发明内容
本发明的目的旨在克服现有技术中的不足,提供一种微乳液聚合制备纳米银/聚苯乙烯复合材料方法。从而提供一种均匀性好,且具有优异的力学性能和热稳定性能的纳米银/聚苯乙烯复合材料。
本发明的内容是:一种微乳液聚合制备纳米银/聚苯乙烯复合材料方法,其特征是包括下列步骤:
a、制备银氨溶液:配制硝酸银的水溶液(硝酸银水溶液的浓度范围可以为1~100mmol/L),搅拌下加入质量百分比浓度为20~28%的氨水至沉淀溶解,即制成银氨溶液,控制银氨溶液中氢氧化二氨合银浓度范围为1~20mmol/L;其反应式如下:
b、制备银溶胶:以柠檬酸钠为稳定剂、聚乙烯吡咯烷酮为分散剂、水合肼为还原剂,按摩尔比为氢氧化二氨合银﹕柠檬酸钠﹕聚乙烯吡咯烷酮﹕水合肼=1﹕0.1~0.3﹕0.1~0.3﹕1~1.5的比例取柠檬酸钠、 聚乙烯吡咯烷酮和水合肼;在连续搅拌下依次将柠檬酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和水合肼溶液加入到银氨溶液中,在0~50℃的温度下(还原)反应0.1~2小时,制得银溶胶(即含纳米银颗粒的胶体,纳米银在液相中呈现为悬浮状态,即为银溶胶);
其反应式如下:
c、制备正相微乳液:按质量比为银溶胶中的银﹕十二烷三甲基溴化铵﹕苯乙烯=1~10﹕3~10﹕1~5的比例取十二烷三甲基溴化铵和苯乙烯,将十二烷基三甲基溴化铵、苯乙烯加入到步骤b制得的银溶胶中混合均匀,即配成正相微乳液;
d、聚合反应制备复合材料:按苯乙烯质量1~2%的比例取引发剂,将引发剂加入到步骤c配制的正相微乳液中,在60~100℃的温度下反应1.5~3小时后,纳米银掺入聚苯乙烯基体中,得复合材料粗产物的反应后物料;
所述引发剂为偶氮二异丁腈、过硫酸铵或过硫酸钾;
e、复合材料粗产物纯化:在搅拌下,将步骤d所得反应后物料用溶剂甲醇沉淀、经离心分离后、弃去上清液;再将下层物料与溶剂无水乙醇混合,经超声洗涤(可以是1~5分钟)、离心分离、弃去上清液,下层物料经干燥,即制得纳米银/聚苯乙烯复合材料产物。
本发明的内容中:所述水合肼、聚乙烯吡咯烷酮和柠檬酸钠较好的是先分别配制成浓度为2~5mmol/L、10~15mmol/L和0.5~3mmol/L的水溶液后,再参与反应。
本发明的内容中:步骤e所述将反应后物料用溶剂甲醇洗涤的步骤可以重复2~10次。
本发明的内容中:步骤e所述将下层物料用溶剂无水乙醇洗涤的步骤可以重复2~10次。
本发明的内容中:步骤e所述溶剂甲醇用量的体积可以为反应后物料体积的1~10倍。
本发明的内容中:步骤e所述溶剂无水乙醇的体积可以为下层物料体积的1~10倍、较好的为5~10倍。
本发明的内容中:步骤e所述干燥可以是在30~45℃的温度下及0.01~0.10MPa的压力下真空干燥24~48小时。
本发明的内容中:步骤b所述聚乙烯吡咯烷酮较好的是重均分子量为1~4万的聚乙烯吡咯烷酮。
与现有技术相比,本发明具有下列特点和有益效果:
(1)本发明采用溶液化学还原法制备高稳定单分散性纳米银(平均粒径约10nm的单分散球形纳米银胶体),并在此基础上利用正相微乳液自身的稳定性及其在制备分子量均一聚合物方面的优势,制备出纳米银在聚苯乙烯基体中均匀分散的复合材料;通过正相微乳液聚合制备纳米银/聚苯乙烯复合材料,可以实现各组分材料的优势互补或加强,经济有效地利用昂贵纳米银组分的独特性能,是实现纳米银与聚苯乙烯树脂均匀复合的有效途径;纳米银晶型、形貌、尺寸及尺寸分布在聚合反应过程未发生改变,无团聚现象发生;聚苯乙烯基体的重均分子量均在10万以上,复合材料具有优异的热稳定性;在抗菌,自清洁、医用材料、电磁屏蔽材料等方面有着十分广阔的应用前景;
