CN102338747A - 一种纳米材料分散性定量测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米材料分散性定量测定方法，步骤如下：针对被检测的高分子材料样品，选取不少于3个的样品区域并对选取的样品分别称量；利用溶解、燃烧等物理化学反应，使样品中的纳米材料特征元素以离子形式存在于水或有机溶剂中；选择合适的化学滴定反应及其显色反应；进行纳米材料特征元素的化学滴定，根据滴定使用的反应物的量及滴定的化学反应方程，计算出样品中纳米材料的含量；计算含量的相对标准偏差RSD，并以RSD的数值来表示纳米材料在高分子材料中的分散程。本发明利用测定纳米材料含量的标准偏差的方式，给出了纳米材料分散状态的定量评价标准。

Description

一种纳米材料分散性定量测定方法

技术领域

本发明涉及一种纳米材料分散性的定量测定方法，特别是一种高分子材料中的纳米材料分散性的定量测定方法。

背景技术

纳米技术的发展，为各领域新产品的研究提供了前所未有的新途径和新方法。但是，由于纳米材料的高表面能、高比表面积等特性，导致其具有严重的自我团聚或与其它物质团聚的倾向。因此，纳米材料的分散性和分散状态，严重影响其本身性能及其被添加体系性能。纳米材料分散性差的体系，其性能比采用微米材料的情况还差。因此，掌握纳米材料在体系中的分散程度(分散性)，就可以初步了解被添加体系相关性能的优劣程度。对橡胶、塑料等高分子材料而言，纳米材料的分散性直接影响这些材料的物理化学性能。对催化体系而言，纳米催化剂的分散性直接关系到催化效率的大小和产品的收率。因此，掌握应用体系(如高分子材料)中纳米材料的分散程度，有助于可靠地掌握体系的物理化学性能，预见体系可能表现出的优异性能和可能出现的不良现象。

在现有纳米材料分散性表征方法中，多针对单纯的纳米材料(如纳米粒子)的分散表征技术(如SEM、TEM、表面Zeta电势等)，以及通过测试添加纳米材料后体系性能改变的方式，来间接评价纳米材料在体系中可能的分散程度或分散状态。这些表征方法既不能预知纳米材料在添加或应用体系中的分散状态，也无法对已经添加的体系给出其中纳米材料的分散程度。此外，对于测试应用体系的性能的方式，由于不确定纳米材料对体系各种物理化学性能的影响程度(如纳米催化剂对体系的力学性能等也有很大的影响)，必须进行全面的或多种参数的性能测试，这势必增加测试的工作量，且影响测试的准确性和可靠性。事实上，参数测试的种类越多，由测试方法和仪器带来的误差也越多，并最终影响测试的准确性和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高分子材料中纳米材料含量的化学滴定的测定方法，另一目的在于提供一种高分子材料中纳米材料的分散性与分布情况的定量表示方法，本发明的进一步目的是提供一种纳米材料对高分子材料多种性能(撕裂强度、力学性能、疲劳性能等)影响情况的评价方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种纳米材料分散性定量测定方法，包括以下步骤：

第一步：针对被检测的高分子材料样品，任意选取10g±1g的样品并置于干燥器内，样品区域不少于3个，再对选取的样品分别称量

第二步：根据样品组成物质和纳米材料的性质，利用溶解、燃烧等物理化学反应，使样品中的纳米材料特征元素以离子形式存在于水或有机溶剂中；

第三步：根据纳米材料特征元素的化学性质，选择合适的化学滴定反应及其显色反应，对于有多个可供选择的滴定反应或显色反应，选择灵敏度较高、受杂质或高分子材料其它组分元素干扰较小的显色反应；

第四步：用移液管或容量瓶移取上述溶液，依据化学滴定的操作步骤，进行纳米材料特征元素的化学滴定，根据滴定使用的反应物的量及滴定的化学反应方程，计算出样品中纳米材料的含量；

第五步：根据各个样品中纳米材料的含量，计算含量的相对标准偏差RSD，并以RSD的数值来表示纳米材料在高分子材料中的分散程度，RSD越小，表明纳米材料在高分子材料体系中的分散性越好；反之，则表明高分子材料中的纳米材料分散性较差。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明可对高分子材料(如塑料、橡胶等)中纳米材料的含量及其分布情况进行定量表征，并也可对其它固体体系(如纸张、化纤等)中纳米材料的含量及其分布情况实现定量表征。目前任何的其他方法均只是对纳米材料的分散性给出定性说明，或只能通过简单的图片对比实现纳米材料分散状况的说明，无法给出定量的分散情况数据。本发明利用测定纳米材料含量的标准偏差的方式，给出了纳米材料分散状态的定量评价标准。

