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34 材料工程/2010年3期 超支化聚(胺一酯)接枝改性纳米TiO2的研究 StudyonSurfaceModificationofNano~TiO2Graftedwith — HyperbranchedPoly(amineester) 熊磊,马宏毅,王汝敏,梁红波。,管静。 (1西北工业大学理学院应用化学系,西安710072;2北京航空材料 研究院,北京100095;3南昌航空大学材料科学与工程学院,南昌330063) — — XIONGLei,MAHongyi。,WANGRumin,LIANGHong~bo。,GUANJing。 (1DepartmentofAppliedChemistry,SchoolofScience, ’ NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xian710072,China; 2BeiiingInstituteofAeronautiealMaterials,Beijing100095,China;3School ofMaterialScienceandEngineering,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China) 摘要:提出了一种对纳米TiO。表面进行化学改性的新方法,即利用硅烷偶联剂KH550进行表面预处理,得到接枝有 KH550的纳米TiO,在此基础上以改性纳米TiO。为中心核,通过与AB型单体进行缩聚反应,在纳米TiOz的表面原 位接枝超支化聚(胺一酯)(HBP)。红外光谱、热失重和透射电镜的测试结果表明纳米TiOz表面接枝上了超支化聚合物, 接枝率约为15%。研究结果表明,纳米TiO经超支化聚(胺一酯)接枝改性后,在乙醇和氯仿中的分散性和稳定性得到提 高。 关键词:纳米TiO;超支化聚(胺一酯);改性;接枝 中图分类号:TB332 文献标识码:A ——— 文章编号:10014381(2010)03003404 — Abstract:AnewmethodtochemicalmodifiedthesurfaceofnanoTiO2wasstudied.Couplingagent ——— KH550wasgraftedontothesurfaceofnanoTiO2.TiO2一gpoly(amineester)nanocompositeswere — — synthesizedthroughonespotpolycondensationbetweenAB2monomerandTiO2一g-KH550.There — suhsofFTIR,TGandTEMshowedthatthehyperbranchedpoly(amineester)(HBP)wasgrafted — — ontothesurfaceofnanoTiO2andtheweightratioofthehyperbranchedpolymergraftedonthesur — — facereached15.ResultsindicatedthatnanoTiO2graftedwithhyperbranchedpoly(amineester) — hadbetterdispersionintheethanolandchloroformthanthatofunmodifiednanoTiO2. — — Keywords:nanoTiO2;hyperbranchedpoly(amineester);modification;grafted 纳米Ti02是一种新型的高功能精细无机产品,其 粒径尺寸介于1~100nm,由于颗粒尺寸的超细化,比表 面积急剧增加,使得纳米TiOz产生了块状材料所不具 备的表面效应、小尺寸效应、量子效应以及宏观隧道效 应等,从而使其在光、磁、电等方面表现出独特的性 能。但由于纳米Ti()z粒径小,表面能极大,非常容 易团聚。而且纳米TiO2表面亲水疏油,呈强极性,在有 机介质中难于均匀分散,与基体之间没有结合力,易造 成界面缺陷,导致材料性能下降。