PS/Fe3O4復(fù)合材料的制備及其磁性能*

王固霞，徐衛(wèi)兵，文淵

(1.合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230009;2.北方民族大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

PS/Fe3O4復(fù)合材料的制備及其磁性能*

王固霞1，2，徐衛(wèi)兵1，文淵2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230009;2.北方民族大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

以苯乙烯為單體，四氧化三鐵納米粒子(Fe3O4)為磁性體，采用超聲輻照乳液聚合法制備了PS/Fe3O4復(fù)合粒子(1，1.0μm～100.0μm)，其結(jié)構(gòu)和磁性能經(jīng)FT-IR，XRD和VSM表征。結(jié)果表明，核殼之間發(fā)生了相互作用，F(xiàn)e3O4和PS分別以單一相反尖晶石和無(wú)定型態(tài)存在于1中;1具有超順磁性，飽和強(qiáng)度為8.333 3 emu·g-1。

苯乙烯;Fe3O4;聲化學(xué);乳液聚合;制備;磁性能

隨著科技的高速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)材料的性能要求日益嚴(yán)苛，單一性能的材料不能滿(mǎn)足人們的需要。因而，對(duì)功能復(fù)合材料的研究已成為近年來(lái)的熱點(diǎn)。聚合物基磁性納米復(fù)合材料作為一種新型功能材料，兼具磁性材料和聚合物材料的雙重特性，在空間技術(shù)、微電子、通訊、儀表等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1，2］。此外，聚合物基磁性復(fù)合材料密度小、易加工、耐沖擊、尺寸變化小、生產(chǎn)效率高，因而發(fā)展迅猛。

聲化學(xué)［3］為一般條件下難以實(shí)現(xiàn)或不可能實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)提供了一種新的非常特殊的物理化學(xué)環(huán)境［4］。研究［5-7］表明，超聲波具有強(qiáng)烈的分散、攪拌、乳化、引發(fā)等多重作用。與常規(guī)聚合方法相比，超聲輻照引發(fā)聚合具有不需引發(fā)劑、顯著降低乳化劑的含量、聚合反應(yīng)可在低溫進(jìn)行且反應(yīng)速率快、轉(zhuǎn)化率高等特點(diǎn)。

本文以苯乙烯為單體，四氧化三鐵納米粒子(Fe3O4)為磁性體，采用超聲輻照乳液聚合法制備了PS/Fe3O4復(fù)合粒子(1)，粒徑1.0μm～100.0 μm，其結(jié)構(gòu)和磁性能經(jīng)FT-IR，XRD和VSM表征。結(jié)果表明，核殼之間發(fā)生了相互作用，F(xiàn)e3O4和PS分別以單一相反尖晶石和無(wú)定型態(tài)存在于1中;1具有超順磁性，飽和強(qiáng)度為8.333 3 emu·g-1。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Nicolet-560型傅立葉變換紅外光譜儀;XRD-6000型X射線衍射儀(XRD);Bettersize-2000型激光粒度分析儀;Lake Shore 7410 VSM型振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM);JY98-ⅢN超聲波發(fā)生器［頻率20 kHz，變幅桿φ=20 mm，輸出功率300 W～1 200 W］;反應(yīng)裝置為自行設(shè)計(jì)。

苯乙烯，分析純，天津北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品有限公司，用前分別經(jīng)10%NaOH水溶液和蒸餾水洗滌，無(wú)水硫酸鈉干燥，減壓蒸餾后低溫保存?zhèn)溆? Fe3O4納米粒子，北京納辰科技發(fā)展有限責(zé)任公司，用前經(jīng)純化處理;硅烷偶聯(lián)劑(KH570)、十二烷基硫酸鈉(SDS)和無(wú)水乙醇均為分析純，天津北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開(kāi)發(fā)有限公司。

1.2 制備

(1)Fe3O4的表面修飾

在燒杯中加入蒸餾水50 mL，攪拌下依次加入濃硫酸1.5 mL和KH570 1.5 mL，攪拌均勻后加入Fe3O41.36 g制得溶液A。

在圓底燒瓶中加入A，攪拌下于85℃(浴溫)回流反應(yīng)4 h。過(guò)濾，濾餅干燥得純化的Fe3O42.30 g。

(2)1的制備

在自制的反應(yīng)器中依次加入純化的Fe3O42.30 g，苯乙烯30 mL，去離子水50 mL及乳化劑SDS 0.95 g(用量為苯乙烯的3.5 w t%)。通氮排氣5 min后，開(kāi)啟超聲波引發(fā)聚合反應(yīng)，氮?dú)獗Ｗo(hù)(50 mL·min-1)下于25℃(循環(huán)水浴溫度)反應(yīng)110 min。冷凍后經(jīng)無(wú)水乙醇破乳，過(guò)濾，沉淀用蒸餾水洗滌，干燥得淺褐色固體1。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