(2)利用该技术方法测试得到的纳米材料含量的标准偏差STD较小的样品(纳米材料分散性越好)，对应的橡胶的撕裂强度、疲劳性能(采用标准方法测定)较高。在机械能力学性能实验时，发现本方法测试纳米材料分散性较好(STD较小)的样品，对应的橡胶表现出更大的拉伸强度和延伸率，分别最大提高27.45％和18.75％。

(3)本发明测定结果不受运输条件(如运输对仪器的影响)、环境条件(如野外、生产现场)等限制，具有成本低(针对贵重仪器及其耗材)、精度高(RSD可小于0.5％)、定量准确等特点。

(4)本发明可对纳米材料对高分子材料各种性能(力学性能、撕裂强度、疲劳强度等)影响情况进行可靠评价。

具体实施方式

本发明纳米材料分散性定量测定方法，包括以下步骤：

第一步：针对被检测的高分子材料样品，任意选取10g±1g的样品并置于干燥器内2小时以上，样品区域不少于3个，再对所选取样品的分别称量精确到0.1mg；

第二步：根据样品组成物质和纳米材料的性质，利用溶解、燃烧等物理化学反应，使样品中的纳米材料特征元素以离子形式存在于水或有机溶剂中；

第三步：根据纳米材料特征元素的化学性质，选择合适的化学滴定反应及其显色反应，对于有多个可供选择的滴定反应或显色反应，选择灵敏度较高、受杂质或高分子材料其它组分元素干扰较小的显色反应；

第四步：用移液管或容量瓶移取上述溶液，依据化学滴定的操作步骤，进行纳米材料特征元素的化学滴定，根据滴定使用的反应物的量及滴定的化学反应方程，计算出样品中纳米材料的含量；

第五步：根据各个样品中纳米材料的含量，计算含量的相对标准偏差RSD，并以RSD的数值来表示纳米材料在高分子材料中的分散程度，RSD越小，表明纳米材料在高分子材料体系中的分散性越好；反之，则表明高分子材料中的纳米材料分散性较差。

本发明纳米材料分散性定量测定方法，所述高分子材料为橡胶、塑料、纸张或化纤等。纳米材料是尺度小于100nm、亚微米或微米材料。纳米材料是任何具有与高分子材料体系其它组分不同特征元素的各种物质：氧化物、盐或单质等。第四步中滴定前应使样品中的纳米材料特征元素完全以离子状态溶解于溶液中。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。在以下实施例中，用标准偏差(STD)注1衡量数据值偏离算术平均值的程度，即数据的分散度，这一数值越小，说明这些值偏离平均值就越少。采用相对标准偏差(RSD，％)注2衡量检测方法的精密度，RSD越小表示多次测定所得结果之间越接近，纳米材料的分散性就越好，分布就越均匀。一般要求RSD小于5％，当RSD小于2％时，认为测试方法的精密度就较高。对于纳米材料而言，认为RSD小于1％时，纳米材料在体系中的分散性就较好，纳米材料的功能作用就可以较充分地得到发挥，对体系的有关性能具有较好的促进作用。

注：1、标准偏差(STD)计算公式：

公式中x_i代表第i个样品的测试值(i＝1，2，3...n)；

代表n个测试结果的算术平均值；n为样品个数。

2、相对标准偏差(RSD，％)又称为变异系数(coefficient of variation)或离散系数(coefficient of dispersion)，是标准偏差与平均值之比，用百分数表示，计算公式为：

$\mathrm{RSD}=\frac{\mathrm{STD}}{\stackrel{\‾}{x}}\×100\%.$

实施例1

根据硫化胶常规的制备工艺和比例制备：混炼胶在XK-160型开炼机上制备。先将氯丁橡胶CR薄通，然后再与顺丁橡胶BR紧滚捏炼。加料顺序为：CR/BR——氧化镁——防老剂+促进剂——填料——炭黑——软化剂——粘合剂——芳烃油——氧化锌——薄通下片。混炼胶在LH-2型硫化仪测定正硫化时间，并依次在50吨平板硫化机上硫化。