因此使用前必须对其 表面进行有机改性,目前对于纳米TiO。改性的方法有 许多种,其中表面接枝改性是重要的一种途径。 纳米TiO表面接枝改性的一般方法是在其表面 引入线性聚合物,如果用具有大量端羟基的超支化聚 合物进行接枝改性,可使改性后的粒子问聚集作用减 弱,同时,也增强了粒子与聚合物基体之间的相容 性_g。本工作利用KH550对纳米TiO进行表面 处理,在此基础上以对甲苯磺酸为催化剂,将超支化聚 (胺~酯)接枝在纳米TiO上,制备了纳米Ti0/聚合 物复合粒子,有效改善了纳米TiO。在有机溶剂中的 分散性,并采用红外光谱、热失重分析和透射电镜对改 性前后的纳米粒子进行了表征。 1实验 1.1原材料 纳米二氧化钛:金红石型,浙江舟山明日纳米材料 有限公司提供,粒径60nm,为无定形白色粉末,在10o℃ 真空干燥24h后置于干燥器中备用;7一氨丙基三乙 超支化聚(胺酯)接枝改性纳米TiO的研究 35 氧基硅烷(KH550):分析纯,南京裕德恒精细化工有 限公司;丙烯酸甲酯:化学纯,永华特种化学试剂厂生 产,使用前减压蒸馏后备用;二乙醇胺:分析纯,天津博 ℃ 迪化工有限公司生产,30真空干燥4h后置于干燥器 中备用;对甲苯磺酸:分析纯,上海化学试剂公司生产; 其他试剂均为分析纯。 1.2KH550改性纳米Tio2 将纳米TiO。(4.5g)加入到无水乙醇(300mL)中, ℃ 超声振荡30min后升温至80。然后称取适量 KH550溶于无水乙醇(15mL)中并滴入去离子水 (2.Og)进行预水解,在快速机械搅拌下将其缓慢滴人 ℃ 上述反应瓶内,在80下反应5h后通过高速离心去 9c2H一 ‘ — —— 0H+HN一cH一fioc OC2H0/一 Iil l|iL¨ 一(卜 — — iR_NCCHCH 2-N l —— 除多余KH550,经干燥、碾磨得nanoTiO2一gKH550。 1.3超支化聚(胺一酯)接枝改性纳米TiO: 将上述lg改性纳米Ti02,0.1t oolN,N一二羟乙 基一3一胺基丙酸甲酯单体口和0.1g对甲苯磺酸置于四 ℃ 颈瓶中,在氮气保护下于120强烈搅拌12h。抽真空 30min以除去未反应的单体,得到含有已接枝的纳米 TiO。和未接枝的聚合物的浅黄粘稠物。产物用甲醇 洗涤,离心沉淀(1× 10r/min),沉淀物再用甲醇洗涤 后再离心,重复上述步骤直到洗涤液中未反应单体和 ℃ 聚合物洗净为止,将沉淀物于60下真空干燥12h 后,得到超支化聚(胺一酯)接枝改性纳米TiO(nano-— Ti0,一gHBP)。o / occ NO I一’ 。一ii一一+3。oc一N<二= 。。cC/H2。 CH2-N<三 H/ 0H OCCH2CHg-N<__、 、OH 图1纳米TiOz表面接枝超支化聚(胺一酯)的反应示意图 — Fig.1Sketchmapofgraftinghyperbranchedpoly(amineester)ontonanoTi()2 1.4仪器与分析表征 采用DiamondTG/DTA型热重/差热综合热分 ℃ 析仪,氮气气氛,升温速率为1O/min,温度范围为室 ℃ 温至750;采用IRPristige一21型傅里叶变换红外光 谱仪,KBr压片制样,测波数范围为400~4000cm一; 采用UV一2102PC型紫外可见分光光度计测定透光率 (波长为450nm),并在3000r/min的条件下离心沉降一 定时间再测定其透光率;采用H一800透射电镜 (TEM)观察纳米TiO在乙醇中的分散情况。 2结果与讨论 2.1TG/DTG分析 图2和3分别为改性前后纳米TiO的TG,DTG 曲线,由图2可以看出,未经改性的纳米TiO在15O℃ 以下的失重率约为4.4,这主要为纳米表面的吸 附水。经过超支化聚(胺一酯)接枝改性后在同样温度 范围内的失重率约为1.9,吸附的水量明显减少,说 明改性后的纳米TiO表面的疏水性增加。在15O~ 600oC之问,未改性的纳米Ti0失重率约为1.17, 主要为纳米粒子表面的羟基减少所致;经KH550改 性后失重率约为9.8,主要为纳米TiO粒子表面的 KH55O燃烧造成的;而经超支化聚(胺一酯)接枝改性 后的TiO失重率约为26.1,且大部分失重发生在℃ 200以后,相对应的DTG曲线上出现了两个明显的 ℃ 放热峰,其中200的放热峰为超支化聚(胺一酯)燃烧 ℃ 所致,而400的放热峰主要由KH550燃烧分解所 致。