超支化聚(胺-酯)接枝改性纳米TiO2的研究.pdf

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超支化聚(胺-酯)接枝改性纳米TiO2的研究1 超支化聚(胺-酯)接枝改性纳米TiO2的研究2 超支化聚(胺-酯)接枝改性纳米TiO2的研究3 超支化聚(胺-酯)接枝改性纳米TiO2的研究4
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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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KIMYH,WEBSTEROW.Hyperbranchedpolyhenylenes[J]. —  Macromolecules,1992,25:55615572.   王国建,屈泽华,李岩,等.超支化聚酯修饰多壁碳纳米管[J].       应用化学,2007,24(7):828831.       陆玉,林德,魏焕郁,等.超支化聚(胺一酯)的分子设计及其制     备[J].高分子学报,2000,(4):411414.    基金项目:南昌航空大学科研项日(ZC200801146)      —— 收稿日期:20090103;修订日期:20090916        作者简介:熊磊(1981~),男,讲师,搏士研究生,主要从事纳米复合材                         料的研究,联系地址:江西省丰和南人道696号南昌航空大学材料科学— 与工程学院(330063),Email:Xlei81@163.cor n                        ∈    ∈                     米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米{I米米米米{I米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米   (上接第33页)       —  [5]朱子新,徐滨士,马世宁,等.高速电弧喷涂FeAI/WC复合涂       层的高温摩擦磨损特性[J].材料工程,2003,(8):36.        — r6]MROZW,PROKOPIUKA,MULARCZYKOM.Nickeland       ironbasedintermetallicsdepositedusingKrFlaser[J].Applied     SurfaceScience,2002,(197):371375.          [7]王晶,宋仁国,林鑫,等.7TlAl金属间化合物合金表面激光熔 ——  覆TiCTiA1涂层研究口].稀有金属材料与工程,2008,37(12):    219l2195.        [8]张松,张春华,文效忠,等.原位反应合成金属间化合物激光合   — 金化层的组织及抗磨性能[J].摩擦学学报,2005,25(2):97 1OO.           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清华君
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