聚物的共组装过程，制备了有机高分子/无机复合纳米有序结构膜材料和相应的一维材料和阵列体系（Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 4201）。改变模板润湿性控制聚合物在受限空间的组装行为，获得了传统方法无法制备的新型特殊纳米结构。美国工程院士，纳米孔材料的开创人之一Brinker教授在其综述（Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2006, 11, 126）中对工作的首创性高度认同，认为"首次指明了氧化铝孔道受限效应影响组装结构取向排列的研究方向，一年后，Stucky等基于同样思路报道了更小空间内获得崭新的超分子结构（Nature Mater. 2004, 3, 816）  ；日本科学家报道了该复合膜用于纳米尺度分离纯化（Nature Mater. 2004, 3, 337）"。首创性也得到了著名材料学家Bein教授高度认可（Adv. Mater. 2011, 23, 2395）。相关研究工作应邀撰写综述（Chem. Commun. 2009, 2270）。

 

6．复合多孔膜

 

动力电池隔膜是关键组件，约占电池总成本的30%。电池隔膜在电池过热时，通过闭孔功能阻隔电池中的电流传导，实现电池的安全保护。中国科学院化学研究所从"七五"开始就致力于高性能多孔隔膜的研制及其中的关键物理化学问题研究，提出了双向拉伸制备聚丙烯多孔（PP）隔膜的新技术，但单层结构无法满足动力电池高温闭孔保持膜完整性的需要。我们提出界面增强在PP膜基础上复合耐热涂层提高隔膜热稳定性，实现了复合隔膜的中试生产。复合膜具有多层结构，中间层高温闭孔，涂层保证隔膜完整性。与PP原膜相比，复合膜具有优异耐高温和高温闭孔特性：经180度高温处理，PP膜破裂；复合多孔膜保持完整，变得透明（表明膜已闭孔）。复合膜生产工艺能够满足电池组装线，可放量制备。充放电500次循环电池容量保持90%以上，通过过充、短路、穿刺等安全检测。对比单层PP膜，在多项测试中爆炸、冒烟。

 

7．纳米纤维

 

聚合物纳米纤维材料比表面积高、长径比高、结构组成可调，在很多方面如有机溶剂吸附、高效离子交换、水处理等方面都有潜在应用价值。自组装和静电纺丝等方法成本高，产量有限，产品耐溶剂、耐热、机械性能差，聚合物纳米纤维材料应用受到限制。我们合成了高交联的聚合物纳米纤维材料，直径在40-150nm可控。纳米纤维可加工成多孔无纺布和块体材料，能高效吸附有机溶剂，通过挤压实现富集回收和吸附材料循环使用。对有机溶剂具有广谱性，有望在污水深度处理方面具有重大价值。油田污水经过处理，水中原油含量小于10ppm。针对难以分离的油水乳液和农药乳液，纳米纤维可通过过滤方法实现油溶性物质吸附分离，净化水体。尤其对于水溶性有机染料污水处理尤为有效。复合改性，有望在金属离子深度处理方面实现应用。

 

8．药物制剂

 

高分子药物载体的安全性和特异性是人们长期关注问题。针对肿瘤、脑卒中等治疗需求，我们设计对上述病变组织具有响应性的动态化学结构，制备了多种抗肿瘤药物和溶栓蛋白药物的高分子药物载体，实现利用化学信号和生物识别的协同作用提高载体特异性；进一步调控载体微结构、表面组成等，控制药物输送的动力学过程，满足不同的给药途径。制备了在固态肿瘤组织内具有增强内化效应的多功能聚合物载体，研究了不同剂型阿霉素/紫杉醇联合化疗对肿瘤动物模型中位生存期的影响；合成了超声响应和pH响应的尿激酶/高分子药物制剂，实现通过外场和内源性pH改变等控制蛋白药物的分布和活性，在降低蛋白药物神经毒性的同时保护血脑屏障，提高蛋白药物生物利用度并减少副作用。