热失重分析表明,纳米TiO表面接枝约有15 的超支化聚(胺一酯)。 图2改性前后纳米TiOz的TG图 Fig.2TGcurvesofnanoTi()2 2.2红外光谱分析 图4为接枝改性前后纳米rri的红外光谱图,比 较曲线a,b可见,经接枝改性后的纳米TiO2在1048,3 6材料工程/201 0年3期,g摹:0葛-镑旦∽器主图3改性前后纳米Ti02的D T G图F ig.3D T Gcurvesofnano—Ti021 1 15,1 1 80,1 6 4 5,2 9 3 1cm“处出 现了新的吸收峰。其中10 48cm叫处为S—O的吸收峰,1 11 5c m。 处为叔胺中C—N的特征吸收峰,1 1 80c m“ 处弱的吸收峰为酯基中C一0的特征吸收峰;1 645c m叫 处为仲酰胺 的羰基(c—o)的特征吸收峰;29 31c m。处为C—H 的特征吸收峰。另外,由于仲酰胺中N—H的吸收峰(33 30cm叫)与 羟基(一OH)吸收峰(3 3 0 0~3 50 0cm。) 重叠,使得3 413cm“峰宽化。由 此可以 判断,超支 化聚(胺一酯)通过 偶联剂分子与纳米T i0 2粒子相连。2.3T E M形貌观察图5为超支化聚(胺一酯)接枝改 性前后纳米TiOz图4接枝改性前(a)后(b)纳米Ti02的红外光谱图F ig.4F TI Rspectra0fungrafted(a)andgrafted(b)nanorT i02的透射电镜照片, 从图5可以看出, 未接枝纳米TiO:在乙醇体 系中发生 团聚,不易 分散。而接枝 改性纳米T i0。的团聚现象 大大减少,颗粒分 散均匀,粒 径在纳米级范围。表明TiO。表面 接枝超支化聚(胺一酯)后,在乙醇体 系中的分散性和稳定 性得到提高。这是由于 超支化聚合物在 纳米TiO:表面形成保护层,产 生了空间位阻效应,阻碍了纳米粒子 间的聚集。2.4纳米Ti o: 在有机溶剂中的分散稳定性图6为接枝改性前后 纳米Tioz在乙醇和氯仿中 的透光 率随离心 时间变化曲线。从图中可明显看出, 未接枝的纳米Tio:在两种 溶剂 中的分散性和 稳定性图5 接枝改性前(a)后(b) 纳米T i02的T EM照片Fig.5TEMimages0fungrafted(a)andgrafted(b)nano—Ti02摹\C△窭卜图6接枝改性前后纳米T i02在氯仿(a)和乙醇(b)中透光率曲线F ig.6Thetranspenc eofgraftedandungraftednan0~T i 02inch loroform(a)andinalcohol(b) 超支化聚(胺一酯)接枝改性纳米TiO的研究 37 都很差,离心前透光率都较高,随着离心时间的增加, 其透光率很快趋于100。而接枝改性纳米TiO。在 离心前透光率较低,几近于0,且随着离心时间的增加 而缓慢增大,但增大的程度远远低于未接枝纳米 TiOz,说明纳米TiO。经接枝改性后在溶剂中的分散 性和稳定性得到了很大的提高。 这是因为纳米Ti0表面上接枝了超支化聚(胺一 酯),一方面超支化聚合物末端大量的羟基降低了纳米 TiO粒子表面能,使得粒子与有机溶剂之间的相容性 得到提高。另一方面纳米TiO表面上的超支化聚合 物的位阻作用阻止了纳米TiO。粒子间的聚集,从而 减缓了纳米TiO。粒子的沉降速度,提高了粒子在有 机溶剂中分散性和稳定性。 3结论 (1)通过纳米TiO。表面KH550的引入,使得超 支化聚(胺一酯)在其表面接枝成为可能。 (2)红外光谱和热失重测试结果表明,纳米TiO 表面成功接枝上了超支化聚(胺一酯),接枝率达到 15。 (3)紫外分光光度计和透射电镜测试结果表明, 纳米TiO。经超支化聚(胺一酯)接枝改性后,在乙醇和 氯仿中有很好的分散性和稳定性。 参考文献 [1]张立德,牟季美.纳米材料学[M].沈阳:辽宁科技出版,1994. 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