化学文献 关于电解质方面
电解质与电极材料的研究及应用

电解质与电极材料的研究及应用随着电动汽车的普及以及能源转型的不断推进,电化学存储技术的发展备受关注。
而电化学存储技术的核心就是电解质与电极材料的研究。
电解质和电极材料是构成一次电池的关键部件,它们的研究和应用对于电池性能的提高具有非常重要的作用。
电解质是指能在电极间传递离子的化学物质,它们的种类和性质会直接影响到电池的性能。
例如,锂离子电池常用的电解液是碳酸酯溶液,他们的稳定性好,对于锂离子也有良好的导电性能。
但是,碳酸酯溶液的蒸发量比较大,使用寿命较短。
为了提高锂离子电池的性能,很多研究者开始探索更加高级的电解质。
例如,固态电解质在近几年来备受关注。
相比与液态电解质,固态电解质具有更高的稳定性,更长的使用寿命等优势。
但是,目前固态电解质还面临着制备难度大和成本较高的问题。
此外,研究者们还在探索更加容易合成的离子液体电解质,以期能够更好地提升电池的性能。
与此同时,电极材料作为电池中的另一主要构成部件,同样需要研究和改良。
电极材料和电解质的相结合才能实现电能的存储和释放。
以锂离子电池为例,锂离子需要在电极材料中形成化学反应,从而产生电流。
目前,常用的电极材料有金属氧化物、非晶态材料以及导电聚合物等,这些材料都具有各自的特点和优缺点。
金属氧化物作为一种常用的电极材料,具有良好的稳定性和导电性能。
例如,钴酸锂、磷酸铁锂等都是目前应用比较广泛的电极材料。
非晶态材料,则具有更好的化学稳定性,比如硅、碳等,但是它们的导电性能较差,需要通过一些物理或者化学方法来改良其导电性能。
另外,近年来导电聚合物也逐渐成为一种重要的电极材料,它们具有良好的储能性能和导电性能,并且可以通过化学设计实现更高效的储能和释放。
例如,聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT)就是一种目前研究比较热门的导电聚合物。
总之,电解质和电极材料是构成一次电池必不可少的两个组成部件。
随着科技的不断进步,研究者们正不断尝试寻找更加高效和稳定的电解质和电极材料,并通过化学设计和改良来提高电池的性能,以满足人们对于高性能电池不断增长的需求。
电解质在电化学能源储存中的应用研究

电解质在电化学能源储存中的应用研究随着电子产品和电动汽车的普及,对于电化学能源储存的需求也越来越大。
电解质作为电化学电池的重要组成部分,在电化学能源储存中发挥着重要的作用。
本文将探讨电解质在电化学能源储存中的应用研究。
电解质是电池中起到导电和分离电极之间的物质,可以分为液态电解质和固态电解质。
而液态电解质常用的是有机电解液和无机电解液两类。
有机电解液依靠溶解电解质的有机物质,以及其水和非水之间的混合物。
由于其在化学结构和特性上具有很大的差异性,有机电解液具有一定的可定制性,可以用于预测和控制电池的性能和寿命。
在实际生产中,有机电解液需要考虑到其对环境的影响和对人体的健康影响等问题。
与之相对应的是无机电解液,无机电解液依靠电解质溶解在水或其他无机物质中的方式来导电和分离电极。
在生产中,普遍会选择KOH、NaOH、和LiOH等碱性溶解剂,在人们的生活中广泛应用的硫酸或盐酸等也常被用作电解液。
电解质的性能对电化学能源储存的性能会产生重要的影响。
有机电解液中的电解质通常会有很高的离子导电率,使电化学电池产生更高的电流密度。
但是相应的,有机电解质也会因为其易于分解和蒸发而导致电池在寿命和稳定性上产生问题。
而无机电解液在使用过程中一般不会有什么化学效应,但是常常会因为沉积而造成电极的堵塞,进而影响蓄电池的电性能。
除了液态电解质之外,固态电解液也是电化学能源储存的重要组成部分。
固态电解质比起液态电解质在能够扩散离子时表现更加优异,并且具有更高的稳定性和寿命。
当前应用较广的固态电解质是由合金丝网络所组成的固态电解质薄膜,其能够快速扩散阳离子和阴离子在电池中进行反应,从而使得电池能够产生更高的电流密度并且更稳定和持久。
这种固态电解质比起液态电解质还有一些重要的优势:首先,这种电解质可以更好地适应高温甚至是极端的工作环境;其次,其相对其他电解质来说在输运离子时更为高效;最后,由于其结构比液态电解质更加复杂,因而避免了电池快速寿命损失的现象。
化学反应中的电解质酸碱度

化学反应中的电解质酸碱度酸碱度是化学反应中一个重要的性质,它决定了反应的进行和速率。
在化学反应过程中,电解质的存在和酸碱性质的改变会对反应的平衡和速率产生显著的影响。
本文将探讨化学反应中电解质的酸碱度,并讨论其在不同反应中的应用。
一、电解质的酸碱性质电解质是能在溶液中析出离子的化合物,可以分为酸性电解质和碱性电解质两类。
酸性电解质在水中溶解时会释放出H+离子,而碱性电解质则会释放出OH-离子。
电解质的酸碱性质主要取决于其中的离子种类及其浓度。
酸性电解质的酸碱度通常由酸度(酸解离常数)来衡量,酸度越大,其产生的H+离子浓度越高,酸性也就越强。
例如,HCl是一种强酸,其酸度非常大,水中的HCl几乎完全解离成H+和Cl-离子。
而弱酸如乙酸在水中只发生少量解离,其酸度相对较小。
碱性电解质的碱度(碱解离常数)表示其产生OH-离子的能力,碱度越大,产生的OH-离子浓度越高,碱性也就越强。
例如,NaOH是强碱,完全溶解后能够产生大量的OH-离子。
二、电解质酸碱度在酸碱反应中的应用1. 酸中和反应酸中和反应是一种重要的化学反应,其涉及酸性物质和碱性物质的反应。
在酸中和反应中,酸和碱发生中和反应产生盐和水。
酸中和反应的进行与反应物的酸碱度有关。
当酸的酸度与碱的碱度相等时,称为等克分子中和。
此时,酸和碱中的H+和OH-离子完全中和,产生水。
例如,HCl(酸)与NaOH (碱)的中和反应为HCl + NaOH → NaCl + H2O。
2. 酸碱指示剂酸碱指示剂是一类能够根据溶液的酸碱度发生颜色变化的物质。
它们常用于酸碱滴定中的终点检测。
不同酸碱指示剂的变色范围与不同的pH值相关。
常见的酸碱指示剂如酚酞、溴酚蓝和甲基橙等具有不同的变色范围。
例如,酚酞在pH值为8.2-10之间呈现红色,而在pH值低于7时呈现无色。
通过选择适当的酸碱指示剂,可以准确地确定滴定终点,从而实现对物质酸碱度的测定。
3. 酸碱催化剂酸碱催化剂是一种能够促进化学反应进行的物质。
电解质在储能技术中的应用研究

电解质在储能技术中的应用研究近年来,电解质一直是新型储能技术的研究热点之一。
储能技术的发展对于解决能源存储和节能降耗问题具有十分重要的意义,而电解质在储能技术中的应用则成为了科技领域长期关注和研究的重要课题。
本文将就电解质在储能技术中的应用研究展开讨论。
一、电解质的基本概念电解质是指在本质上可以导电的化合物或物质。
在电化学中,存在三类电解质:酸、碱和盐。
它们的离子在水溶液中会自行分解,并且会形成离子和水合物离子。
离子的自由迁移导致水溶液的电导率增加,同时也增加了化学反应的速率。
二、电解质在储能技术中的应用目前,电化学储能技术主要包括超级电容器、燃料电池和电池等,而这些技术的生产和应用离不开电解质的支持。
下面我们将分别就这几个领域中电解质的应用情况进行探讨。
1. 超级电容器超级电容器是一种新型电化学储能设备,其具有高功率密度、长循环寿命、快速充放电等优点。
在超级电容器的体系中,电解质作为媒介负责电荷的传输和质子的转移,并起到稳定电化学体系的作用。
针对不同电荷类型的超级电容器,采用的电解质也不同。
