[发明专利]钛酸锶钡/聚苯乙烯核壳结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于先进纳米结构材料领域，涉及一种钛酸锶钡/聚苯乙烯核壳结构及其制备方法，对超高密度铁电存储器平面纳米有序阵列结构和相关微电子或纳米电子学器件的制备具有重要应用价值。

背景技术

由纳米粒子通过自组装以制备纳米光电子结构器件已成为21世纪无机纳米材料领域中的研究热点，但纳米粒子直接自组装往往与粒子的本征物性及其粒子间相互作用密切相关，物性的多样性仍使纳米粒子直接自组装有大量挑战性的问题有待解决，尤其是对影响各种不同物性纳米粒子自组装成具有较大实用尺寸结构过程的一些关键性物理化学参数仍需通过不同类型材料的广泛研究才能达到充分的理解和把握。为通过自组装过程实现铁电纳米晶平面阵列结构，将纳米晶包裹一层聚合物并形成核壳结构是改善自组装粒子间相互作用力分布和调节粒子间距离的重要举措。

制备核壳结构的聚合物包裹无机纳米粒子的复合颗粒的方法主要包括物理方法和化学方法。在物理方法中，有机或无机的组分通过溶剂挥发或静电、化学或生化吸引被沉积在核材料的表面。在化学方法里，分散聚合，乳液聚合，细乳液聚合，原子转移自由基聚合，无皂乳液聚合等都被应用于制备有机-无机复合核壳结构颗粒。乳液聚合主要利用纳米粒子表面的官能团与聚合体系中的引发剂、乳化剂、功能性单体之间通过电荷作用或酸-碱作用而形成复合乳胶粒子。因此，体系的pH值或离子强度对复合颗粒的形成影响很大，且乳液聚合成核机理比较复杂，动力学因素对乳液聚合影响比较大，因此复合颗粒的形态和粒径比较难控制。随着活性聚合的出现，尤其是表面引发的原子转移自由基聚合反应在单晶硅、金片的成功应用，使人们自然想到应用这些活性表面引发的聚合反应到微粒表面上，从而开发一种制备结构可控的核壳微粒的新方法。近几年来，利用可控的自由基聚合在纳米粒子表面接枝聚合物的方法越来越受到人们的关注，已有诸多报道如在SiO₂、Au、Fe₃O₄、CdSe等多种纳米粒子的表面进行聚合制备了各种复合核壳结构颗粒。在原子转移自由基聚合中，作为聚合体系的引发剂能够与纳米晶之间通过强的化学作用结合，进而引发单体在纳米晶表面的聚合形成核壳结构，能够很好地控制目标分子量及分子量分布，可控制聚合物膜层的厚度、表面粗糙度和组成，是制备均匀可控的聚合物-无机纳米复合粒子的有效方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中壳层厚度和聚合物分子量难以控制的不足，提供一种钛酸锶钡/聚苯乙烯核壳结构及其制备方法。

本发明的技术方案是，将微波辅助Glycothermal法制备的钛酸锶钡纳米晶（化学式为Ba_0.6Sr_0.4TiO₃）进行表面修饰，将引发剂接枝到纳米晶表面，然后分散在苯乙烯单体中形成高稳定纳米晶分散液，进而加入配体与催化剂进行聚合，通过控制聚合过程得到钛酸锶钡/聚苯乙烯核壳结构。

以钛酸锶钡纳米晶（化学式为Ba_0.6Sr_0.4TiO₃）和苯乙烯单体（St）为原料，2-溴-2-甲基丙酸(Br-MPA)为引发剂，在无溶剂条件下，通过原子转移自由基聚合合成得到钛酸锶钡/聚苯乙烯核壳结构；核壳结构以钛酸锶钡纳米晶为核，以聚苯乙烯为壳层，聚苯乙烯均匀的包覆在纳米晶表面。

具体制备方法步骤如下：

（1）将微波辅助Glycothermal法制备的钛酸锶钡纳米晶超声分散在极性溶剂中进行表面改性，将一定量的引发剂接枝到纳米晶表面，以使其在单体中达到完全的分散；

（2）将引发剂修饰后的钛酸锶钡纳米晶从液相中分离出，通过洗涤去除修饰过程中物理吸附的引发剂分子，得到引发剂分子修饰的钛酸锶钡纳米晶；

（3）将步骤（2）中得到的引发剂修饰的钛酸锶钡纳米晶在超声条件下分散于苯乙烯单体中，形成透明的高稳定的钛酸锶钡纳米晶分散液；

（4）步骤（3）中得到的透明的钛酸锶钡纳米晶分散液经氮气吹扫后与2，2’-二联吡啶和CuBr混合，置于圆底烧瓶中磁力搅拌反应，整个聚合过程中惰性气体保护，于100～120℃温度条件下聚合反应。

（5）步骤（4）聚合后的反应液用非极性溶剂稀释，后加入一定量的极性溶剂使复合纳米颗粒沉淀，经离心清洗去除催化剂及多余的单体，得到的沉淀超声分散于非极性溶剂中形成透明稳定的分散液。