胡凯 开题报告.doc

本 科 生 毕 业 论 文开 题 报 告 题 目甲基丙烯酸甲酯高分子纳米材料的制备及表征 专 业 应用化学 班 级 091班 姓 名 胡 凯 指导教师 乔军（实验员） 所在学院 生物与环境工程学院 开题时间 2012年9月 1 选题的背景与意义聚合物/蒙脱土纳米复合材料是纳米技术在材料领域的重要应用。纳米复合材料在20世纪80年代末发展起来的新型材料，是分散相的尺度进入纳米量级的聚合物系合金，兼具无机有机材料的特点，并通过两者之间的耦合作用产生出许多优异的性能。国外自20 世纪70 年代开始研究纳米复合材料，在众多领域的研究已取得重大进展。国内在20 世纪90 年代中期才兴起了纳米研究热，研究的第一代聚合物/蒙脱土纳米复合材料是聚己内酰胺/蒙脱土纳米复合材料，随后研制出了第二代聚合物/蒙脱土纳米复合材料：PET (聚酯) 纳米复合材料1。近年来，国内外对聚合物/蒙脱土纳米复合材料的研究异常活跃，新的研究成果不断出现，并且已有很多被工业化应用，例如，美国Cornell大学、Michigan州立大学和中国科学院化学研究所等2-5制备出Nylon6、聚酯类(PET/PBT)与聚烯烃/粘土二等聚合物/层状硅酸盆纳米复合材料，并在其基础理论和应用开发方面取得一系列重要进展。蒙脱土系蒙皂粘土是一种云母类天然层状硅酸盐，化学组成为EX(H2O)4(Al2-X，MgX)2(Si，Al)4O10(OH)2，其中E主要为Na+、Ca2+，其次有K+、Li+等的层间可交换阳离子。蒙脱土的每个单位晶胞由两个硅氧四面体晶片间夹带一个铝氧八面体晶片构成三明治结构，二者之间靠共用氧原子连接(如图1)。蒙脱土独特的结构使其具有如下重要性质：晶层之间的阳离子是可交换的，蒙脱土片层间通常吸附有Na+，K+，Ca2+，Mg2+等水合阳离子，它们很容易与有机或无机阳离子进行交换，使层间距发生变化6；膨胀性，当蒙脱土与水接触时，水分子浸入层间，被吸附的正离子转变成水合离子，大量的水合结构有足够强度克服层间的范德华力，促使间层膨胀。粘土可分离成片层，径/厚比一般为250，最大可达1000，因此具有极高的比表面积，从而赋予复合材料优异的增强性能。在研究聚合物/蒙脱土纳米复合材料中，目前文献报道所涉及到的单体包括：氯乙烯、醋酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯、己酸乙烯酯、甲基丙烯酸十二烷基酯和甲基丙烯酸十八烷基酯。另外，也有人盼采用多单体配方，这其中不乏水溶性的单体，诸如丙烯酸和甲基丙烯酸7。在制备聚合物复合材料中，研究表明层间可交换离子数(CEC)通常在60-120mmol/100g范围内比较合适的离子交换容量。如果无机物的离子交换容量太高，极高的层间库仑力使得无机片层间作用力过大，不利于大分子链的插入;如果无机物的离子交换容量太低，无机物不能有效地与聚合物相互作用，不足以保证无机物与聚合物基体的相容性8。聚合物/蒙脱土纳米复合材料的制备方法包括熔融插层法、原位聚合法和溶液法。但是利用原位乳液聚合制备聚合物/蒙脱土纳米复合材料很少有文献报道，乳液聚合法是一种既简便又具环境友好性的纳米复合材料合成方法9-10 ，同时还具有以下几个特点：聚合反应速度快，分子量高；聚合热易扩散，聚合反应温度易控制；聚合体系即使在反应后期粘度也很低，因而也适于制备高粘性的聚合物；可直接以乳液形式使用。图1 蒙脱土的结构示意图聚合物/蒙脱土纳米复合材料的性能比相应的宏观或微米级复合材料(传统的无机填料改性聚合物)有非常显著的提高，甚至出现质的飞跃，表现出全新的性能或功能。聚合物/蒙脱土纳米复合材料具有以下性能特点：(1) 力学性11能上有相当高的强度、模量及韧性12等；(2)优良的热稳定性、耐热性及尺寸稳定性；(3)很好的阻燃性能；(4)由于硅酸盐呈片层平面取向，因此其膜材有很高的阻隔性；(5)对于结晶性聚合物，蒙脱土还影响了复合材料的结晶性能；(6)提高导电聚合物的导电性能；(7)有些还在磁性、光学、电磁波吸收、化学活性等方面呈现多种多样的优异特性；(8)具有质量轻、成本低，只需很少的蒙脱土增强组分(5wt%)即可使得复合材料具有以上优点。 