模板法制备微晶玻璃空心微球
近几年来,空心微球受到广泛的关注,被应用于催化、药物控释、防污和浮力材料等领域。在已有的材料中,空心玻璃微球,以其低密度和高机械强度的性能被应用于制备深海浮力材料。其机械强度主要取决于基体材料和结构单元的机械性能。目前,已有很多关于无机空心微球制备方法的研究,如喷嘴反应器法、相分离法和自组装法。相比于其他方法,自组装法是最常用的一种方法,通过在模板上组装壳体材料从而制备出壳核结构,再通过选择性的溶解或者热处理去除模板。本文采用的有机模扳法即为自组装方法的一种。通过控制模板球的尺寸和浆料中包覆粉体浓度,能够有效的控制微球的尺寸和壳层结构。同时,通过包覆不同的无机粉料和不同的热处理制度,理论上可制备出符合各种需求的无机空心微球,实现空心微球的可设计性。
为了改善空心玻璃微球的机械性能,使用MgO-Al2O3-SiO2系玻璃粉作为壳层材料。相对于普通玻璃而言,MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃拥有更优越的机械性能。其机械强度高达450MPa,硬度高达13GPa,杨氏模量更是高达1.40GPa。由于析出晶相和玻璃基体的热膨胀系数不同,在低于玻璃转变温度下降温的过程中,在基体中产生残余应力,这也是MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃具有高机械强度的原因。与传统方法制备的空心玻璃微球相比,使用模板法制各的微晶玻璃空心微球表面粗糙。所以,微晶玻璃空心微球/树脂界面或许有更强的粘附强度。
本研究中,采用模板法制备了壳核微球。在不同的热处理制度下,经过烧结合成了空心微晶玻璃微球。其中模板球为聚丙烯酰胺微球(PAM),采用反向悬浮法制备。研究了包覆粉体浓度、玻璃粉料粒度、Hydrophile-Lipophile Balance(HLB)值,以及吸水量对壳核微球形貌的影响。并使用XRD、TGA和SEM对其尺寸、形貌、物相组成和包覆厚度进行表征。研究了表面活性剂和引发剂对聚丙烯酰胺微球单分散性和平均粒径的影响。研究结果表明通过调节引发剂和分散剂的量,可以控制聚丙烯酰胺微球的平均粒径和单分散性。增加引发剂的量,可以增大PAM的平均粒径,同时降低其单分散性。而增加表面活性剂的量使PAM的平均粒径降低,单分散性变好。此处使用Span-80为分散剂,是利用其空间位阻作用。在包覆实验中,通过控制吸水量和HLB值能明显减少壳核微球的聚集现象。通过降低玻璃粉体浓度和调节HLB值,使实心颗粒的数量明显下降。这是由于PAM吸水量接近其最大吸水量时,在模板球的表面残留有部分单体和水,随着聚合反应进行,单体和交联剂在模板球表面形成三维网络,使包覆粉体被固定在其表面。当使用没有预吸水的PAM作为模板时,单体与水则会被完全吸附到PAM中,无法形成相应的网络,包覆粉体就会自我团聚成实心颗粒。当HLB值降为6时,壳核微球有明显的团聚现象。此值为形成油包水溶液的范围。在这个范围内,水相有在油相中有相互聚集的趋势。当HLB值为12.5时,处于形成水包油溶液的范围,实心颗粒的数量明显增加,同时很难形成完整的空心微球。这是由于在该范围内,水性浆料在油相中不能很好的分散,包覆粉体有聚集形成实心颗粒的趋势。而HLB为7.5是较合适的值,油相能够润湿包覆粉体的表面,使其在油相中良好分散,从而包覆过程只取决于PAM的亲水性,能够制得了具有完整壳层且无明显团聚现象的壳核微球。另一方面,调节浆料浓度和预吸水量可以控制微晶玻璃空心微球的壳层厚度。提高烧结温度可以得到具有完整光滑表面的微晶玻璃空心球。
本文采用模板法制备出具有良好球形的壳核微球。通过对壳核微球进行热处理,制备出以MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃为壳层材料的空心微球,其粒径范围为ca.10-60μm,壳层厚度小于ca.21μm。同时通过调节引发剂和分散剂的量,制备出平均粒径为104μm,并且具有良好分散性的聚丙烯酰胺微球。
复合材料;壳核结构;微晶玻璃;空心微球;深海浮力材料;模板法制备;机械性能
中国海洋大学
硕士
材料物理与化学
戴金辉
2011
中文
TQ171.733;TB383
49
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）