[发明专利]超声引发溶液聚合制备纳米铁聚合物复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米铁-聚合物复合材料领域，特别涉及一种超声引发溶液聚合制备纳米铁/PMMA-PS复合材料的方法。

背景技术

目前，有关纳米复合材料的研究不计其数，将金属元素在聚合物表面还原的技术也不胜枚举，其中最常见的金属元素有银、铜、钯、镓等等，此类聚合物基金属纳米复合材料兼具了纳米材料、金属与聚合物各自优点，在聚合物基体中分散金属纳米粒子，把金属纳米粒子性能和聚合物性能有机地结合在一起，使得此类纳米复合材料不仅具有纳米材料的表面效应、量子尺寸效应等性质，而且将金属的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、加工性糅合在一起，因此产生许多特异的性能，进一步优化了材料的电学、热学及光学等性能，从而开辟了纳米复合材料在功能材料领域的应用。

就中外所报道的文献来看，纳米铁的氧化物的研究早已发展成熟，而关于纳米零价铁/聚合物复合材料的鲜为报道。铁单质、铁的氧化物在磁体、电磁波吸收材料和污水处理方面有着广泛的应用，铁的氧化物纳米材料有磁性，纳米零价铁的环境修复用途，特别是有机物污染和有毒重金属污染。对于纳米铁/聚合物复合材料，相关文献已经运用高能球磨法制备出了纳米铁/聚氯乙烯复合材料，表明金属与有机物之间的结合是可能发生的，而且这种材料的合成是通过有机物与金属化学键结合的而不是简单的混合。

纳米金属/聚合物复合材料的制备方法有很多，如辐照化学合成、高能球磨法、溶胶-凝胶法、分散聚合法、插层法、共混法等等。超声技术作为一种新型的合成技术，在纳米颗粒制备中具有独特的作用。超声聚合法是一种新型的且效率较高的聚合方法。超声聚合就是利用超声波的“空化效应”，即当超声波在液态媒介中传播时，会在极短的时间和极小的空间内产生瞬间的局部高温、高压和极高的温度变化率，并伴随有强烈的冲击波和高速的射流及放电发光作用。利用此效应，可以加速和控制反应，消除局部浓度不匀，提高反应效率，加速界面间的传质和传热过程，使反应快速而有效地进行。

采用超声技术制备纳米金属/聚合物复合材料的金属已见报道的有金、银、铜、钯等，此类纳米复合材料主要是采用乳液聚合方法，溶液聚合法相比其而言，溶液聚合过程中不用水，没有污水处理问题；生产中不添加添加剂，制得产品的杂质含量相对较少；制得产品的热稳定、透光率等性能指标也较好，且采用有机相反应，从而避免了与铁离子有着极强配位能力的水参与反应过程。

由于纳米零价铁的合成报道鲜少，采用超声溶液聚合法合成纳米铁/聚合物复合材料的工作仅仅是一个开始，还有待于进一步地研究深入。

发明内容

为了克服纳米金属还原与聚合物聚合的同步程度的不足，本发明目的在于采用一种新的合成技术，即超声引发溶液聚合制备纳米铁聚合物复合材料的方法。

本发明具体制备纳米铁聚合物复合材料的操作步骤如下：

超声引发溶液聚合制备纳米铁聚合物复合材料的具体操作步骤如下：

（1）将0.250～0.300g无水三氯化铁、15～25ml甲基丙烯酸甲酯、15～25ml苯乙烯、45～60ml甲苯、0.200～0.300g偶氮二异丁腈和1～2ml无水乙醇混合均匀，形成均匀分散的混合溶液，将混合溶液在氮气保护条件下超声辐射，设定超声常数：超声1s，间隙1s，超声时间55～65min，超声功率550～650W，得到反应后溶液； 

（2）向反应后溶液中加入250～300ml无水甲醇进行沉淀，过滤得到沉淀物，将沉淀物洗涤、真空烘干并研磨，得到了纳米铁聚合物复合材料；纳米铁聚合物复合材料为灰黑色粉末状。

本发明选用的单体较简单，易于聚合；其中聚苯乙烯因具有刚性苯环和柔性烷基，具有一定的强度和热性能，且流动性好；聚甲基丙烯酸甲酯有良好的透明性，但其存在性脆和不耐冲击等缺陷；通过两者的共聚反应可以改变聚合物的组成和结构，从而改善其性能；二者的共聚物综合了聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯的优点，不仅具有良好的透明度、光泽度及较高的抗冲击强度，而且在加工成型时，熔融粘度不大、流动性较好，应用更为广泛。

纳米铁粒径小，极易团聚，从而降低了反应活性。此外，纳米铁颗粒在空气中容易氧化，也为它的使用和运输带来不便；最常见的防止纳米铁团聚和氧化的方法是在纳米铁表面包覆一层有机大分子或者将其负载在载体上。纳米铁聚合物复合材料随着粒径的急剧下降，体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等导致纳米微粒具有良好的电、热、磁、光特性和催化性等，如可以用于磁记录材料、电磁波吸收材料、催化剂以及地下水和土壤修复等等，这使得其在化工、电子、生物、医学等领域得到广泛的应用前景。