納米二氧化硅的制備及其懸浮分散體系流變行為研究.pdf

1、納米粒子由于具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)等“納米效應(yīng)”而引起了科學(xué)界的重視。而納米SiO2是目前應(yīng)用最廣泛的納米材料之一，由于其具有高強(qiáng)度、高剛性、能吸收紫外線(xiàn)等特點(diǎn)，業(yè)已成為材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)。根據(jù)懸浮流變學(xué)理論，納米顆粒懸浮分散液的流變行為能反映納米粒子與介質(zhì)分子之間相互作用的情況，對(duì)納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的研究具有重要的理論意義。 本文采用化學(xué)沉淀法，通過(guò)原位生成改性技術(shù)制備出在高分子材料中容易分散納米SiO2，并系統(tǒng)的研

2、究了納米SiO2懸浮分散體系的流變行為以了解納米SiO2與介質(zhì)分子間的作用。主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新性研究成果摘要如下： 以化學(xué)沉淀法制備了納米SiO2水分散液，發(fā)現(xiàn)納米SiO2的產(chǎn)率、粒徑及分布與反應(yīng)工藝條件密切相關(guān)。在制備體系中加入聚乙烯醇和聚乙二醇等水溶性高分子，可很好的抑制納米SiO2絮凝團(tuán)聚，通過(guò)無(wú)皂乳液聚合的方法可將納米SiO2絮凝體打開(kāi)并賦予其良好的存放穩(wěn)定性。在硅烷偶聯(lián)改性劑的存在下，通過(guò)原位反應(yīng)復(fù)合制備得到顆粒粒徑在

3、10～15nm和粒徑分布窄（10nm占12．5％；15nm占87．5％）的納米SiO2分散液。納米顆粒在介質(zhì)中分散度高、穩(wěn)定性好。 將納米SiO2水分散液、親水性納米SiO2粉末和親油性納米SiO2粉末分別與苯丙乳液復(fù)配，比較了各類(lèi)復(fù)合乳膠膜的性能發(fā)現(xiàn)，納米SiO2水分散液/苯丙乳液復(fù)合乳膠膜有更高的Tg，更優(yōu)良的耐蠕變性。通過(guò)原子力顯微鏡觀察復(fù)合乳膠膜的表面形貌發(fā)現(xiàn)，在納米SiO2水分散液/苯丙乳液復(fù)合乳膠膜中納米SiO2分散

4、更均勻，粒子尺寸更小，復(fù)合膜表面更為致密、光滑。與納米SiO2粉體相比，納米SiO2水分散液更適合作為納米材料與乳液復(fù)配使用。 系統(tǒng)研究了納米SiO2/PEG懸浮分散體系、納米SiO2/環(huán)氧樹(shù)脂懸浮分散體系的流變行為。發(fā)現(xiàn)隨納米SiO2的含量增加，懸浮分散體系的粘度升高，納米SiO2的體積分率與體系粘度的關(guān)系與愛(ài)因斯坦方程有較大的偏差。本文認(rèn)為偏差是由納米SiO2粒子顯著的界面效應(yīng)、介質(zhì)分子的官能團(tuán)能與納米SiO2粒子表面的基團(tuán)

5、作用、介質(zhì)分子尺寸與納米粒子的顆粒尺寸在同一數(shù)量級(jí)等多種原因使介質(zhì)分子吸附在納米SiO2粒子表面而造成的。 本文以懸浮流變學(xué)的經(jīng)典方程—愛(ài)因斯坦方程和軟球模型中關(guān)于有效體積分?jǐn)?shù)φeff的概念為基礎(chǔ)，提出針對(duì)此類(lèi)稀懸浮分散體系“有效運(yùn)動(dòng)粒子”的假設(shè)：由于納米粒子與介質(zhì)分子的相互作用，納米粒子在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)裹挾吸附在其表面的介質(zhì)分子一起運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)動(dòng)粒子的粒徑大于納米粒子的粒徑，而伴隨納米粒子運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)層的有效厚度，可反映納米粒子與

6、介質(zhì)分子作用的強(qiáng)弱。本文假定在此類(lèi)納米顆粒稀懸浮分散體系中，由納米粒子和伴隨其一起運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)層有效厚度構(gòu)成“有效運(yùn)動(dòng)粒子”，“有效運(yùn)動(dòng)粒子”滿(mǎn)足愛(ài)因斯坦方程的剛性、球形形態(tài)的要求。用ψeff表示“有效運(yùn)動(dòng)粒子”的體積分率，則體系粘度與ψeff的關(guān)系在稀懸浮液體積分率范圍內(nèi)符合愛(ài)因斯坦方程。該假設(shè)的意義在于，ψeff與納米粒子實(shí)際體積分率（ψ）的比值可反映體系中的介質(zhì)分子與納米粒子作用的大小系統(tǒng)比較分析了各類(lèi)納米SiO2懸浮分散體系的ψe

7、ff/ψ值，發(fā)現(xiàn)在相同分散介質(zhì)中，親水性納米SiO2懸浮分散液的ψeff/ψ值高于親油性納米SiO2懸浮分散液的ψeff/ψ值。而分子量相近的E—51、E—44和PEG—400體系，由于的分子結(jié)構(gòu)的差異的影響，ψeff/ψ值有較大的差別． 通過(guò)對(duì)納米SiO2/環(huán)氧樹(shù)脂懸浮分散體系動(dòng)態(tài)剪切溫度掃描分析發(fā)現(xiàn)，體系納米SiO2/環(huán)氧樹(shù)脂懸浮分散體系的粘度有很大的溫度依賴(lài)性。且親油性納米SiO2在一定溫度區(qū)域內(nèi)可能與環(huán)氧樹(shù)脂分子產(chǎn)生物理

8、交聯(lián)作用，而在更高的溫度下會(huì)解物理交聯(lián)。另外，通過(guò)對(duì)該體系時(shí)間掃描發(fā)現(xiàn)親油性納米SiO2的加入會(huì)使環(huán)氧樹(shù)脂固化反應(yīng)凝膠點(diǎn)提前，而親水性納米SiO2對(duì)固化反應(yīng)影響不大。 通過(guò)對(duì)納米SiO2/KGM/有機(jī)硼凝膠行為的研究。發(fā)現(xiàn)隨納米SiO2含量的增加，體系的凝膠時(shí)間縮短。其原因可能是納米SiO2在體系中通過(guò)納米顆粒的表面吸附作用和表面羥基與KGM鏈上的羥基作用，使KGM分子鏈被吸附包覆在其表面，而起到物理交聯(lián)點(diǎn)的作用，從而促使凝膠時(shí)