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聚苯乙烯胶态晶体的合成

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[研究简报]聚苯乙烯胶态晶体的合成郝凌云1,2　周　勇2　江万权2　朱玉瑞2　李凡庆3　胡　源1　陈祖耀2,3(1.中国科学技术大学火灾国家重点实验室;2.中国科学技术大学化学系;

3.中国科学技术大学结构研究开放实验室,合肥230026)

关键词　胶态晶体;单分散聚苯乙烯;自组装;反射光谱中图分类号　O631 文献标识码　A 文章编号　025120790(2001)1121945203

收稿日期:2000210210.

基金项目:国家自然科学基金(批准号:59572031和19772049)资助.

联系人简介:陈祖耀(1939年出生),男,教授,博士生导师,主要从事超导及纳米结构功能材料的研究.E2mail:czy@ustc.edu.cn

近年来,胶态晶体引起物理学家和化学家的共同关注[1].占据晶格点的纳米或微米级微粒自组装

行为[2]在光学显微镜和扫描电子显微镜下可被清晰地观察到,因此能作为研究晶体相变的模型[3],并

有助于人们加深对晶体中点缺陷、晶界及位错等现象的了解.胶态晶体所具有的周期性结构更使其在光学研究领域具有特殊意义.与半导体中电子的能带结构类似[4],胶态晶体中传播的光波色散曲线为

不连续的带状结构,被称为“光子晶体”(photoniccrystal).在禁带区(photonicbandgap)

,光被禁止传

播,而光散射加强,可将其应用于光电开关及光催化等方面[5].用直径约100nm

的聚苯乙烯胶态晶体

制备的新型拒波滤波器[6]已被用于喇曼光谱测定中以消除瑞利散射光的干扰.在材料科学研究中,胶态晶体可作为有序介孔材料的生长模板来制备拥有与光波长相当尺寸孔径的各类介孔材料,如表面催化剂、吸收剂、色谱材料、过滤膜、轻质材料以及热学、声学、电学的绝缘材料等.

本文采用种子乳液聚合方法制备粒径可控的单分散聚苯乙烯微球乳液,并利用聚苯乙烯微球的单分散性及在表面张力的驱使下易于自组装的特点,于室温下简便成膜,得到三维有序的胶态晶体结构.通过适当调节实验条件,胶态晶体中聚苯乙烯微球的粒径可方便地控制在50～400nm之间.对胶态晶体反射光谱的测定证明,粒径的减小使胶态晶体固有第一反射峰波长移向短波方向.

1　实验部分1.1　试剂　苯乙烯和丙烯酸在聚合前减压蒸馏.过硫酸钾和十二烷基硫酸钠(SDS)均为分析纯.1.2　聚苯乙烯种子乳液的合成　取二次蒸馏水90mL,加入到250mL的三颈瓶中,搅拌器保持转速为400r󰃗min,通N2气脱氧后,加入新鲜蒸馏的苯乙烯单体46mL以及丙烯酸单体4mL.以013g过硫酸钾为引发剂,SDS的量为0125g.在75℃恒温水浴中聚合6h.

1.3　溶胀和聚合　将不同量的聚苯乙烯种子乳液与100mL二次蒸馏水一起加入至250mL

的三颈瓶

中.引发剂的量为0115g,SDS的量小于其临界胶束浓度(CMC),新蒸苯乙烯单体的用量仍为46mL,

减少丙烯酸单体的量,调整聚合时间,得到不同粒径的单分散聚苯乙烯乳液.

1.4　合成聚苯乙烯胶态晶体　将单分散聚苯乙烯乳液置于培养皿中于室温下空气中静置干燥,溶剂的挥发及聚苯乙烯微球间的表面张力驱使单分散胶粒紧密而有序地组装成胶态晶体[7].

1.5　胶态晶体的表征　胶态晶体形貌用X2650型扫描电子显微镜(SEM)观察.对应胶粒的平均粒径由HitachiH2800透射电子显微镜(TEM)在200kV电压下进行表征.