采用15份(质量比8.1％)纳米TiO2作为纳米填料，并按照上述工艺流程制备得到硫化橡胶样品。

(1)TiO2滴定的准备工作

分解液：将350mL浓硫酸加到500mL烧杯中，置于电热板上加热至沸，立即加入200g硫酸铵，加热至硫酸铵全部溶解，然后自然冷却至室温，装入500mL广口瓶。

纳米二氧化钛标准液(100mg/L)：称取0.0250g纳米二氧化钛(生产批次和型号等与添加到橡胶体系中的相同)于50ml的烧杯中，加5ml的消解液在电炉消解，待溶液变为无色透明时取下冷却，转移至250ml容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度，混匀。

工作曲线的绘制：取5个50mL容量瓶，分别加入10mg/L纳米二氧化钛标准液0.0mL，1.00mL，2.00mL，3.00mL，5.00mL，其浓度即为0mg/L、0.2mg/L、0.4mg/L、0.6mg/L、1.0mg/L。分别向上述溶液中加入8.0mL盐酸(5+1)，2.0mL抗坏血酸，10.0mL二安替吡啉甲烷溶液，用蒸馏水稀释到刻度，摇匀，放置20min。移取部分系列标准溶液于3cm吸收池中，在分光光度计波长390nm处，以试剂空白为参比，测得吸光度，绘制工作曲线。通过线性回归，纳米二氧化钛浓度C与显色后的吸光度A满足：A＝0.5146C+0.0164，相关系数的平方R2＝0.9996。

(2)橡胶样品的处理与测试工作

首先，在橡胶样品的任意有代表性位置，分别取6个10g左右样品，置于干燥器内2h，准确称量(精确到0.1mg)并记录m。

第二，将准确称量的样品置于氧弹量热计中充分燃烧，然后用蒸馏水完整洗涤量热计氧弹内壁及坩埚等部件，将洗涤液收集于三角瓶中，然后转移到250ml容量瓶中定容。

第三，用移液管准确移取50mL含纳米二氧化钛水样(燃烧洗涤液)于100mL烧杯中在电热板上蒸干水分；再加5mL分解液，在电热板上加热分解；待溶液变成无色透明时，取下冷却。二氧化钛与分解液反应的化学方程式如下：

第四，含纳米二氧化钛水样(燃烧洗涤液)经分解处理后，加入8.0mL盐酸(5+1)，2.0mL抗坏血酸，10.0mL二安替吡啉甲烷(DAPM)溶液显色后，在390nm处测定吸光度。DAPM+TiOSO4→Ti2+[DAPM](黄色)+OSO42-

第五，根据纳米二氧化钛浓度与显色后的吸光度之间的线性关系(工作曲线)，计算得到纳米二氧化钛在燃烧洗涤液中的浓度(c，g/L)；再计算得到橡胶样品中纳米二氧化钛的质量百分含量W＝25c/m，％。

第六，重复第三至第五步2次，即对每个样品重复测定3次，以求其平均含量。

第七，重复第二至第六步，以测定其它5个样品中纳米二氧化钛的含量。

第八，根据测试的6个样品中二氧化钛的含量，计算橡胶样品中纳米二氧化钛含量的标准偏差STD和相对标准偏差RSD(结果见表1)。

表1

实施例2

将实施例1中填料由8.1％(15份)纳米TiO2调整为15％(30份)纳米TiO2；在样品处理与测试环节的第三步中，分解液的添加量由5mL增加至10ml，其它工艺和计算方法相同。测定橡胶样品中纳米TiO2含量及其标准偏差STD和相对标准偏差RSD，结果见表2。

表2

实施例3

将实施例1中填料由纳米TiO2调整为纳米SiO2(含量仍然为15份8.1％)，橡胶的其它制备工艺流程等相同。滴定与分析方法的步骤如下。

(1)SiO2滴定的准备工作

A、氟化钾溶液(150g/L)：将15g氟化钾(KF·2H2O)置于塑料杯中，加50mL水溶解，加入20mL硝酸，以水稀释至100mL，在搅拌下加氯化钾至饱和，放置30min，用快速滤纸过滤于塑料瓶中。

