[發明專利]一種粉末狀聚苯乙烯氣凝膠及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201310390685.0
• 申請日: 2013-08-30
• 公開（公告）號: CN103450582A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 吳丁財;許靜;符若文
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: C08L25/08
• 分類號: C08L25/08;C08F212/08;C08F8/12;C08F2/24;C08J3/24;B01J20/26
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 裘暉

技術領域

本發明屬于氣凝膠材料技術領域，特別涉及一種粉末狀聚苯乙烯氣凝膠及其制備方法和應用。

背景技術

有機氣凝膠是一類具有三維納米網絡結構的新材料，其網絡結構由大量的納米顆粒網絡單元在各個空間方向上相互交聯堆疊而成，集成了高比表面積，大孔容，各納米孔道相互連通等結構優點，在吸附、分離、能源、催化和環境等領域擁有廣泛的應用前景。然而目前的有機氣凝膠的納米顆粒網絡單元的設計理念都是基于溶膠化反應，本質上是有機小分子單體的縮聚反應或者大分子鏈的無規交聯反應。對于生長中的每一個溶膠，無論是參與反應的分子數目還是反應分子間共價堆疊成球方式，都帶有很強的隨機性，可控性差，從而導致目前的有機氣凝膠普遍存在著明顯的共性缺陷，即球形度差和粒徑分布寬。且這種方法所制備的氣凝膠通常是塊狀的，大大限制了其應用前景。

有鑒于納米結構的創新是材料性能和應用能否取得突破的關鍵所在，從氣凝膠材料設計理念的源頭上進行創新，制備單分散性高、球形度好的粉末狀有機氣凝膠具有重大的科研及應用價值。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點與不足，本發明的首要目的在于提供一種粉末狀聚苯乙烯氣凝膠。

本發明另一目的在于提供一種上述粉末狀聚苯乙烯氣凝膠的制備方法。

本發明再一目的在于提供上述粉末狀聚苯乙烯氣凝膠在制備吸附材料中的應用。

本發明的目的通過下述方案實現：

一種粉末狀聚苯乙烯氣凝膠，其粒徑為0.4～4.0μm，由納米構筑單元為粒徑30～160nm單分散的預交聯PS納米球共價堆疊而成，比表面積為201～608m²/g，總孔容為0.08～0.26cm³/g。

上述粉末狀聚苯乙烯氣凝膠的制備方法，包含以下具體步驟：

（1）預交聯PS納米球的制備：將乳化劑加入水中，攪拌至完全溶解，得到（微）乳液；加入St單體和預交聯劑，分散均勻后加入引發劑，加熱聚合反應；醇沉，離心、洗滌、干燥后，得到預交聯PS納米球；

（2）將步驟（2）所得預交聯PS納米球加入無水四氯化碳中，攪拌溶脹；加入無水三氯化鋁，攪拌加熱交聯反應；加入丙酮/鹽酸/水混合溶劑終止反應，過濾、洗滌、干燥后，得到粉末狀聚苯乙烯氣凝膠。

步驟（1）中所述乳化劑的用量為每160mL水使用0.16～18.3g乳化劑。

優選地，所述乳化劑的用量為每160mL水使用18.3g乳化劑。

步驟（1）中所述乳化劑指聚環氧乙烷-聚環氧丙烷-聚環氧乙烷三嵌段共聚物（P123）、十二烷基硫酸鈉（SDS）和十二烷基三甲基溴化銨（DTAB）中的至少一種。

（微）乳液聚合反應是以水作溶劑的環境友好溫和可控的一類聚合反應。在乳化劑的作用下并借助于機械攪拌，單體在水中分散成乳狀液，在水介質中生成的自由基進入膠束或乳膠粒中引發其中單體進行聚合。采用適當種類和濃度的乳化劑，可形成穩定均一的膠束，從而合成出均一的產品。本發明制備過程中采用（微）乳液聚合的方法有利于合成粒徑均一球形度好的單分散PS納米球，使后續制備的氣凝膠擁有形貌均勻的構筑單元。同時在（微）乳液聚合的過程中加入一定量的預交聯劑，可使制備的PS納米球具有一定的預交聯度從而具有一定的機械強度，有利于在之后形成氣凝膠的過程中保持良好的形貌。并且通過調節乳化劑的種類和濃度，可控制膠束的大小從而控制預交聯PS納米球的尺寸，改變乳液聚合的條件，可得到粒徑20～300nm的單分散預交聯PS納米球，進一步獲得擁有多樣化構筑單元的氣凝膠。

當所述乳化劑為SDS時，還需要加入助乳化劑，如乙醇或正戊醇。助乳化劑的用量為每100ml水加入3g助乳化劑。

優選地，所述的乳化劑指P123。

步驟（1）中所述的預交聯劑指二乙烯基苯。

步驟（1）中所述的引發劑指過硫酸鉀（KPS）或偶氮二異丁腈（AIBN）。

優選地，所述的引發劑指KPS。

步驟（1）中所用St：預交聯劑：引發劑：乳化劑的質量比為4:（0.2～4）:（0.04～0.08）:（0.1～18.3）。

步驟（1）中所述的加熱聚合反應指在70～80℃反應3～24h。

步驟（1）中所述的醇沉指加入甲醇，使產物形成絮凝物并沉淀分離。

所用甲醇和乳液的體積比為160:500。

步驟（1）中所述的干燥指在50℃下干燥12～24h。

步驟（2）中所用預交聯PS納米球和無水三氯化鋁的質量比為0.5:（0.7～2.8）。