Yong Lin, Kai Mo Ng,, Chi-Ming Chan , Guoxing Sun, Jingshen WuJournal of Colloid and Interface Science 358 (2011) 423–429

Ϙ 班 級：化材四甲Ϙ 學 號： 49852014

Ϙ 姓 名：鄭 佳 宜Ϙ 授課教師：謝 慶 東 教授

利用乳化劑十二烷基硫酸鈉 (SDS) 以乳化聚合方式製備高衝擊強度聚苯乙烯(PS) ／埃洛石奈米複合材料 (HNTs) 。 十二烷基硫酸鈉 (SDS) 對於埃洛石奈米複合材料 (HNTs) 在水溶液中是良好的分散劑。 聚苯乙烯奈米球分離單獨的 HNTs 導致乳液聚合。由透射電子顯微鏡 (TEM) 顯示 HNTs 在 PS 基材中均勻的分散。

PS/HNT 奈米複合材料之性質使用差示掃描量熱儀 (DSC) 、傅立葉轉換紅外線光譜儀 (FT-IR) 和熱重分析儀 (TGA) 來作分析。

PS/HNTs 奈米複合材料的衝擊強度300% ，比排列整齊的 PS(neat PS) 高出很多。

本篇報告提出一種簡單可行的方法製備高衝擊強度的 PS/HNTs 奈米複合材料。

埃洛石奈米碳管 (HNTS) 是普遍存在於土壤和風化的岩石內自然產生的矽酸鹽奈米碳管。一些研究報導了環氧樹脂內的 HNTS 、耐綸 6 及天然橡膠的補強效果。

已進行許多嘗試，試圖藉由加入橡膠粒子或無機粒子來改善聚苯乙烯的韌性。

在本篇報告中，藉由乳液聚合將苯乙烯分散於 HNTS 的懸浮液中，其懸浮液為以十二烷基硫酸鈉 (SDS) 作為分散劑。

在聚苯乙烯 (PS) 基材中可觀察到HNTS 。此外， PS/HNT 奈米複合材料達到顯著改善衝擊韌性。簡要的討論增韌機制。

埃洛石奈米碳管 (HNTs)

十二烷基硫酸鈉(SDS)

過硫酸銨 (APS)

Al2Si2O5(OH)4· 2H2O

聚苯乙烯 (PS)

http://lakshmiglass.com/

products3.html

乾的埃洛石奈米碳管 HNTS(5.0 g) 和十二烷基硫酸鈉 SDS(1.0 g) 加入三頸圓底燒瓶中

加入去離子水 (300 ml)

過硫酸銨 (0.57 g)

超音波震盪 20 分鐘以及磁石攪拌 20 分鐘

在氬氣環境下，水浴溫度 70–75°C ，加入苯乙烯 (95.0 g) 以及用轉速 400rpm 攪拌 18 小時

另外攪拌 10 分鐘

加入 500ml 的去離子水到懸浮液中

用去離子水清洗材料 (1000 ml) ，在空氣中乾燥 24 小時，再在真空 40–45°C 下乾燥20 小時

抽氣過濾

表 1. GPC 測定 PS 的分子量

圖 1. HNTS 的微觀型態 : (a) SEM 和 (b) TEM 顯微照片

在 TEM 的顯微照片中可清楚的看到 HNTS 多壁中空的結構奈米碳管的內部直徑為 20 奈米，外部直徑為 50 奈米

HNTsAl-OH : 3694 cm-1

3628 cm-1

Si-O : 1113 cm-1

1032 cm-1

PSC-H bending : 1442 cm-1 , 1491 cm-1

C-H stretching : 2840 cm-1 , 2920 cm-1

圖 2. HNTs 、排列整齊的 PS 、 PS-H05 和 PS-H10 的 FTIR 圖

圖 3. PS/HNT 奈米複合材料的 SEM 顯微照片

圖 3(a) 中，在低倍率的顯微圖片可看到許多群集。

因 NHTS 在 PS 基材中的良好分散性，藉由PS奈米球， HNT 被分離及 HNT 團聚物分解。

親水性表面

假設 HNTs 分散良好

形成苯乙烯微胞

圖 4. 示意圖顯示存在於 HNTS 中原位聚合的苯乙烯

可得到 PS 奈米球的混合物和單獨的 HNTS 被製成。

圖 5. PS-H10 的 TEM 圖 (a)低倍率 (b)高倍率

觀察 TEM 圖發現 HNTS 單獨分散在 PS 基材中。

圖 6. 排列整齊的 PS 、 PS-H05和 PS-H10 的 TGA 曲線

透過 HNT 管腔的分解產品的包裝被提出主要是在改善高分子聚合物在 HNTs 中的熱降解。

圖 7. 排列整齊的 PS 、 PS-H05和 PS-H10 的 DTG 曲線

PS-H05 和 PS-H10 比 排 列 整 齊 的 PS 低 3 和6°C 。 PS 的 Tg 下降顯示出 PS 和 HNTs 之間的相互作用並不強。

圖 9. 排列整齊的 PS 和 PS/HNT 奈米複合材料的缺口懸臂粱衝擊強度

這些結果清楚顯示，添加 5wt.% 的 HNTs會改善 PS 的衝擊強度至 300% ，而添加更多的 HNTs 會降低 PS/HNT 奈米複合材料的衝擊強度。

59.1 ± 4.8 J/m

35.0 ± 6.9 J/m

19.5 ± 3.6 J/m

進一步增加填料加入量從 5 至 10 wt.% ，並未導致硬度成比例增加，由此指出 PS 基材與 HNTs 之間的相互作用很弱。

圖 10. 排列整齊的 PS 和 PS-H05 和 PS-H10 的儲能彈性模量

圖 11. PS-H05 奈米複合材料斷裂面的 SEM 顯微照片

凹坑狀結構

少數單獨的 HNTs分 別 位 於 PS 和HNTs 之間的中心和裂紋形成的界面。由此指出，有一疏密力作用在 PS 基材上好遠離 HNTs 。

直立的 HNT- 端指出抽出 HNT 是主要的斷裂活動。光滑的 HNT 表面證實了 HNT 和 PS 之間的黏合力不是很強

圖 12. PS-H05 奈米複合材料鄰近斷裂面邊緣的 SEM 顯微照片

在 PS 中，很少會發現鄰近邊緣斷裂面的衝擊樣品有大量的剪切產生。

總結， PS/HNT 奈米複合材料增韌事件順序可看出

(1) 內置在 HNT周邊的疏密應力場導致應力集中在嵌入 式奈米管(2) 在奈米管與相鄰 HNTs架橋連接的大面積地方尖端有 大量裂紋產生(3)有穩定的裂紋，由於黏著力很弱，在奈米管被拉出和 PS-HNT界面的局部化產生剪切，進一步在 HNT-PS 界面裝載啟動剝落汽蝕(4) 在相鄰 HNTs 之間， PS 韌帶產生塑性變形，導致在斷 裂面上有大量的凹坑

此外， PS/HNT 奈米複合材料含有 5wt.%HNTs與排列整齊的 PS相比，有改善衝擊強度達 300% 。這是第一個例子使用無機的填料增韌脆性高分子聚合物。

HNTs 藉由乳化聚合以苯乙烯存在於 HNTs中製備具有良好分散力的 PS/HNT 奈米複合材料。

PS/HNT 奈米複合材料可改善熱穩定性和提高機械性能。

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