论文总字数：21635字

摘 要

用固体颗粒代替传统的表面活性剂来稳定的乳液常被人们称为Pickering乳液，自20世纪以来，受到了众多研究者的关注。固体颗粒乳化剂能够吸附于油/水界面，且为不可逆吸附，因此Pickering乳液具有良好的稳定性，目前，在化妆品、食品、医学、化学工程、材料科学等领域表现出很大的应用潜力。而纳米技术的兴起也给Pickering乳液的研究发展带来了新的机遇，如将纳米CaCO₃颗粒、纳米SiO₂颗粒等纳米级无机粒子用作乳化剂来稳定Pickering乳液，形成一种“高分子核/无机纳米粒子壳”的复合材料，可在保持聚合物抗冲击、易加工成型等优点的同时在力学强度和热稳定性等方面也获得提高。

本论文拟利用分散于水中的GO作为稳定剂，来制备稳定的苯乙烯/水的Pickering乳液。较系统地研究水油比、GO浓度、电解质浓度和水相pH值等对Pickering乳液稳定性及其乳液液滴尺寸的影响。研究结果表明，GO颗粒稳定的Pickering乳液具有良好的稳定性，加入适量电解质可提高氧化石墨烯的利用率，但过高的电解质浓度则会使乳液变得不稳定。水油比对乳液液滴尺寸有显著影响，水油比越大，液滴尺寸分布越窄，乳液也越稳定。适当的GO浓度下，乳液液滴尺寸均匀，粒径分布较窄。但较高的颗粒浓度会导致乳液液滴的粒径分布变宽，乳液稳定性下降。

本论文还对GO稳定Pickering乳液采用了水溶性引发剂过硫酸钾引发乳液聚合。系统地研究了GO颗粒浓度对聚合反应的影响，并对聚合产物进行了表征。

关键词：氧化石墨烯 苯乙烯 Pickering乳液 稳定性 乳液聚合

Pickering emulsion polymerization of graphene

oxide-stabilized styrene

Abstract

The latex using solid particles instead of the traditional surfactants to stabilize the emulsion is often regraded as Pickering latex.Since twentieth century, it has attracted great interest of many researchers. Solid particle emulsifier can be adsorbed on the oil / water interface and is an irreversible adsorption, so Pickering emulsion can exist stably. At present, it shows great application potential in the field of cosmetics, food, medicine, chemical engineering, materials science and others. While the rise of nano technology brings the research and development of Pickering emulsions with new opportunities, for example, CaCO₃ nanoparticles, nano SiO2 particles and nano inorganic particles are used as emulsifier to stablize Pickering emulsion, forming a composite with a Structure of " nucleus of polymer / inorganic nanoparticles ", which can not only maintain the impact resistance of polymers and the property of easy processing but also can improve its thermal stability.

This paper intends to use GO, dispersing in water, as stabilizer to prepare stable styrene / water Pickering emulsion. We systematically study on the influence of the ratio of water to oil, the concentration of GO, the concentration of electrolyte and the pH of the aqueous solution on the stability and droplet’s size of Pickering emulsion. In our study, we found that Pickering emulsion has a great stability if stablized by GO particles and we can obviously improve the utilization rate of the GO by adding proper amount of electrolyte, but high concentration of electrolyte will enable emulsion to become unstable. The ratio of water to oil has a significant effect on the size of the drop of emulsion, if the ratio becomes larger, then the droplet’s size become smaller and the stability of emulsion will become much better. With appropriate concentration of GO, the droplet size of the emulsion is uniform and the distribution of particles’ size is narrow. But higher concentration of particles can cause wide distribution of particles’ size in the emulsion, and will decrease the Stability of the emulsion.

In this paper, we also carry on the emulsion polymerization using Water soluble initiator (potassium sulfate). The polymerization mechanism is discussed, and the effect of the concentration of GO particles on the polymerization is studied. Finally, we characterized the products.