在正电极为碳的超级电容器中,采用常温离子液体或有机溶剂等电解质作为媒介;在正电极为氧化物的超级电容器中,采用缓释电解质要进行表面保护,而采用低浓度强碱溶液对电荷进行离子替代。
同时,为了保证超级电容器的使用性能和安全性,制备特定结构的电解质是非常必要的。
2. 燃料电池燃料电池也是一种新型电化学储能技术,它将氢气直接转化成电能。
在燃料电池的体系中,电解质作为离子传输的通道,将离子传递到正极与负极之间的过程中,起到了重要作用。
燃料电池中最常用的的电解质是质子交换膜,它将氢离子传递到正极处,并且通过隔离氧气减少反应的交叉干扰。
3. 电池电池是通过化学反应来转化化学能为电能的装置。
电池中的电解质主要是在负极和正极之间的电荷传输过程中起到了媒介的作用。
在不同的电池体系中,采用的电解质种类也不同,常用的电解质有碱性电池中的氢氧化钾和酸性电池中的硫酸等。
化学反应中的电解质酸碱物质

化学反应中的电解质酸碱物质化学反应中的电解质酸碱物质在化学领域中起着至关重要的作用。
电解质是指在溶液中能够导电的物质,而酸碱物质则是指具有特定酸性或碱性的化合物。
本文将探讨电解质酸碱物质的概念、性质以及在化学反应中的应用。
一、电解质的概念电解质是指在溶解或熔化过程中能够产生电离现象的物质。
当电解质溶于水或熔化时,其分子会分解成离子,这些离子能够在溶液中形成电流并导电。
常见的电解质包括无机盐、酸、碱等。
二、电解质的性质电解质具有以下几个特点:1. 导电性:电解质在溶液或熔融状态下具有较好的导电性,可使电流通过。
2. 电离度:电解质中的分子能够分解成离子,程度称为电离度。
电离度越大,离解的离子数量越多。
3. 化学活性:电解质中的离子在化学反应中具有活性,能与其他物质发生反应。
三、酸碱物质的概念酸碱物质是指具有特定酸性或碱性的化合物。
酸以H+离子为主要特征,而碱以OH-离子为主要特征。
酸和碱可通过中和反应相互转化,生成盐和水。
四、酸碱物质的性质酸碱物质具有以下几个性质:1. 酸性和碱性:酸呈酸性溶液时,其pH值小于7;碱呈碱性溶液时,其pH值大于7。
中和后的溶液的pH值为7,称为中性溶液。
2. 反应性:酸和碱能够发生酸碱中和反应,生成盐和水。
3. 中和能力:强酸强碱的中和能力较强,而弱酸弱碱的中和能力较弱。
五、电解质酸碱物质在化学反应中的应用1. 酸碱中和反应:电解质酸和碱能够发生酸碱中和反应,生成盐和水。
这类反应常用于实验室中的中和滴定分析等。
2. 强酸强碱反应:强酸和强碱的中和反应会释放出大量热量,常用于制备盐类、调节溶液酸碱度等。
3. 酸催化反应:某些酸可以作为催化剂,在化学反应中促进反应速率。
例如,硫酸催化酯化反应。
4. 离子反应:电解质的离子在化学反应中参与反应过程,起着重要的作用。
例如,在电解质溶液中进行电解反应。
总结:化学反应中的电解质酸碱物质在溶液的导电性、离子性质、酸碱反应以及催化作用等方面具有重要的应用价值。
电解质在电化学中的应用研究

电解质在电化学中的应用研究电解质是指在水或其他溶剂中,能够电离成正负离子的物质。
电解质在电化学中有着广泛的应用,比如在电池、电解池、电化学感应等方面。
本文将以电化学中电解质的应用研究为主题,探讨电解质在电化学领域中的应用。
一、电化学充电池中电解质的应用研究电化学充电池是利用外部电源将化学能转化为电能,储存起来供电生产和生活使用的装置。
其中,电解质是电池中不可或缺的重要组成部分,一方面它能够增加电池的电容量和可用能量,另一方面还能够调节电池的性能。
具体来说,电解质能够调节电池的极性反应和电极之间的离子传输速率,从而影响电池的输出电压、电流密度、能量密度等性能指标。
目前,电化学充电池中常见的电解质主要包括液态电解质、固态电解质和聚合物电解质等。
液态电解质主要是指溶解在有机溶剂或水溶液中的离子化合物,如氢氧化钾、氢氧化钠等。
固态电解质是指在固体材料中形成的离子导电通道,其中最为常见的是氧化物电解质。
聚合物电解质是指将聚合物作为载体,在其中掺入离子化合物形成的复合物来实现离子传导。
二、电解质在电解池中的应用研究电解池是利用电能将化学反应进行到产物自由态的装置,具有极高的工业生产价值。
其中,电解质在电解池中的主要作用是电解质分子电离成离子和动态平衡的调节。
以氯碱化工生产为例,氯碱电解池是生产氯气、氢气和氢氧化钠的主要装置。
在这一过程中,电解质主要起到两个作用:其一是电解质与电极相互作用,导致电极表面水解反应而产生氢气和氧气。
其二是调节氢离子和氫氧根离子的浓度,以维持氢氧根离子的含量稳定。
具体来说,氯碱电解池中,电解质为氯化钠,因此氯化钠在电解池中被电离成氯离子和钠离子。
在电极上簇化反应时,氯离子被氧化成气体,钠离子则在氢氧根离子的存在下产生氢氧化钠。
三、电解质在电化学感应中的应用研究电化学感应是指利用电池中化学能转化为电能来实现电化学反应,从而实现分析和检测的技术。
电解质在电化学感应中主要用于增加反应速率、改变反应物的活性能和控制反应机理等方面。
电解的基本原理相关论文

电解的基本原理相关论文电解是利用电能驱动化学反应的过程,在化学、材料科学、生物科学和环境科学等领域都有广泛的应用。
其基本原理涉及电解质溶液中的离子运动、电解反应和电化学过程。
以下论文将围绕电解的基本原理展开讨论。
电解质溶液中的离子运动是电解的基础。
1975年,Arrhenius提出了电解质的离子理论,解释了电解质溶液中离子的运动行为。
根据这个理论,电解质溶液中的离子会离开它们最初属于的分子或晶体,通过水分子的溶剂化作用,形成水合离子。
这些水合离子在电场的作用下,会迁移并在电极上发生反应。
离子的迁移速率与它们的电荷量和半径有关,一般而言,离子半径越小,电荷量越大,迁移速率越快。
电解发生在电解质溶液中的电极表面。
根据电子输运过程,固体电解质表面被电解质和金属电极所包围。
电解质溶液中的离子在电场的作用下,向电极迁移并与金属电极上的反应物发生化学反应。
这些反应可以是氧化还原反应、电沉积反应、分解反应等。
电解质溶液中的阳离子会迁移到电极上的阴极,而阴离子会迁移到电极上的阳极。
电化学过程是电解的关键。
电解过程中,电场激励下的离子运动导致电解质溶液中的化学反应发生。
根据电化学的基本原理,电解的速率与电场强度、电化学活性以及溶液中的离子浓度有关。
较高的电场强度可以加快电解反应的速率,而电化学活性较高的离子也更容易参与反应。
此外,溶液中离子浓度的变化也会影响电解的速率。
回顾历史上的一些经典研究,著名的Nernst方程提供了描述电解中离子浓度变化与电势变化之间关系的数学表达式。
Nernst方程为解释电化学过程中的非均相现象提供了重要的参考。
同时,随着电化学技术的发展,包括循环伏安法、恒电流法和恒电压法在内的各种技术被开发出来,用于研究和控制电解反应的过程。
总结一下,电解的基本原理涉及离子运动、电解反应和电化学过程。
离子通过溶剂化作用形成水合离子,在电场的作用下向电极迁移并与电极上的反应物发生化学反应。
电化学过程决定了电解的速率,包括电场强度、电化学活性和离子浓度的影响。
化学反应中的电解质离子

化学反应中的电解质离子化学反应是物质之间发生变化的过程,而电解质离子在其中扮演着重要的角色。
本文将探讨电解质离子在化学反应中的作用及其相关特性。
一、电解质的定义和分类电解质是指在溶液中或熔融状态下能够产生离子的物质。
根据其溶解度和离解程度的不同,电解质可分为强电解质和弱电解质。
强电解质具有高度的离解程度,能够完全分解为离子。
常见的强电解质包括盐类、酸类和碱类物质。
