CN109369920B - 具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子的制备 - Google Patents
具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子的制备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种具有凹陷结构的聚苯乙烯‑SiO2核壳纳米复合粒子的制备方法,其特征在于,包括:步骤一:在硅溶胶的存在下,在甲醇中进行苯乙烯的分散聚合而制备得到聚苯乙烯‑SiO2核壳纳米复合粒子;步骤二:将所述的聚苯乙烯‑SiO2核壳纳米复合粒子、甲醇和水的混合溶剂以及癸烷加入到反应容器中,在密封状态下加热搅拌12‑36h,随后冷却而得到具有凹陷结构的聚苯乙烯‑SiO2核壳复合粒子。本发明所提供的具有凹陷结构的聚苯乙烯‑SiO2核壳复合粒子的制备方法操作简单,能进一步丰富聚苯乙烯‑SiO2核壳复合粒子的形态。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子的制备方法。
背景技术
胶体粒子的外观形状对胶体材料的物理和化学性能非常重要。凹陷状胶体粒子是一类特殊的形状各向异性粒子。近年来,这种胶体粒子得到较多研究,这不仅是因其形状类似于日常生活中常见的苹果、樱桃和碗等,而且是因其特殊形状而在胶体结晶、自组装、生物医药等领域有着广泛的应用前景。
就聚合物粒子而言,由于表面张力的存在,通常情况下其倾向于形成球形以使整个体系的界面自由能最小化,因此制备形状可控的非球形聚合物粒子相对困难。目前,凹陷状聚合物粒子的制备方法主要有种子乳液聚合、种子分散聚合、乳液聚合、无皂乳液聚合、溶剂蒸发法等。例如,大久保政芳等报道了使用癸烷 (聚合物的不良溶剂)蒸发法来制备凹陷状聚合物粒子(Langmuir 2010,26, 3848–3853)。在该方法中,先对分散在甲醇/水(40/60~80/20,w/w)介质中的聚苯乙烯(PS)粒子进行加热(55-70℃,高于PS胶体粒子的玻璃化转变温度)使其吸附癸烷,随后冷却到室温,癸烷挥发后即得到微米级的、单分散的酒窝状或半球形PS 粒子。在加热过程中,癸烷被PS粒子所吸附;在冷却过程中,吸附了癸烷的PS粒子相分离成PS和癸烷;最终,通过蒸发从PS/癸烷粒子中除去癸烷,形成了酒窝状和/或半球状粒子。
另一方面,从1990年代以来,由于结合了聚合物和无机物的优点,聚合物 -SiO2纳米复合粒子作为一种最常见的聚合物-无机复合粒子,得到了学术界和工业界非常广泛的研究。有机聚合物和SiO2纳米粒子以适当的方式相结合而形成胶体复合粒子能显著改变聚合物的化学、力学、光学、流变学和表面性能等。例如,以SiO2包覆聚合物而形成的核壳结构的聚合物-SiO2纳米复合粒子可以赋予聚合物亲水性、生物相容性和进一步改性的能力,同时还能提高聚合物的化学稳定性和热稳定性。考虑到凹陷状粒子因其特殊形状所具有的性质,凹陷状聚合物-SiO2纳米复合粒子有望进一步拓展聚合物-SiO2复合粒子的应用领域,特别是经组装而形成具有复杂结构的新型胶体材料。
聚合物-SiO2纳米复合粒子的制备方法主要包括溶胶凝胶法(SiO2在聚合物粒子存在下经溶胶凝胶原位生成)、原位非均相聚合法(单体在SiO2纳米粒子存在下通过乳液聚合、无皂乳液聚合、细乳液聚合、分散聚合等方法生成聚合物)、物理吸附法(SiO2粒子和聚合物粒子在水相中直接共混)等。例如,英国谢菲尔德大学Armes等报道了在醇介质(甲醇或异丙醇)中以13或22nm的SiO2醇溶胶作为唯一的稳定剂、阳离子的偶氮二异丁基脒盐酸盐作为引发剂,通过分散聚合而制备亚微米级的核壳结构的PS-SiO2纳米复合粒子。得到的纳米复合粒子具有较狭窄的粒子尺寸分布(Chem.Mater.2007,19,2435–2445)。
从内在形貌上来讲,目前通过各种方法制备的聚合物-SiO2纳米复合粒子主要呈核壳结构(包括聚合物核-SiO2壳、SiO2核-聚合物壳)、树莓状、黑醋栗-面包状、哑铃状、雪人状等。从外观形状上来讲,这些复合粒子基本上呈现出球形或者凸起状的非球形,而具有凹陷状的聚合物-SiO2核壳纳米复合粒子目前很少报道。目前仅有的个别文献采用了溶胶凝胶法,即在制备了凹陷状的聚合物粒子后,再使用溶胶凝胶法使这些粒子被SiO2包覆而得到聚合物-SiO2核壳复合粒子 (Langmuir2016,32,10668–10677)。包覆后聚合物粒子原有的凹陷形貌能够在一定程度上得到保持。该方法的主要的劣势在于步骤较繁琐:需要先将聚合物粒子转移到醇介质进行溶胶凝胶包覆,然后进行离心提纯;此外溶胶凝胶法难以用于大量制备。
因此,如何简便地大量制备具有凹陷结构的聚苯乙烯-二氧化硅核壳复合粒子是本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳复合粒子的制备方法,以解决上述问题。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案如下:
