水相体系中软模板法制备片状聚苯乙烯纳米材料

论文摘要

水相体系中的乳液聚合由于其良好的散热和传质能力,十分适合应用于自由基聚合制备聚合物。传统的乳液聚合中,乳化剂(表面活性剂)胶束的微观形貌都是球形的,所得到的聚合产物也都是球形的纳米粒子。由于水相体系中表面活性剂在适当的条件下可以形成片状以及其它非球形形貌的胶束聚集体,所以论文尝试以这种水相体系中的非球形表面活性剂胶束为软模板,进行苯乙烯的自由基聚合,最终得到了片状的聚苯乙烯纳米材料。论文还发现这种方法同样适用于多种聚合物材料。论文所介绍的软模板法一种新的聚合物纳米材料的制备方法,它填补了片状聚合物纳米材料制备领域的空白,丰富了聚合物纳米材料的种类。另外,除了微观形貌外,片状纳米材料在分子链结构方面还具有其独特性,对于其使用性能的研究以及高分子物理学的发展都有着重要的意义。论文研究了水相体系中SDS的胶束种类与形貌,以及胶束形貌的鉴别方法,发现SDS片状胶束具有其水相层状液晶的结构特点,并且当SDS片状胶束为固体时,它仍然保持了这种液晶态结构。论文利用十二烷基硫酸钠(SDS)为模板剂,去离子水为分散介质组成水相体系,将电解质氯化钾加入到水—SDS体系中来控制表面活性剂胶束模板的形貌,使之发展成为片状胶束。由于胶束内部是疏水性空间,而苯乙烯等聚合物的单体都是疏水性物质,因此胶束就成为苯乙烯在水相体系中的存在场所。当加入引发剂,聚合过程开始后,保持体系水浴温度50℃,,搅拌速率150～160r/min,反应20小时以上。将聚合体系用水—乙醇的混合溶液为模板去除剂,经过溶解、离心提留固体和干燥过程后,采用红外、核磁共振、元素分析以及电子能谱等方法对固体产物进行成分分析,采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及原子力显微镜(AFM)对固体产物进行形貌分析,最终证明合成得到了纯净的片状聚苯乙烯纳米材料。这种新型的聚合物纳米材料是一种二维的片状形貌,其平面的形状和面积都没有规律性,平面尺寸从数十纳米到几微米不等;然而片状材料的厚度是均匀统一的,其厚度在2纳米左右,这是目前为止所得到的聚合物的最小空间尺寸。聚苯乙烯产物的形貌充分证明了SDS的片状胶束就是苯乙烯的聚合模板。论文还采用差示扫描量热法(DSC)、X—射线衍射(XRD)以及高分辨TEM为检测手段,对合成得到的聚苯乙烯片状纳米材料进行了分析,结果显示,片状聚苯乙烯纳米材料的分子链结构与普通聚苯乙烯相比,有着很大的特殊性。它的分子链不是通常情况下的无规线团模型,而是一种类似于插线板模式的无规结构。由于这种插线板模型中厚度尺寸太小,有序性差,所以聚苯乙烯不是结晶态。由此可见,片状模板除了能够规范了合成产物的形貌,对产物的分子链状态也有重要的影响。论文在合成片状聚苯乙烯纳米材料的基础上,根据相同的机理,还合成了聚甲基丙烯酸甲酯的片状纳米材料。另外,论文还通过进一步改变SDS胶束的形貌使之发展为线形胶束,并以此为模板合成了聚苯乙烯的一维线形纳米材料,主要为纳米棒。由此可见,在水相体系中,通过条件控制,可以获得具有非球形形貌的表面活性剂胶束,这种胶束对于聚合物合成而言是一种软模板,可以规范聚合物的形貌以及其分子链状态。在纳米科学领域,聚合物纳米材料的发展相对于其它纳米材料而言相对滞后,这与聚合物纳米材料的制备工艺状况有很大的关系。论文所设计的实验成功地合成了片状的聚合物纳米材料,在乳液聚合基础上提出了一种新的制备纳米材料的机理,对于纳米科技的发展也有着重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述及选题
• 1.1 纳米材料及其特性
• 1.1.1 纳米材料的简介
• 1.1.2 纳米材料的分类
• 1.1.3 纳米材料的特殊性能
• 1.1.4 纳米材料的四大特性
• 1.1.5 纳米材料的应用
• 1.1.6 纳米材料的发展历史与趋势
• 1.2 纳米材料的制备方法
• 1.2.1 纳米材料的物理制备方法
• 1.2.2 纳米材料的化学制备方法
• 1.2.3 模板合成法制备纳米材料
• 1.3 聚合物纳米材料
• 1.3.1 聚合物纳米材料的发展
• 1.3.2 聚合物纳米材料的制备
• 1.4 聚合物纳米薄膜
• 1.4.1 聚合物纳米薄膜的简介
• 1.4.2 聚合物纳米薄膜的制备