以氯化钠(NaCl)为例,当其溶解于水中时,会完全离解成Na+和Cl-离子。
弱电解质的离解程度较低,只有一部分分子会离解为离子。
例如,醋酸(CH3COOH)在水中呈现弱电离,只有少数分子会分解成H+和CH3COO-离子。
二、电解质离子在化学反应中的作用1. 反应速率调节电解质离子可以通过增加反应物的浓度,加速反应速率。
由于离子在溶液中具有高度的运动性,可以促进反应物之间的碰撞,从而增加反应发生的机会。
同时,离子的存在还可以提供引发反应的活化能,使反应更容易发生。
2. 中和反应电解质离子在酸碱中中起到中和作用。
当酸性溶液中加入碱性溶液时,酸性溶液中的H+离子与碱性溶液中的OH-离子结合,形成水分子。
这是一种酸碱中和反应,其中电解质离子起到了中和酸碱溶液的作用。
3. 电化学反应电解质离子在电化学反应中扮演着重要的角色。
例如,在电解槽中加入电解质溶液,当通过外加电压形成电流时,正极会接受阴离子,而负极会接受阳离子。
这样,电解质离子在电场作用下会发生氧化还原反应,从而导致一系列的电化学变化。
三、电解质离子的特性1. 导电性电解质离子在溶液中可以形成导电通路。
根据离子浓度的不同,溶液的导电性也会有所变化。
强电解质溶液具有较高的电导率,而弱电解质溶液的电导率较低。
2. 溶解度电解质的溶解度与其离子离解程度有关。
通常情况下,溶解度较高的电解质会产生更多的离子,从而使溶液具有更高的离子浓度和电导率。
然而,溶解度受到溶剂性质、温度和压力等因素的影响。
3. pH值调节电解质离子在水溶液中会影响其酸碱性质。
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Dispersed structure change of smectic clay/poly(methyl methacrylate) nanocomposites by copolymerization with polar comonomers M.Okamoto a,*,S.Morita a,Y.H.Kim a,T.Kotaka a,H.Tateyama ba Advanced Polymeric Materials Engineering,Graduate School of Engineering,Toyota Technological Institute,Hisakata2-12-1,Tempaku,Nagoya468-8511,Japanb Inorganic Materials Department,Kyushu National Industrial Research Institute,Shuku-machi,Tosu-shi841-0052,JapanReceived22March2000;received in revised form22May2000;accepted6June2000AbstractVia in situ free-radical copolymerization of methyl methacrylate(MMA)with a small amount of polar comonomers such as N,N-dimethylaminopropyl acrylamide(PAA),N,N-dimethylaminoethyl acrylate(AEA)and acrylamide(AA),we synthesized clay/copolymer-based nanocomposites from lipophilized smectic clay(SPN).The degree of dispersion and the intercalation spacing of these nanocomposites were investigated by using a transmission electron microscope(TEM)and X-ray diffraction(XRD),respectively.The introduction of the polar comonomers affected the features of both aggregation and¯occulation(edge±edge)interactions.On incorporation of the PAA comonomer,a much stronger¯occulation took place owing to the edge±edge interaction of the silicate layers.In contrast,the AA comonomer played an important role in delaminating the layers.Especially in the PMMA-AA(1mol%)/SPN system,the ordered inter-calated nanocomposite was formed as revealed by XRD and TEM.Each copolymer matrix nanocomposite showed a larger enhancement of moduli compared with the PMMA/SPN nanocomposite due to the large aspect ratio of the dispersed clay particles in the copolymer matrices. q2000Elsevier Science Ltd.All rights reserved.Keywords:Nanocomposite;Polar comonomer;Edge±edge interaction1.IntroductionIn our previous paper[1],we synthesized clay/poly (methyl methacrylate)(PMMA)and clay/polystyrene(PS) nanocomposites via in situ intercalative polymerization using lipophilized smectic clays(called SPN and STN), which were modi®ed by oligo(oxypropylene)-,diethyl-, methyl-ammonium cation and methyl-,trioctil-ammonium cation,respectively.Under some conditions,the intercala-tive nanocomposites,which were formed in both PMMA/ STN and PS/SPN systems,exhibited¯occulation[2]of clay particles because of the hydroxylated edge±edge interaction of the silicate layers.Further,for PMMA/STN and PMMA/ SPN systems,the individual layers were stacked against each other and dispersed