CN109319797A - 在油溶性体系中可梯度分布的纳米SiO2的制备方法及纳米SiO2 - Google Patents
在油溶性体系中可梯度分布的纳米SiO2的制备方法及纳米SiO2 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了在油溶性体系中可梯度分布的纳米SiO2的制备方法及纳米SiO2,涉及高分子材料合成领域,基于现有的带有低表面能的官能团的纳米SiO2有沉淀于体系下方的趋势的问题而提出的,本发明包括以下步骤:将含有硅氧烷和低表面能官能团的化合物溶解在溶剂中,加入酸或碱,在搅拌状态下,将硅氧烷前驱体滴加到上述反应体系中制备纳米二氧化硅微球,本发明的有益效果在于:用本发明的制备方法获得的纳米SiO2微球具有向表面迁移的倾向,制备过程中不同SiO2粒子表面所含低表面能物质含量不同,其在油性体系中呈现出梯度分布的特性。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料合成领域,具体涉及一种在油溶性体系中可梯度分布的SiO2的制备方法及纳米SiO2。
背景技术
纳米二氧化硅(SiO2)是一种来之大自然的精细化工产品,其粒径大约在几纳米到几百纳米之间。由于其高稳定性、优异的理化性能及大比表面积,使得SiO2纳米粒子在补强、增稠、触变性方面有诸多应用。纳米二氧化硅用于涂料中可提高耐洗刷、耐划伤、耐候性、耐玷污性等性能。此外,其在塑料、橡胶、纤维和催化剂载体领域也有广泛的应用。
未改性的SiO2纳米粒子一般是均匀分布在材料中,而对于粘度较小的体系,纳米二氧化硅还有沉淀于底部的趋势,另外未改性的纳米二氧化硅还具有团聚的可能,从而影响二氧化硅的应用。因此,需要进行化学改性而提高SiO2纳米粒子的分散稳定性,为此我们提出对二氧化硅进行化学改性,使二氧化硅表面带有低表面能的官能团,这些低表面能的官能团赋予二氧化硅向体系表面迁移的能力,而由于二氧化硅自身的重量,二氧化硅有沉淀于体系下方的趋势。
发明内容
本发明所要解决的问题在于现有的带有低表面能的官能团的纳米二氧化硅有沉淀于体系下方的趋势。
本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的:
在油溶性体系中可梯度分布的纳米SiO2的制备方法,包括以下步骤:
将含有硅氧烷和低表面能官能团的化合物溶解在溶剂中,加入酸或碱,在搅拌状态下,将硅氧烷前驱体滴加到上述反应体系中制备纳米二氧化硅微球。
优选的,所述含有硅氧烷和低表面能官能团的化合物具有如下结构通式:
其中,-R1为-CH3或-CH2-CH3;-R2为-NHCOOR3、R3COO-、-N(R4)CH2R3或-C(OH)N(R4)CH2CH2R3;上述结构通式中n=1-5,R3为碳原子数为6-10的含氟烷烃,R4为碳原子数为9-17的直链烷烃或碳原子数为6-10的含氟烷烃。
优选的,所述硅氧烷前驱体为四乙氧基硅烷或四甲氧基硅烷。
优选的,将硅氧烷前驱体逐滴滴加到上述反应体系中,其中滴加速度为每10g含硅氧烷和低表面能官能团的化合物每小时滴加硅氧烷前驱体10-30g。
优选的,所述溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或几种混合溶剂,或为乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙烯酸羟乙酯、1,6-己二醇双丙烯酸、水、环己烷、甲苯中的一种。
优选的,所述酸为盐酸、硫酸、硝酸、对甲苯磺酸、甲酸、乙酸、苹果酸、丁二酸中的一种。
优选的,所述碱为氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、尿素中的一种。
优选的,所述酸或碱的浓度为0.01-1mol/L,四乙氧基硅烷或四甲氧基硅烷的浓度为0.1-1.5mol/L,水占整个溶液的浓度为1-8wt%。
优选的,所述反应过程中的反应温度为0-80℃,反应时间为0.5-15h。
