中空氧化锌的制备及其复合乳液的性能研究
发布时间：2021-02-22 14:52
通过水热法制备中空ZnO,研究了体系pH值、反应时间及反应温度等因素对中空ZnO形貌的影响,并将其与聚丙烯酸酯乳液物理共混,制备聚丙烯酸酯/中空ZnO复合乳液,对复合乳液所成薄膜的透水汽性、耐水性、力学性能进行测试。结果表明:采用水热法成功制备了中空ZnO,体系pH值、反应时间及反应温度对中空ZnO的形貌均有显著影响。当体系pH值为11.5、反应时间为9 h、反应温度为92℃时,所制备的中空ZnO复合薄膜的耐水性、透水汽性、抗张强度以及断裂伸长率相较纯聚丙烯酸薄膜分别提升了38.10%、103.91%、144.53%和79.52%。
【文章来源】：中国皮革. 2020,49(05)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
体系pH值对中空ZnO形貌的影响
图2为不同体系pH值下制备的中空ZnO对复合薄膜性能的影响。由图2(a)可以看到,复合薄膜的透水汽性能及耐水性相较纯聚丙烯酸酯薄膜均有所提高,且在体系pH值为11.5条件下制备的中空ZnO复合薄膜的耐水性优于体系pH值为9.5条件下制备的,但两者的透水汽性相差不大。这是因为ZnO表面带有正电荷,可与聚丙烯酸酯分子链中带负电的羧基产生静电作用,同时,ZnO中的锌离子还可与聚丙烯酸酯分子链中的羧基发生配位作用,因此减少了聚合物基体中亲水基团的数目,复合薄膜的耐水性提高。另外,在聚丙烯酸酯中引入中空ZnO后,一方面ZnO与聚丙烯酸酯间产生界面空隙,有利于水汽分子的透过[3];另一方面ZnO的空腔结构也为水汽分子的透过提供了通道,因此复合薄膜的透水汽性得到提升[6]。由图1可以看到体系pH值为11.5条件下制备的中空ZnO其空腔结构较体系pH值为9.5条件下制备的有所增大,由于复合薄膜中引入的中空ZnO的质量是相同的,因此,复合薄膜中引入的体系pH 值为11.5时制备的中空ZnO的数目多于体系pH值为9.5时制备的,更多的中空ZnO可与聚丙烯酸酯中的羧基产生作用,耐水性较优。然而,由于体系pH值为11.5条件下制备的中空ZnO是棒状结构的聚集体,影响到了中空ZnO在聚丙烯酸酯基体中的分散均匀性,因此两者间的透水汽性相差并不大。从图2(b)中可以看到,引入中空ZnO后复合薄膜的力学性能较纯聚丙烯酸酯薄膜显著提高。这是因为ZnO在聚丙烯酸酯分子链间具有架桥作用,提高了薄膜交联密度的缘故。在体系pH值为11.5时制备的中空ZnO的复合薄膜力学性能优于体系pH值为9.5的,这是因为体系pH值为11.5时制备的ZnO空腔结构稍大,因此引入到体系中的ZnO的数目相对较多的缘故。
图3为反应时间对中空ZnO形貌的影响。由图3可以看出,当反应时间为3 h时,获得了直径约为75 nm、长度为200～300 nm的ZnO纳米棒,但难以观察到其空腔结构;延长反应时间至6 h时,ZnO纳米棒的直径及长度分别增加至100 nm左右和300～500 nm;延长反应时间至9 h时,ZnO纳米棒发生组装,形成花状结构,单个ZnO纳米棒呈现出典型的中空结构,且直径增大至400 nm左右,长度增加至2 μm左右;反应时间为12 h时,ZnO纳米棒的组装更加显著,但纳米棒的直径基本不再发生变化;反应时间为15 h时,ZnO纳米棒的组装现象进一步增加。这是因为前驱体水解产生ZnO晶粒,由于ZnO在晶面的极性较大,为了减小表面能,新生成的ZnO晶粒会吸附在晶面,从而沿c轴方向不断生长[15]。