CN105153865A - 一种改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备方法 - Google Patents

一种改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备方法 Download PDF

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本发明公开了一种改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备方法,包括以下步骤:(1)溶胶凝胶法制备纳米SiO2;(2)油酸对纳米SiO2的表面处理;(3)改性纳米SiO2/环氧一丙烯酸酯复合材料的制备。本发明通过加入油酸对纳米SiO2粒子表面进行改性,纳米粒子的团聚现象明显减少;将改性后的纳米SiO2掺入环氧树脂一丙烯酸酯乳液中,经IR、TEM、SEM等分析手段表征后成功制得了改性纳米SiO2/环氧一丙烯酸酯复合材料。实验结果表明,改性纳米SiO2/环氧一丙烯酸酯复合材料的冲击强度、拉伸强度和附着力等力学性能和其他耐腐蚀、耐盐雾性能均有明显提高。

Description

一种改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备方法,具体涉及一种改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备方法。
背景技术
许多通常在熔融或液体状态下不能互溶的物质组分,当粒径介于1~100nm成为纳米粒子时,能在纳米尺度下合金化,即原本不相容的物质在纳米尺度范围具有一定的相容性。同时由于纳米粒子表面非配对原子多,粒径又小,加入聚合物材料后,与聚合物发生物理或化学结合的可能性大,因而纳米粒子对聚合物材料能起到一个很好的改性目的。但另一方面由于纳米粒径小,表面活性高,粒子容易发生自身团聚,使聚合物复合材料的拉伸强度、冲击强度和附着力等力学性能受到很大的限制。因此,在纳米粒子的应用中,如何避免粒子团聚,是改善复合材料性能的关键问题。
发明内容
发明目的:本发明的目的是为了避免纳米粒子团聚和提高复合材料的冲击强度、拉伸强度和附着力等力学性能和其他耐腐蚀、耐盐雾性能,提供一种改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备方法。
技术方案:一种改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)溶胶凝胶法制备纳米SiO2
取80~100ml80%乙醇溶液和20~30g正硅酸乙酯,置于250ml反应器中,加入30%氨水60~80ml并保持溶液PH=8~9,80℃下加热40~50min,反应后得到硅胶沉淀;将得到的硅胶沉淀于150℃真空干燥5~6h,得到干凝胶粉末;将干凝胶粉末置于烘箱中,加热到110~120℃,处理40~50min后,得到纳米SiO2,待用;
2)纳米SiO2的表面处理:
将步骤1)中制得的5~10g纳米SiO2与20~30g的油酸充分混合,加入40~50ml的丙酮,调节pH值为8~9,用频率40KHZ的超声波高速均质分散5~8h后,温度升至110~120℃,烘干2~3h,得到改性纳米SiO2,待用;
3)改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备:
将步骤2)中制得的4~6g改性纳米SiO2和10~20g环氧树脂充分混合后,加入30~40mL丙酮,用频率40KHZ的超声波分散并依次逐滴加入8~15ml丙烯酸单体,3~5滴二月桂酸二丁基锡,升温至90~95℃,保温3~4h,加入100mL去离子水,待乳化40~50min后,除去丙酮,冷却后加入固化剂三乙烯四胺1~2g,升温到70~80℃、固化40~60min后,即得到改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料。
有益效果:本发明中,通过加入油酸对纳米SiO2进行表面改性,纳米粒子的团聚现象明显减少;将改性后的纳米SiO2掺入环氧树脂-丙烯酸酯乳液中,成功制得了改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料;经IR、TEM、SEM等分析手段对改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料进行了表征。实验结果表明,改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的冲击强度、拉伸强度和附着力等力学性能和其他耐腐蚀、耐盐雾性能均有明显提高。
附图说明:
图1为油酸改性纳米SiO2的红外光谱图;
图2为油酸改性纳米SiO2的扫描电镜;
图3为电子能谱图;
图4为环氧-丙烯酸酯复合材料TEM图;
图5为改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料TEM图;
图6为环氧-丙烯酸酯复合涂膜SEM图;
图7为改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合涂膜SEM图;
图8为纳米SiO2含量对环氧-丙烯酸酯复合涂膜吸水率的影响。
具体实施方式
本发明中:实验药品:纳米SiO2(自制);油酸(AR,南京曙光化工总厂);正硅酸乙酯(AR,上海化学试剂厂);环氧树脂(E-51)(岳阳石化总公司);丙酮(AR,西安化学试剂厂)。实验仪器:超声波清洗仪(上海超声波仪器厂);FJ-200高速均质分散机(上海标本模型厂);JEOL-3010透射电镜;Perkin-Elmer傅立叶变换红外光谱仪;JSM-6360LV扫描电子显微镜。耐水性测试依据GB/T1733-1993;耐盐雾测试依据GB/T1771-1991;QCJ型漆面冲击机。
实施例1:
一种改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)溶胶凝胶法制备纳米SiO2
将80ml80%乙醇溶液和20g正硅酸乙酯(分析纯),置于250mL反应器中,加入30%氨水60ml并保持溶液PH=8,80℃下加热40min,反应后得到硅胶沉淀;将得到的硅胶沉淀于150℃真空干燥5h,得到干凝胶粉末;将干凝胶粉末置于烘箱中,加热到110℃,处理40min后,得到纳米SiO2,待用;
2)纳米SiO2的表面处理:
将步骤1)中制得的5g纳米SiO2与20g的油酸(分析纯)充分混合,加入40mL的丙酮(分析纯),调节pH值为8,用频率40KHZ的超声波高速均质分散5h后,温度升至110℃,烘干2h,得到改性纳米SiO2,待用;
3)改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备:
将步骤2)中制得的4g改性纳米SiO2和10g环氧树脂(E-51)充分混合后,加入30mL丙酮(分析纯),用频率40KHZ的超声波分散并依次逐滴加入8mL丙烯酸单体,3滴二月桂酸二丁基锡(分析纯),升温至90℃,保温3h,加入100mL去离子水,待乳化40min后,除去丙酮,冷却后加入固化剂三乙烯四胺(分析纯)1g,升温到70℃、固化40min后,即得到改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料。
实施例2
一种改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)溶胶凝胶法制备纳米SiO2