一种具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子的制备方法,其特征在于,包括:
步骤一:在硅溶胶的存在下,在甲醇中进行苯乙烯的分散聚合制备得到聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子;
步骤二:将所述的聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子、甲醇和水的混合溶剂以及癸烷加入到反应容器中,在密封状态下加热搅拌12-36h,随后冷却而得到具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳复合粒子。
优选地,在所述步骤二中,所述聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子的加入量为每10g混合溶剂中加入0.2-0.3g,所述癸烷的加入量为每10g混合溶剂中加入1 g。
更优选地,所述的聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子的加入量为每10g混合溶剂中加入0.25g。
优选地,所述的步骤二中,每10g混合溶剂中甲醇占1~2g。
优选地,所述的步骤二中,加热到温度为60~67.2℃。
优选地,所述步骤二中,搅拌速度为200~600rpm。
优选地,所述的步骤一中,硅溶胶为商业化的SiO2甲醇溶胶。
优选地,所述的步骤一中,硅溶胶和苯乙烯的重量比为1:1.14。
优选地,所述的步骤一中,得到的聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子的粒径为431nm(马尔文光散射仪所测得的强度均粒径)。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明的特点为:(1)分散聚合在醇溶剂中进行,该步骤无需对SiO2溶胶进行表面改性也不需要加入表面活性剂;(2)经分散聚合制备的聚合物其分子量分布较宽,其中的低分子量部分有利于溶胀,因而适宜用于随后的癸烷蒸发;(3)纳米复合粒子的制备在甲醇中进行,而随后的溶剂蒸发在甲醇/水介质中进行,因而溶剂交换操作简单;(4)所使用的硅溶胶粒子尺寸较小,并具有一定憎水性,电荷密度较低,因而粒子之间的斥力较小,从而使得粒子间堆积效率较高。因此,本发明的有益效果是:制备方法操作简单,壳层薄,凹陷粒子的比例高、可大量制备。本发明所制备的具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子有望经组装而形成具有复杂结构的新型胶体材料。
附图说明
图1、图2分别为实施例1步骤一所制得的近球形的聚苯乙烯-SiO2核壳复合粒子的扫描电镜照片和透射电镜照片。
图3、图4分别为实施例1步骤二所制得的具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳复合粒子的扫描电镜照片和透射电镜照片。
图5、图6分别为实施例2步骤二所制得的具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳复合粒子的扫描电镜照片和透射电镜照片。
图7、图8分别为实施例3步骤二所制得的具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳复合粒子的扫描电镜照片和透射电镜照片。
图9、图10分别为实施例4步骤二所制得的具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳复合粒子的扫描电镜照片和透射电镜照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明各实施例中所用的SiO2硅溶胶为日本日产化学工业株式会社所生产(型号MA-ST,22nm,分散于甲醇,30wt%)。
实施例1
一种具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子的制备方法,具体步骤为:
步骤一:在硅溶胶的存在下,在甲醇中进行苯乙烯的分散聚合而制备得到聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子,具体步骤为:将2.5mL苯乙烯,6.67g SiO2醇溶胶和17mL甲醇加入到放置有冷凝管和磁力搅拌子的250ml三口圆底烧瓶,通氮气30分钟,然后继续通氮气并油浴加热到60℃。注射加入23mg偶氮二异丁基脒盐酸盐在2mL甲醇中的溶液而引发聚合。60℃搅拌下反应继续进行24小时。停止反应后,对反应产物进行八次离心洗涤(离心速度3000rpm,每次30分钟),每次离心后用甲醇取代上层清液。最终得到近球形的、粒径为431nm的聚苯乙烯 -SiO2核壳纳米复合粒子(聚苯乙烯为核、SiO2为壳)在甲醇中的分散物(固含量12.63wt%)。下文中提到的聚苯乙烯-SiO2核壳复合粒子在甲醇中的分散物均为此步骤所制备。