homogeneously in the PMMA matrix.The length of the oriented collections in the range of100±300nm is far larger than that in original clay(mean diameterù50nm).Such¯occulation and aggregation presumably are governed by an interfacial energy between the polymer matrix and clays and controlled by quarternized ammonium salt±matrix polymer interaction.The polarity of the matrix polymer is of fundamental importance in control-ling the nanoscale structure.In this paper,we report the results on the effect of copo-lymerization with a small amount of polar comonomers on the structure development of both¯occulation and aggrega-tion in a PMMA/SPN nanocomposite.We discuss the inter-nal formed structure and mechanical properties of the nanocomposites.2.ExperimentalThe organically modi®ed smectic clay(SPN)used in this study,which was synthesized by an ion exchange reaction between Na1-smectite and quaternized ammonium salt (QA),oligo(oxypropylene)-,diethyl-,methyl-ammonium chloride,[(C2H5)2(CH3)N1(O-i Pr)25]Cl2,was supplied by CO-OP Chemical Co.Ltd.The Na1-smectite has an ion exchange capacity of86.6meq/100g.Three polar comono-mers,N,N-dimethylaminopropyl acrylamide(PAA;Kohjin Co.Ltd),N,N-dimethylaminoethyl acrylate(AEA;Kohjin Co.Ltd)and acrylamide(AA;Wako Pure Chemical Ltd,Polymer42(2001)1201±12060032-3861/01/$-see front matter q2000Elsevier Science Ltd.All rights reserved.PII:S0032-3861(00)00419-5www.elsevier.nl/locate/polymer*Corresponding author.Tel.:181-52-809-1861;fax:181-52-809-1864. E-mail address:okamoto@toyota-ti.ac.jp(M.Okamoto).GR)were used without further puri®cation.The SPN solid was dispersed in MMA (Wako Pure Chemical Ltd,GR)including a small amount of the polar comonomer via ultra-sonication (Ultrasonic 250,Hey Co.)at 258C for 7h to obtain suspensions.The details of the in situ intercala-tive polymerization were described elsewhere [1].For comparison we prepared PMMA and a PMMA-based copolymer including QA as the references in the same manner.The structure analyses of X-ray diffraction (XRD)and transmission electron microscopy (TEM),and rheological properties of the suspensions and corre-sponding nanocomposites were carried out using the same apparatus as that described in the previous article [1].3.Results and discussion3.1.Dispersed structure and dynamic viscoelasticity of suspensionsFig.1shows the typical frequency v dependence of storage G H v and loss G HH v moduli for four different suspensions containing 10wt%SPN in three different PMMA±comonomer mixtures within a range of linear viscoelasticity.The MMA/SPN10suspension is a reference.Again,the code MMA-AEA(1)/SPN10represents a suspen-sion containing 10wt%SPN in a 99/1(mol rate)mixture of MMA and AEA.In the MMA/SPN suspension,we can clearly see that both moduli are dependent on v ,suggesting the system is a viscoelastic sol as shown in our previous paper [1].Incorporation of only 1mol%polar comonomer,however,alters the rheological behavior drastically depend-ing on the type of comonomers in the system.For both MMA-AA(1)/SPN10and MMA-PAA(1)/SPN10systems,G H v and G HH v are almost independent of v and the value of G H v is higher than G HH v ;which implies that