取100mL80%乙醇溶液和30g正硅酸乙酯(分析纯),置于250mL反应器中,加入30%氨水80mL并保持溶液PH=9,80℃下加热50min,反应后得到硅胶沉淀;将得到的硅胶沉淀于150℃真空干燥6h,得到干凝胶粉末;将干凝胶粉末置于烘箱中,加热到120℃,处理50min后,得到纳米SiO2,待用;
2)纳米SiO2的表面处理:
将步骤1)中制得的10g纳米SiO2与30g的油酸(分析纯)充分混合,加入50mL的丙酮(分析纯),调节pH值为9,用频率40KHZ的超声波高速均质分散8h后,温度升至120℃,烘干3h,得到改性纳米SiO2,待用;
3)改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备:
将步骤2)中制得的6g改性纳米SiO2和20g环氧树脂充分混合后,加入40mL丙酮(分析纯),用频率40KHZ的超声波分散并依次逐滴加入15mL丙烯酸单体,5滴二月桂酸二丁基锡(分析纯),升温至95℃,保温4h,加入100mL去离子水,待乳化50min后,除去丙酮,冷却后加入固化剂三乙烯四胺(分析纯)2g,升温到80℃、固化60min后,即得到改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料。
实施例3
一种改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)溶胶凝胶法制备纳米SiO2
取90mL80%乙醇溶液和28g正硅酸乙酯(分析纯),置于250mL反应器中,加入30%氨水75mL并保持溶液PH=8.5,80℃下加热45min,反应后得到硅胶沉淀;将得到的硅胶沉淀于150℃真空干燥5.5h,得到干凝胶粉末;将干凝胶粉末置于烘箱中,加热到115℃,处理45min后,得到纳米SiO2,待用;
2)纳米SiO2的表面处理:
将步骤1)中制得的8g纳米SiO2与28g油酸(分析纯)充分混合,加入48mL的丙酮(分析纯),调节pH值为8.5,用频率40KHZ的超声波高速均质分散6h后,温度升至115℃,烘干2.5h,得到改性纳米SiO2,待用;
3)改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备:
将步骤2)中制得的5g改性纳米SiO2和15g环氧树脂充分混合后,加入35mL丙酮(分析纯),用频率40KHZ的超声波分散并依次逐滴加入10mL丙烯酸单体,4滴二月桂酸二丁基锡(分析纯),升温至94℃,保温3.5h,加入100mL去离子水,待乳化45min后,除去丙酮,冷却后加入固化剂三乙烯四胺(分析纯)2g,升温到75℃、固化50min后,即得到改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料。
为了进一步检验本发明复合材料的效果,特列举实验例如下:
1)油酸改性纳米SiO2的红外光谱分析
将油酸改性纳米SiO2进行红外光谱分析,光谱图如附图1,由图1可以看出,2926cm-1、2847cm-1分别为-CH3、-CH2伸缩振动特征吸收峰,716cm-1处为O-Si-O处吸收峰,1092cm-1处为-C-O-的伸缩振动吸收峰,1531cm-1、1440cm-1两个吸收峰证实了COO-的存在,1711cm-1处吸收峰消失,表明羧酸根已同SiO2表面相结合。由上述分析可以初步判定油酸已经接枝到纳米SiO2粒子表面。
2)油酸改性SiO2的表面微观形貌分析
附图2为油酸改性纳米SiO2的扫描电镜图,从扫描电镜图可以看出,改性纳米SiO2粒子的粒径在30~50nm左右,呈球形颗粒状且分布均匀。图3为油酸改性纳米SiO2的电子能谱图,从中可以看到除了SiO2中的两个特征峰Si和O峰外,在其不远处还出现了一个原本没有的很强的C峰,证明了油酸已经成功对纳米SiO2粒子进行了改性,这与上述红外光谱数据的分析结果相一致。
3)纳米SiO2改性环氧-丙烯酸酯复合材料透射电镜分析
附图4为环氧-丙烯酸酯复合材料TEM图,图5为改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料TEM图。相较于图4,从图5中可以看出,中间核心为无机纳米粒子SiO2,外壳有机层是环氧-丙烯酸酯复合材料,这表明环氧-丙烯酸酯复合材料分子链上已经接枝了纳米SiO2粒子,并形成了稳定的核壳结构。
4)改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合涂膜扫描电镜分析
环氧-丙烯酸酯复合涂膜SEM见图6,0.8wt%改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合涂膜SEM见图7。从图6和7可以看出改性后的纳米SiO2粒子较均匀地分散于环氧-丙烯酸酯复合涂膜中。这进一步表明纳米SiO2成功接枝到环氧-丙烯酸酯分子链上,制得了稳定的改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料。
5)改性纳米SiO2含量对环氧-丙烯酸酯复合涂膜吸水率的影响
从图8可以看出,当纳米SiO2含量低于0.8wt%时,环氧-丙烯酸酯复合涂膜的吸水率逐渐减少,当纳米SiO2含量超过0.8wt%时,环氧-丙烯酸酯涂膜的吸水率随纳米SiO2含量的增加而增加,主要是由于较低的SiO2含量对环氧-丙烯酸酯复合涂膜的改性不太明显,过高含量会使纳米SiO2出现团聚现象,反而降低了纳米SiO2与环氧-丙烯酸酯的交联度,造成涂膜的致密性和耐水性能下降。上述结果表明添加适量的纳米SiO2可以增强环氧-丙烯酸酯复合涂膜的耐水性能。
6)改性纳米SiO2对环氧-丙烯酸酯复合材料力学性能的影响
由于环氧树脂表面存在不同键和状态的羟基和环氧基团,SiO2与环氧树脂之间能发生反应,具有一定的相容性。实验发现,当加入油酸对纳米SiO2粒子表面改性后,能使无机刚性粒子界面具有一定程度的界面黏结力,改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的力学性能有较明显的提高(如表1所示)。
表1纳米SiO2改性环氧-丙烯酸酯复合材料力学性能的变化
注:括号内数据为未经油酸改性的纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料性能
表1结果表明,纳米SiO2粒子经油酸改性后制得的改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的冲击强度和拉伸强度等力学性能有明显提高。并且当改性纳米SiO2与环氧-丙烯酸酯复合材料的摩尔配比增加时,其力学性能逐渐增大,但摩尔配比过大,其力学性能反而减少。经实验测定其摩尔配比为3/100时,改性后的纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料具有最佳的力学性能。
7)纳米SiO2改性前后环氧-丙烯酸酯复合材料其他性能对比
表2纳米SiO2改性前后复合材料其他性能对比
表2结果表明,纳米SiO2改性后环氧-丙烯酸酯复合涂膜的附着力、硬度、耐盐雾等各项性能均有明显提高。
综上所述:
通过加入油酸对纳米SiO2粒子进行表面改性,将改性后的纳米SiO2掺入环氧树脂-丙烯酸酯乳液中,经IR、TEM、SEM等分析手段表征后成功制得了改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料。进一步实验结果表明,改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的冲击强度、拉伸强度和附着力等力学性能得以明显提高,当纳米SiO2与环氧-丙烯酸酯复合材料的摩尔配比为3/100时,纳米复合材料能获得最佳的力学性能。此外,实验表明,纳米复合材料的黏度、耐水、耐盐雾等其他各项性能也有较显著的提高。

