乳液聚合法制备POSS-PS纳米复合材料

1、乳液聚合法制备 POSS/PS纳米复合材料 王翔,董丽杰,刘景涛,刘利萍,熊传溪武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉 430070关键词 :多面体低聚倍半硅氧烷 , 聚苯乙烯 , 乳液聚合 , 纳米复合材料近年来,聚合物基纳米复合材料的研究引起了人们的极大兴趣 1,2。多面体 低聚倍半硅氧烷 (POSS 3是一类具有笼状结构的新型有机 -无机纳米杂化材料, 无机框架由 Si-O-Si 或 Si-O 键组成, 硅上可带有多种反应性或非反应性的有机取 代基团, 如羟 基 、 烷氧基 、 乙烯基 、环 氧烷 、酯 基 、 烷基 、环 烷基或 降冰片 基。 POSS 由 于 具有 特殊 的结构,可 以

2、通过共混、共 聚 以及接枝等方法 引 入到 聚合物 基体 中 ,大大 地改善 了聚合物的性 能 , 如提高使用温度 , 降 低 介电常数 , 增强阻 燃 性 能 。 然而 , 人们 目前 研究 较 多的是引 入单官能 团 POSS 而形 成的 线形 或 支链 形 聚合物体 系 48, 对 引 入 多 官能 团 POSS 而形 成的具有 网络 结构的聚合物体 系 研究 地较少 9。我 们 以八 乙烯基倍半硅氧烷 和 苯乙烯 为单 体, 过硫酸钾 (KPS为 引 发剂 , 十 二 烷基 磺酸钠 (SDS为 乳 化 剂 , 采用 乳液聚 合 方法制备 了具有 网络 结构的 POSS/PS纳米复合材料

3、 (如图 1 , 通过 XRD 、 FT-IR 、 DSL 、 SEM 等测试手段对 复合材料的结构 和形态进行 了 表征 , 并采用 DSC 研究了 POSS 含量对 复合材料 的 热 性 能 的 影响 。 O O SiO +KPS 、 SDS 80 , 6h= O O O O=CH 2nFigure 1. Formation of POSS/PS nanocomposites via emulsion polymerization 通过对 POSS 、 PS 及含 有 0.6wt%、 1wt%、 3wt%POSS的复合材料的 X 射线 衍射谱图分 析 , 可 以发 现 , POSS 分 子

4、 高度 结 晶 , 在 2=9.7°处 有一 个 非 常 尖锐 的 衍射 峰 。 PS 及 其 复合材料 在 2=19.2°处出现 一 宽峰 , 这 一 宽峰 为 聚苯乙烯的无定 形衍射 峰 。 随着 POSS 含量 的 增 加 , 复合材料的 谱线 基 本 上是 和 纯 聚苯乙烯的 谱线 一 致 的, 这说明 POSS 与苯乙烯 共 聚 而分 子级 分 散 于 聚苯乙烯基体 中 。 为 了 进 一 步证实 复合材料 中 POSS 的 存在 , 我 们 对 POSS 、 PS 及 POSS/PS纳米复合材料的 红外光 谱图进行 了 分 析 。与 PS 相比 , POSS/P

5、S纳米复合材料 在 1120cm -1处出现 了 吸收峰 , 这 是 POSS 分 子 中 的 Si-O-Si 键的 伸缩振动峰 , 证明 了 POSS 已 接枝到 聚苯乙烯 分 子 链中 。 Figure 2. Particle size distribution of POSS/PS nanocomposites图 2是复合 粒子 的 粒径 分 布 图 。 由 此 可 见 , 复合 粒子 单分 散 性 好 (PDI=0.070, 粒径 分 布均匀 , 主要 分 布在 30nm 80nm 之间 , 平均粒径 为 53.2nm 。 Figure 3. SEM image of POSS/PS

6、nanocomposites图 3是复合 粒子 的 扫描 电 镜照 片 。 复合 粒子呈均匀 、 光滑 的 球 形 , 粒子 的大 小约 50nm 。 Figure 4. DSC curves of PS and POSS/PS nanocomposites图 4为 POSS/PS复合材料 在不同 POSS 用量 下 的 DSC 曲 线 。由 此 可 知 , 用 同样 方法制备 的 纯 聚苯乙烯的 玻璃 化 转变 温度为 82.5 。 当 POSS 加 入 后 , 复合 材料的 玻璃 化 转变 温度 显著 提高 , 达 到 了 98.3 (此时 POSS 含量为 3%。 这 是 由 于 POS

7、S 因其 特殊 的结构, 有 着相当 大的体 积 , 通过共 价 键与聚合物 形 成 网络 结构 后 , 抑 制 了 分 子 链 的 运动 , 使 复合材料的 玻璃 化 转变 温度 有了 明显 的 提高 。 此外 , 随着 POSS 含量 的 增 加 , 玻璃 化 转变 温度 也逐步 提高 。 这 是 因 为 POSS 分 子在 网络 结构 中 起 着交联点 的 作 用 , 当 POSS 含量 逐渐 增 加 , 交联点也 增 多, 使 Tg 升 高 。我 们 采用 乳液聚合 方法制备 了 粒径均 一 、形态 规则 、 性 能 优 异 的 POSS/PS纳米复合材料。 POSS 分 子 的引 入

8、 显著 提高 了复合材料的 玻璃 化 转变 温度 , 改善 了复合材料的 热 性 能 , 并 且 随着 POSS 含量 的 增 加 , Tg 逐渐 提高 。参考文献 :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

9、 D. Lichtenhan, Yoshiko A. Otonari, Michael J. Carr., Macromolecules, 1995, 28 (24: 84355 Timothy S. Haddad, Joseph D., Macromolecules, 1996, 29 (22: 73026 H.G . Jeon, P. T. Mather, T. S. Haddad., Polym. Int., 2000, 49(5: 4537 Chyi-Ming Leu, Yao-Te Chang, Kung-Hwa Wei, Chem. Mater., 2003, 15 (19:372

10、18 Bruce X. 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 Tech

11、nology, Wuhan 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 n

12、anocomposites 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 tran