(2)采用本发明,制备过程中,在所配制的正相微乳液中,由于纳米银表面包覆有分散稳定剂——聚乙烯吡咯烷酮,既可以有效阻止其团聚以保证纳米银在水相中的单分散性,也能提高纳米银粒子与聚苯乙烯分子的相容性;因此,苯乙烯单体易于在胶束中纳米银-聚乙烯吡咯烷酮表面原位聚合,且正相微乳液中胶束尺寸在100nm以下,从而实现了纳米银在聚苯乙烯基体中均匀分散;
在所配制的正相微乳液中加入引发剂,在一定温度下引发剂首先分解生成自由基,而后在纳米银-聚乙烯吡咯烷酮表面表面进行链增长反应,含有自由基的聚合物链以偶合终止或攱化终止两种方式完成聚合反应,最终得到聚苯乙烯均匀包覆的纳米银/聚苯乙烯复合材料;
柠檬酸钠和聚乙烯吡咯烷酮在纳米银表面的吸附有效阻止了团聚的发生,并改善了纳米银在水相中的单分散性;利用正相微乳液自身的稳定性及其在制备分子量均一的聚合物方面的优势,有效实现了苯乙烯在纳米银表面的原位聚合;因此,本发明制备的纳米银/聚苯乙烯复合材料实现了纳米银与聚苯乙烯的均匀复合,是制备纳米银功能化聚苯乙烯复合材料的有效途径;
(3)采用本发明,利用制备的纳米银及微乳液体系自身的稳定性,聚合反应无需高速机械搅拌或超声分散,制备工艺简单,实用性强。
具体实施方式
下面给出的实施例拟以对本发明作进一步说明,但不能理解为是对本发明保护范围的限制,该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整,仍属于本发明的保护范围。
实施例1:
分别配制20mL浓度为1mmol/L和3mmol/L的柠檬酸钠和水合肼溶液。避光条件下,向盛有20mL硝酸银溶液(10mmol/L)的圆底烧瓶中滴加质量百分比浓度为25%的浓氨水至沉淀刚好溶解,得到银氨溶液。连续搅拌下依次将柠檬酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和水合肼溶液加入到银氨溶液中,温度为35℃下反应1小时,制得样品1。
利用X射线衍射和透射电镜对产物的物相及微观形态进行分析,其X射线衍射图谱如图1所示。通过X射线衍射数据利用Scherrer公式计算样品的平均尺寸在20nm左右,由样品1的透射电镜照片(图2)可知,样品1的平均尺寸与计算结果基本一致,呈球形,存在轻微团聚现象。
实施例2:
配制浓度分别为1mmol/L、10mmol/L和10mmol/L的柠檬酸钠溶液、银氨溶液和聚乙烯吡咯烷酮溶液,并等体积混合。再加入等体积浓度为3mmol/L的水合肼溶液。温度为35℃下反应1小时,制得样品2。样品2的透射电镜照片如图3所示,由图可知,体系中加入聚乙烯吡咯烷酮后,纳米银的平均尺寸降低到10nm左右,单分散性有显著提高,无团聚现象。
实施例3:
取3g十二烷基三甲基溴化铵,30mL水,1mL苯乙烯配成正相微乳液,再加入5mL按实施例2制备的银溶胶,0.02g引发剂偶氮二异丁腈(约单体苯乙烯质量的2%),升温至75℃并反应2小时,制得样品3。
