[发明专利]聚苯乙烯/钛酸钡复合微球

说明书

技术领域    本发明涉及一种功能纳米复合材料，特别涉及聚苯乙烯/钛酸钡核壳型复合微球及其制备方法。

背景技术    随着材料制备技术的发展，人们对材料的需求越来越高，多种功能材料的复合、组装与杂化，实现材料之间的性能互补和优化已成为现代材料发展的必然趋势。有机-无机复合材料是集无机相的刚性、尺寸稳定性及热稳定性和有机相的韧性、加工性及纳米粒子的诸多特性于一体的一类新型材料，实现了有机高分子和无机材料的复合，表现出单一有机高分子材料或无机材料所不具备的优越性能。在众多形式的复合材料中，核壳材料因其组成、大小和结构排列的不同而具有光、电和化学等特性，近年来倍受科学家的关注。包覆在粒子外部的壳可以改变粒子表面电荷、赋予粒子功能性、增强表面反应活性、提高粒子稳定性并防止核与外部介质发生物理或化学作用等。目前有关核壳材料的研究大都集中在以无机物为核，有机物为壳的复合材料方面，对于有机物为核，无机物为壳的研究报道甚少。以聚苯乙烯为核，钛酸钡为壳的复合材料的制备研究目前还未见报道。本发明通过乳液聚合，通过苯乙烯单体、表面活性剂、溶剂、引发剂、反应时间和反应温度的选择，制备出粒径约为550nm的聚苯乙烯微球；对于壳层钛酸钡则采用水热合成法制备，并由小粒径的钛酸钡聚集而成。聚苯乙烯/钛酸钡核壳型复合微球是以聚苯乙烯为核，钛酸钡生长在核表面而形成的一种有机/无机核壳结构。

发明内容    本发明将乳液聚合法和水热合成法相结合，通过选择和控制表面活性剂、反应溶剂、反应时间和反应温度等，制备出粒径为650nm、壳层厚度为100nm左右的聚苯乙烯/钛酸钡核壳型复合微球。制备反应操作简单，条件易控，制备温度低，获得的材料结构新颖。本发明具体内容如下(制备方案图参见图1)：

(1)将十二烷基苯磺酸钠溶解到无水乙醇和水以体积比为3∶7混合的溶剂中，得到0.006mol·dm^-3的十二烷基苯磺酸钠溶液，80℃条件下加入苯乙烯单体，搅拌1h，加入0.055mol·dm^-3的过硫酸钾溶液，反应10h，60℃干燥处理，即得到白色聚苯乙烯；其中十二烷基苯磺酸钠和苯乙烯单体以及过硫酸钾的物质的量之比为1∶306∶0.96；

(2)在无水乙醇中加入(1)得到的聚苯乙烯，超声分散30min，加入硅烷偶联剂KH570(聚苯乙烯与硅烷偶联剂KH570的质量比为5∶1)，在室温下反应3h，经抽虑、洗涤、干燥处理，得到改性的聚苯乙烯；

(3)将0.096mol·dm^-3氢氧化钡水溶液加入到等体积的0.094mol·dm^-3钛酸四丁酯乙醇溶液中，搅拌1h，得到无色透明溶液(Ba元素与Ti元素的物质的量比为1.02∶1)；

(4)将(2)得到的改性聚苯乙烯球核分散于无水乙醇中，并将所得的悬浊液逐滴加入到(3)所制备的溶液中，搅拌，得到均匀的混合流体；

(5)将(4)所得的流体盛入高压反应釜中，在100℃下反应20h，冷却后经2.0mol·dm^-3的甲酸溶液和水交替洗涤5次，再用水洗涤至中性，60℃干燥处理10h，得到聚苯乙烯/钛酸钡复合微球。

附图说明

图1制备聚苯乙烯/钛酸钡复合微球的制备流程图。

图2实施事例产品的TEM图。

图3实施事例产品的X射线衍射谱图。

具体实施方式    本发明的具体实施过程和方式由以下实施事例并附图详细说明。

将0.2g的十二烷基苯磺酸钠加入到30mL无水乙醇和70mL二次水的混合溶剂中，搅拌至完全溶解，80℃水浴条件下加入苯乙烯单体18.18g，搅拌1h，加入10mL0.015g/mL的过硫酸钾溶液，反应10h，产物为乳白色溶液，洗涤干燥处理后就得到纯净的聚苯乙烯颗粒；将1.0g的聚苯乙烯分散到60mL的无水乙醇中，超声分散30min，加入0.2g硅烷偶联剂KH570，反应3h，得到改性的聚苯乙烯。

称取0.4480g Ba(OH)₂·8H₂O溶解到15mL的二次水中，将0.48mL钛酸四丁酯溶解到15mL的无水乙醇中，将氢氧化钡的水溶液加入到钛酸四丁酯的乙醇溶液中，充分搅拌1h；称取0.6g的改性聚苯乙烯，加入30mL的无水乙醇，超声分散处理30min后逐滴加入到上面的溶液中，搅拌30min后装入反应釜中，100℃下反应20h，冷却后经2.0mol·dm^-3甲酸稀溶液甲酸溶液和水交替洗涤5次，再用水洗涤至中性，60℃干燥处理10h，得到聚苯乙烯/钛酸钡复合材料。经过TEM及XRD检测分析(分别如图2和图3)，表明为聚苯乙烯/钛酸钡复合材料为核壳结构，粒径大小约为650nm、壳层厚度为100nm左右的复合微球，壳层钛酸钡为立方相晶体。