2　结果与讨论2.1　聚苯乙烯胶态晶体的结构　在胶态晶体的制备过程中,许多因素均会影响合成的胶态晶体的结构.溶胀后聚苯乙烯胶粒粒径随聚苯乙烯种子乳液用量的增加而减小.但值得注意的是,当聚苯乙烯种子乳液用量超过14mL后,溶胀后得到的聚苯乙烯胶粒粒径出现不均匀现象.其次,为溶胀过程中

Vol.22高等学校化学学报　No.11　

2001年11月 CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES 1945～1947

乳化剂SDS的用量也会影响合成晶体的结构.实验中发现,SDS用量的适度范围在1～8×10

-4

g󰃗L之

间,过大或过小均导致聚苯乙烯胶粒粒径不均匀.最后,溶胀聚合时间的延长会使所得聚苯乙烯微球的粒径增大.考虑上述多种因素,合成的聚苯乙烯微球的粒径可以控制在50～400nm之间.图1

(

A)

和(B)分别为合成的300nm和150nm胶态晶体表面形态的SEM照片(左上角分别为对应胶粒的

TEM照片).表层上成千上万个胶球呈六方密堆积,其中可明显观察到点缺陷、位错及晶界等晶体中

Fig.1　SEMimageofacolloidalcrystalassembledfrom300nm(A)and150nm(B)polystyrenelatex(surface

)

InsetsaretheTEMimagesof300nmand150nmpolystyrenelatexrespec2tively.

Fig.2　SEMimageof“polycrystal”phenomenainthepolystyrenecolloidalcrystal(cross-section)

Fig.3　SEMimageofcolloidalcrystal(surface)withthepolystyrenelatexfusingwitheachother(A),SEMimageofacolloidalcrystalassembledfrom300nmpolystyreneparticles(surfaceandcross-section)(B)andof150nmPSgrowthalongthecolloidalcrystalof300nmPS(surface)(C)

Fig.4　Reflectancespectraofthecolloidalcrystalswithvarioussizesofpolystyrenelatex

常见的现象[8].溶胀后所得聚苯乙烯单分散乳液的干燥温度也会对合成胶态晶体的结构产生直接影

响.众所周知,自组装主要依赖于热运动,而且这种热运动依赖于粒子间以及粒子与其环境之间的相互作用[9].单分散聚苯乙烯乳液在温和的室温条件下缓慢地干燥24h,使得晶体在干燥过程中很好地

生长,组装为热力学稳定的六方相.若将乳液于90℃烘箱快速干燥,胶态晶体内部“多晶”现象明显增多(图2),且胶粒间易发生熔合[图3

(

A)].图3(B)则是与图1(A)对应的晶体的断面形貌.由此可见

,

晶体的三维有序周期性结构从表面一直延伸到晶体的内部.聚苯乙烯微球仍以纯的六方相密堆积,没有发现立方阵列结构存在[1].室温下若先将300nm

粒径

的聚苯乙烯乳液在载玻片上干燥成膜后,再沿膜边缘将150nm粒径的聚苯乙烯乳液干燥,则150nm胶球的堆积方向与300nm胶球的堆积方式相同,说明前一种胶态晶体的结构对后一种胶态晶体的生长有重要影响[图3

(

C)

].

2.2　聚苯乙烯胶态晶体的反射光谱　由于合成的聚

6491 高等学校化学学报Vol.22苯乙烯胶态晶体胶粒粒径与可见光波长相比拟,Bragge散射作用使其均具有明亮的衍射斑纹.颜色与颗粒大小对应:100nm为蓝紫色、200nm为黄绿色、300nm则为橙红色,这是长程有序晶体结构的一种宏观反映.因胶态晶体膜较厚,透光率极低,反射是其主要的光学性质[10].在UV2365型紫外光

谱仪上测定聚苯乙烯胶态晶体的反射光谱(图4)时发现,200nm粒径对应480nm的反射峰,300nm

粒径反射峰则在760nm.由此说明反射是胶态晶体所固有的光学特性,而且其反射光谱第一信号峰位随着聚苯乙烯胶粒粒径的增加移向长波方向.

参　考　文　献　1　OrlinD.V.,AbrahamM.L.,EricW.K..Science[J],2000,287:2240—2243

　2　ImhofA.,PineD.J..Nature[J],1997,389:948—951

　3　AckersonB.J.,SchatzelK..PhysicalReviewE.[J],1995,52(6):6448—6460

　4　YablonocitchE..Phys.Rev.Lett.[J],1987,58:2059—2062

　5　JoannopoulosJ.D.,VilleneureP.R.,FanS..Nature[J],1997,386:143—149

　6　FlaughP.L.,O′DonnellS.E.,AsherS.A..AppliedSpectroscopy[J],1984,38(6):847—850

　7　WANGLi2Jun(王利军),YANGZhen2Zhong(杨振忠),LIUZheng2Ping(刘正平)etal..Chem.J.ChineseUniversities(

高等学校

化学学报)[J],2000,21(3):488—490

　8　LIYan(李　彦),GUZhen2Nan(顾镇南).Chemistry(化学通报)[J],2000,(1)

:6—8

　9　LauremeR.,LubenskyT.C.,PhilipNelsonN.D.etal..Science[J],1999,286:2325—2328

　10　HaroldM.P..MRSBull.[J],1994,19:34—39

FabricationofPolystyreneColloidalCrystalsHAOLing2Yun1,2,ZHOUYong2,JIANGWan2Quan2,ZHUYu2Rui2LIFan2Qing3,HUYuan1,CHENZu2Yao2,33(1.StateKeyLaboratoryforFireScience;2.DepartmentofChemistry;