图4为样品2与样品3的红外分析对比图,从红外图谱可知样品3在3104.3cm-1、3081.9cm-1、3059.8cm-1、3025.7cm-1和3001.6cm-1出现的红外吸收峰为苯环氢的伸缩振动吸收峰,698.7cm-1出现的的弱红外吸收为苯环氢的变形振动吸收峰,756.1cm-1出现的明显的振动吸收峰为亚甲基面外变形振动吸收峰,由此推断样品3中有聚苯乙烯存在。图5为样品3的透射电镜照片,图中,颜色较暗的为纳米银,由图可知纳米银尺寸在10~40nm以内,呈球形且尺寸分布较窄,并均匀分散在聚苯乙烯基体中。
实施例4~6:
实施例4~6除采用不同的还原温度外,其它反应条件均与实施例1相同,还原温度分别为20℃、30℃、40℃。
实施例7~10:
实施例7~10除采用不同的聚乙烯吡咯烷酮溶液浓度外,其它反应条件均与实施例2相同,其聚乙烯吡咯烷酮溶液浓度分别为5mmol/L、15mmol/L、20mmol/L。
实施例11~14:
实施例11~14除采用不同的水合肼溶液浓度外,其它反应条件均与实施例2相同,其水合肼溶液浓度分别为1mmol/L、5mmol/L、10mmol/L、15mmol/L。
实施例15~20:
实施例15~20除采用不同的柠檬酸钠溶液浓度外,其它反应条件均与实施例2相同,其柠檬酸钠溶液浓度分别为2mmol/L、3mmol/L、4mmol/L、5mmol/L、6mmol/L、7mmol/L。
实施例21~27:
实施例21~27除采用不同的银溶胶用量外,其它反应条件均与实施例3相同,其银溶胶用量分别为2mL、4 mL、6 mL、8 mL、10 mL、15 mL、20 mL。
实施例28~32:
实施例28~32除采用不同的聚合反应温度外,其它反应条件均与实施例3相同,其聚合反应温度分别为60℃、70℃、80℃、90℃、95℃。
实施例33~34:
实施例33~34除采用不同的引发剂外,其它反应条件均与实施例3相同,其引发剂分别为过硫酸铵和过硫酸钾。
实施例35:
一种微乳液聚合制备纳米银/聚苯乙烯复合材料方法,包括下列步骤:
a、制备银氨溶液:取硝酸银、配制成硝酸银的水溶液,搅拌下加入质量百分比浓度为23%的氨水至沉淀溶解、即制成银氨溶液,控制银氨溶液中氢氧化二氨合银浓度范围为10mmol/L;其反应式如下:
b、制备银溶胶:以柠檬酸钠为稳定剂、聚乙烯吡咯烷酮为分散剂、水合肼为还原剂,按摩尔比为氢氧化二氨合银﹕柠檬酸钠﹕聚乙烯吡咯烷酮﹕水合肼=1﹕0.2﹕0.2﹕1.2的比例取柠檬酸钠、 聚乙烯吡咯烷酮和水合肼;在连续搅拌下依次将柠檬酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和水合肼溶液加入到银氨溶液中,在25℃的温度下(还原)反应1小时,制得银溶胶(即含纳米银颗粒的胶体,纳米银在液相中呈现为悬浮状态,即为银溶胶。);
其反应式如下:
c、制备正相微乳液:按质量比为银溶胶中的银﹕十二烷三甲基溴化铵﹕苯乙烯=5﹕6﹕3的比例取十二烷三甲基溴化铵和苯乙烯,将十二烷基三甲基溴化铵、苯乙烯加入到步骤b制得的银溶胶中混合均匀,即配成正相微乳液;
d、聚合反应制备复合材料:按苯乙烯质量1.5%的比例取引发剂,将引发剂加入到步骤c配制的正相微乳液中,在80℃的温度下反应2小时后,纳米银掺入聚苯乙烯基体中,得复合材料粗产物的反应后物料;
所述引发剂为偶氮二异丁腈、过硫酸铵或过硫酸钾;
e、复合材料粗产物纯化:在搅拌下,将步骤d所得反应后物料用溶剂甲醇沉淀、经离心分离后、弃去上清液;再将下层物料与溶剂无水乙醇混合,经超声洗涤(可以是1~5分钟)、离心分离、弃去上清液,下层物料经干燥,即制得纳米银/聚苯乙烯复合材料产物。
实施例36:
