1、分散夢(mèng)魘
考慮到納米復(fù)合材料巨大的界面面積對(duì)材料綜合性能提供了機(jī)遇的同時(shí),也對(duì)納米粒子的分散提出了挑戰(zhàn),推導(dǎo)出了0-3、1-3、2-3型納米復(fù)合材料,分散所需克服的能壘與分散相表面張力、連續(xù)相表面張力、它們之間的接觸角以及分散相形狀、分散相尺寸、分散相體積分?jǐn)?shù)等因素的函數(shù)關(guān)系。
(1)、球形分散相0-3型納米復(fù)合材料分散所需克服的能壘
納米粒子浸入連續(xù)相深度h后橫截面(見(jiàn)圖1),體系自由能變化的始終態(tài)為:C
HV4fV}2m
相應(yīng)h深粒子SG表面(GSG)+粒子在LG的投影面(GLG)→浸沒(méi)h深粒子SL界面(GSL)
圖1、納米粒子浸入連續(xù)相深度h后橫截面示意圖
(2)、 棒形分散相1-3型納米復(fù)合材料分散所需克服的能壘
(3)、片形分散相2-3型納米復(fù)合材料分散所需克服的能壘+AG-{sn$lAK
(4)、分散所需克服的能壘與納米分散相形狀的關(guān)系
圖2、不同形狀納米分散相粒子分散所需克服的能壘隨接觸角的變化
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從圖2可以看出,納米粒子分散所需克服的能壘在接觸角為0(界面相容)時(shí)趨于0;隨接觸角增大而迅速增大,當(dāng)接觸角接近π(界面不相容)時(shí)達(dá)到大值。當(dāng)長(zhǎng)徑比(徑厚比)等于1時(shí),納米棒形粒子與納米圓盤形粒子相同,并趨近于納米球形粒子。納米圓盤型粒子,在接觸角0-π范圍內(nèi)分散所需克服的能壘小。在界面基本相容區(qū)間(接觸角0-π/2范圍),棒形粒子分散所需克服的能壘略微大于球形粒子,而在界面基本不相容區(qū)間(接觸角π/2-π范圍),球形粒子分散所需克服的能壘大于棒形粒子。在分散相體積分?jǐn)?shù)相同、等尺寸分散相前提下,在理論上定量描述了分散所需克服的能壘隨分散相粒子尺寸減小、分散相體積分?jǐn)?shù)增大,而增大的一般趨勢(shì);進(jìn)一步揭示出隨接觸角減小,分散所需克服的能壘減小。在其它因素相同情況下,球形粒子分散所需克服的能壘高;薄圓盤形粒子分散所需克服的能壘低;細(xì)棒形粒子居中。!hO3Np@~*R
2、峰回路轉(zhuǎn)
將蒙脫土分散在水中后,由于層間陽(yáng)離子的水合作用,以及層外自由水分子向?qū)娱g的滲透膨脹作用,使蒙脫土001 面間距(d001)增大,同時(shí)建立起由帶負(fù)電荷的蒙脫土片表面,與其附近擴(kuò)散分布的陽(yáng)離子形成的雙電層。雙電層之間的靜電斥力克服蒙脫土片層間的范德華引力,造成相鄰蒙脫土片層互相*近所需跨越的能壘,使納米量級(jí)厚度的蒙脫土片均勻分散在水中,形成穩(wěn)定的溶膠分散體系,并使之不易絮凝和聚結(jié),從而提高其分散和聚沉穩(wěn)定性。根據(jù)膠體分散穩(wěn)定性(DLVO)理論,定量計(jì)算出蒙脫土溶膠分散體系穩(wěn)定性見(jiàn)圖3。
www.nanost.net4Q#F3、柳暗花明
"p6es'?3W?G bCg 聚合物對(duì)蒙脫土的插層及其層間膨脹過(guò)程是否能進(jìn)行,取決于該過(guò)程中自由能的變化(ΔG 是否小于0) ,若ΔG < 0 ,則此過(guò)程能自發(fā)進(jìn)行。對(duì)于等溫過(guò)程:
ΔG =ΔH - T ΔS (1)
[m3B C%d*b 要使ΔG < 0 ,則需:
ΔH < T ΔS (2)
9z#e"s/a/e7{\\&[O)g*q7yX,`w2E!m\\ 滿足式(2)的條件有如下兩類過(guò)程和三種方式:
(A)放熱過(guò)程 ΔH < 0 ,且ΔS > 0
}*b,kb~$S T2Y-U ΔH < T ΔS < 0
1Ec U1nUs jH (B)吸熱過(guò)程 0 <ΔH < T ΔS
www.nanost.net,H h#J{*B(cA"L3@&HnM&mS"x0scDn 焓變ΔH 主要由單體或聚合物分子與粘土片層之間相互作用程度所決定,而熵變ΔS 則和單體分子以及聚合物分子的約束狀態(tài)有關(guān)。只有綜合分析PLS 納米復(fù)合材料制備過(guò)程中的焓變、熵變以及外界條件的影響,才能對(duì)特定的材料種類,選擇*的制備方法和有利的實(shí)施途徑。
單體插層原位聚合過(guò)程可分為兩個(gè)步驟:單體插層和原位聚合。對(duì)于單體插層步驟來(lái)說(shuō),單體分子從自由狀態(tài)變?yōu)閷娱g受約束狀態(tài),熵變ΔS1<0 ,所以焓變ΔH1是決定單體分子插層步驟的關(guān)鍵,若ΔH1<TΔS1<0 成立,則單體分子插層可自發(fā)進(jìn)行。而對(duì)于原位聚合反應(yīng)來(lái)說(shuō),因ΔS2<0 ,所以ΔH2<0 ,并滿足ΔH2< TΔS2<0 ,在等溫等壓下,該聚合反應(yīng)釋放出的自由能以有用功的形式,抵抗蒙脫土片層間的吸引力而作功,使層間距大幅度增加而形成剝離型PLS 納米復(fù)合材料。溫度升高既不利于單體插層又不利于聚合反應(yīng)。我們?cè)O(shè)計(jì)了己內(nèi)酰胺單體對(duì)經(jīng)質(zhì)子化己內(nèi)酰胺交換過(guò)的蒙脫土插層,然后熔融縮聚,成功地制備出剝離型尼龍6/蒙脫土納米復(fù)合材料及聚酯/蒙脫土納米復(fù)合材料。
