超聲輻照制備具有電磁功能的聚合物-無機納米復合材料.pdf

1、本文將聲化學技術(shù)應用于制備具有電磁功能的聚合物／無機納米復合材料，利用超聲空化效應產(chǎn)生的強烈分散、攪拌作用使無機納米材料納米分散的同時進行單體的原位聚合，制備了聚苯乙烯F／Ve<,3>O<,4>、聚苯胺／Fe<,3>O<,4>、聚吡咯／Fe<,3>O<,4>和聚苯胺／碳納米管等幾種具有電磁功能的聚合物／無機納米復合材料，研究了制備的復合材料的結(jié)構(gòu)和性能，解決了聚合物／無機納米復合材料制備過程中無機納米材料的分散及與聚合物穩(wěn)定復合的問題，

2、為功能性聚合物／無機納米復合材料的制備提供了一種新技術(shù)。 一、通過超聲輻照引發(fā)Fe<,3>0<,4>存在時的苯乙烯細乳液聚合，成功地制備了聚苯乙烯（PS）／Fe304磁性復合乳液及復合材料。整個過程分為兩步：穩(wěn)定劑輔助下FeO<,4>在單體中的分散和Fe<,3>，O<,4>存在下超聲輻照引發(fā)的細乳液聚合。研究了穩(wěn)定劑類型和濃度、乳化劑濃度、助乳化劑濃度、超聲功率、Fe<,3>O<,4>用量等因素對聚合反應速率，單體轉(zhuǎn)化率

3、及凝膠量的影響。結(jié)果表明，穩(wěn)定劑Span—80濃度為2.5wt％時產(chǎn)生的凝膠量最少；提高乳化劑濃度，降低助乳化劑濃度使產(chǎn)生的凝膠量增多；提高超聲功率聚合反應速率提高；Fe<,3>O<,4>的加入及用量的增加使聚合反應速率提高，其原因是Fe<,3>O<,4>高了超聲空化強度，并且可游離出Fe<'2+>，與聲致H<,2>O<,2>反應生成OH，從而增加了引發(fā)聚合的自由基數(shù)目。研究了水的聲致分解產(chǎn)物和H<,2>O<,2>產(chǎn)率，發(fā)現(xiàn)微量SDS和

4、Fe<'2+>的存在降低了聲致H<,2>O<,2>產(chǎn)率，推測超聲引發(fā)乳液聚合的自由基的最主要的初始來源是水聲致分解產(chǎn)生的自由基。Fe<,3>O<,4>存在下超聲引發(fā)的細乳液聚合的動力學與常規(guī)細乳液聚合相似，不存在明顯的恒速期。用TEM、GFC、FTIR、FG、DSC等表征PS/Fe<,3>O<,4>磁性復合乳液及復合材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)和性能。結(jié)果表明PS/Fe<,3>O<,4>復合乳液中存在兩種形式的乳膠粒：不含F(xiàn)e<,3>O<,4>粒子的

5、純PS乳膠粒和含F(xiàn)e<,3>O<,4>粒子的PS乳膠粒；聚合過程中Fe<,3>O<,4>的存在使制備的乳膠粒的粒徑分布變寬、PS分子量降低、分子量分布變寬、熱分解溫度提高。磁性復合乳液具有明顯的磁響應性，PS/Fe<,3>O<,4>復合微粒能通過外加磁場從乳液中分離出來，振蕩后又可以重新分散在乳液中。 二、利用超聲空化效應使Fe<,3>O<,4>納米分散的同時，進行初始中性介質(zhì)中苯胺的化學氧化聚合，制備了具有導電性和磁性的聚苯胺

6、/Fe<,3>O<,4>納米復合材料，避免了現(xiàn)有方法制備聚苯胺/Fe<,3>O<,4>復合材料因介質(zhì)酸性使Fe<,3>O<,4>損失大的問題。初始中性介質(zhì)中進行苯胺的化學氧化聚合，最優(yōu)氧化劑/單體的摩爾比為2：1，制備的聚苯胺為中間氧化態(tài)，被硫酸氫根摻雜，其電導率為0.21S/cm。通過TEM、FTIR、XRD、TG等表征聚苯胺/Fe<,3>O<,4>復合材料的結(jié)構(gòu)與性能。結(jié)果表明，超聲輻照破壞了Fe<,3>O<,4>納米粒子的團聚，生

7、成的聚苯胺沉積在Fe<,3>O<,4>納米粒子表面，形成聚苯胺包覆Fe<,3>O<,4>的復合微粒。制備過程中Fe<,3>O<,4>的存在降低了生成的聚苯胺的結(jié)晶性。Fe<,3>O<,4>與聚苯胺之間存在強的相互作用，如氫鍵，從而使聚苯胺的摻雜度和熱穩(wěn)定性提高。隨Fe<,3>O<,4>含量增加，復合材料的電導率降低，磁性增加。Fe<,3>O<,4>含量為60％時，聚苯胺/Fe<,3>O<,4>復合材料的電導率為7.04×10<'-4>S

8、/cm，飽和磁化強度為30.6emu/g。 三、利用超聲空化效應使Fe<,3>O<,4>粒子納米分散的同時，通過化學氧化聚合法聚合吡咯，制備了具有優(yōu)異導電性和磁性的聚吡咯/Fe<,3>O<,4>納米復合材料。用TEM、FTIR、XRD、TG等表征聚吡咯/Fe<,3>O<,4>復合材料的結(jié)構(gòu)與性能。結(jié)果表明，生成的聚吡咯沉積在Fe<,3>O<,4>納米粒子表面，形成聚吡咯包覆Fe<,3>O<,4>的復合微粒。Fe<,3>O<,4>

9、的存在提高了聚吡咯的摻雜度和熱穩(wěn)定性。聚吡咯/Fe<,3>O<,4>復合微粒同時具有導電性和磁性，且其導電性和磁性可通過控制復合材料中Fe<,3>O<,4>含量得到調(diào)控。隨Fe<,3>O<,4>含量增加，復合材料的電導率先增加后降低，磁性則一直增加。Fe<,3>O<,4>含量為40％時，聚吡咯/Fe<,3>O<,4>復合材料電導率為11.26S/cm，飽和磁化強度為23emu/g。 四、利用超聲空化效應，在實現(xiàn)碳納米管（CNTs

10、）納米分散的同時通過化學氧化法聚合苯胺，制備了聚苯胺（PANI）包覆CNTs結(jié)構(gòu)的復合材料。先用苯胺浸潤CNTs再加入HCl溶液，使CNTs借助于表面吸附的苯胺分散在反應體系中，避免了CNTs的表面化學處理及表面活性劑的使用。超聲對碳納米管的分散效果大大優(yōu)于常規(guī)攪拌。氧化聚合反應前，一些苯胺吸附在碳納米管表面，聚合完成后形成聚苯胺包覆CNTs的復合微管。改變苯胺和CNTs的用量比可以調(diào)控包覆層聚苯胺的厚度，從而改變PANI／CNTs復合