3.StructureResearch,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China

)

Abstract　Inthispaper,wehavesuccessfullyfabricatedthecolloidalcrystalsofmonodispersedpolystyrenelatex.Styrenewaspolymerizedindegassedwaterat75℃,usingpotassiumpersulfateasaninitiator.Thesurfactantwassodiumdodecylsulfate(SDS).Firstly,themonodispersedpolystyrenelatexwithanaveragediameterofsomenanometerswassynthesizedviaemulsionpolymerization,thenthesesmalllatexparticleswereusedtoactasseedsforfurthergrowth.Thesizeofpolystyrenelatexwascontrolledbetween50nmand400nmviadiversifyingtheconditionofpolymerization.Theresultedemulsionsolutioncouldaccumu2lateslowlytoformthree2dimensionalorderedstructure,whichwasinducedbycapillaryasthesolvente2vaporatingatroomtemperature.Theopalisclose2packedfacecentercubic(f.c.c)latticeofpolystyrenela2tex.Defectssuchasvacancies,dislocationsorgrainboundariescouldbeobviouslyobservedfromtheSEMimages.Reflectancespectrashowedtheredshiftofspecularreflectivitypeakforthepolystyrenecolloidalcrystalasthesizeofpolystyrenelatexincreasing.Itwasdemonstratedthatthereflectanceisintrinsicprop2ertyofthesecolloidalcrystals.Thisprovidesidealmodelfortheresearchandapplicationofphotoniccrys2talsandformusefultemplateforgrowthofvariousorderedmacroporousmaterials.Keywords　Colloidalcrystal;Monodispersedpolystyrenelatex;Selfassemble;Reflectancespectra(Ed.:W,L)

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聚苯乙烯微球的制备方法

聚苯乙烯微球的制备方法

聚苯乙烯微球的制备方法聚苯乙烯微球是一种在生物医学、材料科学、能源等领域应用广泛的微纳米材料。

制备聚苯乙烯微球不仅可以通过实验室和工业规模的方法进行，而且已经被广泛研究。

本文将介绍几种不同的方法，以及它们的优缺点。

一、乳液聚合法乳液聚合法是制备聚苯乙烯微球最常见的方法之一。

它的基本流程是在水相中加入单体丙烯腈（AN）和苯乙烯（St），并加入表面活性剂和十二烷基苯磺酸钠（SDBS），以及过氧化苯甲酰（BPO）作为引发剂进行聚合反应。

表面活性剂是用来降低微球的粘度和防止微球的凝聚，并有助于微球的均匀分布。

反应结束后，微球通过离心分离、洗涤、干燥等步骤进行纯化和收集。

优点：乳液聚合法制备的聚苯乙烯微球尺寸均匀，制备过程简便，且成本相对较低。

缺点：乳液聚合法的最大缺点是产生大量的废水，对环境有一定的污染。

二、辅助乳液法辅助乳液法是在乳液聚合法的基础上进行改进的方法，使用辅助表面活性剂来替代传统的表面活性剂，并使用单一引发剂来替代等量的两种引发剂，以减少废水的产生量。

辅助乳液法的基本步骤与乳液聚合法类似。

优点：与乳液聚合法相比，辅助乳液法可以减少废水的产生，对环境污染更小。

缺点：辅助乳液法的固相产率较低，微球的形态易发生变化，粘性较大，难以得到较大的微球。

三、反应溶剂剥离法反应溶剂剥离法是一种将单体反应所需的有机溶剂作为剥离剂的方法。

该方法的基本流程如下：将需要制备聚苯乙烯微球的有机溶剂、单体丙烯腈和苯乙烯混合，加入引发剂、表面活性剂和剥离剂进行聚合反应。

反应后，将微球分离、洗涤和干燥。

优点：反应溶剂剥离法可以制备规模较大的聚苯乙烯微球，而且微球的形态和尺寸分布较均匀。

缺点：反应溶剂剥离法的缺点是需要大量的有机溶剂，并且需要处理溶剂和废水。

微球的悬浮性较强，制备过程中难以调控聚合反应。

四、界面反应法界面反应法是指在水-油界面或水-空气界面上进行的聚合反应。

该方法的基本流程是在水相中溶解表面活性剂和单体丙烯腈、苯乙烯等单体，将油相浸入水相中。

sbs合成机理

sbs合成机理

SBS合成机理合成橡胶是一门重要的化工领域，SBS（聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）橡胶是一种常见的合成橡胶类型。

