聚合物-無機片晶共價組裝材料的制備及性能研究.pdf

1、有機-無機復(fù)合材料在光學、電子、生物、催化、膜材料以及機械等很多方面具有很高的應(yīng)用價值。近年來，由于其巨大的工業(yè)應(yīng)用和理論研究價值，受到越來越多的重視。在有機-無機復(fù)合材料的構(gòu)筑中，層狀硅酸鹽具有低含量、制備工藝簡單、天然的納米結(jié)構(gòu)、極大的比表面積、強的界面作用等特點，這使得聚合物/層狀硅酸鹽復(fù)合材料成為應(yīng)用最廣且最有工業(yè)化前途的有機-無機復(fù)合材料。
　　目前，世界各國對聚合物/層狀硅酸鹽復(fù)合材料的研究工作異?；钴S，相繼開發(fā)了許多

2、高性能、新功能的復(fù)合材料，包括阻燃材料、阻隔材料、光學材料、緩釋劑、抗菌劑、生物材料等，均具有極大的發(fā)展?jié)摿蛯嵱靡饬x。眾多研究表明，實現(xiàn)無機-有機兩相體系在納米尺度上的規(guī)律組裝，復(fù)合材料的性能將得到極大提升?？茖W工作者不斷地展開科技創(chuàng)新，利用新工藝、新方法制備各種復(fù)合材料，從而取得了長足的進步，得到了不同形態(tài)的組裝體。
　　但是，科學工作者研究所得組裝體多數(shù)是通過硅酸鹽的物理鍵合力組裝形成，很少是通過硅酸鹽-有機聚合物兩相形成共

3、價鍵制備硅酸鹽組裝體，并且我們也沒有檢索到具有說服力的文獻，以說明這類組裝體的宏觀性能如何，微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能存在著何種關(guān)系。為了認知這些問題，本文進行了如下實驗工作，并取得了一系列研究成果:
　　(1)探討了蛭石片晶有機修飾的可行性
　　選擇商品化蛭石作為原料，對其進行研磨、插層以及剝分處理，制備剝分蛭石。利用硅烷偶聯(lián)劑KH-550以及KH-560對剝分蛭石進行有機修飾，并探討硅烷偶聯(lián)劑用量與改性蛭石增重量的關(guān)系。采用紅外

4、光譜儀(FTIR)、光電子能譜(XPS)、熱重分析(TGA)探討蛭石片層改性前后結(jié)構(gòu)的變化。實驗結(jié)果表明，利用硅烷偶聯(lián)劑可對蛭石片晶進行有機修飾，得到兩種改性蛭石:氨基化蛭石以及環(huán)氧化蛭石。硅烷偶聯(lián)劑體積用量為0.75 ml時，改性蛭石的增重量為1.62％。改性蛭石的增重量隨硅烷偶聯(lián)劑用量的增加而增加，當硅烷偶聯(lián)劑用量為5.00ml時，改性蛭石的增重量最高可以達到6.06％。
　　(2)探討了有機修飾蛭石與有機單體的組裝行為以及蛭

5、石片晶的組裝機理
　　將66鹽與氨基化蛭石混合，然后采用原位聚合的方法制備66鹽/氨基化蛭石復(fù)合材料，對制得的復(fù)合材料進行紅外(FTIR)、光電子能譜(XPS)以及透射電鏡(TEM)以及掃描電子顯微鏡(SEM)分析，在此基礎(chǔ)上認識改性蛭石的組裝行為以及其與有機高聚物的相互作用機理。實驗結(jié)果表明，氨基化蛭石的氨基與66鹽的羧基發(fā)生反應(yīng)，形成了共價鍵，使得有機分子鏈嫁接在蛭石片層表面形成高分子刷。在高分子刷的作用下，蛭石片晶在有機相內(nèi)

6、部進行組裝，形成了組裝體。當復(fù)合材料中蛭石的百分含量不同發(fā)生變化，蛭石在有機相中呈現(xiàn)出不同的組裝結(jié)構(gòu)（線狀、網(wǎng)狀以及樹枝狀分布）。高分子刷的密度增大時，無機片晶的組裝形態(tài)也發(fā)生了很大的變化，從線狀分布變?yōu)閷訝罘植?。通過控制蛭石表面官能團數(shù)量，可以得到兩種高粘土添加量復(fù)合體系組裝體:長葉狀以及棒狀組裝體。
　　利用乳酸以及環(huán)氧化蛭石采用原位聚合的方法制備了乳酸基聚合物/環(huán)氧化蛭石復(fù)合材料，對制得的復(fù)合材料進行紅外(FTIR)、光電子

7、能譜(XPS)以及透射電鏡(TEM)分析，探討了改性蛭石在乳酸相中的組裝行為及組裝機理。實驗結(jié)果表明，乳酸基聚合物同樣可以在改性蛭石表面形成高分子刷，促使蛭石片晶進行組裝，得到棒狀形態(tài)的組裝體。
　　(3)探討了組裝材料的結(jié)構(gòu)與性能
　　利用掃描電子顯微鏡(SEM)以及原子力顯微鏡(AFM)對66鹽/氨基化蛭石復(fù)合材料進行彈性模量分析，并對復(fù)合材料的結(jié)晶行為以及拉伸性能進行了探討。棒狀以及餅狀兩種組裝體的彈性模量測試結(jié)果表明

8、，無機片層與有機單體兩相體系進行有序組裝后，組裝體的模量數(shù)值遠高于其單組份的彈性模量數(shù)值。復(fù)合材料的結(jié)晶行為以及拉伸性能測試表明，相對于純聚合物體系，含有組裝體的復(fù)合材料結(jié)晶行為以及拉伸性能有了較大改善。
　　利用原子力顯微鏡(AFM)、激光掃描聚焦顯微鏡測試(CLSM)、偏光顯微鏡測試(POM)以及熱重分析(TGA)對乳酸基聚合物/環(huán)氧化蛭石復(fù)合材料分別進行了彈性模量、生物相容性、結(jié)晶行為以及熱穩(wěn)定性能分析。實驗結(jié)果表明，乳酸系

9、組裝體的彈性模量同樣高于其單組份的彈性模量，造骨細胞在材料表面表現(xiàn)出較強的增殖能力，具有應(yīng)用于生物領(lǐng)域的潛力。與純聚合物相比，含有組裝體的復(fù)合材料結(jié)晶速度更快，晶粒更小，同時分解溫度有了很大提高。
　　(4)利用計算模擬技術(shù)對蛭石的組裝行為以及影響因素進行探討
　　利用模擬軟件(Materials Studio)建立了PA66/AMVMTs與HA/AMVMTs兩種復(fù)合模型，并對其進行了動力學計算。探討了兩種復(fù)合模型的界面結(jié)構(gòu)