Claims (2)

1.一种改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)溶胶凝胶法制备纳米SiO2
将80~100ml80%乙醇溶液和20~30g正硅酸乙酯,置于250ml反应器中,加入30%氨水60~80ml并保持溶液PH=8~9,80℃下加热40~50min,反应后得到硅胶沉淀;将得到的硅胶沉淀于150℃真空干燥5~6h,得到干凝胶粉末;将干凝胶粉末置于烘箱中,加热到110~120℃,处理40~50min后,制得纳米SiO2,待用;
2)纳米SiO2的表面处理:
将步骤1)中制得的5~10g纳米SiO2与20~30g的油酸充分混合,加入40~50ml的丙酮,调节pH值为8~9,用频率40KHZ的超声波高速均质分散5~8h后,温度升至110~120℃,烘干2~3h,制得改性纳米SiO2,待用;
3)改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备:
将步骤2)中制得的4~6g改性纳米SiO2和10~20g环氧树脂充分混合后,加入30~40mL丙酮,用频率40KHZ的超声波分散并依次逐滴加入8~15mL丙烯酸单体,3~5滴二月桂酸二丁基,升温至90~95℃,保温3~4h,加入100mL去离子水,待乳化40~50min后,除去丙酮,冷却后加入固化剂三乙烯四胺1~2g,升温到70~80℃、固化40~60min后,即得到改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料。
2.一种如权利要求1中所述的制备方法所制成的改性纳米SiO2/环氧-丙烯酸酯复合材料。
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