本发明还提供一种在油溶性体系中可梯度分布的纳米SiO2,其采用上述制备方法制备而成。
本发明的有益效果在于:
(1)制备过程中通过调节反应原料和反应条件可以调整纳米SiO2的直径,纳米SiO2的直径小于100nm;
(2)利用本发明的制备方法获得的纳米SiO2微球具有向表面迁移的倾向,制备过程中不同二氧化硅粒子表面所含低表面能物质含量不同,其在油性体系中呈现出梯度分布的特性;
(3)获得的纳米SiO2微球能提高材料的耐候性、耐划伤性及硬度。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的具有表面迁移性的纳米SiO2微球的SEM图;
图2为本发明实施例2中制备的具有表面迁移性的纳米SiO2微球的SEM图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
下述实施例中的实验方法,如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的试验材料和试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径获得。
实施例1
在油溶性体系中可梯度分布的纳米二氧化硅的制备方法,包括以下步骤:
(1)向250mL三口烧瓶中加入100mL乙醇、0.4g氨水、5g去离子水,机械搅拌,混合均匀,加入十七氟癸基三甲氧基硅烷7.38g,混合均匀,搅拌过程中,取5.5g四乙氧基硅烷于恒压漏斗中,在1h内逐步滴加到上述混合溶液中,滴加完毕后,升温至35℃,搅拌反应7h制得纳米二氧化硅微球溶液;
(2)将步骤(1)中获得的反应产物与光聚合单体(如甲基丙烯酸羟乙酯)、光聚合树脂(如聚氨酯丙烯酸酯)以及光引发剂按不同的比例均匀混合,然后将其涂在材料表面上,经相应波长的紫外光照射固化得到均匀涂层。
实验结果:
(1)将本实施例步骤(1)中得到的产物进行扫描电镜分析,如图1所示,结果表明:二氧化硅颗粒66nm左右;粒径大小均一,均匀分布,未团聚;
(2)利用摆杆式硬度计测量本实施例步骤(2)制备的涂层表面的硬度,其摆杆硬度值为0.884,铅笔硬度为5H;
(3)通过接触角测试仪测量本实施例步骤(2)制备的涂层表面的接触角以分析亲疏水性。得到的接触角约为111度;
(4)本实施例步骤(2)中得到的涂层具有耐划伤、光泽度好、耐候性好且抗氧阻聚的性能,同时该涂层表面还可疏水。
实施例2
(1)向250mL三口烧瓶中加入50mL甲醇、50mL乙酸乙酯、0.028g氨水、2.52g去离子水、11.36g十氟己基三乙氧基硅烷,机械搅拌,混合均匀,取2.08g的四甲氧基硅烷置于恒压漏斗中,在3h内逐步滴加到上述混合溶液中,滴加完毕后,升温至55℃,搅拌反应10h得到纳米二氧化硅微球溶液;
(2)将获得的反应产物具有表面迁移性的纳米二氧化硅微球溶液与光聚合单体(如甲基丙烯酸羟乙酯)、光聚合树脂(如聚氨酯丙烯酸酯)以及光引发剂按不同的比例均匀混合,然后将其涂在材料表面上,经相应波长的紫外光照射固化得到均匀涂层。
实验结果:
(1)将本实施例步骤(1)中得到的产物进行扫描电镜分析,如图2所示,结果表明:二氧化硅颗粒66nm左右;粒径大小均一,均匀分布,未团聚;
(2)利用摆杆式硬度计测量本实施例步骤(2)制备的涂层表面的硬度,其摆杆硬度值为0.884,铅笔硬度为5H;
(3)通过接触角测试仪测量本实施例步骤(2)制备的涂层表面的接触角以分析亲疏水性。得到的接触角约为111度;
(4)本实施例步骤(2)中得到的涂层具有耐划伤、光泽度好、耐候性好且抗氧阻聚的性能,同时该涂层表面还可疏水。
实施例3
(1)向250mL三口烧瓶中加入50mL甲醇、40mL乙醇、10mL丙烯酸羟乙酯、3g氨水、9.5g去离子水、12g三乙氧基氨基甲酸十八酯,机械搅拌,混合均匀,取11g的四乙氧基硅烷置于恒压漏斗中,在1h内逐步滴加到上述混合溶液中,滴加完毕后,升温至60℃,搅拌反应6h得到纳米二氧化硅微球溶液;
