乳液聚合法制備POSS-PS納米復(fù)合材料

1、乳液聚合法制備 POSS/PS納米復(fù)合材料 王翔,董麗杰,劉景濤,劉利萍,熊傳溪武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,武漢 430070關(guān)鍵詞 :多面體低聚倍半硅氧烷 , 聚苯乙烯 , 乳液聚合 , 納米復(fù)合材料近年來(lái),聚合物基納米復(fù)合材料的研究引起了人們的極大興趣 1,2。多面體 低聚倍半硅氧烷 (POSS 3是一類具有籠狀結(jié)構(gòu)的新型有機(jī) -無(wú)機(jī)納米雜化材料, 無(wú)機(jī)框架由 Si-O-Si 或 Si-O 鍵組成, 硅上可帶有多種反應(yīng)性或非反應(yīng)性的有機(jī)取 代基團(tuán), 如羥 基 、 烷氧基 、 乙烯基 、環(huán) 氧烷 、酯 基 、 烷基 、環(huán) 烷基或 降冰片 基。 POSS 由 于 具有 特殊 的結(jié)構(gòu),可 以

2、通過(guò)共混、共 聚 以及接枝等方法 引 入到 聚合物 基體 中 ,大大 地改善 了聚合物的性 能 , 如提高使用溫度 , 降 低 介電常數(shù) , 增強(qiáng)阻 燃 性 能 。 然而 , 人們 目前 研究 較 多的是引 入單官能 團(tuán) POSS 而形 成的 線形 或 支鏈 形 聚合物體 系 48, 對(duì) 引 入 多 官能 團(tuán) POSS 而形 成的具有 網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)的聚合物體 系 研究 地較少 9。我 們 以八 乙烯基倍半硅氧烷 和 苯乙烯 為單 體, 過(guò)硫酸鉀 (KPS為 引 發(fā)劑 , 十 二 烷基 磺酸鈉 (SDS為 乳 化 劑 , 采用 乳液聚 合 方法制備 了具有 網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)的 POSS/PS納米復(fù)合材料

3、 (如圖 1 , 通過(guò) XRD 、 FT-IR 、 DSL 、 SEM 等測(cè)試手段對(duì) 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu) 和形態(tài)進(jìn)行 了 表征 , 并采用 DSC 研究了 POSS 含量對(duì) 復(fù)合材料 的 熱 性 能 的 影響 。 O O SiO +KPS 、 SDS 80 , 6h= O O O O=CH 2nFigure 1. Formation of POSS/PS nanocomposites via emulsion polymerization 通過(guò)對(duì) POSS 、 PS 及含 有 0.6wt%、 1wt%、 3wt%POSS的復(fù)合材料的 X 射線 衍射譜圖分 析 , 可 以發(fā) 現(xiàn) , POSS 分 子

4、 高度 結(jié) 晶 , 在 2=9.7處 有一 個(gè) 非 常 尖銳 的 衍射 峰 。 PS 及 其 復(fù)合材料 在 2=19.2處出現(xiàn) 一 寬峰 , 這 一 寬峰 為 聚苯乙烯的無(wú)定 形衍射 峰 。 隨著 POSS 含量 的 增 加 , 復(fù)合材料的 譜線 基 本 上是 和 純 聚苯乙烯的 譜線 一 致 的, 這說(shuō)明 POSS 與苯乙烯 共 聚 而分 子級(jí) 分 散 于 聚苯乙烯基體 中 。 為 了 進(jìn) 一 步證實(shí) 復(fù)合材料 中 POSS 的 存在 , 我 們 對(duì) POSS 、 PS 及 POSS/PS納米復(fù)合材料的 紅外光 譜圖進(jìn)行 了 分 析 。與 PS 相比 , POSS/PS納米復(fù)合材料 在 11