4、驀然回首納米科技世界論壇, Nanoscience and Nanotechnology WorldH8^6d? hL(b
選定具有光致變色功能、整個(gè)分子共軛的陽(yáng)離子紅(Astrazon Red GTL)染料作為插層劑,成功制備了一系列插層納米復(fù)合物。從有機(jī)陽(yáng)離子與蒙脫石離子交換吸附原理出發(fā),推導(dǎo)出吸附等溫式和表面二維狀態(tài)方程理論關(guān)系,給出了熱失重法確定吸附量的數(shù)據(jù)處理方法。GTL陽(yáng)離子交換吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合我們的吸附等溫式,插層復(fù)合物界面壓強(qiáng)π隨其含水量增大而線性減小。在較低π 下,GTL在層間以平行于蒙脫石片層表面的單分子層形態(tài)排列;隨著π增大, 層間GTL以一定角度傾斜于蒙脫石片層表面的頭尾交指型團(tuán)聚體形態(tài)排列;在更大的π下,層間GTL則以垂直于蒙脫石片層表面成雙分子層排列,其尾端重疊自組裝形成超分子共軛納米結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4),層間GTL熱穩(wěn)定性大幅度提高。

圖4、 蒙脫土/GTL插層復(fù)合物界面壓強(qiáng)對(duì)層間距影響www.nanost.net7kTFl5GL#us
納米科技世界論壇, Nanoscience and Nanotechnology World;Zo-Owjo%c[
5、唾手而得i(sQ D6D3gF
(1)、熔融共混插層復(fù)合材料的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力!GwGnt
熱力學(xué)只關(guān)注與過(guò)程無(wú)關(guān)的起點(diǎn)和終點(diǎn)狀態(tài):起點(diǎn)是片狀堆積的蒙脫土以及聚合物熔體中纏結(jié)在一起的無(wú)規(guī)線團(tuán)高分子鏈;終點(diǎn)是少部分解纏結(jié)高分子鏈?zhǔn)芟拊诿擅撏疗瑢娱g(層間距同時(shí)增大),大部分仍然保持纏結(jié)在一起的無(wú)規(guī)線團(tuán)高分子鏈。那么纏結(jié)在一起的無(wú)規(guī)線團(tuán)高分子鏈因何動(dòng)力鉆到狹縫中去,一定是片層表面與高分子鏈間存在吸附作用(放熱),即所謂焓驅(qū)動(dòng)。你非要說(shuō),這之后高分子鏈不堪忍受狹縫中生存,要在狹縫中撐開(kāi)片層回復(fù)到無(wú)規(guī)線團(tuán)高分子鏈。那它首先要解吸附,補(bǔ)償進(jìn)去時(shí)的焓變(記住熱是耗散的)。而且我會(huì)問(wèn),它起點(diǎn)就是無(wú)規(guī)線團(tuán)高分子鏈,它可以不進(jìn)去,所以說(shuō)熵驅(qū)動(dòng)是沒(méi)有道理的。
(2)、動(dòng)力學(xué)機(jī)理
熱力學(xué)只關(guān)注起點(diǎn)和終點(diǎn)的狀態(tài),不管中間過(guò)程,更不涉及機(jī)理的任何細(xì)節(jié)。我可以發(fā)揮想象力,猜測(cè)一下具體機(jī)理細(xì)節(jié):在剪切應(yīng)力作用下,高分子鏈無(wú)規(guī)線團(tuán)沿應(yīng)力方向取向,無(wú)規(guī)線團(tuán)被拉伸變扁,同時(shí)蒙脫土片也沿應(yīng)力方向取向。一旦高分子鏈遇到片層間狹縫,在狹縫壁吸附拉力和高分子鏈擴(kuò)散以及應(yīng)力場(chǎng)的推力下,就象趕蛇入管(洞)一樣,高分子鏈逐個(gè)鏈段(蛇是逐節(jié))蠕動(dòng)進(jìn)狹縫(同時(shí)狹縫被撐大),終吸附固定在狹縫壁上而逐漸伸直,片層就象夾板一樣固定住在狹縫中努力蠕動(dòng)掙扎試圖逃脫的高分子鏈,兩者達(dá)到平衡后,測(cè)一下狹縫大小得到層間距。這樣就抓住一條蛇,當(dāng)然可能有好幾條蛇進(jìn)入一條狹縫。從中可以看出剪切應(yīng)力在其中所起的推動(dòng)作用,但焓驅(qū)動(dòng)才是決定性因素。作一個(gè)計(jì)算機(jī)模擬(MD、MC),可知所言不虛。
(3)、實(shí)驗(yàn)事實(shí)印證納米科技世界論壇, Nanoscience and Nanotechnology World Hy7Y2@O.EQ1lI
現(xiàn)將目前為止積累的實(shí)驗(yàn)事實(shí)簡(jiǎn)明歸納如下,即可一目了然,畢竟事實(shí)勝于雄辯。下述體系中涉及的有機(jī)蒙脫土,都是十八烷基季銨鹽插層的市售有機(jī)土。
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