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功能性聚苯乙烯复合粒子的合成与性能研究

闫俊涛  
【摘要】:随着国内外聚苯乙烯材料市场竞争日益激烈,建筑和日常生活等领域对聚苯乙烯和可发性聚苯乙烯材料提出了新的要求。各种新型的聚苯乙烯和可发性聚苯乙烯产品正朝着多功能,环境友好型,高性能方向发展。因此,无论从理论研究还是实际应用的角度出发,对功能性聚苯乙烯新产品的研究和开发都具有十分重大的意义。 本论文主要研究内容是在工业大生产合成可发性聚苯乙烯粒子的工艺基础上,利用不同的无机粉体改性工艺和原位聚合工艺合成功能性聚苯乙烯复合粒子(如聚苯乙烯/炭黑、彩色聚苯乙烯、磁性聚苯乙烯、抗静电可发性聚苯乙烯等),并对功能性聚苯乙烯粒子的性能进行系统表征。从而为工业大生产合成功能可发性聚苯乙烯粒子提供实验基础和理论依据。 第二章主要利用表面活性剂十二烷基苯磺酸钠对两种炭黑进行了表面改性,然后首次利用原位悬浮聚合一步法工艺合成了粒径均一、黑色光泽度和形貌良好的聚苯乙烯/炭黑(PS/CB)复合粒子,详细考察了改性炭黑添加量和引发剂用量对聚合时间的影响。讨论了补加的分散剂和表面活性剂在聚合体系中的作用,并对改性炭黑存在下,苯乙烯原位悬浮聚合的机理进行了阐释。该工艺不但避免了炭黑与聚苯乙烯基体相容性不好这一弊端,而且简化了PS/CB复合粒子合成的工艺。 基于第二章中的实验现象炭黑对苯乙烯的悬浮聚合有明显的阻聚效应。第三章主要研究了如何消除或者减弱炭黑在PS/CB复合粒子合成中的阻聚效应。通过大量实验发现聚乙烯醇(PVA)的存在能够明显地缩短合成PS/CB黑色复合粒子的所用聚合时间。在PVA存在下,成功地合成了一系列不同表面形貌和黑色光泽度的PS/CB复合粒子,此外,通过大量实验系统地研究了PVA用量对PS/CB复合粒子的聚合时间、黑色光泽度和宏观表面形貌的影响,并详细讨论了PVA用量、聚合时间和CB用量三者之间的关系。根据聚合时间、黑色光泽和宏观表面形貌三个因素最终确定了不同改性CB含量所对应的最佳PVA用量。并对PVA在减弱炭黑阻聚效应中的作用机理进行了初步阐释。 第四章主要是利用有机改性剂对亲水性四氧化三铁进行表面疏水改性,通过了原位悬浮聚合一步法工艺首次成功合成了彩色磁性聚苯乙烯/四氧化三铁(PS/Fe3O4)复合粒子,通过调节Fe3O4的加入量可以得到一系列不同颜色和不同磁性的彩色聚苯乙烯粒子。考察了改性Fe3O4的加入量、搅拌速度和表面活性剂用量对彩色PS/Fe3O4粒径大小及粒径分布的影响,证明彩色聚苯乙烯粒子可以实现可控合成。PS/Fe3O4粒子截面的扫描电镜和铁、氧元素mapping图分析表明改性四氧化三铁在聚苯乙烯基体中分布均匀。对其他三种亲水性无机颜料(氧化铁红、幻彩深绿、华蓝)改性并成功合成了不同彩色聚苯乙烯复合粒子,证明了改性工艺和合成工艺具有很好的通用性和适用性。从而为工业大生产开发了一种简单的、具有通用性的合成各种彩色聚苯乙烯复合粒子以及可发性聚苯乙烯粒子的方法。这项自主研发技术填补了国内一步法合成彩色聚苯乙烯粒子技术的空白。 第五章首次提出了一种基于溶胀和原位苯胺聚合的方法,并利用该方法第一次成功地合成一系列核/壳结构、抗静电可发性聚苯乙烯/聚苯胺(EPS/PANI)复合粒子,从而,可以有效消除EPS在工业预发泡加工过程和运输中由于静电现象引起的火灾。该方法的创新性是在苯胺的原位聚合过程中把纳米结构的导电聚苯胺均匀的镶嵌在经溶胀剂溶胀的可发性聚苯乙烯粒子表面。得到的EPS/PANI复合粒子不仅具有较低的表面电阻,可以有效地避免产生静电现象,而且在不破坏可发性聚苯乙烯发泡体系的前提下保持好可发性聚苯乙烯粒子原有的球型外观。导电EPS/PANI复合粒子具有独特的核/壳结构和低的聚苯胺含量,不仅大大降低了生产成本,而且也改善了热稳定性能。利用SEM、TGA、IR、XRD和光学照片对EPS/PANI复合粒子进行了系统表征。系统地研究了溶胀过程;溶胀剂的配比和溶胀时间对导电复合粒子的影响,此外,详细讨论了溶胀时间,表面电阻和复合粒子中聚苯胺的含量三者之间的关系。结合抗静电EPS/PANI复合粒子的表面SEM形貌分析和光学照片形貌对其合成机理进行了阐释。


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