SBS橡胶由苯乙烯和丁二烯以及其他辅助原料在特定条件下聚合而成。

SBS合成机理涉及到聚合反应的过程、催化剂的选择和反应条件的控制等方面。

首先，SBS的合成一般是通过烃类单体的离子聚合反应来实现的。

苯乙烯和丁二烯分别是聚苯乙烯和聚丁二烯的单体，它们在反应中通过特定的催化剂参与聚合反应。

常用的催化剂包括阳离子催化剂或阴离子催化剂，其作用是引发单体之间的化学反应，从而形成聚合物链。

在SBS的合成中，这些催化剂通常是铝烯烃类或锂化合物。

其次，SBS的合成过程中需要控制反应条件以获得理想的聚合产物。

温度、压力、反应时间等条件的选择对于聚合反应的进行至关重要。

温度的控制可以影响聚合反应的速率和产物的分子量，较高的温度通常有利于提高反应速率但可能导致产物分子量过高。

压力则影响反应的平衡位置和反应速率，通常需要合理选择以确保反应的进行。

此外，反应时间也需要精确控制以获得所需的聚合程度和产物质量。

另外，SBS橡胶的性能受到合成工艺的影响。

聚合过程中单体的摩尔比例、聚合物的结构和分子量分布等因素都会对最终的产物性能产生影响。

合成过程中还可能需要引入交联剂或增塑剂等辅助原料来改善聚合物的性能。

总的来说，SBS的合成机理是一个复杂的过程，需要精确的操作和控制。

通过合理选择催化剂、控制反应条件和优化工艺流程，可以获得具有良好性能的SBS橡胶产品。

未来随着合成技术的不断进步，SBS橡胶的生产工艺也将逐步完善，为橡胶制品行业带来更多的创新和发展。

1。

聚苯乙烯微球的制备及其在光子晶体中的应用_周之燕

聚苯乙烯微球的制备及其在光子晶体中的应用_周之燕

V ol 138N o 19#8#化 工 新 型 材 料N EW CH EM ICAL M A T ERIA L S 第38卷第9期2010年9月基金项目:陕西省教育厅专项(07JK195);陕西科技大学博士科研启动基金项目(BJ09-11)作者简介:周之燕(1985-),女,在读硕士,师承王秀峰教授,主要从事复合材料方面研究。

聚苯乙烯微球的制备及其在光子晶体中的应用周之燕1 王秀峰1 师 杰2 张新孟1(11陕西科技大学材料科学与工程学院,西安710021;21西安工业大学材料与化工学院,西安710032)摘 要 亚微米级聚苯乙烯微球是一类常见的制备光子晶体的材料。

综述了分散聚合法和乳液聚合法制备光子晶体用单分散聚苯乙烯微球的研究进展;介绍了聚苯乙烯胶体球在蛋白石结构、反蛋白石结构和可调制光子晶体中的应用进展;并提出了今后的研究方向。

关键词 光子晶体,单分散聚苯乙烯微球,蛋白石,反蛋白石,可调制光子晶体Fabrication of polystyrene microsphere and its applicationin the photonic crystalZho u Zhiy an 1 Wang Xiufeng 1 Shi Jie 2 Zhang Xinm eng 1(11Schoo l of M aterial Science and Eng ineering ,Shaanxi U niv ersity o f Science&T echno logy ,Xi .an 710021;21School of M aterial and Chemical Eng ineering,Xi .an U niversity of Scho ol o f Technolog y,Xi .an 710032)Abstract Sub-micr on po ly st yrene pho tonic cry st als is a kind o f co mmon materials for per par ing photo nic cry sta ls.T he development o f the dispersio n po lymer izatio n and emulsio n polymerization wer e r eview ed,w hich were used to prepare the mo no dispersed po ly styr ene micr ospher e.W hile the monodispersed polysty rene wer e obtained,po ly styr ene photonic crystal can be pr epar ed by t he self -assembly metho d.At last,the advance of o pa l,Inv erse opal,tunable pho tonic cry stal wer e int roduced.A t last,the perspectiv e of the futur e research wer e pr edicted.Key words pho tonic cry sta l,mo no disper sed po ly styr ene micr ospher e,opal,inver se o pal,tunable pho tonic cry stal光子晶体材料又称光子带隙材料,指介电常数(折射率)周期性变化的材料,最早是由美国科学家Yablo no vitch [1]和Jo hn [2]在研究自辐射和光子局域化时提出的。