these systems become a viscoelastic solid-like gel.On the other hand,in the MMA-AEA(1)/SPN suspension,the stronger v dependence of the moduli is observed as a typi-cal sol system.Fig.2shows a series of XRD patterns of the suspensions in the range of diffraction angle 2Q 1±108:The mean interlayer spacing of the (001)plane (d (001))for the solid SPN obtained by XRD measurements is 4.20nm [1],as indicated by the broken line in the ®gure.For each suspen-sion,clearly the peaks arising from the (001)and (002)re¯ections of SPN disappear and the layer structure is destroyed.The absence of Bragg diffraction peaks indicates that the clay has been completely exfoliated or delaminated in the suspension.However,the complete exfoliation of the silicate layers is not judged from only these diffractograms.In consideration of the results on the dynamic viscoelas-ticity and the corresponding XRD patterns for the visco-elastic solid-like suspension without structural regularity of silicate layers as discussed in our previous study [1],we may conclude that intercalated nanocomposites have been presumably formed,especially in the MMA-AA(1)/SPN10system.In contrast,for the MMA-AEA(1)/SPN system,theM.Okamoto et al./Polymer 42(2001)1201±12061202Fig.1.Frequency v response of the storage G H v ;loss G HH v moduli and tan d of:(a)MMA/STN10,(b)MMA-AEA (1mol%)/SPN10,(c)MMA-PAA (1mol%)/SPN10,and (d)MMA-AA (1mol%)/SPN10suspensions at 258C.Fig.2.X-ray diffraction patterns of suspensions.The dashed lines indicate the location of the silicate (001)and (002)re¯ections of solid SPN d 001 4:20nm ;d 002 2:02nm :subsequent preparation of the nanocomposite leads to the ¯occulated structure due to the stacking of the silicate layers.3.2.TEM observation and XRD patterns of copolymer-based nanocompositesFigs.3and4show,respectively,the results of TEM bright®eld images and XRD patterns in the range of2Q 1±108corresponding to the nanocomposites shown in Fig.2. As mentioned in our previous paper[1],in the PMMA/STN nanocomposite,the stacked silicate layers of about200nm length and about40±50nm thickness,which consist of about10parallel individual silicate layers,are observed randomly in the PMMA matrix but the coherent order of the silicate layers seems to be low.For MMA-AEA(1)/ SPN10,the same behavior of the stacked silicate layers is observed but the thickness of the aggregation slightly decreases compared to that of PMMA/SPN10.In the PMMA-PAA(1)/SPN nanocomposite,individual layers connected through the edge are seen in the PMMA-PAA(1)matrix and large anisotropy of the clay layers is observed.A much stronger¯occulation takes place owing to the hydroxylated edge±edge interaction of silicate layers. In contrast,the PMMA-AA(1)/SPN10nanocomposite exhi-bits less stacking of4±5layers with a distance of about 5nm as a®ne dispersion in the PMMA-AA(1)matrix. The coherent order of the silicate layers in this system is higher than that in other systems.The result is consistent with the XRD analysis.In the pattern of the PMMA-AA(1)/ SPN nanocomposite,we see a small peak at2Q 3:508and a small remnant shoulder at2Qù5:278corresponding to the(002)and(003)planes,respectively.Unfortunately,we