納米二氧化硅有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料的制備及其研究.pdf

1、本文采用分子設(shè)計(jì)原理，利用乳液聚合法分別設(shè)計(jì)并合成了聚甲基丙烯酸甲酯接枝二氧化硅(PMMA-g-SiO2)以及聚苯乙烯-丙烯酸丁酯-丙烯酸接枝二氧化硅(PSBA-g-SiO2)核殼型雜化納米粒子；利用溶膠-凝膠技術(shù)制備了γ-(2,3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷接枝二氧化硅(KH-560-g-SiO2)有機(jī)改性二氧化硅雜化納米粒子。將這些雜化納米粒子分別填充到聚合物基體中，制備得到PVC/PMMA-g-SiO2、PSBA/PSBA-g-S

2、iO2、PMMA/SiO2以及EP/SiO2四種復(fù)合納米材料。通過(guò)透射電子顯微鏡(TEM)、動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析儀(DMA)、熱重分析儀(TGA)、差示掃描量熱儀(DSC)、掃描電子顯微鏡(SEM)、旋轉(zhuǎn)流變儀等對(duì)復(fù)合納米材料進(jìn)行了表征。重點(diǎn)考察了二氧化硅納米粒子表面的有機(jī)改性，二氧化硅納米粒子的填充量對(duì)聚合物基體的力學(xué)性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)、形貌、流變等方面的影響。 (1)采用懸浮分散聚合法(SDP)制備了單分散的PMMA-g-SiO2雜

3、化納米粒子，該雜化粒子具有典型的核殼結(jié)構(gòu)，平均粒徑為85 nm。用PMMA-g-SiO2雜化納米粒子填充PVC制備了PVC/PMMA-g-SiO2復(fù)合納米材料。結(jié)果表明與純PVC相比，該復(fù)合納米材料具有更優(yōu)異的力學(xué)性能，如當(dāng)PMMA-g-SiO2納米雜化粒子的填充量在3wt％時(shí)，拉伸強(qiáng)度可達(dá)54.5 MPa提高了12 MPa、斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)48.5％提高了27.8％，沖擊強(qiáng)度可達(dá)8 kJ/m2提高了3.5 kJ/m2，洛氏硬度可達(dá)97

4、HRB提高了17 HRB。PVC/PMMA-g-SiO2復(fù)合納米材料界面粘結(jié)力得到明顯的改善，復(fù)合材料的韌性和強(qiáng)度得到明顯改善，材料的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能模量(E')和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(tanδ)提高。PVC/PMMA-g-SiO2復(fù)合納米材料的阻隔性能得到明顯的改善，有利于包裝行業(yè)的更高的要求，具有一定的使用前景。 (2)采用懸浮分散共聚的方法在水相中成功合成了PSBA-g-SiO2雜化納米粒子，粒子呈規(guī)整的球形結(jié)構(gòu)，平均直徑約為80 nm

5、。將PSBA-g-SiO2雜化納米粒子填充PSBA膠乳，制備其復(fù)合納米膠乳。雜化納米粒子PSBA殼層可以提高納米二氧化硅與聚合物基體的界面粘附力以及納米二氧化硅在聚合物膠乳中的分散程度。結(jié)果表明雜化納米粒子填充量在2.5wt％以下可以提高復(fù)合納米膠膜的力學(xué)強(qiáng)度、表面粗糙度、耐水性以及耐候性等物理化學(xué)性能，尤其是在含量為1.5wt％時(shí)，效果更明顯。而且，雜化PSBA-g-SiO2粒子的填充可以改善乳液的流變性及其儲(chǔ)藏穩(wěn)定性。 (3

6、)采用溶膠凝膠法制備了KH-560有機(jī)改性納米二氧化硅溶膠，通過(guò)溶液共混法制備了PMMA/SiO2復(fù)合納米材料。TGA表明納米二氧化硅能夠提高復(fù)合材料的耐熱性；DMA表明當(dāng)納米二氧化硅含量在Swt％時(shí)，復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低；SEM表明納米二氧化硅在PMMA基體中具有很好的分散性；光學(xué)和紫外分析表明PMMA/SiO2復(fù)合納米材料在SiO2填充量為33.3％仍然具有優(yōu)異的光學(xué)透明性和紫外屏蔽能力。同時(shí)，將該P(yáng)MMA/SiO2復(fù)合納米

7、溶膠涂覆于PVC片材表面，可以使PVC表面電阻下降5-6個(gè)數(shù)量級(jí)，涂層剝離強(qiáng)度高達(dá)435 gf/15mm，說(shuō)明該抗靜電涂層具有優(yōu)異的持久性。 (4)合成了微米和納米兩種粒徑的KH-560改性的二氧化硅粒子，通過(guò)溶液共混的方法填于環(huán)氧樹(shù)脂(EP)基體，制得EP/SiO2復(fù)合材料。重點(diǎn)研究了填充SiO2的尺寸對(duì)復(fù)合材料的流變性能、界面粘接性能、固化工藝、熱穩(wěn)定性、熱機(jī)械力學(xué)性能的影響。流變分析和表面形貌分析表明EP/SiO2復(fù)合材料

8、的初始穩(wěn)態(tài)粘度較純EP有較大的提高，納米SiO2填充EP的流變逾滲閾值大于微米SiO2填充EP的流變逾滲閾值。微米SiO2在EP基體中具有較好的分散性，納米SiO2在EP基體中較易形成團(tuán)聚。DSC表明，納米SiO2能夠降低EP的前期固化溫度、固化溫度和反應(yīng)活化能，而微米SiO2對(duì)固化工藝影響不大。TGA表明EP/SiO2復(fù)合材料的耐熱性能有所提高，并且納米SiO2比微米的SiO2更能夠提高高復(fù)合材料熱穩(wěn)定性。DMA表明EP/SiO2復(fù)合