二氧化钛纳米粒子表面修饰及其在乙二醇中的分散性

二氧化钛纳米粒子表面修饰及其在乙二醇中的分散性

纳米二氧化钛是目前研究最多的纳米有机材料之一。它具有净化、消毒效果快、杀菌能力强、同时具有防疲、消毒、表面亲水、紫外吸收、体表红斑等多种功能。但是,当纳米二氧化钛微粉加入到聚合物中时,由于聚合物是电的不良导体,在加工过程中,二氧化钛微粉表面电荷产生富集,使邻近粒子间形成范德华静电引力,在这种静电力的作用下粒子相互靠在一起,从而使总表面积和表面超额自由能降低,形成团聚体,纳米材料的分散性直接影响其特殊性能的表现,同时也决定其使用和加工性能。作者选用钛酸酯类偶联剂成功地对纳米二氧化钛进行了表面处理,并对处理效果进行表征,研究其在聚酰胺基体中的分散情况。1偶联剂及溶剂1.1原料PA6切片:国产,Tm为225.84℃。纳米二氧化钛:平均粒径0.05μm;偶联剂:乳酸钛盐1#,钛酸酯2#,钛酸酯3#,硅烷4#,钛酸酯5#;溶剂:无水乙醇:分析纯(AP);乙二醇:密度1.1135g/cm3,分析纯(AP)。1.2表面处理效果1.2.1纳米二氧化钛偶联剂表面处理在三颈烧瓶中分别加入10g粉体和80mL浓度分别为0,3%,5%,8%,10%偶联剂1#~5#的乙醇溶液,振荡使之充分润湿。搅拌回流。将处理好的试样烘干研细。1.2.2聚酰胺/二氧化钛共混物的制备选取表面处理效果显著的粉体添加到聚酰胺中,在DACAMicroCompounder小型双螺杆共混仪中共混。粉体相对聚合物质量添加量3%。1.2.3纳米二氧化钛在乙二醇中的沉降速率经高速离心二氧化钛/乙二醇体系在7520型紫外/可见光分光光度计中测定不同时间点(t)的吸光度(LAR),作出t-LAR曲线,相对比较不同表面处理方法所得产物在分散介质(乙二醇)中的分散性能。1.2.4纳米二氧化钛在乙二醇中的分散形态在光学显微镜下,用40倍物镜观察其分散状态并用数码相机拍照。1.2.5聚酰胺/纳米二氧化钛复合体系断面形貌将共混得到的聚酰胺/纳米二氧化钛复合体系在液氮中拗断,断面喷金,在JSM-5600LV型扫描电子显微镜下进行观察并拍照。2偶联剂的选择2.1纳米二氧化钛粉体在乙二醇中的分散性能通过测定不同时间点(t)二氧化钛/乙二醇体系的吸光度,作出离心t-LAR曲线,如图1所示。测定纳米二氧化钛在乙二醇介质中的沉降速率,沉降速率越小,表明其分散性能越好。从图1可以看出,1#,2#,3#,5#偶联剂处理量为3%时,处理后的二氧化钛粉体在乙二醇中的沉降速率相对较小,对表面改性效果最有利,在分散介质中的分散性能最佳。4#偶联剂是硅烷偶联剂,随着处理量的加大,二氧化钛粉体在乙二醇中的沉降速率下降,8%处理量处理二氧化钛粉体后,沉降平衡出现的时间点显著后移,到30min时曲线斜率还比较大,沉降尚未结束。因此,对于4#偶联剂,应该选择比较大的处理量(8%),才能达到比较理想的处理效果。横向比较1#~5#偶联剂各自最佳处理量3%,3%,3%,8%,3%对二氧化钛粉体的处理效果,所对应的离心时间与吸光度的曲线均比较吻合,偶联剂之间的差异不大。这说明,在合适的处理量下,选择1#~5#偶联剂均能达到降低二氧化钛粉体在乙二醇中的沉降速率的目的,从而提高二氧化钛粉体在乙二醇中的分散性。2.2偶联剂处理的分散形态光学显微镜照片粉体在分散介质中的分散形态直接影响粉体功能性的表现和制品的加工、使用性能。所谓“分散形态”,主要指粉体粒子在分散介质中的分布状态、粒径分布、聚集颗粒形态等。有利于加工使用和功能性表现的分散形态应该是:粒子在分散介质中分布均匀,粒径分布窄,平均粒径小,聚集颗粒少而且“松散”。图2是不同偶联剂处理后的二氧化钛在乙二醇中的分散形态光学显微镜照片。从图2可以看出:4#偶联剂(处理量8%)处理二氧化钛粉体时(图2b),聚集颗粒(次级粒子)比较多,其中初级粒子之间结合紧密,同时在显微镜的视野里面存在多处粒子分布的“空白区”;1#偶联剂(处理量3%)处理二氧化钛粉体时(图2a),视野里有少数的区域粒子浓度较低。因此,1#偶联剂处理效果较好,而4#偶联剂处理效果欠佳。2.3纳米二氧化钛粉体不同偶联剂处理的二氧化钛与聚酰胺的共混物的扫描电子显微镜(SEM)照片如图3所示。从图3可以看出,未处理的二氧化钛粉体在聚酰胺基体中存在较多的团聚体,基本上看不到原始尺寸的纳米级二氧化钛颗粒且分布不均;图3(b)显示二氧化钛粉体在聚酰胺中的分散有所改善,但还存在一定程度的团聚体,经分析,其平均粒径为305.1nm;而图3(c),(d)显示二氧化钛粉体在聚酰胺中的粒径都比较均一,粒子在整个视野中分布比较均匀,测得其平均粒径分别为65.19nm和95.55nm。但是,对于4#偶联剂处理的二氧化钛粉体(图3d)与聚酰胺共混后的试样,断面有许多“小坑”,这是制样过程中粒子从断面分离的结果。这说明,粒子与聚酰胺基体之间的界面结合力比较小