纳米SiO2纤维、硅藻土/PMMA复合材料制备及性能研究

摘要

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）在建筑橱窗、医用牙托、广告牌照、灯罩等领域应用广泛，但是其存在着力学性能较低，热稳定性能不高的缺陷，在很多方面的应用都被限制。所以提高 PMMA力学性质和热稳定性能是研究热点也是本文研究的重点。硅藻土是一种以SiO2为主要成分的硅质多孔材料，硅藻土在我国有丰富的储量，研究硅藻土在聚合物当中的利用，为硅藻土的有效开采和可持续利用提供了有指导性意见；纤维状SiO2具有很高的力学性质，是优异的增强体材料，纳米尺寸的SiO2纤维性能更加优异，对提升聚合物的力学性质有显著效果。本实验采用硅藻土和纳米SiO2纤维作为增强体材料，对PMMA基复合材料进行研究。 本论文对下面三个方向做了研究： （1）以自制纳米SiO2纤维为填料，PMMA树脂为基体，γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）为填料表面改性剂，采用湿法改性纳米SiO2纤维表面的亲水疏油性，并以原位聚合法制备纳米SiO2纤维/PMMA复合材料；研究KH-550浓度对纳米SiO2纤维的改性效果，并探究SiO2纤维用量对复合材料力学性能和热稳定性能的影响。通过KH-550对SiO2纤维表面改性处理，在一定偶联剂浓度范围内能提高PMMA拉伸强度，在KH-550与去离子水的体积分数比为1:5时，强度最高。当纳米SiO2纤维含量为0.30wt%时，纳米SiO2纤维/PMMA的拉伸强度和简支梁缺口冲击强度取得最大值，分别为61.83MPa和25.79kJ/m2，比纯PMMA提高了13%和48%。且弯曲强度达到95.71MPa提高了2.3%，其硬度达到115.5也提高了3.3%。随着纳米SiO2纤维质量百分含量的增多，复合材料的Tg升高，当纤维的含量为0.80wt%时，其玻璃化温度（Tg）值达到115.2℃，比纯PMMA（103℃）提高了12.2℃。随着纳米SiO2纤维质量百分含量的增多，复合材料的TG曲线也向高温区移动，当材料失重率为25%时，对应温度逐渐提升，分解温度增大，热稳定性更好。 （2）以物理提纯的硅藻土为填料，PMMA树脂为基体，硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH-570）为表面改性剂，采用湿法对物理提纯的硅藻土表面改性，探究 KH-570对物理提纯的硅藻土改性效果，及物理提纯硅藻土添加量对硅藻土/PMMA力学性能和热学性能作用。通过KH-570对物理提纯硅藻土表面改性处理的实验中发现：物理提纯的硅藻土孔内含有较多杂质，在对硅藻土进行表面改性时，在其中的抽滤过程中，大量KH-570被抽滤掉，致使硅藻土表面覆盖率较低；进一步地使硅藻土与PMMA基体间存在较大空隙，使基体材料的连续性被破坏，从而复合材料力学性能降低。但是随着硅藻土添加量的增多，复合材料的Tg值显著提升，当改性物理硅藻土的添加量为0.80wt%时，复合材料玻璃化温度达到112℃，比纯PMMA（103℃）提高了9℃。从复合材料的TG曲线也可以得知，其热分解温度（Td）提高，热稳定性提高。 （3）用酸洗法提纯硅藻土，除去其所含黏土杂质与清理其孔道，并用KH-570对其表面改性，研究了酸洗硅藻土/PMMA的力学强度和热学性质。硅藻土通过KH-570对其表面改性处理后，通过FTIR、TG与润湿角的表征，证明酸洗硅藻土的改性效果良好。其中硅藻土添加量为0-0.80wt%时，复合材料的拉伸性能、硬度呈增长趋势。在添加量为0.80wt%，拉伸强度和硬度值达到62.5MPa和117.8，比纯PMMA分别提升了14.3%和5.46%；当添加量为0.40wt%，复合材料的简支梁缺口冲击性能和弯曲强度分别达到21.8kJ/m2、107.67MPa，比纯PMMA提高了22.42%、15%。随着硅藻土添加量的增多，复合材料的Tg值显著提高，在硅藻土添加量为0.60wt%时，复合材料的玻璃化温度提高达到116.7℃，提高13.7℃；从复合材料的TG曲线也可以得知，复合材料的Td值提高，热稳定性提高。 在酸洗硅藻土与物理提纯硅藻土的比较中发现，酸洗硅藻土的多孔结构吸附性强，表面改性效果好，改性后的多孔结构硅藻土与聚合物之间形成更多的物理缠结与化学作用，对传递负载应力，消耗外力的能量，提升聚合的强度和韧性。硅藻土与聚合物之间的相互作用力还可以阻碍分子间的相互运动，硅藻土在聚合物中还能起到降低热传递速度，提高复合材料的热稳定性。 无机填料经过表面改性后，可以增强无机填料与聚合物基体之间结合力，当结合力足够大时，无机填料能够起到增强增韧的效果。无机填料与基体之间形成的物理缠结对基体的力学强度的增加也有作用。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 PMMA

1.2 硅藻土

1.3 纳米SiO2纤维

1.4无机填料改性方法

1.5复合材料制备方法

1.6研究意义与研究内容

第二章 实验原料与方法

2.1 实验原料

2.2 实验仪器设备

2.3复合材料制备路线

2.4 纳米SiO2纤维与硅藻表面土改性

2.5 纳米SiO2纤维/PMMA复合材料制备

2.6硅藻土/PMMA复合材料制备

2.7 黏均分子量测定

2.8 材料测试与表征

第三章 纳米SiO2纤维/PMMA复合材料制备及其性能研究

3.1 聚合物黏均分子量

3.2 纳米SiO2纤维改性效果分析

3.3 偶联剂浓度对材料的拉伸强度的影响

3.4 纳米SiO2纤维含量对其复合材料力学性能影响

3.5 复合材料断面形貌分析

3.6 热学性能分析

3.7 本章小结

第四章 硅藻土/PMMA复合材料制备及其性能研究

4.1硅藻土改性效果分析

4.2 物理提纯硅藻土含量对其复合材料力学性能的影响

4.3 酸洗硅藻土含量对其复合材料力学性能的影响

4.4 微观形貌分析

4.5 热学性能分析

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文