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纳米SiO2/聚酯复合材料的研究进展

作者:王甜甜 王宇 来源:本站 浏览数:1616 发布时间:2016-6-12 15:03:15

聚合物复合材料技术近年发展迅速,利用刚性纳米粒子与聚合物复合更引人瞩目,纳米复合材料具有诸多优异功能,分散相庞大的比表面积与基体有良好的界面结合,与类似组成的常规复合材料相比具有更好的物理力学性能以及原组分所没有的许多性能。本文综述了近年来SiO2/聚酯复合材料的研究进展。

1  纳米SiO2表面改性

   纳米粒子具有独特的表面效应、体积和量子效应,与聚合物以化学键、物理吸附等方式结合构成纳米/聚合物复合材料。但是纳米粒子本身极易团聚形成聚集体颗粒,作为填料加到聚合物基体中时与有机相的相容性差,导致在聚合物基体中形成团聚体,损害聚合物基体本身的性能,为了更好发挥纳米粒子特性需对其进行表面改性,提高粉体的分散性和表面活性。目前最普遍的Si02改性方法是用偶联剂对SiO2粒子表面包覆改性,研究者通常将SiO2粒子分散在去离子水和(或)乙醇溶液中,然后添加水解后的偶联剂,通过搅拌反应、过滤干燥获得最终表面改性的SiO2粒子。

2   SiO2/聚酯复合材料的制备方法

聚合物中加入无机相可改善聚合物的强度和韧性、耐热性、阻燃性、光学性能、抗菌、抗紫外等性能。聚酯以其优良的性能广泛用于纤维、薄膜和食品包装等领域,SiO2改性聚酯复合材料的研究近年火热,实验室和工业中制备SiO2/聚酯复合材料的方法主要包括共混法和原位聚合法。

2.1共混法

 共混法是将纳米粉体或无机溶胶直接分散于高分子基质来制备有机无机纳米复合材料。

  徐喻琼等人采用聚酯树脂、促进剂和SiO2混合后加入固化剂,按照“树脂浇铸体拉伸试验方法”制备拉伸试样,结果表明UPR/SiO2复合材料的刚性和韧性均随填充粒子添加量的增加而提高;孙岳明等采用熔融共混法制备纳米SiO2增强PET复合材料母料,熔融体系中加入偶联剂KH550A1120,将母料与PET共混制备纳米SiO2增强PET复合材料母料,产物中纳米SiO2粒子在PET中分散均匀、结晶性能好、增强效果明显、与PET相容性好;金嘉铭等以纳米SiO2/PET复合材料切片为原料,采用注塑/挤出工艺制取增强耐热纳米SiO2/PET工程塑料制品;赖铮铮等将热塑性聚酯树脂和功能性二氧化硅粒子熔融共混、成型后制得切片、纤维、薄膜或成型品,与未改性的聚酯树脂相比具有显著的耐水解特性,且加工过程物有害气体、不增加熔体粘度导致加工困难; Zhang  Y研究了原位聚合纳米SiO2/UPR复合材料的物理、化学及耐磨性能,结果表明,加入2%的纳米SiO2可使材料热失重减少1/2Tg、耐磨性均高于纯树脂。原位聚合法使纳米SiO2在树脂中分散效果很好,从而使材料强度和韧性提高。

综上可知,使用纳米SiO2对聚酯改性不仅能进行增韧或增强改性,还能把纳米无机相的阻燃性能、高模量、高强度和聚酯有机相的冲击性能和弹性结合在一起,是一种对聚酯材料改性的有效方法,提高了聚酯的应用范围。

22 原位聚合法

原位聚合是指先制备适当的聚合物,然后纳米颗粒在聚合物提供的受控环境、纳米模板或纳米反应器下通过化学反应原位生成,从而实现聚合物基无机纳米复合材料制备。

   这种方法的优点是填充粒子分散均匀,一次聚合成型保证了基体各种性能的稳定。原位聚合法根据氧化硅的形态一般分为两种方式:一种是在合成聚酯时添加氧化硅粒子形态的硅源,另一种是在合成聚酯时添加氧化硅前体物质,通过前体水解获得氧化硅硅源。

章浩龙等利用原位聚合法将纳米SiO2预先分散到生产不饱和聚酯树脂的原料体系中,通过改进树脂生产工艺,可直接制得纳米改性不饱和聚酯树脂,并使树脂固化后的强度、韧性、耐热性等性能得到较大幅度的提高;吴斌等将制备的氧化硅悬浮液加入聚酯的反应液中进行酯化缩聚反应,聚合结束后造粒、挤出成膜、拉伸热定型得到透光性、防水性、阻隔性、耐热性和抗老化性能优异的聚酯薄膜,解决了现有技术中高透明聚酯薄膜的收卷和分切性能欠佳的问题;王锐等人制备了含有吸湿基团和无机纳米粉体(如氧化硅)的功能性共聚酯母粒,通过将氧化硅添加至合成聚酯的反应液中获得聚酯母粒,由该共聚酯母粒与常规聚酯切片共混纺丝制备改性聚酯纤维;王勋忠等通过“浆料混合酯化缩聚出料冷却切粒干燥”步骤,在缩聚时加入Si02超细颗粒,纺制了大有光热管牵伸丝聚酯。张波等将有机硅预聚体加入不饱和聚酯反应液中,经过合成得到有机硅改性的不饱和聚酯,经研究有机硅改性不饱和聚酯树脂固化后,内部存在微观相分离的现象,但耐热性能良好;夏延致等利用溶胶凝胶法生产的聚酯/SiO2纳米复合材料,将无机组分的前体正硅酸乙酯加入酯化反应体系中,通过缩聚反应制备得到聚酯/SiO2纳米复合材料;中国科学院化学研究所的王峰等对现有的溶胶凝胶法进行改进,在聚酯溶液中加入正硅酸乙酯溶胶溶液,待有机溶剂挥发后进行水热处理,使正硅酸乙酯的水解缩合反应在聚合物中原位进行,此法不需对纳米氧化硅进行表面处理就可达到均匀分散的目的;罗付生等在制备聚酯的反应液中添加正硅酸乙酯硅源制备聚酯/SiO2复合材料,其中正硅酸乙酯水解为氧化硅。

3  结语

    目前纳米SiO2粒子改性聚酯已经取得一定进展,SiO2粒子能增韧增强聚酯材料,提高其耐磨性、耐水、酸碱及耐热性,但如何制备更为均一分散的SiO2/聚酯体系仍是研究的重点,探索纳米复合材料的实际应用技术和生产工艺、实现工业生产也是重要的努力方向。