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纳米碳酸钙的分散和聚合物包覆

史建明  
【摘要】:无机纳米粒子已广泛应用于高分子材料改性,但其表面能高,与聚合物极性相差大,难以实现与聚合物的界面相容和在高分子基体中的纳米分散。无机纳米粒子包覆聚合物是改性的重要方法之一,对提高无机纳米粒子的分散性及增强与聚合物基体间的相容性具有很大作用。本文以纳米碳酸钙及团聚体的化学结构和颗粒特性分析为基础,从热力学角度出发,解析纳米粒子的团聚过程,建立团聚物理模型,进而研究纳米碳酸钙分散、解团聚和表面改性规律,制备聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)包覆的纳米碳酸钙粒子并研究其在聚氯乙烯(PVC)中的分散和界面粘结性,为解决无机纳米微粒在高分子材料中应用的关键问题提供一定基础。 纳米CaCO_3粒子及其团聚体化学结构和颗粒特性的分析表明:纳米CaO_3初级粒子平均粒径约为43nm,呈方解石立方体晶体结构,表面富含羟基,表面能大,但易于团聚。团聚体含有大量初级粒子,粒径达微米级,粒间存在大量孔隙;提出了一个初级粒子聚集过程模型,认为初级粒子聚集速率随团聚粒子个数增加而递减,最后团聚粒子达到某个尺寸不再增加。 在建立团聚物理模型的基础上,进行纳米CaCO_3在液相中的分散和解团聚规律研究,发现粒径小于200nm的CaCO_3在纯水中分散稳定,其稳定性随pH值的增加而提高;在聚丙烯酸钠(PSA)水溶液中的分散,随液相pH增加,表面吸附量虽减小,但分散稳定性却提高;pH值越大,超声波解团聚效果越好。纳米CaCO_3在有机介质中浸润性越好,分散粒径越小,更多团聚体被解离成0~1μm小粒子。 分别以硬脂酸、钛酸酯和Y-甲基丙烯酸三甲氧基硅烷(MPTMS)偶联改性纳米CaCO_3,再进行原位少皂乳液聚合制备PMMA/纳米CaCO_3复合粒子。其中采用MPTMS改性将C=C双键引到CaCO_3粒子表面,有更大的PMMA接枝率和接枝效率,接枝分子量随接枝MPTMS量增加而减小,分子量分布变宽。聚合过程中,团聚粒子不断剥离成较小粒子。 将偶氮二氰基戊酸(ACPA)螯合到纳米CaCO_3表面,接着进行MMA分散聚合,研究聚合动力学和表面接枝行为,发现螯合引发剂分解温度略有降低,引发活性增加;MMA聚合反应表观活化能为130kJ/mol;PMMA接枝率随聚合转化率增加


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