一种微乳液聚合制备纳米银/聚苯乙烯复合材料方法,包括下列步骤:
a、制备银氨溶液:取硝酸银、配制成硝酸银的水溶液,搅拌下加入质量百分比浓度为20%的氨水至沉淀溶解、即制成银氨溶液,控制银氨溶液中氢氧化二氨合银浓度范围为1mmol/L;
b、制备银溶胶:以柠檬酸钠为稳定剂、聚乙烯吡咯烷酮为分散剂、水合肼为还原剂,按摩尔比为氢氧化二氨合银﹕柠檬酸钠﹕聚乙烯吡咯烷酮﹕水合肼=1﹕0.1﹕0.1﹕1的比例取柠檬酸钠、 聚乙烯吡咯烷酮和水合肼;在连续搅拌下依次将柠檬酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和水合肼溶液加入到银氨溶液中,在0℃的温度下(还原)反应2小时,制得银溶胶(即含纳米银颗粒的胶体,纳米银在液相中呈现为悬浮状态,即为银溶胶。);
c、制备正相微乳液:按质量比为银溶胶中的银﹕十二烷三甲基溴化铵﹕苯乙烯=1﹕3﹕1的比例取十二烷三甲基溴化铵和苯乙烯,将十二烷基三甲基溴化铵、苯乙烯加入到步骤b制得的银溶胶中混合均匀,即配成正相微乳液;
d、聚合反应制备复合材料:按苯乙烯质量1%的比例取引发剂,将引发剂加入到步骤c配制的正相微乳液中,在60℃的温度下反应3小时后,纳米银掺入聚苯乙烯基体中,得复合材料粗产物的反应后物料;
所述引发剂为偶氮二异丁腈、过硫酸铵或过硫酸钾;
e、复合材料粗产物纯化:在搅拌下,将步骤d所得反应后物料用溶剂甲醇沉淀、经离心分离后、弃去上清液;再将下层物料与溶剂无水乙醇混合,经超声洗涤(可以是1~5分钟)、离心分离、弃去上清液,下层物料经干燥,即制得纳米银/聚苯乙烯复合材料产物。
实施例37:
一种微乳液聚合制备纳米银/聚苯乙烯复合材料方法,包括下列步骤:
a、制备银氨溶液:取硝酸银、配制成硝酸银的水溶液,搅拌下加入质量百分比浓度为28%的氨水至沉淀溶解、即制成银氨溶液,控制银氨溶液中氢氧化二氨合银浓度范围为20mmol/L;
b、制备银溶胶:以柠檬酸钠为稳定剂、聚乙烯吡咯烷酮为分散剂、水合肼为还原剂,按摩尔比为氢氧化二氨合银﹕柠檬酸钠﹕聚乙烯吡咯烷酮﹕水合肼=1﹕0.3﹕0.3﹕1.5的比例取柠檬酸钠、 聚乙烯吡咯烷酮和水合肼;在连续搅拌下依次将柠檬酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和水合肼溶液加入到银氨溶液中,在50℃的温度下(还原)反应0.1小时,制得银溶胶(即含纳米银颗粒的胶体,纳米银在液相中呈现为悬浮状态,即为银溶胶。);
c、制备正相微乳液:按质量比为银溶胶中的银﹕十二烷三甲基溴化铵﹕苯乙烯=10﹕10﹕5的比例取十二烷三甲基溴化铵和苯乙烯,将十二烷基三甲基溴化铵、苯乙烯加入到步骤b制得的银溶胶中混合均匀,即配成正相微乳液;
d、聚合反应制备复合材料:按苯乙烯质量2%的比例取引发剂,将引发剂加入到步骤c配制的正相微乳液中,在100℃的温度下反应1.5小时后,纳米银掺入聚苯乙烯基体中,得复合材料粗产物的反应后物料;
所述引发剂为偶氮二异丁腈、过硫酸铵或过硫酸钾;
e、复合材料粗产物纯化:在搅拌下,将步骤d所得反应后物料用溶剂甲醇沉淀、经离心分离后、弃去上清液;再将下层物料与溶剂无水乙醇混合,经超声洗涤(可以是1~5分钟)、离心分离、弃去上清液,下层物料经干燥,即制得纳米银/聚苯乙烯复合材料产物。
实施例38~44:
一种微乳液聚合制备纳米银/聚苯乙烯复合材料方法,包括下列步骤:
