20104028_王磊_乳液聚合法合成聚苯乙烯的DSC及XRD分析

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1、北方民族大学学士学位论文 北方民族大学学士学位论文 论文题目: 乳液聚合法合成聚苯乙烯的DSC及 XRD分析院(部)名 称: 材料科学与工程学院 学 生 姓 名: 王 磊 专 业: 高分子材料与工程 学 号: 20104028指导教师姓名: 梁博 论文提交时间: 2014年5月2日 论文答辩时间: 2014年 5月 17日 学位授予时间: 北方民族大学教务处制1摘 要随着化学工业的飞速发展，高分子材料在生产、生活中具有越来越重要的地位。由于高分子材料具有多种多样的优越性能，因而在几乎所有部门都得到了应用。聚苯乙烯（Polystyrene，缩写PS）是一种无色透明的热塑性塑料，电学性能优异，熔融

2、时稳定性和流动性都非常的好，易于成型，并且有高于100的玻璃转化温度，因此经常被用来制作各种需要承受开水的温度的一次性容器，以及一次性泡沫饭盒等。同时还可以与其他材料共聚生成具有不同特性的高性能材料，应用于汽车，橡胶，航空航天等领域。本文以苯乙烯溶液为单体，十二烷基磺酸钠和十二烷基硫酸钠为乳化剂，过流酸钾为引发剂，水为分散介质，利用乳液聚合法合成聚苯乙烯。运用X射线衍射仪（XRD），差示扫描量热仪（DSC）表征其特性。结果表明在改变单体用量，水浴温度，以及反应时间，乳化剂的种类等条件，对聚苯乙烯玻璃化温度的影响几乎没有影响，同时发现聚苯乙烯中存在结晶区域。关键词：聚苯乙烯 乳液聚合 DSC X

3、RDIII北方民族大学学士学位论文ABSTRACTWith the development of the chemical industry.Polymer material has an increasingly important role in the production and life.The polymer material has a variety of advantages Thus in almost all departments has been applied.Polystyrene(PS) is a colorless transparent thermoplas

4、tics.it has excellent electrical properties melting stability and liquidity are very good , easy to shape , and there are over 100 glass transition temperature , it is often used to make a variety of needs to withstand the temperature of boiling water disposable containers and disposable foam lunch

5、boxes , etc. Copolymer also can generate high-performance materials with different characteristics with other materials used in the automotive , rubber , aerospace and other fields.With high purity styrene solution as monomer, sodium dodecyl sulfate(SDS) and sodium dodecyl sulfonate as emulsifier,po

6、tassium persulfate as the initiator and water as the dispersion to carry out emulsion polymerization.Use of X-ray diffraction ( WXRD ) , differential scanning calorimetry (DSC) characterization of the characteristics.The results showed that changing the dosage of monomers, water bath temperature and

7、 reaction time, types of emulsifiers and other conditions, little impact on glass transition temperature of polystyrene 。Key words: Polystyrene Emulsion polymerization DSC WXRDIII目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第1章 文献综述11.1 聚苯乙烯的概述1.2 聚苯乙烯在各领域中的应用21.2.1 包装21.2.2 电力技术21.2.3 通讯技术2.3 乳液聚合的概述31.4乳液聚合的发展31.5 DSC技

8、术概述41.6 XRD技术概述41.7本课题的研究背景及意义5第2章 实验部分62.1 实验主要仪器62.2 实验主要材料和试剂62.3 聚苯乙烯的制备72.3.1 聚苯乙烯的制备方法72.3.2 改变实验条件做的乳液聚合72.4 样品的表征8第3章 实验结果及其讨论93.1 乳液聚合聚苯乙烯的热分析93.2乳液聚合聚苯乙烯的结晶性分析11结论13致 谢14参考文献15附录 外语文献译文16英文原文16III 第1章 文献综述1.1 聚苯乙烯的概述 聚苯乙烯无色、无味、无臭的坚硬固体。富于光泽,有良好的成型性能和永久热塑性能。由乙苯脱氢制得的苯乙烯,经本体聚合而制得。用作高频绝缘材料,化工设备