B、氯化钾-乙醇溶液(50g/L)：将5g氯化钾溶于50mL水中，加50mL95％的乙醇，混匀。

C、酚酞指示剂溶液(10g/L)：将1g酚酞溶于100mL 95％的乙醇中，用氢氧化钠溶液调至中性。

D、氢氧化钠标准溶液的配制和标定。将60g氢氧化钠溶于10L水中，充分混匀，配制成浓度约为0.15mol/L氢氧化钠标准溶液，贮存于带胶塞(装有钠石灰干燥管)的塑料桶中或硬质玻璃瓶内。然后标定该氢氧化钠标准溶液。称取约0.8g(精确至0.0001g)苯二钾酸氢钾于400mL烧杯中，加入约150mL新煮沸过的冷水(该冷水用氢氧化钠溶液中和至酚酞呈微红色)，使其溶解。然后加入6-7滴酚酞指示剂(10g/L)，以氢氧化钠溶液滴定至微红色。氢氧化钠标准溶液的摩尔浓度，按下式计算：

$c_{\mathrm{NaOH}}=\frac{1000\×m_s}{204.21\×V}$

氢氧化钠标准溶液对二氧化硅的滴定度(T)，按下式计算：

$T_{{\mathrm{SiO}}_2}=15.02\×c_{\mathrm{NaOH}}$

上述两式中：m5——苯二钾酸氢钾的质量，g；

V——滴定时消耗氢氧化钠标准溶液的体积，mL；

TSiO2——1mL氢氧化钠标准溶液相当于二氧化硅的质量，mg/mL；

其值按GB/T8170修约至小数点后四位数。

(2)橡胶样品的处理与测试工作

首先，在橡胶样品的任意有代表性位置，分别取6个10g左右样品，置于干燥器内2h，准确称量(精确到0.1mg)并记录m。将试样于银坩埚中，加数滴无水乙醇，5g氢氧化钠，盖上锅盖(应留有较大空隙)，放入高温炉中，从低温升起在700℃-750℃分解、熔融1h(中间取出坩埚摇动一次)，取出冷却。

第二步，将坩埚及盖放入盛有150mL热水的烧杯中，待熔融物完全溶解，立即取出坩埚及盖并用热水冲洗。在搅拌下，一次加入20mL盐酸(ρ＝1.19g/mL)、1mL硝酸(ρ＝1.42g/mL)，将坩埚及盖用盐酸(1+5)洗净，洗液合并于烧杯中。将烧杯置电炉上加热至微沸并保持5-10min。取下，待溶液冷至室温后，移入250mL容量瓶中，用水稀释至标线，混匀。此为试样溶液。

第三步，分取25.00mL试样溶液于300mL塑料烧杯中，加入10-15mL硝酸(ρ＝1.42g/mL)，置塑料杯于冷水中冷却；加10mL氟化钾溶液(150g/L)，于塑料棒搅拌下，加入氯化钾至饱和，置冷水中冷却并放置20min。用中速定量滤纸过滤，以氯化钾溶液(50g/L)洗涤塑料杯与沉淀3次。将沉淀连同滤纸一起置于原塑料杯中，沿杯壁加入10mL氯化钾-乙醇溶液(50g/L)及10滴酚酞指示剂溶液(10g/L)，用氢氧化钠标准溶液(0.15mol/L)中和未洗尽的酸，仔细搅动滤纸并随之擦洗杯壁，直至溶液呈红色不消失为止。然后加入200mL沸水(已用氢氧化钠标准溶液中和至酚酞呈微红色)，以氢氧化钠标准溶液(0.15mol/L)滴定至微红色。

第四步，结果计算。二氧化硅的含量以质量分数W计，数值以％表示，按下式计算：

$W=\frac{T_{{\mathrm{SiO}}_2}\×V\×n}{1000\×m}\×100$

式中：TSiO2-1mL氢氧化钠标准溶液相当于二氧化硅的质量，mg/mL；

V-滴定时消耗氢氧化钠标准溶液的体积，mL；

n-试样溶液的总体积(250ml)与所分取试样溶液的体积(25ml)之比；

m-试样的质量，g。

第五步，重复第三和第四步2次，即对每个样品平行测定3次，并求其平均含量。第六，重复第二至第五步，以测定其它5个样品中纳米二氧化硅的含量。第七，根据测试的6个样品中二氧化硅的含量，计算橡胶样品中纳米二氧化硅含量的标准偏差STD和相对标准偏差RSD(结果见表3)。

