利用乳化劑十二烷基硫酸鈉 以乳化聚合方式製備高衝擊強度 聚苯乙烯/埃洛石奈米複合材料

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1 利用乳化劑十二烷基硫酸鈉 以乳化聚合方式製備高衝擊強度 聚苯乙烯/埃洛石奈米複合材料
Yong Lin, Kai Mo Ng,, Chi-Ming Chan , Guoxing Sun, Jingshen Wu Journal of Colloid and Interface Science 358 (2011) 423–429 Ϙ 班 級：化材四甲 Ϙ 學 號： Ϙ 姓 名：鄭 佳 宜 Ϙ 授課教師：謝 慶 東 教授

2 摘 要 利用乳化劑十二烷基硫酸鈉(SDS)以乳化聚合方式製備高衝擊強度聚苯乙烯(PS)／埃洛石奈米複合材料(HNTs)。
摘 要 利用乳化劑十二烷基硫酸鈉(SDS)以乳化聚合方式製備高衝擊強度聚苯乙烯(PS)／埃洛石奈米複合材料(HNTs)。 十二烷基硫酸鈉(SDS)對於埃洛石奈米複合材料(HNTs)在水溶液中是良好的分散劑。 聚苯乙烯奈米球分離單獨的HNTs導致乳液聚合。由透射電子顯微鏡(TEM)顯示HNTs在PS基材中均勻的分散。

3 摘 要 PS/HNT奈米複合材料之性質使用差示掃描量熱儀(DSC)、傅立葉轉換紅外線光譜儀(FT-IR)和熱重分析儀(TGA)來作分析。
摘 要 PS/HNT奈米複合材料之性質使用差示掃描量熱儀(DSC)、傅立葉轉換紅外線光譜儀(FT-IR)和熱重分析儀(TGA)來作分析。 PS/HNTs奈米複合材料的衝擊強度300%，比排列整齊的PS(neat PS)高出很多。 本篇報告提出一種簡單可行的方法製備高衝擊強度的PS/HNTs奈米複合材料。

4 簡 介 埃洛石奈米碳管(HNTS)是普遍存在於土壤和風化的岩石內自然產生的矽酸鹽奈米碳管。一些研究報導了環氧樹脂內的HNTS、耐綸6及天然橡膠的補強效果。 已進行許多嘗試，試圖藉由加入橡膠粒子或無機粒子來改善聚苯乙烯的韌性。

5 簡 介 在本篇報告中，藉由乳液聚合將苯乙烯分散於HNTS的懸浮液中，其懸浮液為以十二烷基硫酸鈉(SDS)作為分散劑。
簡 介 在本篇報告中，藉由乳液聚合將苯乙烯分散於HNTS的懸浮液中，其懸浮液為以十二烷基硫酸鈉(SDS)作為分散劑。 在聚苯乙烯(PS)基材中可觀察到HNTS。此外，PS/HNT奈米複合材料達到顯著改善衝擊韌性。簡要的討論增韌機制。

6 實 驗 材 料 Al2Si2O5(OH)4· 2H2O 聚苯乙烯 (PS) 十二烷基硫酸鈉(SDS) 埃洛石奈米碳管(HNTs)
過硫酸銨(APS) Al2Si2O5(OH)4· 2H2O

7 實 驗 方 法 乾的埃洛石奈米碳管HNTS(5.0 g) 和十二烷基硫酸鈉SDS(1.0 g)加入三頸圓底燒瓶中
加入去離子水(300 ml) 超音波震盪20分鐘 以及磁石攪拌20分鐘 過硫酸銨(0.57 g) 另外攪拌10分鐘 在氬氣環境下，水浴溫度70–75°C，加入苯乙烯(95.0 g) 以及用轉速400rpm攪拌18 小時

8 加入500ml的去離子水到懸浮液中 抽氣過濾 用去離子水清洗材料(1000 ml)，在空氣中乾燥24小時，再在真空40–45°C下乾燥20小時 表1. GPC測定PS的分子量

9 結果與討論 在TEM的顯微照片中可清楚的看到HNTS多壁中空的結構 奈米碳管的內部直徑為20奈米，外部直徑為50奈米
圖1. HNTS的微觀型態: (a) SEM 和 (b) TEM 顯微照片 在TEM的顯微照片中可清楚的看到HNTS多壁中空的結構 奈米碳管的內部直徑為20奈米，外部直徑為50奈米