高性能，低成本，比常规填充复合物密度小、重量轻，及一些功能性作用等优点使聚合物/蒙脱土纳米复合材料具有崭新的应用前景。2研究的基本内容与拟解决的主要问题首先通过苄基氯三乙醇胺和钠基蒙脱土进行阳离子交换，在用十二烷基硫酸钠预乳化溶液，在乳液中加入甲基丙烯酸甲酯，最后通过引发剂引发甲基丙烯酸甲酯自由基聚合。用红外和热重来测定新型高分子材料、聚甲基丙烯酸甲酯及蒙脱土的表征。通特征峰的比较确定新型高分子材料中甲基丙烯酸甲酯和蒙脱土复合；通过热重曲线比较确定新型高分子材料的热稳定性和耐热性更优于聚甲基丙烯酸甲酯及蒙脱土。对合成新型高分子材料采用正交实验（改变苄基氯三乙醇胺、甲基丙烯酸甲酯的量以及温度）确定最优合成条件。3研究的方法与技术路线3.1 研究方案首先以苄基氯，三乙醇胺为原料合成苄基氯三乙醇胺；其次用合成好的苄基氯三乙醇胺对蒙脱土(MMT)进行有机化改性；再加入十二烷基硫酸钠作为乳化剂，溶液成为乳液，最后以过硫酸钾作为引发剂引发甲基丙烯酸甲酯发生聚合反应，在单体聚合的过程中和有机改性土进行复合制备出甲基丙烯酸甲酯高分子纳米材料。得到的产品用经傅立叶红外光谱仪和热重分析（TGA）测试样品和纯蒙脱土，最后进行对比来确定新制的产品的比原来的增加了些什么特性，最有合成条件是什么。3.2 技术关键（1）正交实验的正确实施；（2）反应时间的控制；（3）反映温度的控制；（4）乳化时间的控制；（5）红外测试，热重分析(TGA)，电镜(SEM)等仪器的正确使用；（6）在样品测试中对样品研磨的程度。3.3 项目预期目标得到新材料，分析新材料对热稳定性、阻燃性能、粒子大小等特性。4研究的总体安排与进度起始年月进度目标要求2012.9.152012.9.20资料查询2012.9.202012.9.22拟定实验方案2012.102012.11进行实验，苄基氯三乙醇胺和蒙脱土(MMT)进行通过阳离子交换；以十二烷基硫酸钠作为乳化剂，最后以过硫酸钾作为引发剂引发甲基丙烯酸甲酯发生聚合反应，制备出甲基丙烯酸甲酯高分子纳米材料并进行红外热重分析2012.12.092012.12.16甲基丙烯酸甲酯高分子纳米材料热稳定性能、粒子大小、特征峰进行分析及表征，优化实验2012.12.182012.12.222013.03实验数据处理撰写论文主要参考文献1罗湘安，伍仟新，聚合物/蒙脱土纳米复合材料研究及其应用进展J.化工进展，2004，23(10):1129-11292 Giannelis EPPolylner Layered Silieate NanocomPositesJ.Adv.Mater.1996，8(1):29353 PinnavaiaTJ，Lan T,KavlratnaPD，WangMSClay-polymer Nanocomposites:Polyether and Polyamide systemsJ.Journal of Engineer and Applied Science.1994，346:81-884 漆宗能，李强，赵竹弟，周砚珠，乔放，一种聚酞胺/粘土纳米复合材料及其制备方法P中国发明专利，申请号:96105362，19965 漆宗能，柯扬船，丁幼康，一种聚对苯二甲酸丁二醋/层状硅酸盐纳米复合材料及其制备方法P中国发明专6 MichaelAlexandrePhilippeDuboisPolymerlayeredsilicate nannocomposites:preparation,properties and uses of a new class of materials,Materials Science and Engineering，2000，28:l-637 贾光伟，微滴乳液聚合及其在制备聚合物基纳米复合材料上的应用研究D，天津大学:材料化学工程, 20098 王新宇，漆宗能，王佛松，聚合物一层状硅酸盐纳米复合材料制备及其应用，工程塑料应用，1999，27(2):l-59石旭东，潘明旺，李秀错，等，乳液法PVC/Na+-MMT纳米复合材料的结构表征及性能研究J.高分子学报，2004， (1):149-15210梁云，贾德民，周延辉，等，胶乳接枝插层法制备聚丙烯酸酯/蒙脱土复合乳液J. 涂料工业，2004，34 (