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无机粒子的表面修饰及其聚合物的制备与性能研究

张方志  
【摘要】: 论文详细介绍了无机粒子(无机粉体)表面修饰(表面改性)的发展过程,全面论述了无机粒子表面修饰在材料科学中的重要意义以及在复合材料中不可替代的功能性作用,无机粒子的表面修饰已成为“超细无机粉体技术和工程研究”的重要组成部分。论文综述了无机粒子表面修饰的各种方法及表征手段,掌握了该领域的最新进展和研究热点。 论文立足于无机粒子表面修饰的新方法,详细研究了无毒环保阻燃材料——氢氧化镁;磁性材料——四氧化三铁、镍粒子的表面修饰,取得了如下成果: 一、微米级及纳米级氢氧化镁(Mg(OH)_2)的表面修饰及表征。 采用超声波方法将硬脂酸修饰在Mg(OH)_2表面,经红外(FT-IR)、X-射线光电子能谱(XPS)和元素分析(EA)分析证明硬脂酸键合在了Mg(OH)_2表面(即SA-Mg(OH)_2),包覆层厚度为1.3 nm。显微镜观察SA-Mg(OH)_2在二甲苯中分散均匀,将其在二甲苯中进行沉降实验及在液体石蜡中的粘度进行评价,均证明该修饰方法是成功的。 将修饰后的氢氧化镁(SA-Mg(OH)_2)与聚丙烯复合,对修饰效果作了直接评价。复合材料的熔融指数显示SA-Mg(OH)_2可改善材料的流动性,材料的冲击强度和断裂伸长率也有所提高,表明SA-Mg(OH)_2与聚丙烯有良好的相容性。 采用一步法将油酸修饰在纳米Mg(OH)_2表面,FT-IR证明油酸分子牢固地键合到了氢氧化镁表面上;漂浮实验测试氢氧化镁表面性质,发现当油酸用量为6%时氢氧化镁的活化指数达到98.9%,显示其表面呈强烈地疏水性。 采用表面引发原子转移自由基聚合法(SI-ATRP)制备了聚苯乙烯接枝氢氧化镁纳米复合粒子(PS-Mg(OH)_2)。先合成了溴代异丁酸修饰的纳米氢氧化镁作为大分子引发剂,然后采用SI-ATRP方法获得了聚苯乙烯接枝修饰的氢氧化镁纳米粒子。FT-IR分析证明聚苯乙烯键合在了Mg(OH)_2表面;经由元素分析(EA)可知接枝率和单体转化率随反应时间线型增大,凝胶色谱(GPC)测试接枝的聚苯乙烯分子量分布较小(PDI1.3),体现出明显的活性可控聚合特征,聚合12 h粒子的接枝率达到115%;TEM观察PS-Mg(OH)_2粒子在甲苯中呈现很好的分散性,将其在甲苯中进行沉降实验及评价在液体石蜡中的粘度,均证明PS接枝修饰Mg(OH)_2粒子能改善其在有机介质中的分散性。 通过原位聚合法制备了聚苯乙烯接枝氢氧化镁纳米复合粒子(PS-Mg(OH)_2)。先合成了油酸修饰的纳米氢氧化镁粒子,后通过无皂乳液聚合制备了聚苯乙烯接枝氢氧化镁纳米复合粒子。FT-IR分析证明聚苯乙烯键合在了Mg(OH)_2表面;经由EA分析可知聚苯乙烯的接枝率为29.1%;透射电镜(TEM)观察到PS-Mg(OH)_2粒子均匀分散在了聚苯乙烯中;差式扫描量热法(DSC)、热失重(TGA)测试PS/PS-Mg(OH)_2复合材料的热性能,证明复合粒子能提高材料的热稳定性。 二、磁性纳米粒子的合成、表面修饰及表征。 采用接枝(“grafting from”)方法制备了聚苯乙烯接枝四氧化三铁纳米复合粒子(PS-Fe_3O_4)。先合成了γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的四氧化三铁纳米粒子,然后与苯乙烯共聚,从而将聚苯乙烯接枝在Fe_3O_4粒子上。经FT-IR分析证明聚苯乙烯键合在了Fe_3O_4表面,EA可知聚苯乙烯的接枝率为71%;TEM观察到PS-Fe_3O_4复合粒子在甲苯中分散好,评价其在液体石蜡中的粘度,证明PS接枝修饰Fe_3O_4粒子能改善其在有机介质中的分散性;振动样品磁强计(VSM)测试复合粒子具有超顺磁性,XRD分析接枝聚合没有改变Fe_3O_4的结晶结构。 制备了镍@二氧化硅@苯乙烯-丙烯腈-硅单体三元共聚物纳米复合粒子(Ni@SiO_2@AS)。先合成了二氧化硅包覆的镍粒子,后采用接枝(“grafting to”)方法将三元共聚物接枝到粒子上。二氧化硅包覆镍粒子核,保护了镍核不被氧化。FT-IR分析证明三元共聚物包覆在了粒子表面,由EA可知接枝率为3.5%;TEM观察到复合粒子在甲苯中分散好;VSM测试复合粒子具有镍的超顺磁性。Ni@SiO_2@AS纳米复合粒子在甲苯中分散性好,证明所采用的修饰方法是成功的,具有较高的实用性。该修饰方法为把纳米磁性镍粉分散到聚烯烃树脂(ABS、PS、AS等)中,制备优质聚烯烃/镍纳米复合材料提供了一条有价值的途径。


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