二氧化硅微球的应用研究——粒子的表面改性与胶体晶体的制备

摘要

纳米SiO2作为橡胶、塑料等行业不可缺少的优良原料,是一种重要的无机化工产品,由单分散SiO2组装而成的胶体晶体在光子晶体、光电子器件等方面的应用也引起了人们的极大关注。但是纳米SiO2表面能高,极易团聚,表面亲水疏油,很难在有机相中均匀分散,从而限制了它的应用,要解决上述问题,必须对其进行表面改性。胶体晶体组装后的干燥过程是其能否实现纳米量级结构的关键,与普通干燥相比,在超临界流体条件下对胶体晶体进行干燥,可以有效地避免凝胶在干燥过程中的收缩,最大限度地保持凝胶的网络结构。
　　 在硅烷偶联剂改性SiO2的实验中,使用四种带有不同基团的偶联剂对SiO2进行表面改性,运用DTS和FT-IR进行表征分析。DTS测量结果表明,随着偶联剂用量的增多,改性纳米SiO2粒径变大,但PDI值先降低后升高,这说明合适的偶联剂用量在增强粒子疏水性的同时还可以减弱粒子间的团聚作用,使粒子分散效果得到改善。FT-IR分析表明改性SiO2的硅羟基吸收峰明显减弱的同时增加了偶联剂有机链的吸收峰,这说明SiO2表面的硅羟基与硅烷偶联剂间发生了化学键合,完成了改性反应。
　　 乳液聚合改性SiO2的实验以两种不同粒径的SiO2为核,采用了MMA、VAC和St这三种亲水性不同单体,使用平流泵进料,进料速率分别选取0.01、0.02、0.04 mL/min,每小时取样一次。复合粒子的粒径增长情况运用DTS和SEM进行表征,粒子表面基团的变化用FT-IR分析。DTS和SEM分析结果表明,通过无皂乳液聚合法可以在亲水的SiO2粒子表面包覆有机层,但聚合物单体的亲水性和SiO2的粒径对有机壳层的形成过程有较大影响,以MMA和VAC为单体时,PMMA和PVAC都能够在亲水的SiO2表面直接包覆形成稳定的壳层,但以St为单体且以纳米SiO2为核时,DTS结果显示SiO2/PSt粒径增长速度要比其他两种复合粒子快得多；以亚微米SiO2为核时,SEM分析表明亚微米SiO2只能够吸附一定厚度的由粒径在10～30nm的PSt颗粒组成的PSt层。一旦PSt壳层的厚度达到极限厚度(约20nm),PSt层就会从SiO2表面脱落。
　　 胶体晶体的组装和超临界干燥实验,讨论了凝胶超临界干燥的步骤,通过考察湿凝胶的预干燥程度、超临界温度、惰性气体预加压等因素对实验结果的影响,探索在现有的实验条件下减少胶体晶体干燥过程中出现破碎或裂纹的超临界条件和操作方法。

目录

文摘

英文文摘

第一章 前言

1.1 单分散SiO2纳米粒子的制备和表征

1.1.1 二氧化硅颗粒的制备

1.1.2 颗粒的表征

1.2 纳米二氧化硅颗粒的改性和作为无机化工产品的一些应用

1.2.1 纳米二氧化硅粒子的改性

1.2.2 改性纳米二氧化硅粒子的表征

1.2.3 改性二氧化硅纳米粒子的应用

1.3 由单分散纳米二氧化硅制备胶体晶体

1.3.1 胶体晶体的组装

1.3.2 胶体晶体的超临界干燥

1.3.3 表征胶体晶体手段

1.3.4 胶体晶体的应用

1.3.5 国内外研究的状况

1.4 论文选题的意义和目的

第二章 硅烷偶联剂改性纳米二氧化硅

2.1 实验仪器与试剂

2.1.1 实验仪器

2.1.2 实验试剂

2.2 硅烷偶联剂改性纳米二氧化硅的实验原理

2.3 实验方法与实验装置

2.4 改性纳米SiO2粒子的测试与表征

2.4.1 改性二氧化硅的粒径和多分散度(PDI)的测量

2.4.2 红外光谱表征

2.4.3 沉降实验

2.5 实验结果与讨论

2.5.1 KH-570改性纳米二氧化硅

2.5.2 带环氧基的硅烷偶联剂改性纳米二氧化硅

2.5.3 VTS改性纳米二氧化硅

2.5.4 NAS改性纳米二氧化硅

2.6 小结

第三章 无皂乳液聚合法改性纳米二氧化硅

3.1 实验仪器与试剂

3.1.1 实验仪器

3.1.2 实验试剂

3.2 实验方法和实验装置

3.3 SiO2/聚合物复合粒子的测试与表征

3.3.1 复合纳米粒子的平均粒径和PDI的测量

3.3.2 红外光谱表征

3.3.3 扫描电镜分析

3.4 结果与讨论

3.4.1 纳米SiO2/高聚物粒子的制备

3.4.2 亚微米SiO2/高聚物粒子的制备

3.5 小结

第四章 胶体晶体的组装及超临界干燥

4.1 实验仪器与试剂

4.1.1 实验仪器

4.1.2 实验试剂

4.2 单分散SiO2粒子的制备和胶体晶体的组装

4.3 胶体晶体的超临界干燥

4.3.1 超临界干燥的原理

4.3.2 高温超临界有机溶剂干燥

4.3.3 惰性气体预加压超临界干燥

4.4 胶体晶体的高温焙烧成型实验

4.5 实验结论和对下一步工作的建议

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