9、的衬里或成形品以及其它各种日用品。1聚苯乙烯最早是由天然树脂香脂中的一种挥发性油得到的。1935年投入工业规模生产,是塑料中开发较早的品种。1982年的年产量仅次于聚乙烯和聚氯乙烯。自由基聚合所得无规聚苯乙烯,耐温只有80;负离子配位聚合所得等规聚苯乙烯 (苯基在碳链平面同侧)耐热可达240。本体聚合可得玻璃状透明、绝缘性能优异的硬质塑料;溶液聚合大多用于制取涂料。聚苯乙烯对酸、碱、盐、矿物油、有机酸、低级醇等具有良好的耐腐蚀性,但在丙酮、酯类、芳香烃等有机溶剂中发生软化或溶解。绝缘性好、透明、折光率高、耐水、着色性好,可制成各种色彩鲜艳的塑料制品。熔融时热稳定性和流动性非常好,易于加工,可模

10、塑、挤塑成型。聚苯乙烯的薄膜可用作电容器的绝缘层和电器零件,泡沫塑料可作为精密仪器的包装材料,建筑上的隔音、防震材料。但聚苯乙烯性脆、耐温性差、表面硬度较低,使其应用受到限制。为此,常通过共聚或共混等方法改善其性能,扩大应用范围。聚苯乙烯中共混少量橡胶可明显改善抗冲击性能。聚苯乙烯上的苯环可进行各种化学反应,制得以聚苯乙烯为骨架而带有各种功能基的聚合物, 以作高分子试剂或高分子催化剂。2.2 聚苯乙烯在各领域中的应用 聚苯乙烯是世界上5大通用型热塑性合成树脂( 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，和A B S树脂)之一，仅次于聚乙烯聚氯乙烯排行第三位。由于具有良好的机械性能透明性和耐水耐化学性

11、能，特别是具有优异的电绝缘性能和低吸湿性易成型加工等特点，广泛应用于家用电器电子电器包装建筑和日用消费品等领域。31.2.1 包装 包装有很多功能，最重要的无非就是保护所包装的物品，另外还向消费者说明一些信息，如成分、重量、数量、价格、产地、贮存期限等这是自助服务所依赖的一个重要方面。西欧用于包装的塑料消耗总量中，聚苯乙烯居第四位，仅次于聚乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯。从世界范围来看，包装所占分量是聚苯乙烯的应用中比例最大的，达到42%。这个比例说明，聚苯乙烯的市场很大程度上依赖于包装的发展和趋向。1.2.2 电力技术有效的绝缘可视为是高电压和低电压技术的核心条件。聚苯乙烯由于出色的电绝

12、缘性能，高介电强度的高抗电弧性，得以在电工领域广泛应用。例如，熔断盒外壳和电缆连接所需外套一般要求较高强度和安装要求的高冲击强度。除了高电性能和隔热能力外，家用电器还要求重量轻、隔音和出色的零件外观，包括颜色和表面质量。1.2.3 通讯技术 通讯技术在近年来得到了快速的发展，也成为聚苯乙烯一个快速增长着的重要市场。应用在包括电话、手机、电报机、传真设备、无线传输和计算机设备，如打印机和终端、监视器和键盘等。聚苯乙烯在办公和信息技术的主要应用是外部零件。高抗冲聚苯乙烯的优势是功能设计自由度大，易于成型，高机械强度、高刚性、良好的尺寸精度、较高硬度，耐划表面，颜色稳定性和耐光度，耐化学性，耐应力开

