原位乳液聚合制备聚苯乙烯包覆碳纳米管复合材料的结.pdf

Vol.28高等学校化学学报No.3
2007年3月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES571～574

超声辐照原位乳液聚合制备聚苯乙烯包覆碳
纳米管复合材料的结构与性能

王章郁,王琪,陈英红,夏和生
(四川大学高分子研究所,高分子材料工程国家重点实验室,成都610065)

摘要采用超声辐照原位乳液聚合方法制备了聚苯乙烯(PS)包覆多壁碳纳米管(MWNTs)复合材料.用
TEM,FTIR,UV,XPS,GPC和TGA研究了复合材料的结构和性能.结果表明,MWNTs对苯乙烯聚合过程具
有抑制作用,聚苯乙烯包覆MWNTs,两者之间有较强的相互作用,使复合材料的热性能得到改善,起始分
解温度从388℃提高到422℃.
关键词碳纳米管;聚苯乙烯;超声波;原位乳液聚合;复合材料
中图分类号O632113;O613171文献标识码A文章编号025120790(2007)0320571204

碳纳米管(CarbonNanotubes,CNTs)是一种性能优异的新材料[1],是物理学、化学、材料科学等领
域的研究热点之一[2].聚合物/CNTs复合材料具有CNTs优异的机械、光、热及电性能和聚合物易加工
～
成型的特点[37],但CNTs化学性质稳定,改性困难,与聚合物界面粘结强度差,管径小,表面能大,
易团聚,导致复合材料性能变差,影响其应用,需要开发新技术制备性能优良的聚合物/CNTs复合材
料.超声波是一种高频的机械振动波(约2×104～107Hz),其声空化作用能在极短时间内产生局部高
温(约5000℃)和高压(约108Pa),为反应提供常规条件下无法达到的极端环境和能量,已成功用于
超声辐照乳液聚合[8,9]和超声辐照乳液聚合包覆无机纳米粒子[10,11],并在无引发剂及较低温度下进行
较快的聚合.本文将超声波引入聚苯乙烯(PS)/CNTs复合材料的制备过程,在无外加引发剂的条件下
实现了苯乙烯(St)单体在CNTs表面的包覆聚合和CNTs在复合乳液中的均匀分散,为CNTs的表面改
性提供了一种高效、清洁、简便的新方法.还研究了所得复合材料的结构及性能,考察了CNTs对聚合
反应的影响,证明原位形成的聚苯乙烯与CNTs之间存在较强的相互作用.
1实验部分

1.1试剂与仪器
多壁碳纳米管(MWNTs),管径约8～15nm,中国科学院成都有机化学研究所产品;苯乙烯(St),
分析纯,天津市化学试剂六厂三分厂,经减压蒸馏除去阻聚剂后低温保存备用;十二烷基硫酸钠
(SDS),分析纯,成都科龙化工试剂厂.频率20kHz的超声波发生器(Sonic&MaterialsInc.USA,VC2
1500),输出功率可调,反应装置为实验室自行设计[8].JEM1002CX型透射电子显微镜;Nicolet560型
红外光谱仪;ShimadzuUV2240型紫外2可见光谱仪;XSAM800型光电子能谱仪;AlKα(148616eV)线
为激发源,真空度210×10-6Pa,功率12kV×15mA;HP1000GPC分析系统;DuPont2100热分析仪;

N2气通入速率100mL/min,升温范围30～700℃,升温速率20℃/min.
1.2样品制备
将100mgCNTs和80mL质量分数为2%的SDS水溶液加入到反应装置中,用VC21500型超声波
发生器(450W)分散5min,然后加入2mL单体,通氮排氧5min后用超声波发生器(900W)引发聚合
3
反应.循环水浴温度30℃,N2气流速50cm/min,反应一定时间后停止反应,得到聚合物/CNTs复合

收稿日期:2006210208.
基金项目:国家自然科学基金(批准号:50303011)和教育部优秀青年教师资助计划资助.
联系人简介:王琪(1949年出生),女,教授,博士生导师,主要从事聚合物结构与性能研究.E2mail:[e-mail]
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乳液.其中一部分乳液用无水乙醇冰冻破乳,抽滤,洗涤,真空干燥,在索式抽提器中用甲苯抽提72h
除去其中均聚物,干燥后得到聚合物/CNTs复合材料.未加CNTs的PS样品的制备过程同上,所得乳
液经破乳,抽滤,洗涤,干燥后得最终聚合物.
2结果与讨论

2.1TEM分析
试样的TEM照片(图1)表明,原料MWNTs的管径为10～20nm,管壁光滑平整;反应体系经超声
处理后,单体在CNTs表面聚合,获得PS包覆CNTs结构,管径增至50～80nm,且管壁变得凹凸不
平,即通过超声辐照原位乳液聚合,在没有外加引发剂的条件下,借助超声波强烈的声空化作用可使
体系中的水、乳化剂等分子产生活性自由基,实现CNTs的均匀分散和单体在CNTs表面的聚合.这种
方法适