表3

实施例4

将实施例3中填料由8.1％(15份)纳米SiO2调整为12.8％(25份)纳米SiO2；将橡胶样品的处理与测试环节的第一步中，5g氢氧化钠调整为8g；将第二步中的“20mL盐酸(ρ＝1.19g/mL)、1mL硝酸(ρ＝1.42g/mL)”调整为“30mL盐酸(ρ＝1.19g/mL)、1.5mL硝酸(ρ＝1.42g/mL)”；将第三步中的“10-15mL硝酸(ρ＝1.42g/mL)、10mL氟化钾溶液(150g/L)”分别调整为“15-20mL硝酸(ρ＝1.42g/mL)、15mL氟化钾溶液(150g/L)”。其它工艺和计算方法相同。测定橡胶样品中纳米SiO2含量及其标准偏差STD和相对标准偏差RSD，结果见表4。

表4

实施例5

将实施例1中橡胶的混炼时间分别设定为5min、15min、25min和35min，对应样品编号为A、B、C和D。依据实施例1中的测定方法，测定橡胶样品中纳米TiO2含量及其标准偏差STD和相对标准偏差RSD，结果见表5。

拉伸性能实验按GB/T528-98标准在LJ-5000A型电子拉力实验机上进行。撕裂强度按GB/T529-99标准测定。疲劳试验按GB/T13934-92标准在PL-140疲劳试验机上进行。其中，表中扯断伸长率、扯断强度、撕裂强度和屈挠次数均为三次测试的平均值。

表5

可以看到，随着橡胶样品混炼时间的延长，纳米填料在橡胶体系中混合、分散均匀性提高，其含量的相对标准偏差逐渐减小，橡胶的各种性能都不同程度地得到了提高。当样品混炼时间为25min时，RSD值小于1％，样品的各种性能都比较优异，这比常规粒度的填料混炼时间(15min)略长。同时，当继续延长混炼时间(到35min)时，样品的各种性能虽然有提高，但改善幅度明显减小。因此，从能耗、效率及产品性能等方面综合考虑，可以建议采用30min的混炼时间。

Claims (6)

1.一种纳米材料分散性定量测定方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：针对被检测的高分子材料样品，任意选取10g±1g的样品并置于干燥器内，样品区域不少于3个，再对选取的样品分别称量；

第二步：根据样品组成物质和纳米材料的性质，利用溶解、燃烧等物理化学反应，使样品中的纳米材料特征元素以离子形式存在于水或有机溶剂中；

第三步：根据纳米材料特征元素的化学性质，选择合适的化学滴定反应及其显色反应，对于有多个可供选择的滴定反应或显色反应，选择灵敏度较高、受杂质或高分子材料其它组分元素干扰较小的显色反应；

第四步：用移液管或容量瓶移取上述溶液，依据化学滴定的操作步骤，进行纳米材料特征元素的化学滴定，根据滴定使用的反应物的量及滴定的化学反应方程，计算出样品中纳米材料的含量；

第五步：根据各个样品中纳米材料的含量，计算含量的相对标准偏差RSD，并以RSD的数值来表示纳米材料在高分子材料中的分散程度，RSD越小，表明纳米材料在高分子材料体系中的分散性越好；反之，则表明高分子材料中的纳米材料分散性较差。

2.根据权利要求1所述的纳米材料分散性定量测定方法，其特征在于：第一步中选取的样品区域置于干燥器内的时间大于2小时，对所选取样品的分别称量精确到0.1mg。

3.根据权利要求1所述的纳米材料分散性定量测定方法，其特征在于：所述高分子材料为橡胶、塑料、纸张或化纤等。

4.根据权利要求1所述的纳米材料分散性表征方法，其特征在于：所述纳米材料是尺度小于100nm、亚微米或微米材料。

5.根据权利要求1所述的纳米材料分散性表征方法，其特征在于：所述纳米材料是任何具有与高分子材料体系其它组分不同特征元素的各种物质：氧化物、盐或单质。

6.根据权利要求1所述的纳米材料分散性表征方法，其特征在于：第四步中滴定前应使样品中的纳米材料特征元素完全以离子状态溶解于溶液中。