13、裂性，良好的声波阻尼行为和良好的电绝缘性能。.3 乳液聚合的概述 生产聚合物的实施方法主要有四种，即本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合及乳液聚合。所谓本体聚合是单体本身或单体再加入少量引发剂（或催化剂）的聚合过程，溶液聚合是在单体和引发剂溶于某种溶剂所构成的溶液中所进行的聚合过程；悬浮聚合是在悬浮于水中的单体珠滴中的聚合过程，体系主要由单体、水、溶于单体的引发剂及分散介质四种基本组分组成；乳液聚合则是由单体和水在乳化剂作用下配制成的乳状液中进行的聚合过程，体系主要 由单体、水、乳化剂及溶于水的引发剂四种基本组分组成。41.4乳液聚合的发展乳液聚合技术的开发起始于上世纪早期，于20年代末期就已有和目前

14、生产配方类似的乳液聚合过程的专利出现。30年代初，乳液聚合方法已见于工业生产。现在，乳液聚合过程对商品聚合物的生产具有越来越大的重要性，在许多聚合物如合成橡胶、合成塑料、合成树脂涂料、粘合剂、絮凝剂、抗冲击共聚物的生产中，乳液聚合已成为主要的方法之一，每年世界上通过乳液聚合方法生产的聚合物数以千计，乳液聚合技术对世界经济有着重大的意义。56乳液聚合体系粘度低、易散热；具有高的反应速率和高的分子量；以水作介质成本低、环境污染小；所用设备工艺简单、操作方便灵活；所制备的聚合物乳液可直接用作水性涂料、粘合剂、皮革、纸张、织物的处理剂和涂饰剂、水泥添加剂等；这些特点赋予乳液聚合技术以强大的生命力。7

15、由于乳液聚合方法有其独特的特点，故世界各国竞相对乳液聚合技术进行开发。目前，在乳液聚合理论研究方面已经取得了很大的进展。乳液聚合理论的发展促进了乳液聚合工业技术的进步，表现在乳液聚合物产量逐年增加，质量不断提高，品种日益增多，生产工艺渐趋合理、完善。除此之外，乳液聚合技术也在不断创新，派生出了不少乳液聚合的新分支，出现了许多乳液聚合新方法，如反相乳液聚合、无皂乳液聚合、分散聚合、乳液缩聚、微乳液聚合等。这些新的乳液聚合方法和分支的出现，大大丰富了乳液聚合的内容，也为乳液聚合理论研究提出了新的课题。1.5 DSC技术概述 差示扫描量热法（differential scanning calorim

16、etry）这项技术被广泛应用于一系列应用，它既是一种例行的质量测试也是一个研究工具。该设备易于校准，使用熔点低，是一种快速和可靠的热分析方法。差示扫描量热法(DSC)是在程序控制温度下，测量输给物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术。DSC和DTA仪器装置相似，所不同的是在试样和参比物容器下装有两组补偿加热丝，当试样在加热过程中由于热效应与参比物之间出现温差T时，通过差热放大电路和差动热量补偿放大器，使流入补偿电热丝的电流发生变化，当试样吸热时，补偿放大器使试样一边的电流立即增大；反之，当试样放热时则使参比物一边的电流增大，直到两边热量平衡，温差T消失为止。换句话说，试样在热反应时发生的热量

17、变化，由于及时输入电功率而得到补偿，所以实际记录的是试样和参比物下面两只电热补偿加热丝的热功率之差随时间t的变化关系。如果升温速率恒定，记录的也就是热功率之差随温度T的变化关系。许多物质在加热或冷却过程中会发生融化、凝固、晶型转变、分解、化合、吸附、脱附等物理化学变化。这些变化必将伴随体系焓的改变，因而产生热效应。其表现为该物质与外界环境之间有温度差。选择一种对热稳定的物质作为参比物，将其与样品一起置于可按设定速率升温的电炉中。分别记录参比物的温度以及样品与参比物间的温度差。以温差对温度作图就可以得到一条差热分析曲线，或称差热谱图。玻璃化温度(Tg)是聚合物的重要特征参数，直接决定着聚合物的使