(2)将获得的反应产物具有表面迁移性的纳米二氧化硅微球溶液与光聚合单体(如甲基丙烯酸羟乙酯)、光聚合树脂(如聚氨酯丙烯酸酯)以及光引发剂按不同的比例均匀混合,然后将其涂在材料表面上,经相应波长的紫外光照射固化得到均匀涂层。
实验结果:
(1)将本实施例步骤(1)中得到的产物进行透射电镜分析,结果表明:二氧化硅颗粒粒径为89nm左右;粒径大小均一,均匀分布,未团聚;
(2)利用摆杆式硬度计测量本实施例步骤(2)制备的涂层表面的硬度,其摆杆硬度值为0.891,铅笔硬度为5H;
(3)通过接触角测试仪测量本实施例步骤(2)制备的涂层表面的接触角以分析亲疏水性。得到的接触角约为114度;
(4)本实施例步骤(2)中得到的涂层具有耐划伤、光泽度好、耐候性好且抗氧阻聚的性能,同时该涂层表面还可疏水。
实施例4
(1)向250mL三口烧瓶中加入100mL甲醇、1.4g氨水、9g去离子水、22g三乙氧基氨基甲酸十六酯,机械搅拌,混合均匀,取11g的四乙氧基硅烷置于恒压漏斗中,在20min内逐步滴加到上述混合溶液中,滴加完毕后,升温至40℃,搅拌反应3h得到纳米二氧化硅微球溶液;
(2)将获得的反应产物具有表面迁移性的纳米二氧化硅微球溶液与光聚合单体(如甲基丙烯酸羟乙酯)、光聚合树脂(如聚氨酯丙烯酸酯)以及光引发剂按不同的比例均匀混合,然后将其涂在材料表面上,经相应波长的紫外光照射固化得到均匀涂层。
实验结果:
(1)将本实施例步骤(1)中得到的产物进行透射电镜分析,结果表明:二氧化硅颗粒粒径为78nm左右;粒径大小均一,均匀分布,未团聚;
(2)利用摆杆式硬度计测量本实施例步骤(2)制备的涂层表面的硬度,其摆杆硬度值为0.783,铅笔硬度为5H;
(3)通过接触角测试仪测量本实施例步骤(2)制备的涂层表面的接触角以分析亲疏水性。得到的接触角约为120度;
(4)本实施例步骤(2)中得到的涂层具有耐划伤、光泽度好、耐候性好且抗氧阻聚的性能,同时该涂层表面还可疏水。
实施例5
(1)向250mL三口烧瓶中加入100mL甲醇、1.5g氨水、12.6g去离子水、22g30g三乙氧基丙基十八烷基,机械搅拌,混合均匀,取17.08g的四乙氧基硅烷置于恒压漏斗中,在40min内逐步滴加到上述混合溶液中,滴加完毕后,升温至40℃,搅拌反应8h得到纳米二氧化硅微球溶液;
(2)将获得的反应产物具有表面迁移性的纳米二氧化硅微球溶液与光聚合单体(如甲基丙烯酸羟乙酯)、光聚合树脂(如聚氨酯丙烯酸酯)以及光引发剂按不同的比例均匀混合,然后将其涂在材料表面上,经相应波长的紫外光照射固化得到均匀涂层。
实验结果:
(1)将本实施例步骤(1)中得到的产物进行透射电镜分析,结果表明:二氧化硅颗粒粒径为82nm左右;粒径大小均一,均匀分布,未团聚;
(2)利用摆杆式硬度计测量本实施例步骤(2)制备的涂层表面的硬度,其摆杆硬度值为0.788,铅笔硬度为5H;
(3)通过接触角测试仪测量本实施例步骤(2)制备的涂层表面的接触角以分析亲疏水性。得到的接触角约为125度;
(4)本实施例步骤(2)中得到的涂层具有耐划伤、光泽度好、耐候性好且抗氧阻聚的性能,同时该涂层表面还可疏水。
实施例6
使用市售的光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮与光聚合单体(如甲基丙烯酸羟乙酯)、光聚合树脂(如聚氨酯丙烯酸酯)按相应的比例均匀混合,然后将其涂在材料表面上,经相应波长的紫外光照射固化得到均匀涂层,制备涂层,测定涂层表面的硬度、亲疏水性,其涂层摆杆硬度值为0.683,铅笔硬度为3H,接触角为78度。
实施例7
使用市售的光引发剂2-甲基-1-(4-氨基苯基)-2-吗啉-1-丙酮与光聚合单体(如甲基丙烯酸羟乙酯)、光聚合树脂(如聚氨酯丙烯酸酯)按相应的比例均匀混合,然后将其涂在材料表面上,经相应波长的紫外光照射固化得到均匀涂层,制备涂层,测定涂层表面的硬度、亲疏水性,其涂层摆杆硬度值为0.582,铅笔硬度为3H,接触角为83度。
表1为实施例1至实施例7的实验结果:
微球粒径(nm) | 摆杆硬度 | 铅笔硬度 | 接触角 | |