随着反应时间的延长,ZnO纳米棒的长度增加较快,平均直径增长较慢[16]。当前躯体水解生成的ZnO晶粒被完全消耗之后,ZnO纳米棒为了进一步降低表面能,纳米棒之间便会聚集组装成花状结构,且随着反应时间的延长,ZnO纳米棒的组装越来越显著。图4为不同反应时间下制备的中空ZnO对复合薄膜性能的影响。由图4(a)可以看出,随着反应时间的延长,所制备的中空ZnO对聚丙烯酸酯薄膜耐水性和透水汽性均呈先提高后降低的趋势。这主要是因为随着反应时间的延长,ZnO的中空结构越来越显著,在相同质量下,ZnO的数目越来越多,一方面其与聚丙烯酸酯分子链间的相互作用增强,薄膜中的亲水基团减少,另一方面引入到薄膜中的界面空隙和空腔结构增多,因此复合薄膜的耐水性和透水汽性提升。然而,当反应时间过长时,ZnO纳米棒的组装越来越显著,其在聚丙烯酸酯中的分布越来越差,导致与聚丙烯酸酯分子链间的相互作用减弱,且薄膜中的界面空隙减少,因此复合薄膜的耐水性和透水汽性降低。由图4(b)可以看出,随着反应时间的延长,复合薄膜的抗张强度呈先增大后减小的趋势,而断裂伸长率呈先减小后增大的趋势,但无论是抗张强度还是断裂伸长率,复合薄膜均高于纯聚丙烯酸酯薄膜。这是因为随着反应时间的延长,ZnO的中空结构及组装情况发生变化,导致ZnO在聚丙烯酸酯分子链间产生的交联密度发生变化。
【参考文献】：
期刊论文
[1]衬底温度对铝掺杂氧化锌薄膜生长及其微结构性能的影响[J]. 陈首部,韦世良. 中南民族大学学报(自然科学版). 2015(03)
[2]水热生长直立均匀ZnO纳米棒阵列的影响因素[J]. 刘丹青,刘绍琴,姜兆华,杨彬. 石油化工高等学校学报. 2015(03)
博士论文
[1]抗菌型聚丙烯酸酯基纳米复合乳液的合成与性能研究[D]. 刘俊莉.陕西科技大学 2013
硕士论文
[1]聚丙烯酸酯/中空二氧化硅纳米复合皮革涂饰剂的制备及应用研究[D]. 杨永强.陕西科技大学 2014
本文编号：3046157
【文章来源】：中国皮革. 2020,49(05)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
体系pH值对中空ZnO形貌的影响
图2为不同体系pH值下制备的中空ZnO对复合薄膜性能的影响。由图2(a)可以看到,复合薄膜的透水汽性能及耐水性相较纯聚丙烯酸酯薄膜均有所提高,且在体系pH值为11.5条件下制备的中空ZnO复合薄膜的耐水性优于体系pH值为9.5条件下制备的,但两者的透水汽性相差不大。这是因为ZnO表面带有正电荷,可与聚丙烯酸酯分子链中带负电的羧基产生静电作用,同时,ZnO中的锌离子还可与聚丙烯酸酯分子链中的羧基发生配位作用,因此减少了聚合物基体中亲水基团的数目,复合薄膜的耐水性提高。另外,在聚丙烯酸酯中引入中空ZnO后,一方面ZnO与聚丙烯酸酯间产生界面空隙,有利于水汽分子的透过[3];另一方面ZnO的空腔结构也为水汽分子的透过提供了通道,因此复合薄膜的透水汽性得到提升[6]。由图1可以看到体系pH值为11.5条件下制备的中空ZnO其空腔结构较体系pH值为9.5条件下制备的有所增大,由于复合薄膜中引入的中空ZnO的质量是相同的,因此,复合薄膜中引入的体系pH 值为11.5时制备的中空ZnO的数目多于体系pH值为9.5时制备的,更多的中空ZnO可与聚丙烯酸酯中的羧基产生作用,耐水性较优。