[发明专利]一种粉末状聚苯乙烯气凝胶及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于气凝胶材料技术领域，特别涉及一种粉末状聚苯乙烯气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

有机气凝胶是一类具有三维纳米网络结构的新材料，其网络结构由大量的纳米颗粒网络单元在各个空间方向上相互交联堆叠而成，集成了高比表面积，大孔容，各纳米孔道相互连通等结构优点，在吸附、分离、能源、催化和环境等领域拥有广泛的应用前景。然而目前的有机气凝胶的纳米颗粒网络单元的设计理念都是基于溶胶化反应，本质上是有机小分子单体的缩聚反应或者大分子链的无规交联反应。对于生长中的每一个溶胶，无论是参与反应的分子数目还是反应分子间共价堆叠成球方式，都带有很强的随机性，可控性差，从而导致目前的有机气凝胶普遍存在着明显的共性缺陷，即球形度差和粒径分布宽。且这种方法所制备的气凝胶通常是块状的，大大限制了其应用前景。

有鉴于纳米结构的创新是材料性能和应用能否取得突破的关键所在，从气凝胶材料设计理念的源头上进行创新，制备单分散性高、球形度好的粉末状有机气凝胶具有重大的科研及应用价值。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种粉末状聚苯乙烯气凝胶。

本发明另一目的在于提供一种上述粉末状聚苯乙烯气凝胶的制备方法。

本发明再一目的在于提供上述粉末状聚苯乙烯气凝胶在制备吸附材料中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种粉末状聚苯乙烯气凝胶，其粒径为0.4～4.0μm，由纳米构筑单元为粒径30～160nm单分散的预交联PS纳米球共价堆叠而成，比表面积为201～608m²/g，总孔容为0.08～0.26cm³/g。

上述粉末状聚苯乙烯气凝胶的制备方法，包含以下具体步骤：

（1）预交联PS纳米球的制备：将乳化剂加入水中，搅拌至完全溶解，得到（微）乳液；加入St单体和预交联剂，分散均匀后加入引发剂，加热聚合反应；醇沉，离心、洗涤、干燥后，得到预交联PS纳米球；

（2）将步骤（2）所得预交联PS纳米球加入无水四氯化碳中，搅拌溶胀；加入无水三氯化铝，搅拌加热交联反应；加入丙酮/盐酸/水混合溶剂终止反应，过滤、洗涤、干燥后，得到粉末状聚苯乙烯气凝胶。

步骤（1）中所述乳化剂的用量为每160mL水使用0.16～18.3g乳化剂。

优选地，所述乳化剂的用量为每160mL水使用18.3g乳化剂。

步骤（1）中所述乳化剂指聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物（P123）、十二烷基硫酸钠（SDS）和十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）中的至少一种。

（微）乳液聚合反应是以水作溶剂的环境友好温和可控的一类聚合反应。在乳化剂的作用下并借助于机械搅拌，单体在水中分散成乳状液，在水介质中生成的自由基进入胶束或乳胶粒中引发其中单体进行聚合。采用适当种类和浓度的乳化剂，可形成稳定均一的胶束，从而合成出均一的产品。本发明制备过程中采用（微）乳液聚合的方法有利于合成粒径均一球形度好的单分散PS纳米球，使后续制备的气凝胶拥有形貌均匀的构筑单元。同时在（微）乳液聚合的过程中加入一定量的预交联剂，可使制备的PS纳米球具有一定的预交联度从而具有一定的机械强度，有利于在之后形成气凝胶的过程中保持良好的形貌。并且通过调节乳化剂的种类和浓度，可控制胶束的大小从而控制预交联PS纳米球的尺寸，改变乳液聚合的条件，可得到粒径20～300nm的单分散预交联PS纳米球，进一步获得拥有多样化构筑单元的气凝胶。

当所述乳化剂为SDS时，还需要加入助乳化剂，如乙醇或正戊醇。助乳化剂的用量为每100ml水加入3g助乳化剂。

优选地，所述的乳化剂指P123。

步骤（1）中所述的预交联剂指二乙烯基苯。

步骤（1）中所述的引发剂指过硫酸钾（KPS）或偶氮二异丁腈（AIBN）。

优选地，所述的引发剂指KPS。

步骤（1）中所用St：预交联剂：引发剂：乳化剂的质量比为4:（0.2～4）:（0.04～0.08）:（0.1～18.3）。

步骤（1）中所述的加热聚合反应指在70～80℃反应3～24h。

步骤（1）中所述的醇沉指加入甲醇，使产物形成絮凝物并沉淀分离。

所用甲醇和乳液的体积比为160:500。

步骤（1）中所述的干燥指在50℃下干燥12～24h。

步骤（2）中所用预交联PS纳米球和无水三氯化铝的质量比为0.5:（0.7～2.8）。