Keywords: graphene oxide; styrene; Pickering emulsion; stability; emulsion polymerization

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 Pickering乳液简介 1

1.2 Pickering乳液的稳定原理 1

1.3 Pickering乳液制备的方法 3

1.4影响Pickering乳液稳定性的因素 3

1.4.1颗粒表面润湿性 4

1.4.2固体颗粒浓度 4

1.4.3水油比 5

1.4.4电解质 5

1.4.5 pH值 5

1.5 Pickering乳液的应用 6

1.5.1 载药和药物缓释 6

1.5.2 乳液聚合 6

1.5.3 模板法制备功能材料 7

1.6 氧化石墨烯研究概况 7

1.6.1 氧化石墨烯的结构和性质 7

1.6.2 氧化石墨烯的研究近况 8

1.7 本文的研究意义及内容 8

第二章 GO稳定Pickering乳液的稳定性的研究 10

2.1 引言 10

2.2 试验部分 10

2.2.1 试剂与仪器 10

2.2.2 GO的制备 11

2.2.3 Pickering乳液的制备 11

2.2.4 性能测试 11

2.3 结果与讨论 12

2.3.1 GO的形貌及在分散在水中的稳定性 12

2.3.2 GO稳定Pickering乳液稳定性的研究 13

2.4 本章小结 19

第三章 GO稳定Pickering乳液聚合制备PS/GO复合微球 20

3.1 引言 20

3.2 实验部分 20

3.2.1 试剂与仪器 20

3.2.2 Pickering乳液聚合 20

3.3 结果与讨论 22

3.3.1聚合产物的颜色变化 22

3.3.2 聚合产率和转化率 22

3.3.3 红外光谱 24

3.3.4 XRD图谱 24

3.3.5 SEM照片 25

3.3.6 聚合过程讨论 26

3.4 本章小结 27

总结 28

致谢 29

参考文献 30

第一章 绪论

1.1 Pickering乳液简介

乳液是指水、油两种互不相容的组分，在乳化剂的作用下，形成均匀的多相分散液体，此多相分散液体能够保持稳定而不分层很长时间。它可以是热力学上的稳定的体系、半稳定体系、和不稳定体系。加入引发剂可以降低乳液中存在的界面能垒，传统的乳化剂主要包括表面活性剂和具有表面活性的聚合物，人们对这些表面活性剂开展了比较系统、深入的研究，乳液也得以在材料科学、涂料、食品、生物医药、化妆品等领域得到广泛的应用^[1]。在20世纪初时，Ransden^[2]等在研究了包含细微固体粒子的石蜡和水的乳液体系时就发现，尺寸在微米级的胶体粒子可以在油/水界面处形成粒子膜以阻止乳液液滴发生聚并，从而形成稳定的乳液体系。正是这个有趣的的发现，引起了无数学者的注意。Pickering^[3]正是在此基础上，进行了更为系统的研究，因此，这种乳液又常被称为Pickering乳液。目前，公认的Pickering乳液是用固体颗粒代替传统的表面活性剂作为乳化剂来稳定乳液的体系，固体颗粒常吸附于油/水界面，阻止液滴的聚并，这种吸附常常是不可逆吸附，英国学者Binks^[4]等人通过研究发现，颗粒若要脱离界面其需要的能量远大于颗粒本身热能，所以，固体颗粒被界面吸附的过程往往是不可逆的。这种固体颗粒又叫做颗粒乳化剂或者Pickering乳化剂。

近年来，许多研究人员对于Pickering乳化剂进行了研究，使得Pickering乳化剂的种类越来越多，许多有表面活性、特殊功能及刺激回应型的颗粒被应用于Pickering乳液中。常用的Pickering乳化剂可分为无机纳米颗粒、表面改性或杂化的无机粒子、有机纳米颗粒Janus粒子^[5]。

1.2 Pickering乳液的稳定原理

目前，公认的Pickering乳液的稳定机理是固体颗粒吸附于油/水界面形成固体颗粒界面膜，从而稳定乳液，如图1-1，这一结论揭示了两个重要的研究成果，一方面，固体颗粒在界面上稳定吸附的热力学机理，另一方面，固体颗粒在液滴表面的排列。

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