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纳米二氧化钛/聚合物核—壳复合粒子的制备及其表征

张建民  
【摘要】: 复合粒子是将两种或两种以上的粒子经过复合处理后所形成的粒子。将无机粒子与聚合物复合制备无机/有机复合粒子,并不是无机相与有机相的简单加和,而是由无机相与有机相在纳米至亚微米范围内的结合。它除了具有单一粒子所具有的各种效应以外,还具有复合协同效应。纳米无机粒子/聚合物复合粒子不仅只是解决纳米粒子的团聚问题,更重要的是可以实现对粒子的表面特性及功能设计,希望使其实现所需的某些特殊性能或多功能性,以便制造出新型的复合功能材料。它们被广泛用于涂料、塑料、橡胶、陶瓷、化妆品,药物等领域。 本文在考察纳米TiO2分散性基础上,选用三种不同极性的聚合物与纳米TiO2组成的体系,探讨乳液聚合包覆纳米TiO2粒子的一些基本问题,主要结论如下: 1.利用硫酸钛沸腾回流强迫水解制备纳米TiO2,用透射电镜、扫描电镜、X-射线衍射、红外光谱、热重分析等手段表征基础上,利用分散系的透光率及透射电镜观察研究体系的分散性及分散稳定性。结果表明用超声波分散、加入无机盐分散剂或表面活性剂、控制介质的pH可改善TiO2悬浮液分散性能。 2.采用乳液聚合法制备了纳米TiO2/聚苯乙烯(TiO2/PSt)、纳米TiO2/聚苯乙烯-甲基丙烯酸(TiO2/P(St-MAA))、纳米TiO2/聚甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸(TiO2/P(MMA-BA-MAA))复合粒子。一定温度下,选择合适的表面活性剂浓度和单体浓度比可制备出表面光滑且分散性较好的球形核-壳结构复合粒子。 3.反应动力学研究表明,乳液聚合包覆反应速率受体系中表面活性剂浓度、引发剂用量、单体用量、反应温度等因素的影响。对整个乳液聚合包覆反应TiO2/PSt体系:反应速率方程为R=k[E]0.68[I]2.2[M]1.61,反应的表观活化能为72.7kJ·mol-1。TiO2/P(St-MAA)体系:反应速率方程为R=k[E]0.53[I]0.90[M]R0.76,反应的表观活化能为83.0kJ·mol-1。TiO2/P(MMA-BA-MAA)体系:反应速率方程为R=k[E]1.66[I]0.93[M]R1.4[T]0.65,反应的表观活化能为163.0 kJ·mol-1。 4.红外光谱研究表明,聚合物包覆在纳米Ti02粒子的表面。热分析结果显示,复合粒子热稳定性要高于在相同条件下制备的聚合物粒子的热稳定性,开始热分解温度约差30-60℃。根据热分析数据,得出了复合粒子的包覆率和包覆效率。 5.ζ电位测定显示,复合粒子在整个pH=2~12范围内不出现零电点,而且ζ电位的绝对值较大,增加了粒子之间的相互斥力;接触角测定表明,与TiO2相比复合粒子亲水性能下降,亲油性能提高;透光率实验表明复合粒子在有机溶剂中的分散效果良好。 6.根据实验结果,推测可能的包覆反应机理应为无机纳米TiO2表面吸附表面活性剂分子形成所谓的TiO2/Surfactants“胶束”成核或在水相中由引发剂产生的自由基,增长至一定程度,均相凝聚成核。TiO2/PSt体系是以TiO2/Surfatants“胶束”成核为主;TiO2/P(St-MAA)和TiO2/P(MMA-BA-MAA)体系是TiO2/surfactants“胶束”成核和均相凝聚成核并存。


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