a、制备银氨溶液:取硝酸银、配制成硝酸银的水溶液,搅拌下加入质量百分比浓度为20~28%的氨水至沉淀溶解、即制成银氨溶液,控制银氨溶液中氢氧化二氨合银浓度范围为1~20mmol/L;其反应式如下:
b、制备银溶胶:以柠檬酸钠为稳定剂、聚乙烯吡咯烷酮为分散剂、水合肼为还原剂,按摩尔比为氢氧化二氨合银﹕柠檬酸钠﹕聚乙烯吡咯烷酮﹕水合肼=1﹕0.1~0.3﹕0.1~0.3﹕1~1.5的比例取柠檬酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和水合肼;在连续搅拌下依次将柠檬酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和水合肼溶液加入到银氨溶液中,在0~50℃的温度下(还原)反应0.1~2小时,制得银溶胶(即含纳米银颗粒的胶体,纳米银在液相中呈现为悬浮状态,即为银溶胶);
其反应式如下:
4Ag(NH3)2OH+N2H4=4Ag↓+N2↑+4NH3↑+4NH4OH
实施例38~44中各组分及具体用量(摩尔比)见表1:
表1
c、制备正相微乳液:按质量比为银溶胶中的银﹕十二烷三甲基溴化铵﹕苯乙烯=1~10﹕3~10﹕1~5的比例取十二烷三甲基溴化铵和苯乙烯,将十二烷基三甲基溴化铵、苯乙烯加入到步骤b制得的银溶胶中混合均匀,即配成正相微乳液;
实施例38~44中各组分及具体用量(质量比)见表2:
表2
d、聚合反应制备复合材料:按苯乙烯质量1~2%的比例取引发剂,将引发剂加入到步骤c配制的正相微乳液中,在60~100℃的温度下反应1.5~3小时后,纳米银掺入聚苯乙烯基体中,得复合材料粗产物的反应后物料;
所述引发剂为偶氮二异丁腈、过硫酸铵或过硫酸钾;
e、复合材料粗产物纯化:在搅拌下,将步骤d所得反应后物料用溶剂甲醇沉淀、经离心分离后、弃去上清液;再将下层物料与溶剂无水乙醇混合,经超声洗涤(可以是1~5分钟)、离心分离、弃去上清液,下层物料经干燥,即制得纳米银/聚苯乙烯复合材料产物。
上述实施例实施例35~44中:所述水合肼、聚乙烯吡咯烷酮和柠檬酸钠较好的是先分别配制成浓度为2~5mmol/L、10~15mmol/L和0.5~3mmol/L的水溶液后、再参与反应。
上述实施例35~44中:步骤e所述将反应后物料用溶剂甲醇洗涤的步骤可以重复2~10次。
上述实施例实施例35~44中:步骤e所述将下层物料用溶剂无水乙醇洗涤的步骤可以重复2~10次。
上述实施例实施例35~44中:步骤e所述溶剂甲醇用量的体积可以为反应后物料体积的1~10倍。
上述实施例实施例35~44中:步骤e所述溶剂无水乙醇的体积可以为下层物料体积的1~10倍、较好的为5~10倍。
上述实施例实施例35~44中:步骤e所述干燥可以是在30~45℃的温度下及0.01~0.10MPa的压力下真空干燥24~48小时。
上述实施例实施例35~44中:步骤b所述聚乙烯吡咯烷酮较好的是重均分子量为1~4万的聚乙烯吡咯烷酮。
上述实施例实施例35~44中:步骤a所述硝酸银水溶液的浓度范围可以为1~100mmol/L。
上述实施例中:所采用的百分比例中,未特别注明的,均为质量(重量)百分比例;所述重量份可以均是克或千克。
上述实施例中:各步骤中的工艺参数(温度、时间、浓度等)和各组分用量数值等为范围的,任一点均可适用。
本发明内容及上述实施例中未具体叙述的技术内容同现有技术,所述原材料均为市售产品。
本发明不限于上述实施例,本发明内容所述均可实施并具有所述良好效果。