步骤二:具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳复合粒子通过在密闭体系中、癸烷存在下、加热聚苯乙烯-SiO2核壳复合粒子在甲醇/水混合溶剂中的分散物而制备,具体步骤为:将1.98g上述聚苯乙烯-SiO2核壳复合粒子在甲醇中的分散物(含有0.25g聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子),10g甲醇/水混合溶剂(包含1g甲醇和 9g水)和1g癸烷加入到放置有冷凝管和磁力搅拌子的25ml两口圆底烧瓶中。在密封状态下以400rpm速度在67.2℃下搅拌24小时。停止加热并使混合物冷却到室温后,得到具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳复合粒子,用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察复合粒子的表面形貌。透射电子显微镜观察到凹陷粒子的比例接近100%。
实施例2:参照实施例一中步骤二的操作,以600rpm的速度加热搅拌。其它保持不变。用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察复合粒子的表面形貌。透射电子显微镜观察到凹陷粒子的比例接近100%。
实施例3:参照实施例一中步骤二的操作,以65℃的温度加热搅拌。其它保持不变。用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察复合粒子的表面形貌。透射电子显微镜观察到凹陷粒子的比例约80%。
实施例4:参照实施例一中步骤二的操作,使用包含2g甲醇和8g水的混合溶剂,其它保持不变。用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察复合粒子的表面形貌。透射电子显微镜观察到凹陷粒子的比例约70%。
本发明的上述实施例是对本发明的说明而不能限制本发明,在本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何变化,都应认为是包含在权利要求书的范围内。
Claims (5)
1.一种具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子的制备方法,其特征在于,包括:
步骤一:在硅溶胶的存在下,在甲醇中进行苯乙烯的分散聚合而制备得到聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子;硅溶胶和苯乙烯的重量比为1:1.14;
步骤二:将所述的聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子、甲醇和水的混合溶剂以及癸烷加入到反应容器中,在密封状态下加热搅拌12-36h,随后冷却而得到具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳复合粒子;所述聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子的加入量为每10g混合溶剂中加入0.2-0.3g,所述癸烷的加入量为每10g混合溶剂中加入1g;每10g混合溶剂中甲醇占1~2g。
2.如权利要求1所述的具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子的制备方法,其特征在于,所述的步骤二中,加热到温度为60~67.2℃。
3.如权利要求1所述的具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子的制备方法,其特征在于,所述步骤二中,搅拌速度为200~600rpm。
4.如权利要求1所述的具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子的制备方法,其特征在于,所述的步骤一中,硅溶胶为SiO2甲醇溶胶。
5.如权利要求1所述的具有凹陷结构的聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子的制备方法,其特征在于,所述的步骤一中,得到的聚苯乙烯-SiO2核壳纳米复合粒子的粒径为431nm。
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