功能化SiO2粒子、PMAA粒子的制备及其多种应用

摘要

文中研究了一种简单易行的水解缩合方法，可用于制备具有不同功能的纳米粒子。首先，制备了一种超疏水的功能化纳米粒子。在乙醇的水溶液中，通过正硅酸四乙酯(TEOS)作为原料剂制备得到了二氧化硅纳米粒子前驱体(SiO2)，在使用氨水作为催化下先制备得到SiO2纳米粒子前驱体溶液;之后，再向所得的SiO2纳米粒子前驱体溶液中加入TEOS和1H，1H，2H，2H-全氟癸基三乙氧基硅烷(HDFTES)，通过共水解缩合反应制备得到了具有树莓结构的F-Si@Si纳米粒子。这种含有树莓粒子的乙醇分散液可以直接喷涂在基材上，使被喷涂的基材获得超疏水性。此外，还对涂层的多项性能进行了测试，结果表明该涂层机械性能良好。之后，对树莓粒子的形成机理进行了研究和讨论。
　　依托这种水解缩合的方法可以在一步内制备得到另一种纳米复合物，该纳米复合物可以用于制备双疏性涂层。这种F-Si@PMAA纳米复合物具有二元结构，且壳层较粗糙;这个二元结构是通过正硅酸四乙酯(TEOS)和1H，1H，2H，2H-全氟癸基三乙氧基硅烷(HDFTES)在PMAA纳米粒子表面通过共水解缩合制备得到的，反应是在PMAA纳米粒子的乙醇分散液中进行的。得到的纳米复合物的分散液可以直接用于喷涂在不同基材表面，而所有喷涂过纳米复合物的涂层都表现出了很好的双疏性能——超疏水性和高疏油性，其中水的接触角和滚动角分别约为150°和4°，油的接触角也超过了130°。此外，制备的涂层在水压冲击实验和砂纸实验后依旧保持着抗水性。本实验制备双疏性涂层的方法简单有效，是一种有日后可能进行大规模工业生产的方法。
　　之前的实验使用了SiO2粒子，PMAA粒子两种不同的粒子做芯材，皆能制备得到具有核壳结构的功能化纳米粒子。之后的实验改变用于壳层制备原料中的硅烷偶联剂，依旧可以制备得到核壳纳米粒子。通过一个两步法制备了一种多层核壳纳米复合物。第一步，首先在二氧化硅纳米粒子表面使用正硅酸四乙酯(TEOS)和3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)共水解缩合制备出MPS/SiO2核壳纳米粒子。第二步，通过甲基丙烯酸十八酯(ODMA)和MPS/SiO2核壳纳米粒子表面的C=C键的共聚合反应在MPS/SiO2核壳纳米粒子表面在形成一层高分子壳得到最终的PODMA/MPS/SiO2多层纳米复合物。所制得的多层纳米复合物可以直接制成具有耐热性的疏水涂层，所制得涂层不仅疏水性良好，接触角大于130°，而且表现出很好的耐高温稳定性。此外，所制得的多层纳米复合物还可以用作纳米原油降黏剂，能使原油的黏度下降80％。PODMA/MPS/SiO2多层纳米复合物所具有这些实用优点，在实际工业生产中是存在着潜在的应用价值的。
　　在以上的研究基础上，进一步研究了该水解缩合方法的反应机理及限制条件。通过这种水解缩合的方法成功制得了含有不同官能团的硅Si@PMAA核壳纳米粒子。三种不同的硅烷偶联剂3-（甲基丙级酰氧基）丙基三甲氧基硅烷(MPS)，3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)和3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)分别和正硅酸四乙酯(TEOS)加入到聚甲基丙烯酸纳米粒子的乙醇分散液中制备得到三种含有不同官能团的Si@PMAA核壳纳米粒子。Si@PMAA核壳纳米粒子中的核壳结构和表面官能团分别通过透射电子显微镜和红外光谱分析进行表征和确定。Si@PMAA核壳纳米粒子相关的制备条件和制备方法也在本章节中进行了详细的讨论。另外，实验证明这种共水解缩合的方法不仅可以应用在PMAA纳米粒子上，而且可以应用到其他表面带有活性基团的纳米粒子上。与此同时，运用表面带有C=C键和-NH2官能团的核壳纳米粒子进一步应用在了疏水涂层的制备上。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．1．1 纳米材料的定义

1．1．2 纳米材料的特性

1．1．3 纳米材料的应用及前景

1．2 纳米材料的分类及制备方法

1．2．1 纳米材料的种类

1．2．2 纳米粒子及其制备方法

1．3 纳米粒子的功能化

1．3．1 功能化纳米粒子的种类

1．3．2 功能化纳米粒子的制备方法

1．4 功能化纳米粒子的应用

1．4．1 功能化纳米粒子在表面、界面中的应用

1．4．2 功能化纳米粒子在复合材功能材料制备中的应用

1．4．3 功能化纳米粒子在其他材料制备中的应用

1．5 本课题的研究目的

第二章 含有F-Si@SiO2树莓粒子的超疏水涂层的制备方法及衣表1征止

2．1 实验部分

2．1．1 主要试剂与仪器

2．1．2 超疏水纳米涂层的制备

2．1．3 超疏水涂层中的粒子的树莓结构表征

2．1．4 超疏水涂层的润湿性测试

2．1．5 超疏水涂层的机械强度测试

2．1．6 超疏水涂层的表面结构和成分组成测定

2．2 结果与讨论

2．3 本章小结

第三章 一步法制备FSi@PM从纳米复合物双疏性涂层

3．1 实验部分

3．1．1 主要试剂与仪器

3．1．3 通过喷涂法制备双疏型涂层

3．1．4 纳米涂层的表面形貌结构和元素组成的测试

3．1．6 双疏性涂层的润湿性的相关测试

3．1．7 双疏性涂层的机械强度的测试

3．2 结果与讨论

3．3 本章小结

第四章 具有耐高温疏水性、降低原油黏度的PODMA／MPs／SiO2多层核壳纳米复合物

4．1 实验部分

4．1．1 主要试剂与仪器

4．1．2 PODMA／MPs／SiO2多层纳米复合物的制备

4．1．3 MPS／SiO2核壳纳米粒子和PODMA／MPS／SiO2多层纳米复合物的结构表征

4．1．6 PODMA／MPS／SiO2多层纳米复合物制备纳米涂层的热稳定测试

4．1．8 PODMA／MPS／SiO2多层纳米复合物制备的纳米涂层的热稳定性

4．2 结果和结论

4．3 本章小结

第五章 带有不同官能团的Si@PMAA核壳纳米粒子的制备及衣表1征止

5．1 实验部分

5．1．1 主要试剂与仪器

5．1．2 Si@PMAA核壳纳米粒子的制备

5．1．6 使用全氟醇接枝到带有-NH2官能团的Si@PMAA核壳纳米粒子上制备超疏水涂层

5．1．7 所制得的涂层的润湿性的测试

5．2 结果与讨论

5．3 本章小结

第六章 全文总结

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术成果