18、用性能。聚合物在玻璃化转变时许多性质发生很大变化，可以用来测定聚合物的Tg8其中示差扫描量热法(DSC)和动态力学分析法(DMA)比较常用，而DSC法由于制样方便而且样品用量少而应用最广。91.6 XRD技术概述 XRD 即X-ray diffraction 的缩写，X射线衍射，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。X射线衍射现象发现后，很快被用于研究金属和合金的晶体结构，出现了许多具有重大意义的结果。如今X射线衍射(包括散射)已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法。X射线是原子内层电子在高速运动电子的轰击下跃

19、迁而产生的光辐射，主要有连续X射线和特征X射线两种。晶体可被用作X光的光栅，这些很大数目的粒子（原子、离子或分子）所产生的相干散射将会发生光的干涉作用，从而使得散射的X射线的强度增强或减弱。由于大量粒子散射波的叠加，互相干涉而产生最大强度的光束称为X射线的衍射线。满足衍射条件，可应用布拉格公式：2dsin=n应用已知波长的X射线来测量角，从而计算出晶面间距d，这是用于X射线结构分析；另一个是应用已知d的晶体来测量角，从而计算出特征X射线的波长，进而可在已有资料查出试样中所含的元素。 1.7本课题的研究背景及意义 随着ABS等新型塑料的兴起，做为五大通用塑料之一的聚苯乙烯焕发了新的生命力，本实验

20、通过用乳液聚合的方法合成的聚苯乙烯是聚苯乙烯比较基础的一种形态，研究这种基础形态的工作，可以为以后研究聚苯乙烯与其他材料复合提供参考，在未来的生活生产中聚苯乙烯肯定会扮演更重要的角色。5 第2章 实验部分2.1 实验主要仪器实验过程中使用的主要仪器如表所示表2-1 主要仪器 仪器名称 仪器型号 生产厂家电热真空干燥箱 SDZF60型 南通金石仪器有限公司X射线衍射仪岛津-6000 日本岛津DSCQ20 美国TA公司恒温水浴锅 B-260 上海雅荣生化仪器有限公司电子天平 YP1002N型 上海精密科学仪器有限公司数显直流无级调速搅拌器 SXJQ-1型 郑州长城科工贸有限公司2.2 实验主要材料

21、和试剂实验过程中使用的主要试剂如表所示表2-2主要试剂药品名称 药品规格 生产厂家苯乙烯 分析纯 天津北联精细化学品开发有限公司十二烷基硫酸钠 分析纯 天津北联精细化学品开发有限公司十二烷基磺酸钠 分析纯 天津市达丰化工有限公司 过硫酸钾 分析纯 天津市光复精细化学品有限公司氢氧化钠 分析纯 天津市循晨化学试剂厂 氯化铝 分析纯 天津市凯通化学试剂有限公司 硝酸银 分析纯 天津市光复科技发展有限公司无水乙醇 分析纯 天津市北联精细化学品开发有限公司 2.3 聚苯乙烯的制备2.3.1 聚苯乙烯的制备方法 称取过硫酸钾 0.35g，放置于干净的50ml的烧杯中，用移液管准确加入去离子水，使引发剂浓

22、度达到10mgK2S2O8/1mlH2O，使之溶解备用。.在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计的250ml的三口瓶中加入50ml的去离子水、0.3-0.6g的乳化剂及1ml10%NaOH。开始搅拌并且水浴加热，待到乳化剂溶解之后，瓶内温度达到80左右时，用移液管移取10mlK2S2O8溶液及10-20ml的苯乙烯单体，迅速升温到8890，注意观察反应过程中溶液的变化。维持此温度1.5h，而后停止反应。整个过程中保持氮气的通入，通入氮气的原因很简单，水中的氧会阻止自由基的反应，通入氮气能减少这种趋势。将乳液导入150ml的烧杯中，加入1g-3g的AlCl3，迅速搅拌使乳液凝聚，用布氏漏斗吸滤，吸滤后