然而,由于体系pH值为11.5条件下制备的中空ZnO是棒状结构的聚集体,影响到了中空ZnO在聚丙烯酸酯基体中的分散均匀性,因此两者间的透水汽性相差并不大。从图2(b)中可以看到,引入中空ZnO后复合薄膜的力学性能较纯聚丙烯酸酯薄膜显著提高。这是因为ZnO在聚丙烯酸酯分子链间具有架桥作用,提高了薄膜交联密度的缘故。在体系pH值为11.5时制备的中空ZnO的复合薄膜力学性能优于体系pH值为9.5的,这是因为体系pH值为11.5时制备的ZnO空腔结构稍大,因此引入到体系中的ZnO的数目相对较多的缘故。
图3为反应时间对中空ZnO形貌的影响。由图3可以看出,当反应时间为3 h时,获得了直径约为75 nm、长度为200～300 nm的ZnO纳米棒,但难以观察到其空腔结构;延长反应时间至6 h时,ZnO纳米棒的直径及长度分别增加至100 nm左右和300～500 nm;延长反应时间至9 h时,ZnO纳米棒发生组装,形成花状结构,单个ZnO纳米棒呈现出典型的中空结构,且直径增大至400 nm左右,长度增加至2 μm左右;反应时间为12 h时,ZnO纳米棒的组装更加显著,但纳米棒的直径基本不再发生变化;反应时间为15 h时,ZnO纳米棒的组装现象进一步增加。这是因为前驱体水解产生ZnO晶粒,由于ZnO在晶面的极性较大,为了减小表面能,新生成的ZnO晶粒会吸附在晶面,从而沿c轴方向不断生长[15]。随着反应时间的延长,ZnO纳米棒的长度增加较快,平均直径增长较慢[16]。当前躯体水解生成的ZnO晶粒被完全消耗之后,ZnO纳米棒为了进一步降低表面能,纳米棒之间便会聚集组装成花状结构,且随着反应时间的延长,ZnO纳米棒的组装越来越显著。图4为不同反应时间下制备的中空ZnO对复合薄膜性能的影响。由图4(a)可以看出,随着反应时间的延长,所制备的中空ZnO对聚丙烯酸酯薄膜耐水性和透水汽性均呈先提高后降低的趋势。这主要是因为随着反应时间的延长,ZnO的中空结构越来越显著,在相同质量下,ZnO的数目越来越多,一方面其与聚丙烯酸酯分子链间的相互作用增强,薄膜中的亲水基团减少,另一方面引入到薄膜中的界面空隙和空腔结构增多,因此复合薄膜的耐水性和透水汽性提升。然而,当反应时间过长时,ZnO纳米棒的组装越来越显著,其在聚丙烯酸酯中的分布越来越差,导致与聚丙烯酸酯分子链间的相互作用减弱,且薄膜中的界面空隙减少,因此复合薄膜的耐水性和透水汽性降低。由图4(b)可以看出,随着反应时间的延长,复合薄膜的抗张强度呈先增大后减小的趋势,而断裂伸长率呈先减小后增大的趋势,但无论是抗张强度还是断裂伸长率,复合薄膜均高于纯聚丙烯酸酯薄膜。这是因为随着反应时间的延长,ZnO的中空结构及组装情况发生变化,导致ZnO在聚丙烯酸酯分子链间产生的交联密度发生变化。
【参考文献】：
期刊论文
[1]衬底温度对铝掺杂氧化锌薄膜生长及其微结构性能的影响[J]. 陈首部,韦世良. 中南民族大学学报(自然科学版). 2015(03)
[2]水热生长直立均匀ZnO纳米棒阵列的影响因素[J]. 刘丹青,刘绍琴,姜兆华,杨彬. 石油化工高等学校学报. 2015(03)
博士论文
[1]抗菌型聚丙烯酸酯基纳米复合乳液的合成与性能研究[D]. 刘俊莉.陕西科技大学 2013
硕士论文
[1]聚丙烯酸酯/中空二氧化硅纳米复合皮革涂饰剂的制备及应用研究[D]. 杨永强.陕西科技大学 2014
本文编号：3046157
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