纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯复合乳液的合成、性能与结构表征

摘要

聚合物与无机纳米的复合是纳米科学与技术的重要组成部分，也是制备高性能聚合物材料的重要方法之一。由于丙烯酸酯聚合物的可加工性、可塑性与多功能性，使之成为纳米复合材料的首选载体之一。
　　 本文对纳米二氧化硅-聚丙烯酸酯复合乳液的合成及性能进行研究。如果将纳米粒子直接添加的聚合物中，由于纳米SiO2亲水性，易团聚，将难以达到纳米水平上稳定分散。本研究工作首先合成出粒径在100nm以下的纳米级聚丙烯酸酯乳胶粒，在此基础上合成了以偶联剂MPS改性后的纳米SiO2为核，聚丙烯酸酯为壳的纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯核壳结构的乳液，解决了纳米粒子的团聚问题，并改善了材料的力学性能。
　　 采用种子乳液聚合方法合成了聚丙烯酸酯乳液，探讨乳化剂种类和配比、壳层单体滴加速度、反应温度、种子单体用量等因素对聚丙烯酸酯乳液性能和粒径的影响。实验结果表明当阴离子乳化剂（SDS）和非离子乳化剂（OP-10）两者的配比为2:1，反应温度为75℃，壳层单体滴加时间为速度为0.34ml/min,种子单体用量为15%时，乳液综合性能最好，且得到粒径100nm以下的乳胶粒。
　　 在纯丙乳液聚合的基础上，采用种子乳液聚合法制备出内核为SiO2、壳层为具有交联结构的聚丙烯酸酯的核壳复合微粒，从二氧化硅用量、二氧化硅改性时间、偶联剂加入量等因素对乳液的性能进行探讨。在力学性能方面，由于丙烯酸酯单体与接到二氧化硅表面偶联剂的通过化学键结合，受力时可以承受更大的应力变化，当二氧化硅含量为0.18%时，与纯丙乳胶膜相比，复合乳胶膜的拉伸强度提高了47.27%、同时断裂伸长率也提高了17.48%。
　　 用激光粒度仪测试结果表明当SiO2用量为0.18%，SiO2改性时间为3h，偶联剂用量为3.75%时，乳胶粒的粒径为70.42nm。随着二氧化硅用量的增加，复合粒子的粒径增大。FTIR谱图证实了MPS已成功接到二氧化硅表面，在1620 cm-1～1680 cm-1范围内C=C双键的吸收峰完全消失，证实单体和偶联剂MPS完全参与反应。TEM照片证实了复合乳胶粒的核壳结构，复合乳胶粒之间没有团聚具有良好的分散性。ESEM观察到的纳米复合膜的微观结构显示二氧化硅经改性之后，与有机物之间有很好的相容性。同时用丙酮对复合膜进行刻蚀，用ESEM观察刻蚀后膜的内部结构，照片表明形成膜的微观结构是一个高度交联的网络结构。
　　 探讨用不同的工艺合成硅溶胶/聚丙烯酸酯复合乳液，实验过程中获得了直径为1.5cm左右的星形状物质。用ESEM对所得物质经丙酮刻蚀后的微观结构进行观察分析形成原因。同时用原位聚合法成功合成了粒径为59.14nm的硅溶胶/聚丙烯酸酯乳液。
　　 首次将二氧化硅经过化学改性后得到的二氧化硅/聚丙烯酸酯纳米复合乳液、硅溶胶/聚丙烯酸酯纳米复合乳液为基料，配制成隔热涂料，与二氧化硅直接加到聚丙烯酸酯中的物理混合涂料和纯丙涂料进行对比研究，结果表明纳米涂料具有更好的隔热效果，同时涂膜的耐水性、耐酸性、耐碱性等综合性能优于物理混合涂料。