cannot follow the diffraction peak of the(001)plane because of the limitation of small-angle measurement.The calculated value of the basal spacing of the(001)plane (d(001))isù5.04nm 2Qù1:758 ;which is larger than that of the original SPN solid.Presumably,the ordered intercalated nanocomposite has been formed during the polymerization.The diffractograms of other nanocomposites show rather monotonously decreasing pro®les with increasing 2Q.As mentioned above,the coherent order of the silicate layers is lower compared to the PMMA-AA(1)/SPN10 nanocomposite.Fig.5shows the results of TEM bright®eld images of PMMA-AA(3)/SPN and PMMA-AEA(3)/SPN nanocompo-sites,and in Fig.6,we schematically summarize the dispersed morphology of clay layers in PMMA/SPN-based nanocomposites obtained from TEM pictures.The length versus thickness schemes of randomly dispersed silicate particles in the nanocomposites nicely demonstrates the characteristic effects of the polar group in each comonomer on the morphology.Incorporation of the1mol%AEA comonomer possessing a dimethyl amine group appears to lead to a slight edge±edge interaction.On the other hand,M.Okamoto et al./Polymer42(2001)1201±12061203Fig.3.TEM micrographs of a thin section of nanocomposites:(a)PMMA/SPN,(b)PMMA-AEA(1mol%)/SPN,(c)PMMA-PAA(1mol%)/SPN and (d)PMMA-AA(1mol%)/SPN.the introduction of the AA comonomer having an amide group appears to play an important role in delaminating the layers.However,in the case of the incorporation of 3mol%AEA and AA,these polar comonomers lead to the stacking of the layers compared to the corresponding 1mol%copolymer matrix systems due presumably to the strong hydrogen bonding between polar groups.For the PAA comonomer having both polar groups,a much stronger ¯occulation takes place owing to the edge±edge interaction of the layers.Thus,owing to the interaction between clay layers and copolymer matrices with a small amount of polar groups,the dispersed morphology of the clay particles exhibits complex behavior.In other words,the introduction of the polar comonomers affects the features of both aggregation and ¯occulation (edge±edge)interactions.In recent years,Ginzburg et al.have analyzed the thermodynamics of disk-like particles dispersed in a polymer matrix using the Somoza±Tarazona free-energy function [3,4].They pointed out that the disk±disk interaction plays an important role in determining the stability of clay particles and hence the morphology of such composites.Our morphology results are at least consistent with their prediction.3.3.Mechanical properties and enhancement of modulus Fig.7shows the temperature dependence of the isochro-nal modulus G H and loss tan d of the copolymer-based nano-composites and the corresponding clay-free copolymer/QA blends.For comparison,also shown are the data for PMMA/SPN10and PMMA/QA (Fig.7(a)).The data were taken at the frequency v of 6.28rad/s ( 1Hz)with the amplitude g of 0.05and heating rate (d T /d t )of 28C/min.For PMMA/SPN10and PMMA/QA blends,we see only a small difference between their G H and tan d versus T curvesM.Okamoto et al./Polymer 42(2001)1201±12061204Fig.4.X-ray diffraction patterns