23、的聚合物用80左右的热水洗涤至用1%AgNO3检查无Cl-为止。将过滤后的聚合物用25ml的无水乙醇浸渍1h，再抽滤并用10ml的新鲜无水乙醇洗涤产品，最后把产物抽干，放于70摄氏度的烘箱干燥4h。2.3.2 改变实验条件做的乳液聚合表2-3不同条件下的乳液聚合反应编号 乳化剂(g) 引发剂(ml) 温度() 单体(ml) 时间(h) 1 0.6 10 90 10 1.5 2 0.6 10 90 15 1.5 3 0.6 10 90 10 2 4 0.6 10 90 10 2.5 5 0.6 10 90 10 1.5 6 0.6 10 80 20 1.5 7 0.6 10 70 10 1.5

24、8 0.6 10 90 10 1.5 9 0.3 10 90 10 1.5 10 0.9 10 90 10 1.5 11 0.6(混合乳化剂) 10 90 10 1.5 12 0.6 10 90 10 1.5 13 0.6 10 90 10 3 为了得到不同效果的乳液聚合产物，我们改变了乳化剂的用量，乳化剂的种类，反应时间，单体用量，以及乳化时间等条件，来比较其分子量大小及分布，并分析这些条件的改变对分子量的影响。（对分子量影响的研究为同组另外几个同学的研究方向，我这里主要研究其对Tg大小的影响）2.4 样品的表征1 WXRD：将聚苯乙烯粉末取下一部分制成样品，放入X-射线衍射仪，对样品进行扫

25、描（扫描温度范围1080，扫描速度6/min），检测样品的结晶性。2 DSC：将粉末状固体取出一部分，进行称量测重，放入载物台，利用Q20型DSC对样品进行热行为表征测。从35摄氏度开始升温，升温速率为20摄氏度每分钟，升温至150摄氏度，然后迅速降温至35摄氏度，接着同样以20摄氏度每分钟的升温速率升温至150摄氏度。第3章 实验结果及其讨论3.1 乳液聚合聚苯乙烯的热分析图3-1 不同样品DSC曲线（第二次扫描）编号上游值（）下游值（）切线值（Tg/）3#105.07109.98107.554#105.58107.91107.355#104.82109.31107.2410#104.921

26、09.88107.75表3-1不同样品Tg值 图3-1为在氮气分为下对聚苯乙烯粉末样品进行的DSC测试，可以看出，做为无规共聚的聚苯乙烯存在明显的玻璃化温度。表3-2为利用TA Universal Analysis 对DSC曲线（第二次扫描）进行分析所得出的数据，结合表2-3可以清楚的看出改变单一条件并不能影响到Tg的大小，同样改变多个条件对Tg的影响微乎其微。 图3-2不同样品DSC曲线（第一次扫描） 图3-2为第一次扫描所得到的DSC曲线，可以明显的发现在聚苯乙烯样品玻璃化附近之后，也就是105摄氏度到115摄氏度之间的区域出现吸热峰，在所用试剂中，均没有发现熔点在这个范围附近，所以推测乳

27、液聚合聚苯乙烯中存在少量结晶区域，由于第一次升温是结晶区域变化，然后迅速的降温使得结晶区域来不及变回原来的结晶态，第二次升温测定时，在聚苯乙烯的玻璃化转变处的吸热峰均消失，而出现明显的台阶。10查找文献发现无规立构聚苯乙烯主链上不对称碳原子的构型是无规分布的,通常被认为是典型的非晶聚合物.一些研究者曾在热分析实验中发现从稀溶液中获得的无规立构聚苯乙烯样品DSC扫描曲线Tg附近显现吸热峰,认为这些样品中存在某种局部有序区或准晶结构。11 3.2乳液聚合聚苯乙烯的结晶性分析 图3-3乳液聚合聚苯乙烯XRD图图3-3为聚苯乙烯4#样品的XRD图像，查找JCPDF卡片可知，一般聚苯乙烯在2为20时出现

