溶胶-凝胶法制备PDMS杂化材料及性能研究

摘要

聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体具有众所周知的优良性能，但不经过增强，其拉伸强度只有0.3MPa左右，没有实用价值。因此，PDMS增强研究一直为有机硅高分子领域的研究热点。本文旨在以PDMS为有机相，正硅酸四乙酯(TEOS)、异丙醇铝(AIP)作为无机相，通过溶胶-凝胶法制备较高力学性能、耐热性能的PDMS杂化材料。
　　 首先，采用粘度法研究不同反应条件下溶胶粘度的变化，采用多波长作图法测定反应物中Si(OH)4的浓度，并用积分法及作图法分析了TEOS水解过程，确定25℃酸性条件下TEOS的水解速率方程。
　　 结果表明：25℃酸性条件下，水解初始阶段溶胶分子按线性模式生长。溶胶粘度变化分两个阶段，第一阶段粘度随时间延长增长缓慢；第二阶段粘度随时间延长变化较大。水解反应动力学参数为n=2，k=0.0597L·mol-1·min-1，TEOS水解反应速率方程为v=0.0597[TEOS]1[H2O]1。
　　 其次，以PDMS为有机相，TEOS作为无机相，采用溶胶-凝胶工艺成功制备了系列PDMS/SiO2杂化材料。通过FTIR、SEM、TG、DSC等方法对材料的结构进行了分析，并且对材料的溶胶分数、力学性能以及电性能等进行了测试分析。
　　 FTIR分析和抽提实验结果表明，杂化材料中有机组分和无机组分发生了化学键合；SEM分析结果表明，杂化材料微相均匀分布，未发生相分离：耐热性测试表明，具有共价键结合的杂化材料比纯PDMS材料的热稳定性高，热分解温度在350℃以上；当TEOS含量在一定范围时，可提高材料的力学性能，拉伸强度和断裂伸长率随TEOS的增加先增大后减小，当TEOS含量为25％左右综合性能较好；水解生成的SiO2引入极性基团并吸附较多的杂质分子，因此杂化材料的体积电阻随TEOS用量的增加减小，相对介电常数随TEOS用量的增加而增大，但从总体上看，仍然是较好的绝缘材料。
　　 最后，采用溶胶-凝胶工艺以AIP为前驱体成功制备了Al2O3复合体系；分析了溶剂、反应温度、酸用量和加水量对Al2O3溶胶稳定性的影响；以PDMS为有机相，TEOS、AIP作为无机相，采用溶胶-凝胶工艺成功制备了系列PDMS/SiO2/Al2O3杂化材料。通过FTIR、SEM、TG、DSC等方法对材料的结构进行了分析，并且对材料的溶胶分数、力学性能以及电性能等进行了测试分析。
　　 对AIP水解条件的研究发现，溶剂为甲苯与异丙醇的混合溶液较为合理；最佳水解温度为80℃，较低或较高的温度均会导致溶胶稳定性变差；HCI用量与AIP的摩尔比为0.04/1，加水量为AIP用量的2～5倍时生成的Al2O3颗粒较小。
　　 FTIR分析表明AIP水解生成Al2O3，杂化材料的FTIR中未有明显的Si-O-Al-O键；抽提实验结果表明，杂化材料中有部分PDMS被捕获与无机网络中；SEM分析结果表明，TEOS水解生成的SiO2颗粒较小能与有机相混合均匀，无相分离。Al2O3则主要以物理吸附的形式存在与杂化体系中，AIP用量增加，相分离越严重；耐热性测试表明，制备的杂化材料热稳定性高，热分解温度在350℃以上；当TEOS与AIP质量比为16/24左右力学性能较好，此时拉伸强度为1.5MPa，断裂伸长率为200％；Al2O3的吸附性及介电明显大于SiO2，因此PDMS/SiO2/Al2O3杂化材料的体积电阻随AIP用量的增加减小，相对介电常数随AIP用量的增加而增大。