实施例1 | 66 | 0.884 | 5H | 111 |
实施例2 | 88 | 0.892 | 5H | 114 |
实施例3 | 89 | 0.891 | 5H | 114 |
实施例4 | 78 | 0.783 | 5H | 120 |
实施例5 | 82 | 0.788 | 5H | 125 |
对比例1 | - | 0.683 | 3H | 78 |
对比例2 | - | 0.582 | 3H | 83 |
从上表的数据对比得知:通过添加本发明制备的纳米二氧化硅微球制得的涂层的性能优于市售可得的光引发剂所制备的光固化涂层。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,与本发明构思无实质性差异的各种工艺方案均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种在油溶性体系中可梯度分布的纳米SiO2的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
将含有硅氧烷和低表面能官能团的化合物溶解在溶剂中,加入酸或碱,在搅拌状态下,将硅氧烷前驱体滴加到上述反应体系中制备纳米二氧化硅微球。
2.根据权利要求1所述的在油溶性体系中可梯度分布的纳米SiO2的制备方法,其特征在于:所述含有硅氧烷和低表面能官能团的化合物具有如下结构通式:
其中,-R1为-CH3或-CH2-CH3;-R2为-NHCOOR3、R3COO-、-N(R4)CH2R3或-C(OH)N(R4)CH2CH2R3;上述结构通式中n=1-5,R3为碳原子数为6-10的含氟烷烃,R4为碳原子数为9-17的直链烷烃或碳原子数为6-10的含氟烷烃。
3.根据权利要求1所述的在油溶性体系中可梯度分布的纳米SiO2的制备方法,其特征在于:所述硅氧烷前驱体为四乙氧基硅烷或四甲氧基硅烷。
4.根据权利要求1所述的在油溶性体系中可梯度分布的纳米SiO2的制备方法,其特征在于:将硅氧烷前驱体逐滴滴加到上述反应体系中,其中滴加速度为每10g含硅氧烷和低表面能官能团的化合物每小时滴加硅氧烷前驱体10-30g。
5.根据权利要求1所述的在油溶性体系中可梯度分布的纳米SiO2的制备方法,其特征在于:所述溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或几种混合溶剂,或为乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙烯酸羟乙酯、1,6-己二醇双丙烯酸、水、环己烷、甲苯中的一种。
6.根据权利要求1所述的在油溶性体系中可梯度分布的纳米SiO2的制备方法,其特征在于:所述酸为盐酸、硫酸、硝酸、对甲苯磺酸、甲酸、乙酸、苹果酸、丁二酸中的一种。
7.根据权利要求1所述的在油溶性体系中可梯度分布的纳米二氧化硅的制备方法,其特征在于:所述碱为氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、尿素中的一种。
8.根据权利要求1所述的在油溶性体系中可梯度分布的纳米SiO2的制备方法,其特征在于:所述酸或碱的浓度为0.01-1mol/L,四乙氧基硅烷或四甲氧基硅烷的浓度为0.1-1.5mol/L,水占整个溶液的浓度为1-8wt%。
9.根据权利要求1所述的在油溶性体系中可梯度分布的纳米SiO2的制备方法,其特征在于:所述反应过程中的反应温度为0-80℃,反应时间为0.5-15h。
10.一种在油溶性体系中可梯度分布的纳米SiO2,其特征在于:其通过权利要求1-9中任一项所述的在油溶性体系中可梯度分布的纳米SiO2的制备方法制备而成。
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Application publication date: 20190212 |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |