[发明专利]单分散聚苯乙烯/二氧化锆核壳胶体复合球颗粒的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于亚微米尺寸复合材料的制备和应用技术领域，特别是涉及在单分散聚苯乙烯胶体球颗粒(颗粒直径为80～3000纳米)上包覆二氧化锆的单分散核壳复合球颗粒的制备方法，以及通过高温煅烧去除模板颗粒得到相应球形的二氧化锆中空球。

背景技术

二氧化锆(ZrO₂)作为一种高功能精细无机材料，是重要的陶瓷、半导体及催化材料，由于它具有良好的耐候性、耐化学腐蚀性、较高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、光敏性等独特性能，所以被广泛应用于化工、电子、生物、涂料、传感器、介电材料、塑料、油墨、造纸、化纤、橡胶等领域，例如：

(1)二氧化锆的熔沸点高，抗腐蚀性强，能抵抗酸性及中性熔体的侵蚀，故被用作耐火材料；

(2)二氧化锆表面具有弱酸、弱碱双功能特性，既可作为催化剂也可作为催化剂载体来使用；

(3)二氧化锆具有较好的机械强度，还可以作为催化剂结构助剂；

(4)二氧化锆为原料的陶瓷化学稳定性好，硬度高，耐高温，而且具有优良的导电性能，被广泛用于制造压电元件、陶瓷电容器、气敏元件、固体电解质燃料电池、陶瓷内燃机引擎等方面。

二氧化锆亚微米球颗粒的单分散性对其在诸多应用有很大的影响，然而直接制备亚微米尺寸的单分散二氧化锆球颗粒材料比较困难，Widoniak等人(《European Journal of Inorganic Chemistry》2005，15，3149)曾报道采用锆醇盐水解制备单分散二氧化锆球颗粒，但是锆醇盐水解过快容易单独成核，使得颗粒单分散性变差，颗粒分散度大于10％。

在模板颗粒上包覆二氧化锆等无机材料壳层时，采用锆醇盐前驱体水解的方法可得到纯度较高的产品，但是由于锆醇盐前驱体水解较快，存在包覆层质量较差，壳层厚度难以控制等缺点(《Inorganic Chemistry Communications》2003，6，942)。

发明内容

本发明的目的之一是提供单分散聚苯乙烯/二氧化锆核壳胶体复合球颗粒的制备方法。

本发明的目的之二是提供在单分散聚苯乙烯胶体球颗粒的表面包覆二氧化锆层的单分散聚苯乙烯/二氧化锆核壳胶体复合球颗粒；该二氧化锆壳层厚度可以通过改变工艺条件实现可控。

本发明的目的之三是提供通过高温煅烧单分散聚苯乙烯/二氧化锆核壳胶体复合球颗粒，以去除模板颗粒得到相应球形的二氧化锆中空球。

本发明采用单分散聚苯乙烯胶体球颗粒为模板，制备单分散的聚苯乙烯/二氧化锆核壳胶体复合球颗粒，该单分散聚苯乙烯/二氧化锆核壳胶体复合球颗粒的颗粒分散度小于3％，并通过煅烧得到均匀的球形的二氧化锆中空球。通过采用单分散度高的模板颗粒，本发明不但可以得到高质量的复合颗粒，同时也节省了原料，降低了生产成本。

本发明的单分散聚苯乙烯/二氧化锆核壳胶体复合球颗粒的制备思路不仅可以得到高质量单分散的二氧化锆无机材料，同时通过高温煅烧方法可以去除模板颗粒，从而得到球形的二二氧化锆中空球，这种球形的二氧化锆中空球将是更好的模板材料，在微反应器、药物缓释、高比表面积催化载体、陶瓷电容器、气敏元件、固体电解质燃料电池、陶瓷内燃机引擎等方面具有更广泛的应用价值。

本发明的单分散聚苯乙烯/二氧化锆核壳胶体复合球颗粒是由单分散聚苯乙烯胶体球颗粒和二氧化锆构成，其是在单分散聚苯乙烯胶体球颗粒的表面包覆二氧化锆层；该核壳胶体复合球颗粒的直径范围是90nm～3200nm，二氧化锆壳层厚度在5nm～100nm之间，优选在5nm～70nm之间。

所述的单分散聚苯乙烯胶体球颗粒直径是80nm～3000nm，颗粒尺寸分布平均偏差小于5％。

本发明的目的是通过以下方法实现的：在室温条件下，向分散有单分散聚苯乙烯胶体球颗粒以及去离子水的混合溶剂体系中添加分散有锆醇盐前驱体的混合溶剂，锆醇盐前驱体水解，在单分散聚苯乙烯胶体球颗粒表面形成均匀二氧化锆壳层，将此核壳胶体复合球颗粒经高温煅烧可得二氧化锆中空球形颗粒。

本发明采用混合溶剂制备的单分散聚苯乙烯/二氧化锆核壳胶体复合球颗粒的制备方法包括以下步骤：

(1)将无水乙醇和极性溶剂混合均匀，其中无水乙醇与极性溶剂的体积比例为2∶3～9∶1；

(2)将单分散聚苯乙烯胶体球颗粒超声分散在步骤(1)所得的混合溶剂中，其中单分散聚苯乙烯胶体球颗粒的初始浓度为0.01～100克/升；