5、20cm -1處出現(xiàn) 了 吸收峰 , 這 是 POSS 分 子 中 的 Si-O-Si 鍵的 伸縮振動(dòng)峰 , 證明 了 POSS 已 接枝到 聚苯乙烯 分 子 鏈中 。 Figure 2. Particle size distribution of POSS/PS nanocomposites圖 2是復(fù)合 粒子 的 粒徑 分 布 圖 。 由 此 可 見(jiàn) , 復(fù)合 粒子 單分 散 性 好 (PDI=0.070, 粒徑 分 布均勻 , 主要 分 布在 30nm 80nm 之間 , 平均粒徑 為 53.2nm 。 Figure 3. SEM image of POSS/PS nanocomposit

6、es圖 3是復(fù)合 粒子 的 掃描 電 鏡照 片 。 復(fù)合 粒子呈均勻 、 光滑 的 球 形 , 粒子 的大 小約 50nm 。 Figure 4. DSC curves of PS and POSS/PS nanocomposites圖 4為 POSS/PS復(fù)合材料 在不同 POSS 用量 下 的 DSC 曲 線 。由 此 可 知 , 用 同樣 方法制備 的 純 聚苯乙烯的 玻璃 化 轉(zhuǎn)變 溫度為 82.5 。 當(dāng) POSS 加 入 后 , 復(fù)合 材料的 玻璃 化 轉(zhuǎn)變 溫度 顯著 提高 , 達(dá) 到 了 98.3 (此時(shí) POSS 含量為 3%。 這 是 由 于 POSS 因其 特殊 的結(jié)構(gòu),

7、 有 著相當(dāng) 大的體 積 , 通過(guò)共 價(jià) 鍵與聚合物 形 成 網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu) 后 , 抑 制 了 分 子 鏈 的 運(yùn)動(dòng) , 使 復(fù)合材料的 玻璃 化 轉(zhuǎn)變 溫度 有了 明顯 的 提高 。 此外 , 隨著 POSS 含量 的 增 加 , 玻璃 化 轉(zhuǎn)變 溫度 也逐步 提高 。 這 是 因 為 POSS 分 子在 網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu) 中 起 著交聯(lián)點(diǎn) 的 作 用 , 當(dāng) POSS 含量 逐漸 增 加 , 交聯(lián)點(diǎn)也 增 多, 使 Tg 升 高 。我 們 采用 乳液聚合 方法制備 了 粒徑均 一 、形態(tài) 規(guī)則 、 性 能 優(yōu) 異 的 POSS/PS納米復(fù)合材料。 POSS 分 子 的引 入 顯著 提高 了復(fù)合材料

8、的 玻璃 化 轉(zhuǎn)變 溫度 , 改善 了復(fù)合材料的 熱 性 能 , 并 且 隨著 POSS 含量 的 增 加 , Tg 逐漸 提高 。參考文獻(xiàn) :1 Ruili Liu, Yifeng Shi, Ying Wan, et al., J. Am. Chem. Soc., 2006, 128(35:11652 2Liqiang Cui, Naresh H. Tarte, Seong Ihl Woo, Macromolecules, 2008, 41(12: 42683 Scott D. W., J. Am. Chem. Soc., 1946, 68(3:3564 Joseph D. Lichtenh

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10、Fu, Andre Lee, and Timothy S. Haddad, Macromolecules, 2004, 37 (14: 52119 Hongyao Xu, Benhong Yang, Jiafeng Wang, et al., Macromolecules, 2005, 38 (25:10455Preparation of POSS/PS Nanocomposites by EmulsionPolymerizationSchool of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuha

11、n 430070Abstract :POSS/polymer nanocomposites have been widely used in the field of aeronautics , astronautics , electronics and optics due to their outstanding mechanical properties, thermal properties, flame retardant properties and low dielectric constant. In this paper, the POSS/PS nanocomposite

12、s were prepared by emulsion polymerization using potassium persulfate (KPS as the initiator and sodium dodecylsulfate (SDS as the emulsifier. The structure and morphology of nanocomposites were characterized by FT-IR, XRD, DSL and SEM. The effect of POSS content on the thermal properties of nanocomposites was studied by DSC. The results show that the particles had relatively narrow size distribution and regular morphology. Compared to the pure PS prepared by the same way, the introduction of POSS effectively improved the glass trans