28、馒头峰，此样品同样在20出现馒头峰，证明样品主要为聚苯乙烯无疑。但PDF卡片中20之后并未再出现明显的峰。此样品在43.9 .64.3 以及77.4出现三个明显的的衍射峰，衍射强度分别为432. 276以及318,而反应所加物质均没有在这几个区域出现结晶峰的可能。由此可以断定，这三个结晶峰为乳液聚合聚苯乙烯中的结晶成份所得到的衍射峰，作为无规共聚的乳液聚合聚苯乙烯中是存在少量结晶区域的。由于通常认为聚苯乙烯为无规共聚物，如果其结晶区域所占比重比较大的话则不能认为途中所出现的结晶峰为聚苯乙烯中结晶区域所产生的衍射峰。无规聚苯乙烯其结晶度应该很低，所以需要测量其结晶区域的大小。图3-4乳液聚合聚苯

29、乙烯XRD衍射峰面积计算图3-4为利用jade5软件分析出的峰值区域面积，馒头峰面积，也就是无规组分面积约为152819个单位，而三个结晶峰面积之和约为13417个单位，可以算出结晶区域在整个聚苯乙烯物质中所占比重在8%左右，是一个比较小的比重，所以无规共聚的聚苯乙烯常常表现出非晶态物质的特性，同时也证明了无规共聚聚苯乙烯中存在结晶区域的推断。结论 本论文以高纯度苯乙烯溶液为单体，十二烷基磺酸钠和十二烷基硫酸钠为乳化剂，过流酸钾为引发剂，水为分散介质，利用乳液聚合法合成聚苯乙烯。（1）成功的制备出白色粉末状聚苯乙烯样品，利用DSC曲线分析出其玻璃化温度在107 OC左右（2）发现乳液聚合聚苯乙

30、烯中存在结晶区域，并通过分析XRD图像证实了这一点，并计算出结晶区域在整个聚苯乙烯中所占的比重在8%左右。13致 谢大学生涯转眼即逝，回想四年生活，心中感慨颇多此次毕业设计是在梁博老师的悉心指导下进行和完成的。从课题的选择到项目最终完成，梁博老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。老师以严谨的科学态度，严谨的治学精神，深深地感染和激励着我。还有实验室的其他老师，在我实验和论文的过程中都给了我很大的帮助。在此谨向梁博老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同时要感谢于滨同学在DSC测试方面给我提供的帮助。与我一起进行毕业设计的龙文周，王德盛，王丽彪，马国平，田金虎同学给予我很大的帮助，我们相互协助，相互

31、鼓励，一起完成自己的实验。感谢这些些给过我帮助的同学，在这里我仅向他们表示深深地谢意。特别是要感谢我的母校、感谢那些给我带过课和关心我的人！“书到用时方恨少”，在完成毕业论文的过程中深刻知道自己在专业知识等方面还有很多不足，能够顺利的完成这次论文，多亏指导教师和同学们的帮助，让我在实验过程中不断学习和进步。也正是因为这次毕业论文，让我又重新巩固了自己的专业知识，也明白了知识就是力量，为以后打下了坚实的基础。最后，我再次向北方民族大学材料学院的老师们说一声谢谢，你们辛苦了。祝愿所有的老师和同学们身体健康，学习进步。31参考文献1 马世昌主编. 化学物质辞典. 陕西科学技术出版社.1999. 2

32、袁运开, 顾明远主编. 科学技术社会辞典, 浙江教育出版社.1992.3 李好管，吴卫东, 聚苯乙烯的生产和消费J. 上海化工, 2002, (5): 3335.4 曹同玉刘庆普胡金生编 聚合物乳液合成原理性能及应用 化学工业出版社20075BlackleyDC.EmulsionpolymerizationM.London:AppliedsciencePublisherlimited,19756 PiirmaI.EmulsionpolymerizationM.NewYork:AcademicPress,19827 WarsonH.Theapplicationofsyntheticresinem

