以PS为模板的RF气凝胶空心微球制备

　第43卷第4期原子能科学技术Vol.43,No.4　2009年4月Atomic Energy Science and Technology Apr.2009

以PS为模板的RF气凝胶空心微球制备

侯海乾1,2,王朝阳1,唐永建1,3,付志兵1,刘淼1,关峰1

(1.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳　621900;

2.西南科技大学材料科学与工程学院,四川绵阳　621010)

摘要:采用聚苯乙烯(PS)空心微球为模板,间苯二酚/甲醛(RF)为前驱体溶液,邻苯二甲酸二丁酯为分散剂,以界面聚合反应为基础合成PS2RF核壳双层球,用丙酮去除模板,制得RF空心微球。分别采用红外光谱、X光显微分析、透射电镜(TEM)、N2吸附2脱附和原子力显微分析,对RF空心微球成分、形貌、孔径、表面粗糙度等进行表征。结果表明:RF为单层空心球壳,具有典型的气凝胶多孔结构,由粒径约为10nm且粒度分布较为均匀的纳米粒子构成,平均孔径约为17nm,球形度和同心度达到95%以上,表面光洁度小于10nm,达到了快点火靶的基本要求。

关键词:惯性约束聚变;模板法;界面聚合;RF空心微球

中图分类号:TQ639.11 文献标志码:A 文章编号:100026931(2009)0420311205

F abrication of R esorcin2Formaldehyde Aerogel H ollow Microspheres

Using Polystyrene as T emplate

HOU Hai2qian1,2,WAN G Chao2yang1,TAN G Y ong2jian1,3,

FU Zhi2bing1,L IU Miao1,GUAN Feng1

(1.Research Center of L aser Fusion,China A cadem y of Engineering Physics,M iany ang621900,China;

2.School of M aterial Science and Engineering,S outhwest Universit y of Science and Technology,

M iany ang621010,China)

Abstract:　Based on interfacial polymerization reaction,PS2RF double shell microsp heres were synt hesized by using polystyrene(PS)hollow microsp heres as template,RF as precursory solution and dibutyl p ht halate as dispersant.Then basing on t he former step,RF hollow microsp here was cranked out t hrough t hrowing off template,which was done t hrough acetone.The component,morp hology,apert ure,and surface rough2 ness of RF hollow microsp here were characterized by inf rared spectrum,X2ray,TEM,

A FM and nit rogen adsorption2desorption,respectively.The result s show t hat RF hol2

low micro sp here is monolayered hollow sp here,and has a typical st ruct ure of t he porous aerogel,and consist s of particle size about10nm and uniform particle size dist ribution

收稿日期:2008203220;修回日期:2008205206

基金项目:国家自然科学基金资助项目(10475069);中国工程物理研究院基金资助项目(2007B13001)

作者简介:侯海乾(1982—),男,陕西宝鸡人,硕士研究生,气凝胶材料制备及应用专业

3通信作者:唐永建(1955—),研究员,博士,主要从事ICF靶材料研究,E2mail:tangyongjian2000@

of nano2particles pose,and it s average apert ure is about17nm.The sp hericity and con2 cent ricity of t he monolayer hollow micro sp here are higher t han95%,and t he surface finish is less t han10nm,which satisfies all t he requirement of instant2lighted firebrand. K ey w ords:inertial confinement f usion;template;interfacial polymerization;RF hollow micro sp heres

气凝胶是一种新型的纳米、多孔、低密度、高比表面积(200～1100m2/g)材料,具有连续nm级三维网络结构,构成网络结构的颗粒直径及孔直径均为nm级[1]。RF气凝胶由于其结构和密度可调,对液体氘氚(D T)燃料有良好的浸润能力,有着广阔的应用前景[2]。在ICF 发展过程中,由于激光能量的不断增大,作为D T燃料的容器需要直径为1～2mm的有机聚合物球壳,球壳内表面沉积80～100μm的固体或液体氘氚燃料层,在塑料球壳内壁形成一层低密度(约50mg/cm3)、低原子序数的泡沫来支撑并约束燃料[329]。间苯二酚/甲醛(RF)是其中主要的一种泡沫结构材料,RF气凝胶的孔结构尺寸在0.1μm左右,透明性高,可用光学方法监测冷冻D T的状态,更重要的是,可测量内层D T冰的表面粗糙度[7]。Paguio等[8]通过在外油相中掺入0.60%的阻聚剂(SBS),由于SBS与外油相溶液具有相容性,提高了RF乳液系统的界面张力(0.001～0.021N/m)和增加外油相的粘度,从而制备了壁厚均匀的RF微球;而国内基本上未见这方面的有关报道。本工作通过理论分析并与PS2PVA双层球制备工艺[10211]进行对比,研究提出以PS微球为模板,RF为前驱体溶液,邻苯二甲酸二丁酯为分散剂,控制工艺参数,制备PS2RF双层微球,通过有机溶剂(丙酮、正己烷等)去除模板微球,制得RF空心球壳。

1　实验

1.1　化学试剂及仪器

间苯二酚,天津市科密欧化学试剂开发中心,分析纯;甲醛,成都化学试剂厂,分析纯,含7%～40%HC HO3;碳酸钠(Na2CO3),成都化学试剂厂,分析纯;邻苯二甲酸二丁酯(DPA),天津市科密欧化学试剂开发中心,分析纯;PS 微球(150～300μm),自制;丙酮,成都市联合化工试剂研究所,分析纯;三重蒸馏水,自制,电阻超过5×108Ω,p H=6.8;无水乙醇,成都市联合化工试剂研究所,分析纯,含量≥99.5%。

EU RO2STA R PCV型精密机械搅拌器,德国IKA公司生产;A E200S型电子分析天平,梅特勒2托利多仪器(上海)有限公司生产; DL37型微量水分测定仪,华粤行仪器有限公司生产;CU700型超临界萃取仪,英国POL ARON公司生产。

1.2　RF空心微球制备

选择PS空心球作为模板,将模板微球浸泡于RF溶液中,在25℃放置约24h,当RF 溶液在模板上形成晶核后,转入油相中进行分散、固化24h,获得含水凝胶微球,再用有机溶剂(丙酮)去除模板,最后超临界干燥得到RF 空心微球。具体过程如图1所示。其中:RF 溶液质量分数25%,n(R)∶n(F)=1∶2,间苯二酚和碳酸钠物质的量之比n(R)∶n(C)=100

。

图1　模板法制备空心微球示意图

Fig.1　Scheme of template preparation

of hollow spheres

采用上述方法,成功制备了直径300～500μm、壁厚30～80μm、球形度和同心度大于95%、表面光洁度小于10nm的RF空心球壳。

1.3　RF微球性能测试

采用红外光谱仪测定各种有机分子中不同基团的特征吸收。测试条件:扫描次数为32,分辨率为4cm-1,K Br压片;采用X光照相机测试是实心或空心球,单层或双层;采用透射电镜(TEM)和N2吸附2脱附分别测试微球微观形貌和平均孔径;采用原子力显微镜分析微球表面光洁度。

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