水性聚丙烯酸酯/聚苯胺—四氧化三铁复合材料的制备与性能研究

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当前,聚苯胺-四氧化三铁电磁材料已被广泛研究,然而现有的合成手段多以传统的物理共混或是通过在苯胺聚合的过程中对四氧化三铁(Fe3O4)进行包覆,但这些方法在使用乳化剂的同时,对Fe3O4表面的亲疏水性造成影响,从而使得聚苯胺(PANI)对Fe3O4的包覆受到阻碍,相关材料的磁性也不能很好地表达,并且PANI-Fe3O4粉末没有载体很难在应用层面有所作用。针对上述科学问题,本文首先通过引入交联单体二乙二醇二丙烯酸酯(DEGDA)改善聚丙烯酸酯相关性能,接着在此基础上通过化学键连引入γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)改性的Fe3O4得到具有磁性的有机-无机复合材料,然后通过pickering乳液聚合法以Fe3O4为稳定剂使其覆载到PANI表面,最后将PANI-Fe3O4粉末和水性聚丙烯酸酯乳液通过物理共混,制得水性聚丙烯酸酯/聚苯胺-四氧化三铁(PA/PANI-Fe3O4)复合材料。通过相关测试,得出以下结论:(1)以DEGDA为交联单体,通过乳液聚合法合成了水性聚丙烯酸酯。随着DEGDA的加入,聚丙烯酸酯树脂的拉伸强度由3.6MPa提高到了8.9MPa,断裂伸长率由107.7%增长到257.1%,吸水率由24.7%下降至13.1%;乳液的粒径由108.5nm减小至89.8nm,多分散系数(PDI)逐渐变大,但相对变化幅度不明显,乳胶粒间的体系分散均匀;随着交联单体DEGDA的增多乳液的粘度逐渐变大,动态模量增加,损耗因子减小,弹性增强。(2)以硅烷偶联剂KH570为修饰剂,通过接枝反应,制得表面带有双键的Fe3O4纳米粒子。红外光谱(FTIR)和X-射线衍射仪(XRD)表明,通过KH570改性的Fe3O4在表面获得碳碳双键的同时其晶型结构并没有改变。KH570的用量对改性纳米Fe3O4粒子活化率的研究表明,Fe3O4纳米粒子与KH570最佳质量比为1:6。振动样品磁强计(VSM)表明,改性后的Fe3O4饱和磁强度略微下降,为45.2 emu/g。(3)将表面带有双键的Fe3O4加入混合单体中,后经分步乳化,利用乳液聚合法制得水性聚丙烯酸酯/四氧化三铁(PA/Fe3O4)复合材料。通过对PA/Fe3O4乳液的粒径变化和透射电镜(TEM)分析,改性Fe3O4纳米粒子的加入使聚丙烯酸酯乳液粒径变大的同时乳胶粒间也产生了一定的粘连。由扫描电镜(SEM)观察到,改性Fe3O4纳米粒子在聚丙烯酸酯中具有很好地相容性,但是添加量达到4%时,部分改性Fe3O4纳米粒子出现了团聚的现象。通过Fe3O4的添加量对PA/Fe3O4复合材料热稳定性和磁性的探究发现,复合材料的热稳定性先降低后增强,当加入量达到3%时,复合材料的热稳定开始显著增强;在外加磁场下,复合材料的饱和磁强度随着Fe3O4的增多而增大,加入量为4%时饱和磁强度为26.7emu/g,且在室温下具有超顺磁性。(4)以KH550改性的Fe3O4为纳米颗粒稳定剂,利用pickering乳液聚合法制得PANI-Fe3O4复合材料,后经机械搅拌,将PANI-Fe3O4粉末和水性聚丙烯酸酯经由物理共混制得PA/PANI-Fe3O4电磁屏蔽材料。利用能谱对PANI-Fe3O4复合材料表面进行了元素分析,结果表明,Fe3O4纳米颗粒成功的覆载到PANI表面。通过热重的分析证明了改性Fe3O4纳米粒子作为稳定剂的加入对PANI的热稳定性得到了一定的改善。随着酸浓度的增加,PANI-Fe3O4复合材料的电导率由7.1×10-6 S/cm增加到9.75 S/cm,饱和磁强度由32.6 emu/g下降到3.8 emu/g。利用矢量网络分析仪测定了PA/PANI-Fe3O4复合材料的屏蔽和吸波性能,结果表明随着PANI-Fe3O4复合粉末的增加复合材料的介电常数和复磁导率都明显变大,当PANI-Fe3O4复合粉末添加量为20%时,平均屏蔽效能达到12.5 dB,电磁屏蔽效能变强。
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