33、ulsionM.London:ErnestBennLimited,19728 Brunacci A，Cowie J M G，Ferguson R，McEwen I J. Polymer，1997.38(4) :8658709刘国栋, 张福强等, DSC法测定PS玻璃化温度的再研究J. 高分子学报, 2010, 9(9): 10651069.10徐种德, 黄妙玲, 卜路嘉, 万雨南, 差示扫描量热法(DSC )研究聚苯乙烯一聚异戊二烯共聚物的微相分离行为J. 功能高分子学报, 1989.12(4): 254260.11 王松, 戴庆平, 程时, 丁基锂引发聚合无规立构聚苯乙烯DSC曲线的比较研究

34、J. 高分子学报, 1998.10(5): 637640.附录 外语文献译文英文原文Study of thermal stabilization for polystyrene/carbonnanocomposites via TG/DSC techniquesReceived: 3 May 2012 / Accepted: 10 July 2012 / Published online: 3 August 2012Akademiai Kiado, Budapest, Hungary 2012Abstract The degradability and durability for polym

35、ernanocomposites under various environmental conditions are from the essential fields of research. This study was carried out to examine the thermal stability of polystyrene loaded by carbon (C) nanoparticles up to 20 wt% content. The thermal degradation of PS/C nanocomposites were studied by thermo

36、gravimetry analysis and differential scanning calorimetry (DSC) under non-isothermal condition and inert gas atmosphere at constant heating rate 10 min-1. The variation of degradation characteristic temperatures as a function of C content has been a nonmonotonic behavior. The obtained results sugges

37、ted that the C nanoparticles act as a promoter slowing down the degradation and providing a protective barrier to the nanocomposite, except 5 wt% C content. The latter exception was confirmed by DSC curve through the emergence of a small endothermic peak before the fundamental endothermic, melting,

38、one. Keywords Nanocomposites Polystyrene Carbon nanoparticles Thermal stabilityKeywords: Nanocomposites Polystyrene Carbon nanoparticles Thermal stability1. Introduction Polystyrene (PS) has been attracting extensive interest in polymer science due to its processing and outstanding properties such a

39、s thermal resistance, low density, excellent mechanical durability, and convenience of processing and molding. Polystyrene has some shortcomings from the point of view of some practical applications, e.g., high flammability and severe dripping during combustion 1.These shortcomings and others can be

40、 overcome by means of the nanocomposites approach. Accordingly, many researchers investigated PS nanocomposites using different nanoparticle fillers, concerning the effect of the nanoparticles type and its size on polymer thermal stability 26. Recently, many attempts were made to determine the optim

41、um nanofiller content for the enhancement of the PS nanocomposites thermal stability 69. Among PS nanocomposites, PS/inorganic nanocomposites have attracted wide interest because the addition of inorganic particles to polymer matrix could be enhancing the mechanical, flameretardant, magnetic, electr

42、ical, and thermal stabilization, delaying thermal degradation, of polymers 7. The thermal stabilization of polymer nanocomposites is considered an important factor in both the scientific and industrial fields. A study of the thermal stabilization for polymer nanocomposites provides the required info

43、rmation about the period of the applicability time of such nanocomposites. The quantitative study of solid state transformation in various kinds of materials by means of thermogravimetric (TG) analysis, differential scanning calorimetry (DSC), and differential thermal analysis techniques has been wi

44、dely discussed in the literature 1013. It is known that the common technique to study the kinetics of polymer degradation is TG, whereas DSC is usually used to elucidate any decomposition steps observed in theTG data 10. Accordingly, by considering both of the potential applications of PS/inorganic

45、nanocomposites and the importance of the extracted valuable data from the thermal stabilization study by means of TG/DSC techniques, the present work aimed to examine the influence of inorganic C content, up to 20 wt% C, nanoparticles filler on the thermal stabilization and degradation pathway of PS

46、/C nanocomposites by means of TG/DSC techniques. In addition to, this work is dependent on PS/C nanocomposites prepared by the solution-cast technique which is a very simple method for preparation.2. Experimental PS and C nanopowder (50 nm) were supplied by Aldrich and used without additional purifi