(1)FT-IR

圖1為1的FT-IR譜圖。由圖1可見(jiàn)，3 026 cm-1處的吸收峰為苯環(huán)上C-H伸縮振動(dòng)和苯環(huán)骨架振動(dòng)的合頻峰，2 922 cm-1處的吸收峰為亞甲基反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰，2 851 cm-1處的吸收峰為亞甲基對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰，上述特征峰均為PS的特征吸收峰。值得注意的是，F(xiàn)e3O4的特征峰本來(lái)位于指紋區(qū)的550 cm-1處，而在圖1中卻紅移至518 cm-1處，這是由于Fe3O4經(jīng)表面改性處理后與殼層聚苯乙烯發(fā)生了相互作用所致。

圖1 1的FT-IR譜圖Figure 1 FT-IR spectrum of1

圖2 Fe3O4和1的XRD譜圖Figure 2 XRD patterns of Fe3O4and 1

(2)XRD

圖2為Fe3O4和1的XRD譜圖。由圖2可見(jiàn)，六個(gè)特征峰(30.1°，35.5°，43.1°，53.4°，57.0°和62.9°)分別對(duì)應(yīng)不同的晶面［(220)，(311)，(400)，(422)，(511)和(440)］，與Fe3O4的標(biāo)準(zhǔn)圖譜一致［8］，表明該Fe3O4為純單一相的反尖晶石型。兩組XRD譜線基本沒(méi)有差別，說(shuō)明Fe3O4晶相并未因PS的包覆而改變。此外，兩組譜線中均未出現(xiàn)其他雜質(zhì)峰，說(shuō)明PS在1中基本上是以無(wú)定型狀態(tài)存在。

圖3 1的粒徑分布Figure 3 Particle size distribution of 1

圖4 1的磁滯回線Figure 4 Magnetization curve of 1

(3)PSD

圖3為1的粒度分析結(jié)果。由圖3可見(jiàn)，1的粒度分布在1.0 um～100.0 um，而Fe3O4的粒度分布在0.1 um～10.0 um，與Fe3O4相比，1的粒徑明顯增加，說(shuō)明Fe3O4已被PS包覆。粒徑在5.0 um～20.0 um的粒子占總粒子數(shù)的45%，接近總數(shù)量的一半，而在1.0 um以下的粒子比例不到1%。與未處理過(guò)的Fe3O4相比，用KH570進(jìn)行表面處理效果明顯，其一端“錨固”在Fe3O4表面，另一端與苯乙烯共聚，有效改善了聚合物與內(nèi)核粒子間的作用力，從而促進(jìn)了核殼結(jié)構(gòu)的形成。

2.2 磁性能

圖4是1的磁滯回線。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)磁場(chǎng)H=0時(shí)，磁性聚合物微球沒(méi)有剩磁，說(shuō)明1具有超順磁性，且飽和強(qiáng)度為8.333 3 emu·g-1。磁性聚合物微球產(chǎn)生超順磁性的原因，可能是由于Fe3O4粉末在超聲分散作用下都以單個(gè)微粒的形式存在于聚合物微球中，產(chǎn)生的磁矩方向一致，在外部磁場(chǎng)的作用下沿其磁疇方向達(dá)到飽和，而在外部磁場(chǎng)消失時(shí)，磁疇取向表現(xiàn)得雜亂無(wú)序，因此就不存在剩磁現(xiàn)象。

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Preparation and M agnetic Property of Ps/Fe3O4Composite M aterials

WANG Gu-xia1，2，XUWei-bing1，WEN Yuan1
(1.School of Chemical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei230009，China; 2.College of Chemistry＆Chemical Engineering，Beifang University of Nationalities，Yinchuan 750021，China)

PS/Fe3O4compositematerial(1，1.0μm～100.0μm)was prepared by ultrasonically initiated emulsion polymerization using styrene as themonomer and Fe3O4as themagnetic substance.The structure，phase composition and magnetic property of 1 were investigated by FT-IR，XRD and VSM.The results showed that PS(amorphous)interacted with Fe3O4(inverse spinel)in the core-shell structure of 1，which was superparamagnetic with saturation intensity of 8.333 3 emu·g-1.

polystyrene;iron oxide;sonochemistry;emulsion polymerization;preparation;magnetic property

O631.5;TB33

A

1005-1511(2014)02-0259-03

2013-01-06;

2013-12-16

寧夏自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(NZ11141);省部共建“粉體材料與特種陶瓷”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(20111101)

王固霞(1978-)，女，漢族，寧夏固原人，博士研究生，講師，主要從事天然高分子改性和環(huán)境友好材料的研究。E-mail:guxia511@163.com

徐衛(wèi)兵，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:weibingxu@hfut.edu.cn