10 結果與討論 HNTs Al-OH : 3694 cm-1 3628 cm-1 Si-O : 1113 cm-1 1032 cm-1 PS
C-H bending : 1442 cm-1 , 1491 cm-1 C-H stretching : 2840 cm-1 , 2920 cm-1 圖2. HNTs、排列整齊的PS、PS-H05 和PS-H10的FTIR圖

11 結果與討論 圖3(a)中，在低倍率的顯微圖片可看到許多群集。 因NHTS在PS基材中的良好分散性，藉由PS
圖3. PS/HNT奈米複合材料的SEM顯微照片 圖3(a)中，在低倍率的顯微圖片可看到許多群集。 因NHTS在PS基材中的良好分散性，藉由PS 奈米球，HNT被分離及HNT團聚物分解。

12 結果與討論 親水性表面 假設HNTs分散良好 可得到PS奈米球的混合物和單獨的HNTS被製成。 形成苯乙烯微胞

13 結果與討論 圖5. PS-H10 的TEM圖 (a)低倍率 (b)高倍率 觀察TEM圖發現HNTS單獨分散在PS基材中。

14 結果與討論 透過HNT管腔的分解產品的包裝被提出主要是 在改善高分子聚合物在HNTs中的熱降解。 圖6. 排列整齊的PS、PS-H05和
PS-H10的TGA曲線 圖7. 排列整齊的PS、PS-H05和 PS-H10的DTG曲線 透過HNT管腔的分解產品的包裝被提出主要是 在改善高分子聚合物在HNTs中的熱降解。

15 結果與討論 PS-H05和PS-H10比排列整齊的PS低3和6°C。PS的Tg下降顯示出PS和HNTs之間的相互作用並不強。

16 結果與討論 59.1 ± 4.8 J/m 35.0 ± 6.9 J/m 19.5 ± 3.6 J/m 圖9. 排列整齊的PS和PS/HNT奈米複合材料的缺口懸臂粱衝擊強度 這些結果清楚顯示，添加5wt.%的HNTs會改善PS的衝擊強度至300%，而添加更多的HNTs會降低PS/HNT奈米複合材料的衝擊強度。

17 結果與討論 進一步增加填料加入量從5至10 wt.%，並未導致硬度成比 例增加，由此指出PS基材與HNTs之間的相互作用很弱。
圖10. 排列整齊的PS和PS-H05和PS-H10的儲能彈性模量 進一步增加填料加入量從5至10 wt.%，並未導致硬度成比 例增加，由此指出PS基材與HNTs之間的相互作用很弱。

18 結果與討論 少數單獨的HNTs分別位於PS和HNTs之間的中心和裂紋形成的界面。由此指出，有一疏密力作用在PS基材上好遠離HNTs。
凹坑狀結構 圖11. PS-H05奈米複合材料斷裂面的SEM顯微照片 直立的HNT-端指出抽出HNT是主要的斷裂活動。 光滑的HNT表面證實了HNT和PS之間的黏合力不是很強

19 結果與討論 圖12. PS-H05奈米複合材料鄰近斷裂面邊緣的SEM顯微照片 在PS中，很少會發現鄰近邊緣斷裂面的衝擊樣品有大量的剪切產生。

20 結果與討論 總結，PS/HNT奈米複合材料增韌事件順序可看出 (1) 內置在HNT周邊的疏密應力場導致應力集中在嵌入 式奈米管
(2)在奈米管與相鄰HNTs架橋連接的大面積地方尖端有 大量裂紋產生 (3)有穩定的裂紋，由於黏著力很弱，在奈米管被拉出和 PS-HNT界面的局部化產生剪切，進一步在HNT-PS 界面裝載啟動剝落汽蝕 (4)在相鄰HNTs之間，PS韌帶產生塑性變形，導致在斷 裂面上有大量的凹坑

21 結 論 HNTs藉由乳化聚合以苯乙烯存在於HNTs中製備具有良好分散力的PS/HNT奈米複合材料。
結 論 HNTs藉由乳化聚合以苯乙烯存在於HNTs中製備具有良好分散力的PS/HNT奈米複合材料。 PS/HNT奈米複合材料可改善熱穩定性和提高機械性能。 此外，PS/HNT奈米複合材料含有5wt.%HNTs與排列整齊的PS相比，有改善衝擊強度達300%。這是第一個例子使用無機的填料增韌脆性高分子聚合物。

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