47、cation. The PS/C nanocomposites were prepared by mixing the desired amount of PS and C nanoparticles with total mass 1 g in 20 mL ofN,Ndimethylformamide (DMF) at room temperature (RT= 30) under stirring for 2 h. After that, the mixture was poured onto the surface of a petri dish and kept atRTfor 1 w

48、eek to remove DMF solvent. The solution-cast samples with C concentrations of 0, 5, 10, 15, and 20 wt% were designated as PS, PS/5 wt% C, PS/10 wt% C, PS/15 wt% C, and PS/20 wt% C, respectively. The dried samples were shaped into sample sheets with thickness*0.2 mm. The X-ray diffraction (XRD) spect

49、ra of the nanocomposites sheets were carried out using an X-ray diffractometer of the PANalytical XPert PRO MRD type with CuK a radiation source (k=1.54059818 A ) at a power of 1,800 W (45 kV, 40 mA). The non-isothermal TG for pure PS and the PS/C nanocomposites was performed using Shimadzu TGA-50H

50、instrument. The used TG pan is made of platinum and the sample mass was2 mg. The TG measurements were conducted at heating rate 10 min-1 and carried out under nitrogen (N2) atmosphere with a flow rate of 30 mL min-1 in the temperature range from RT to 600, where the accuracy of the mass loss was 1lg

51、. DSC measurements were performed using SETARAM Labsys TM TG-DSC16. The measurements were conducted at a constant heating rate 10 min-1in a dynamic argon (Ar) atmosphere (flow rate 25 mL min-1) in the temperature range from RT to 600 . The used DSC crucible is made of alumina, whereas the sample mas

52、s20 mg.3. Results and discussion X-ray diffraction was employed to investigate the change in crystallinity due to the Fig. 1, XRD patterns of the pure PS and all the studied PS/Cnanocompositesaddition of C nanoparticles into PS matrix. X-ray diffraction patterns of neat PS and its nanocomposites wit

53、h different C wt% content are shown in Fig.1. As seen in Fig. 1, the diffraction pattern of neat PS has two characteristic peaks at 2h(Bragg diffraction angle) values 9.95 and 19.05。 . Figure 1 also reflects that the intensity of the highest characteristic peak at 19.05。dramatically decreases with i

54、ncreasing C wt% in PS matrix, whereas the other characteristic peak has the same trend and disappeared for nanocomposites having C content C10 wt% without considerable shift in 2h value. This decreasing in the intensity of the characteristic peaks of PS with filler addition refers to a reduction of

55、the crystallinity of the PS with increasing of the filler contents. This can be attributed to the changing in the crosslink density of pure PS with an increase in C concentration 14. Moreover, by increasing the value of C content C10 wt%, another characteristic peak appeared at 2hvalue 26.5。 . This

56、characteristic peak is assigned to the (002) plane of hexagonal graphitized carbon in good agreement with a reference pattern (JCPDS card No. 056-0159). Figure2 shows the TG curves of PS neat and PS nanocomposites degraded in N2 atmosphere. This figure declares that all the investigated samples degr

57、aded throughout a single step behavior. Table 1summarizes the C wt% dependence onT5% (temperature at which 5 % degradation occurs, and considered as the onset temperature of degradation), T50% (temperature at which 50 % degradation occurs, which is another measure of thermal stability), and Tf (end

58、temperature) of the degradation process. As be seen from Table1, the dependence of degradation characteristic temperatures on the C wt% showed a non-monotonous behavior. Also, both Fig.2and Table1showed that the lowest values ofT5% , T50%, and Tf are recorded for the nanocomposite with 5 % C content

59、 and their values were found to be 308, 370, and 436,respectively. The value ofT5%increased with increasing C and reached 360 at 20 wt% content. The selected magnifying region in Fig.2 shows that degradation occurred after 10 %, remaining mass is 90 %, becoming slower for PS/15 % C than other composites. Accordingly, T50%andTf incr