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多孔纳米固体的制备与表征

田燕  
【摘要】: 在本文中,我们利用溶剂热压方法,以TiO_2纳米粉作为原料,采用两种不同方法制备了PMMA/TiO_2复合多孔纳米固体,通过热处理成功地获得了孔径大小均一且在空间均匀分布的TiO_2多孔纳米固体;以不同的聚合物凝胶作为模板,用溶剂热压法成功地制备了具有不同比表面积和孔容的TiO_2多孔纳米固体。为了改善样品中孔径分布的均匀性,我们又以PVP-K30水溶液作为造孔剂,以TiO_2和ZnO纳米颗粒作为原料,制备了TiO_2和ZnO多孔纳米固体。对多孔纳米固体材料的性能进行了表征,并初步解释了复合材料性质的变化规律。 首先,以甲基丙烯酸甲酯(MMA)作单体,以过硫酸铵为引发剂,通过溶液聚合制备了PMMA/TiO_2复合多孔纳米固体。实验结果表明:在改变单体的用量时,得到的PMMA/TiO_2复合多孔纳米固体的主孔径基本上都分布在5-25 nm范围内,但是孔径均匀性、比表面积以及孔容均存在明显的差异。当MMA/TiO_2纳米粉的重量比为1:19时,PMMA/TiO_2复合多孔纳米固体的孔径分布均匀,比表面积和孔容分别为127.20 m~2/g和0.27 cm~3/。 另外,我们直接以聚甲基丙烯酸甲酯超细粉作原料,以去离子水为造孔剂,制备了PMMA/TiO_2复合多孔纳米固体,并对其性质进行了测试分析。实验结果表明:在固体组分总量固定且造孔剂用量相同的情况下,通过改变PMMA的用量,可以在一定范围内调变多孔纳米固体的孔径分布、比表面积和孔容。其中,PMMA/TiO_2纳米粉的重量比为1:9时,制备的复合多孔纳米固体平均孔径明显减小,为8.77 nm;当PMMA/TiO_2纳米粉的重量比为2:3时,得到的PMMA/TiO_2复合纳米固体是实心块体,样品内没有孔道;其他重量比条件下制备的复合多孔纳米固体的平均孔径均有不同程度的增大,而比表面积和孔容则随着PMMA/TiO_2纳米粉的重量比的增大而明显降低。PMMA/TiO_2复合多孔纳米固体均具有较大的抗压强度,而且当PMMA/TiO_2纳米粉的重量比改变时,复合多孔纳米固体的介电常数也有明显差异,随着PMMA/TiO_2纳米粉重量比的增大,复合多孔纳米固体的介电常数先升高后降低,PMMA/TiO_2纳米粉的重量比为1:19时介电常数最大,为11.44。 为了制备孔径分布均匀的TiO_2多孔纳米固体,我们将上面制备的PMMA/TiO_2复合多孔纳米固体进行热处理。实验结果表明,热处理后TiO_2纳米颗粒的物相稳定,粒度没有明显的变化,TiO_2多孔纳米固体孔道中没有PMMA残留,而且TiO_2多孔纳米固体具有很高的热稳定性。在原料固体组分总量固定且造孔剂用量相同的情况下,尽管制备时PMMA的用量不同,TiO_2多孔纳米固体的平均孔径、比表面积和孔容变化较小,当PMMA/TiO_2纳米粉的重量比为1:9时平均孔径最大,为10.44nm:与不加PMMA的样品相比,其他重量比条件下制备的多孔纳米固体的孔容均有不同程度的减小。随着PMMA/TiO_2纳米粉比值的增大,多孔纳米固体的抗压强度先升高后降低,当PMMA/TiO_2纳米粉的重量比为1:9时,TiO_2多孔纳米固体的抗压强度最大,为242.8 MPa。另外,PMMA/TiO_2纳米粉的重量比不同,复合多孔纳米固体的介电常数也有明显差异,随着PMMA/TiO_2纳米粉重量比的增大,多孔纳米固体的介电常数先升高后降低,PMMA/TiO_2纳米粉的重量比为1:4时介电常数最大,为14.08。因此我们在实际应用中,通过改变PMMA的用量,可以在一定范围内调变多孔纳米固体的抗压强度及介电常数,制备既具有较大的抗压强度,又具有一定平均孔径、比表面积、孔容和介电常数的TiO_2多孔纳米固体。 我们又以聚合物作为模板,尝试控制TiO_2多孔纳米固体的孔道分布。分别以丙烯酸丁酯(BA)和苯乙烯作单体,过硫酸铵作为引发剂,通过自由基聚合分别得到了二者的聚合物凝胶。以其聚合物凝胶作模板,TiO_2纳米粉为原料,利用液态溶剂热压方法和煅烧去除模板方法相结合,制备了TiO_2多孔纳米固体。结果表明,在改变单体的用量时,得到的TiO_2多孔纳米固体样品的主孔径基本上都分布在5-35 nm范围内。当BA/TiO_2纳米粉的重量比为1:9时,TiO_2多孔纳米固体的孔径分布均匀,孔容为0.32 cm~3/g,此时比表面积最大,达到了87.94m~2/g;而当苯乙烯/TiO_2纳米粉的重量比为1:9时,TiO_2多孔纳米固体的比表面积达到174.17 m~2/g,孔容达到0.34 cm~3/g。 为了进一步改善样品中孔径分布的均匀性,我们以非离子型表面活性剂PVP-K30的水溶液作为造孔剂、以TiO_2和ZnO纳米颗粒作为原料,分别制备了TiO_2和ZnO多孔纳米固体。从实验中我们发现:加入少量PVP-K30后TiO_2和ZnO多孔纳米固体的平均孔径增大,增加PVP-K30的量,则平均孔径和孔容又随之减小。溶剂热压过程中多孔纳米固体孔道内有少量PVP-K30残留。将多孔纳米固体进行热处理之后,比表面积变化不大,而平均孔径和孔容明显增大:当PVP-K30/TiO_2纳米粉的重量比为1:9时,平均孔径和孔容分别是14.20 nm和0.23cm~3/g。


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