of the corresponding nanocomposites.The dashed lines indicate the location of the silicate (001)and (002)re¯ections of SPN solid d 001 4:20nm ;d 002 2:02nm :The asterisk in the panel (d)indicates the speculated position of (002)and (003)re¯ections of PMMA-AA (1mol%)/SPNnanocomposite.Fig.5.TEM micrographs of a thin section of nanocomposites:(a)PMMA-AEA (3mol%)/SPN,and (b)PMMA-AA (3mol%)/SPN.Fig.6.Plots of length and thickness of the dispersed clay particles in various copolymer matrices estimated from TEM pictures.The estimated values are located within the shaded area.(Fig.7(a)).The introduction of AEA,PAA and AA to PMMA as the copolymer matrix appears to suppress the decrease in G H with increasing temperature.In the glassy region below T g,the G H of the copolymer-based composites are roughly200±400%higher than those of the correspond-ing clay-free blends.We also notice that the tan d peaks for the composites are somewhat lower and shifted to the lower-temperature side than those of the clay-free blends,espe-cially for PMMA-PAA(1)and PMMA-AA(1)systems. The behavior of PMMA-AA(1)/SPN10is somewhat different from other systems.We see a broadening and a low-temperature shift of the tan d peak and,nevertheless, the tan d values above T g are almost the same for the PMMA-AA(1)copolymer-based composite and the corre-sponding clay-free blend as shown in Fig.7(d).The XRD pattern of the composite shown in Fig.4(d)exhibits weak but signi®cant re¯ection peaks from the expanded(002)and (003)planes.These results suggest that intercalation of the copolymer chains into the gallery of the clay layers has taken place,thus leading to the suppression of the mobility of the copolymer segments near the interface,which may be common for the polymer-based composite with reinforcing additives[5].In Fig.8,we summarized the clay content dependence of G H obtained at v 6:28rad=s and308C for seven different composites including randomly oriented glass-®ber-(GF-) reinforced PMMA(PMMA/GF).For comparison,here we show the previous data of PMMA/STN and PS/SPN nano-composites[1].The copolymer-based composites exhibit larger values of G H PCN=G H matrix compared with the PMMA/ SPN nanocomposite.G H PCN and G H matrix are the moduli of the composites and the corresponding PMMA-copolymer/QA blend,respectively.The large reinforcement in the elastic modulus is observed in the®gure.The essential factors governing the enhancement of mechanical properties is the aspect ratio of the dispersed®ller particles.The Einstein coef®cient k E derived by Halpin and Tai's theoretical expression modi®ed by Nielsen is shown in the®gure[6]. Halpin and Tai's±Nielsen expression of the modulus of composite G H PCN is given by:G H PCNHmatrix11XY f fillerCf filler 1 whereX k E21 2 YG H filler=G H matrix 21G H filler=G H matrix 1X3C 1112f m2m!f filler 4Here,G H matrix and G H filler are the moduli of the matrix(i.e. PMMA/QA or PMMA)and®llers(clay or GF),respec-tively,X is a constant depending on the type of construction of composite materials and relates to the aspect ratio,k E is the Einstein coef®cient,and f®ller and f m are the volume fraction of®ller reinforcement and the maximum packing volume fraction of®ller(0.63for clay and0.82for GF[4]), respectively.Taking the modulus of the clay G H clay to be 170GPa[4]and that of GF to be60GPa[4],we calculated the composition dependence of G H PCN=G H matrix according to Eqs.