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室温下原位聚合制备PMMA/PS复合光散射材料

作者 :邢 华1,孟庆云2更新时间:2012-11-1

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(北京化工大学北方学院,河北 三河065201; 北京化工大学理学院,北京100029)
摘 要:本文通过加入-羟基乙基二茂铁在室温下采用原位聚合法制备了PMMA/PS复合光散射材料。对样品的光学性能、分子量、和微观结构的分析表明:这种有色复合材料透光率低,但散射能力强;相对于未加添加物的复合材料数均分子量较低,相对分子质量分布加宽;由于自组装材料内部散射体与基体相分离形成个畴,并且随着ST预聚物用量增多,材料内部相分离得到改善。
关键词:-羟基乙基二茂铁;PMMA/PS复合光散射材料;室温
光散射材料是既透光又能有效散射光的材料。早期的光散射材料包括塑料光纤的散射膜、照明光源、金属分散系统光散射材料等[1],多为面散射材料。新型聚合物光散射材料多为体散射材料,能够同时具有较高的透光率和雾度[2]。它可以作为面光源材料广泛应用于标识照明、投影壁墙、壁挂式均匀光源及缩微阅读器[3]等,还可以复合制备成高分子分散型液晶元件用于光电显示领域 [4]。
新型聚合物光散射材料的制备方法主要有两种:1.共混法,以无机或有机微粒为散射体分散于透明聚合物基体中;2.聚合法,利用折光率有一定差异、相容性不太好的聚合物单体共聚合或分段聚合来制备光散射材料。
本实验以聚甲基丙烯酸甲酯为基体材料,以苯乙烯为散射体材料,以-羟基乙基二茂铁作为聚合反应的添加物,采用原位聚合法在室温下制备了PMMA/PS复合光散射材料。
1 实验
1.1 试剂
甲基丙烯酸甲酯(MMA),苯乙烯(ST)和过氧化二苯甲酰(BPO)均为化学纯试剂,使用前经减压蒸馏提纯。BPO先溶于氯仿,再用甲醇沉淀、过滤、干燥精制后使用。
1.2 样品制备
在干燥的反应瓶中加入引发剂(BPO)和ST,充分搅拌,恒温水浴加热聚合,一定时间后,将预聚物加入到第二单体MMA(事先混入BPO和-羟基乙基二茂铁)中,搅拌混合均匀,将反应体系置于室温下反应直至固化。
1.3 性能测试
采用上海精密科学仪器有限公司的WGT-S透光率/雾度测定仪测定样品的雾度、透光率。本实验用雾度来表征材料的光散射性能。采用XL30 S-FEG场发射扫描电镜观察样品的微观结构。采用美国WATERS 515-2410 GPC SYSTEM气相凝胶渗透色谱仪测试样品的相对分子质量,色谱柱的标定采用聚苯乙烯作标样,色谱柱为Styragel (HT3-HT5-HT6E),溶剂为四氢呋喃。

2 结果与讨论
2.1 样品光学性能测试
加入-羟基乙基二茂铁,可以简化光散射材料的制备工艺,在室温下即可实现MMA的原位聚合。由图1可见,与高温下未加入添加物制得的光散射材料[5](图2)相比,样品的透光率变小,但是雾度增大,光散射增强。-羟基乙基二茂铁的加入使材料呈现橙黄色(未添加添加物的材料为透明材料)是导致材料的透光率下降的原因。散射性能增强与其内部散射体的分布结构有直接关系。虽然透光率和雾度的大小发生变化,但是透光率和雾度随散射体浓度的变化关系仍与光散射公式[6]一致。
2.2样品的分子量测试
表1 样品Ⅱ与样品Ⅰ的数均分子量及相对分子质量分布
由表1可见,相比于未加入添加物的样品,室温下制备的材料的相对分子质量显著减小,相对分子质量分布加宽。理论上,引发剂分解速率慢,聚合速率就慢,而动力学链长与聚合速率成反比。在这个实验中,添加物-羟基乙基二茂铁与引发剂BPO一经混合便有CTC[7]生成,然后便迅速分解生成自由基,因此聚合反应速率是很快的,其动力学链长必然有所下降。体系内活性中心的数目很多,温度低,扩散不易进行,双基终止的几率大大增加,导致产物分子量降低。
由表1还可以看出,室温下制备的样品,随着ST预聚物用量的增加,分子量是增加的。ST预聚物用量多,MMA原位聚合时就能和较多的ST单体发生共聚,共聚物的增多,使样品整体分子量增大。
2.3 材料的微结构分析

对比图3、图4可以看出,加入添加物后在室温下制备的复合材料,分散相在基体材料中的分布发生了变化,不再是单纯的以小颗粒的形式存在,而是形成连续的个畴(如图3所示)分布在基体中。之所以形成个畴(宏观尺度:10~20m),是因为聚合物作为一种软物质发生了自组装,或者按照相分离动力学的解释:这是一种失稳分解,长波涨落不稳定性导致系统发生相分离,形成双连续的两相交织的结构[8]。这也证明了材料中共聚物的存在。对比图4、图5、图6可以看出,正是共聚物的存在使材料内部的相分离得到抑制。因为随着预聚物用量的增多,和MMA发生原位聚合的ST单体增多,共聚物的含量增多,体系内部PMMA和PS的相分离得到改善,此时形成了更小的相分离微区,材料更多地是发生Rayleigh散射[9]。微区数目多,透光率下降,散射增强。当预聚物的用量在0.2%时,材料呈现一种片层结构,具有各相异性。
虽然-羟基乙基二茂铁的添加量很小,但是它对促进MMA聚合和增强材料散射能力,以及改变材料内部分子链段排布方式等方面都有显著影响,这体现了聚合物作为软物质的弱影响强响应特性。

3. 结论
加入-羟基乙基二茂铁,在室温下通过MMA的原位聚合,能够制备PMMA/PS复合光散射材料。样品的光学性能测试表明:这种有色复合材料透光率低,但散射能力强;相对于未加添加物的复合材料数均分子量较低,相对分子质量分布加宽;扫描电镜分析表明由于自组装材料内部散射体与基体相分离形成个畴,并且随着ST预聚物用量增多,材料内部相分离得到改善。

参考文献
[[4] 潘懿,杨玉良. 液晶/高分子复合显示材料进展[J]. 高等学校化学学报,1994,15(12):1868-1874
[5] 邢华,孟庆云. PMMA/PS复合光散射材料的制备和表征[J]. 北京化工大学学报:自然科学版,2006年33(4):80-83
[6] 高峰,董贤武,童真. 具有高散射能力的聚合物导光材料[J]. 材料研究学报,1998,12(6):619-623
[7] 刘日新,周晓红,吴世康. 二茂铁/过氧化苯甲酰引发体系光谱行为的研究[J]. 高分子学报,1994,3:374-378
[8] 马余强. 软物质的自组织[J]. 物理学进展,2002,22(1):73-98
[9] 黄德群等. 新型光学材料[M]. 科学出版社,1991,187-196
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