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阴/阳离子单体作为分散剂/乳化剂/共聚单体调控纳米粒子在聚合物中的分散

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摘要

在聚合物基纳米复合材料的制备过程中,如何将纳米粒子有效的分散,并且引入到不同极性的基体中,仍然保持其稳定性是一个需要解决的重要问题。两亲性化合物在阻止纳米粒子团聚的过程中起到了重要作用。两亲性化合物的结构会影响纳米粒子在溶液中及聚合物基体的分散状态。因此,选择合适的两亲性化合物分散和稳定纳米粒子,是最终得到期望的复合材料性能的关键步骤。 本论文设计并合成阳离子单体乙烯基苄基二甲基十二烷基氯化铵(VDAC)和阴离子单体马来酸十二醇酯钠盐(MAMS),以苯乙烯(St)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)为单体,分别与两种共聚单体在乳液体系内发生自由基共聚,同时选取纳米钛酸钡(BaTiO3),二氧化钛(TiO2),三氧化二铝(Al2O3)和银(Ag)为纳米粒子,在乳液体系中原位复合纳米粒子,制备聚合物基纳米复合乳液。其中,BaTiO3和TiO2纳米粒子表面电势显负电性,Al2O3和Ag纳米粒子表面电势显正电性,可分别与VDAC或MAMS产生静电相互作用和空间位阻相互作用。通过透射电镜(TEM)、核磁共振(1H-NMR)、动态光弹性散射(DLS)、X 射线光电子能谱分析(XPS)等测试手段对合成的阴/阳离子可聚合乳化剂、纳米粒子/可聚合乳化剂体系、聚合物基纳米复合材料等进行表征。本论文设计的两种离子单体,可在纳米复合材料制备的不同阶段分别作为分散剂、乳化剂、共聚单体。该方法适用于多种表面特性的纳米粒子和多种聚合物基体。该方法具有简单、高效、环保的特点,有望成为制备多种高分散纳米复合材料的通用性方法。 结果显示,成功制备了阳离子单体VDAC和阴离子单体MAMS,并且VDAC和MAMS均能作为共聚单体与St和MMA共聚。VDAC和MAMS能作为分散剂有效地分散纳米粒子,减弱纳米粒子在水中的团聚现象,使不同表面电势的纳米粒子在水中的粒径显著降低,其中,VDAC可使BaTiO3和TiO2纳米粒子在水中的粒径分别降低至18.1 nm和61.7 nm。MAMS可使Ag和Al2O3纳米粒子在水中的粒径分别降低至57.2 nm和46.1 nm。与传统乳化剂SDS相比,VDAC和MAMS 为性能优良的乳化剂。TEM 测试结果表明,经过乳液聚合反应之后, BaTiO3,TiO2,Al2O3和Ag纳米粒子在聚合物乳液中的粒径进一步降低至5 nm。纳米粒子在聚合物基体中稳定分散。

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