(1)±(4)and the value of k E was estimated by selecting an appropriate value for the best®t to the experimentally obtained G H PCN=G H matrix versus f®ller plots.The results are summarized in Fig.8.The estimated value of k E was500for PMMA-AA(1)/ SPN,160for PMMA-PAA(1)/SPN,60for PMMA-AEA(1)/SPN,30for PS/SPN,15for PMMA/SPN,7for PMMA/STN nanocomposites and7for the PMMA/GF-reinforced material.The reason for the high modulusM.Okamoto et al./Polymer42(2001)1201±12061205Fig.7.Temperature dependence of G H and tan d for the nanocomposites and polymerized copolymer/QA compositions without clays.enhancement of the nanocomposites may be attributed to two factors:one is the larger k E and the other is the higher value of G H clay compared with that of GFRP.The enhancement of the modulus explains the dispersed structure of clay in the nanocomposites reasonably well.The formation of the clay particles with the large aspect ratio is presumably due to the enhancement of interactions between clay layers and copolymer matrices with small amounts of the polar groups.4.ConclusionsWe demonstrated the effect of copolymerization with small amounts of polar comonomers on the structure devel-opment of both ¯occulation and aggregation (layer stack-ing)in a PMMA/SPN nanocomposite.Three polar comonomers,PAA,AEA and AA were selected.Incorpora-tion of the AEA comonomer,possessing dimethyl amine group up to 3mol%,leads to stacking of the layers.On the other hand,the introduction of an AA comonomer having an amide group plays an important role in delami-nating the layers.For a PAA comonomer having both polar groups,the much stronger ¯occulation takes place owing to the edge±edge interaction of the layers.Both the aggrega-tion and edge±edge interactions are altered due to the intro-duction of the polar comonomers.The copolymer matrix systems exhibit a larger enhancement of both storage and loss moduli compared with the PMMA/SPN nanocomposite due to the formation of the large aspect ratio of the clay particles with a small amount of the polar groups.AcknowledgementsWe would like to thank Dr Tuneo Chiba and Associate Prof.Toshiaki Ougizawa,Tokyo Institute of Technology for taking the TEM pictures shown in Figs.3and 5.References[1]Okamoto M,Morita S,Taguchi H,Kim YH,Kotaka T,Tatayama H.Polymer 2000;41:3887.[2]Van Olphen H.An introduction to clay colloid chemistry.New York:Wiley,1977.[3]Ginzburg VV,Balazs AC.Macromolecules 1999;32:5681.[4]Somoza AM,Tarazona P.J Chem Phys 1989;91:517.[5]Nielsen LE.Mechanical properties of polymer and composites,vol.2.New York:Marcel Dekker,1981(chap.7,p.233).[6]Halpin JC,Kardos JL.Polym Eng Sci 1976;16:344.M.Okamoto et al./Polymer 42(2001)1201±12061206Fig.8.Plots of G H PCN =G H matrix vs.volume%of ®ller for various nanocompo-sites.The Einstein coef®cient k E was shown with the number in the box.The lines show the calculated results from Halpin and Tai's theory with various k E .。