纳米SiO2/聚丙烯酸酯Janus复合乳液的制备及性能

摘要

纳米复合乳液中乳胶粒的形貌会直接影响其成膜及应用性能。Janus复合乳胶粒具有形貌与结构的不对称性和各向异性等特点，能赋予材料优异的性能，成为研究热点之一。基于课题组前期研究的基础，本研究通过一步细乳液聚合法、交联驱动相分离法和自组装结合原位聚合法分别制备哑铃状和雪人状的纳米SiO2/聚丙烯酸酯（PA）Janus复合乳液以及棒状SiO2/PA Janus复合乳液，探究Janus结构对乳液成膜及皮革涂饰应用性能的影响。具体包括以下内容： 采用一步细乳液聚合法制备哑铃状纳米SiO2@苯丙Janus复合乳液。当偶氮二异丁腈用量为3.5%，苯乙烯与丙烯酸丁酯质量比为4:6，甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷用量为4%，正硅酸乙酯（TEOS）用量为6%时，复合乳液基本无凝胶、转化率高及粒径分布窄，并且成膜具有较优的力学性能和耐水性。TEM结果表明：复合乳胶粒的形貌随聚合时间的延长呈现由核壳结构到哑铃状的过程。SEM和EDS能谱结果表明：纳米SiO2在薄膜内部均匀分散且薄膜出现了一些孔隙。应用结果表明：该乳液涂饰后的革样相对于纯苯丙乳液和市售PA复合乳液涂饰后革样的撕裂强度提升13%以上，透气性提升了80%以上，透水汽性提高了2%以上。 采用交联驱动相分离法制备雪人状纳米SiO2/PA Janus复合乳液。当过硫酸铵用量为4.5%，二乙烯基苯用量为5%和TEOS用量为2%时，复合乳液转化率高、粒径分布窄并且成膜具有优异的耐水性。FT-IR结果表明：二乙烯基苯与聚丙烯酸酯链段发生交联反应。对雪人状纳米SiO2/PA Janus复合乳液（Janus C-PA/SiO2），交联PA乳液（C-PA）以及无规型纳米SiO2/PA复合乳液（PA/SiO2）的成膜性能进行对比。结果表明：相比于C-PA和PA/SiO2薄膜，Janus C-PA/SiO2薄膜的抗张强度提高142%以上，水汽透过率提高7%以上；并且相比于PA/SiO2薄膜，Janus C-PA/SiO2和C-PA薄膜的耐水性提升91%以上。DSC和TG结果表明：Janus C-PA/SiO2薄膜的热性能高于其他两种薄膜。AFM结果表明：Janus C-PA/SiO2乳液在成膜过程中乳胶粒发生一定自组装行为，形成类似“麻花状”的聚集体。应用结果表明：与市售PA乳液和无规型纳米SiO2/PA复合乳液涂饰后的革样相比，该乳液涂饰后革样的透气性提升91%以上，以及透水汽性提升17%以上。 采用4%用量的十二烷基硫酸钠（SDS）作为结构诱导剂，10%用量的TEOS作为硅源前驱体制备棒状SiO2，通过在棒状SiO2一侧上原位生长PA聚合物，得到棒状SiO2/PA Janus复合乳液。TEM结果表明：1.5%SDS用量形成球形胶束和4%SDS用量形成棒状胶束。相比于球形SiO2/PA复合乳液成膜，棒状SiO2/PA Janus复合乳液成膜的抗张强度提升392.58%、耐水性提升127.06%。AFM和SEM结果表明：棒状SiO2均匀地分布在薄膜的内部和表面。应用结果表明：相比于市售PA乳液和球形SiO2/PA复合乳液涂饰后的革样，该乳液涂饰后革样的抗张强度提升了14%以上，断裂伸长率提升了23%以上，以及撕裂强度提高了29%以上。 最后，将制备的三种不同形貌的纳米SiO2/PA Janus复合乳液进行成膜和涂饰性能对比。成膜性能结果表明：棒状SiO2/PA Janus复合乳液成膜的力学性能最优，雪人状纳米SiO2/PA Janus复合乳液成膜的耐水性最优。应用结果表明：相比于市售的聚丙烯酸酯乳液，雪人状纳米SiO2/PA Janus复合乳液涂饰后革样的抗张强度和撕裂强度较其他两种提升幅度最大，分别是19.34%和20.33%。哑铃状纳米SiO2@苯丙Janus复合乳液涂饰后革样的卫生性能和耐干湿擦性能最佳。

目录

1 文献综述

1.1 前言

1.2 Janus纳米材料的概述及结构特点

1.3 Janus纳米材料的制备方法

1.4 聚丙烯酸酯基纳米复合乳胶粒形貌研究

1.5 课题的提出

1.6 创新点

2 哑铃状纳米SiO2@苯丙Janus复合乳液的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

3 雪人状纳米SiO2/PA Janus复合乳液的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

4 棒状SiO2/PA Janus复合乳液的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

5 结论

致谢

参考文献

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