• 1.5 乳液聚合和水相中表面活性剂胶束
• 1.5.1 乳液聚合简介
• 1.5.2 表面活性与表面活性剂结构
• 1.5.3 表面活性剂在水中的聚集体
• 1.6 论文的选题以及意义
• 1.6.1 论文的研究思路
• 1.6.2 论文的研究方案
• 1.6.3 论文的选题依据
• 1.6.4 论文选题的创新点以及意义
• 第二章 水相体系中十二烷基硫酸钠胶束的形貌以及检测方法
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验仪器及设备
• 2.2.3 含有十二烷基硫酸钠胶束的水相体系的制备
• 2.2.4 结构、形貌以及成分表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 二步制备法中离心固体以及上层液体的红外表征
• 2.3.2 二步制备法中离心固体的X射线衍射（XRD）
• 2.3.3 二步制备法中氯化钾浓度对制备片状胶束的影响
• 2.3.4 二步制备法中表面活性剂浓度对制备片状胶束的影响
• 本章小结
• 第三章 水相聚合体系的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 实验仪器及设备
• 3.2.3 实验过程
• 3.2.4 实验表征方法介绍
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 上层清液的红外以及固含量表征结果
• 3.3.2 上层清液的紫外表征
• 3.3.3 下层白色固体的XRD和红外表征
• 本章小结
• 第四章 片状聚苯乙烯纳米材料的制备及表征
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂
• 4.2.2 实验仪器及设备
• 4.2.3 片状聚苯乙烯纳米材料的制备过程
• 4.2.4 片状聚苯乙烯纳米材料的提纯过程
• 4.2.5 产物的组成成分表征
• 4.2.6 产物的微观形貌表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 提纯方法的确定以及聚合产物的红外表征结果
• 4.3.2 提纯产物的元素分析表征结果
• 4.3.3 聚苯乙烯产物的凝胶渗透色谱表征
• 4.3.4 聚苯乙烯产物的扫描电子显微镜（SEM）以及X光电子能谱（ED）表征
• 4.3.5 聚苯乙烯产物的透射电子显微镜（TEM）表征
• 4.3.6 聚苯乙烯产物的原子力显微镜（AFM）表征
• 4.3.7 胶束形貌与聚合产物形貌的对应关系表征
• 本章小结
• 第五章 片状聚苯乙烯纳米材料的分子链结构研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 核磁共振（NMR）表征
• 5.2.2 差示扫描量热法（DSC）表征
• 5.2.3 X-射线衍射法（XRD）表征
• 5.2.4 高分辨透射电子显微镜表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 片状聚苯乙烯产物的核磁共振表征结果
• 5.3.2 差示扫描量热法（DSC）表征结果与讨论
• 5.3.3 X-射线衍射表征结果与讨论
• 5.3.4 高分辨透射电子显微镜表征结果与讨论
• 本章小结
• 第六章 片状聚甲基丙烯酸甲酯纳米材料的制备及表征
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验试剂
• 6.2.2 实验仪器及设备
• 6.2.3 片状聚甲基丙烯酸甲酯纳米材料的制备过程
• 6.2.4 产物的红外表征
• 6.2.5 产物的元素分析表征
• 6.2.6 产物的微观形貌表征
• 6.2.7 产物的凝胶渗透色谱表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 产物的红外表征结果与讨论
• 6.3.2 产物的元素分析表征结果与讨论
• 6.3.3 产物的微观形貌表征结果与讨论
• 6.3.4 产物的凝胶渗透色谱表征
• 本章小结
• 第七章 论文总结
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 导师简介
• 作者简介
• 附件