聚苯乙烯微球的合成实验步骤（图文说明）

聚苯乙烯微球的合成实验步骤（图文说明）

聚苯乙烯微球的合成实验步骤（图文说明）01实验部分取一定量的苯乙烯（使用前经减压蒸馏）单体，用K2S2O8 （AR，使用前经重结晶）作引发剂，以NaCl（AR，使用前经重结晶）调节乳液离子浓度，在一定的搅拌速度下，通氮气回流，聚合反应24h。

确定一定量的苯乙烯单体及离子强度，在一定的搅拌速度下，通氮气回流，聚合温度取70°C。

分别取不同反应时间的聚合物乳胶，研究反应时间对粒径的影响。

02结果分析离子强度对聚合物微球粒径的影响控制其他参数固定（单体浓度为0.87mol /L、引发剂浓度为4.3×10-3 mol /L、聚合温度为70°），单独改变离子浓度，微球粒直径随着离子强度的增大而变大，结果如下图。

由于所用的引发剂为离子型引发剂( K2S2O8 )，引发剂分裂碎片附在高聚物周围，由于静电排斥作用保持体系的稳定。

当加入氯化钠电解质时，随着离子强度增大，乳胶粒双电层变薄，静电排斥力逐渐下降，体系变得越来越不稳定，使得初始离子失去稳定性而彼此凝结，胶乳粒径变大，形成粒径较大的聚合物微球。

反应时间对聚合物粒径的影响在其他影响参数固定的情况下，单独改变反应时间，不同时间下聚合物微球的TEM照片和影响曲线如下图所示。

聚苯乙烯磁性微球聚苯乙烯磁性微球0.5-1.0 um聚苯乙烯磁性微球1.0-2.0 um聚苯乙烯磁性微球2.0-3.0 um聚苯乙烯磁性微球3.0-4.0 um聚苯乙烯磁性微球4.0-5.0 um聚苯乙烯磁性微球0.5-1.0 um聚苯乙烯磁性微球1.0-2.0 um聚苯乙烯磁性微球2.0-3.0 um聚苯乙烯磁性微球3.0-4.0 um聚苯乙烯磁性微球4.0-5.0 um聚苯乙烯磁性微球0.5-1.0 um聚苯乙烯磁性微球1.0-2.0 um聚苯乙烯磁性微球2.0-3.0 um聚苯乙烯磁性微球3.0-4.0 um聚苯乙烯磁性微球4.0-5.0 um聚苯乙烯磁性微球0.5-1.0 um聚苯乙烯磁性微球1.0-2.0 um聚苯乙烯磁性微球2.0-3.0 um聚苯乙烯磁性微球3.0-4.0 um聚苯乙烯磁性微球4.0-5.0 um聚苯乙烯磁性微球1.0-2.0 um聚苯乙烯磁性微球交联聚苯乙烯微球交联聚苯乙烯微球，6μm2.50%交联聚苯乙烯微球，7μm2.50%交联聚苯乙烯微球，8μm2.50%交联聚苯乙烯微球，9um2.50%交联聚苯乙烯微球，10μm2.50%交联聚苯乙烯微球，12μm2.50%.交联聚苯乙烯微球，13μm2..50%交联聚苯乙烯微球，14μm2.50%交联聚苯乙烯微球，15um2.50%交联聚苯乙烯微球，17μm2.50%交联聚苯乙烯微球，18μm2.50%交联聚苯乙烯微球，20μm2..50%交联聚苯乙烯微球，22μm2.50%交联聚苯乙烯微球，23μm-24μm2..50%交联聚苯乙烯微球，24μm2.50%交联聚苯乙烯微球，30μm-40μm2.50%交联聚苯乙烯微球，40μm-50μm2.50%交联聚苯乙烯微球，50μm-65μm.2.50%交联聚苯乙烯微球，90μm-110μm2.50%交联聚苯乙烯微球，110μm-150μm2..50%交联聚苯乙烯微球，180μm-220μm2.50%交联聚苯乙烯微球，220μm-250μm2.50%wyf 01.07。