CN112080234A - 一种中空二氧化硅/环氧聚合物粘接材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中空二氧化硅/环氧聚合物粘接剂的制备方法：以PNIPAM单体通过溶液聚合方法制备得到聚PNIPAM；然后以PNIPAM为模版，通过溶胶‑凝胶法制备得到中空二氧化硅纳米粒子(H‑SiO2)；3‑氨丙基乙氧基硅烷与H‑SiO2表面的羟基发生水解反应，生成表面氨基化的中空二氧化硅纳米粒子(NH2‑H‑SiO2)；甲基丙烯酸甲酯(MMA)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为单体，通过溶液聚合反应得到环氧聚合物(P(GMA‑co‑MMA))；最后通过NH2‑H‑SiO2表面的氨基与P(GMA‑co‑MMA)中的环氧基团发生开环固化反应，得到中空二氧化硅/环氧聚合物粘接剂。

Description

一种中空二氧化硅/环氧聚合物粘接材料的制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种中空二氧化硅/环氧聚合物粘接材料的制备方法。
背景技术
无机纳米粒子/聚合物基粘接材料，克服了单一材料和传统的混配型粘接材料性能上的缺陷，使材料既具有无机材料的优点，如优异的热稳定性和机械性能，同时又具有聚合物材料的优点，如延展性和加工性等，因此，目前乃至将来成为材料研究的热点之一。二氧化硅纳米粒子凭借其高热稳定、原料来源广及成本低等优点，成为无机纳米粒子中的最佳可选。但是，二氧化硅纳米粒子的易团聚行为，导致其在聚合物体系中分散性较差，进而影响材料的最终性能。环氧聚合物作为最常见的一类高分子材料，由于其具有优良的粘接性、耐化学腐蚀性及绝缘性等优点，已成为各个工业领域中不可或缺的基础材料。但是，环氧聚合物固化后交联密度高，导致材料的内应力大、质脆，以及耐热性能下降等问题，很大程度上限制了环氧聚合物材料的进一步应用。基于以上背景介绍，本发明通过引入中空二氧化硅纳米粒子，且二氧化硅纳米粒子表面具有反应性基团，可以与环氧聚合物的环氧基团发生环氧开环固化反应，从而通过化学键合以及固化后形成的三维网络结构限制二氧化硅纳米粒子的团聚现象，提高二氧化硅纳米粒子在聚合物体系中的分散性；其次，二氧化硅纳米粒子的引入又可以降低环氧聚合物的交联密度，提高材料的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题本发明要解决的技术问题在于提供一种中空二氧化硅/环氧聚合物粘接剂的制备方法，解决了二氧化硅纳米粒子在聚合物体系中分散性差以及纯环氧聚合物交联密度高导致的性能下降的问题。
本发明提供了如下技术方案：
一种中空二氧化硅/环氧聚合物粘接材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：PNIPAM(聚N-异丙基丙烯酰胺)聚合物的制备
称取10gN-异丙基丙烯酰胺单体置于100mL三颈瓶中，加入相当于N-异丙基丙烯酰胺单体物质的量1％的引发剂AIBN(偶氮二异丁腈)和50mLTHF(四氢呋喃)，在氮气保护下60℃恒温水浴中回流10h，回流产物旋蒸除去THF，并用少量丙酮溶解，然后逐滴滴入正己烷中，抽滤后在 30℃真空干燥10-48h，得到PNIPAM聚合物白色固体；
步骤二：中空二氧化硅(H-SiO2)纳米粒子的制备
首先将所述步骤一得到的250mgPNIPAM完全溶解在50mL蒸馏水中，磁力搅拌24h，得到 0.5wt％的聚合物溶液；在磁力搅拌下将PNIPAM水溶液放入50℃的油浴中，PNIPAM溶液变浑浊；将约2.25mL的TEOS(正硅酸乙酯)添加至18mL的蒸馏水中，50℃下搅拌3h；将热的PNIPAM 溶液添加到热的预水解TEOS溶液中；将混合溶液在50℃下连续搅拌约160小时；最后，将溶液冷却至室温，离心分离，并用蒸馏水和乙醇洗涤3次，真空干燥，得到白色粉末，即为中空二氧化硅纳米粒子；
步骤三：中空二氧化硅纳米粒子的表面氨基化
称量所述步骤二制备得到的中空二氧化硅纳米粒子1g，研磨后放入100mL无水乙醇中超声分散均匀；然后加入7mL3-氨丙基乙氧基硅烷，50℃条件下磁力搅拌反应10-12h；最后离心分离，并用蒸馏水和乙醇洗涤3次，真空干燥，得到表面氨基化的中空二氧化硅纳米粒子(NH2-H-SiO2)；
步骤四：环氧聚合物P(GMA-co-MMA)的制备
将质量比为2：1的单体GMA(甲基丙烯酸缩水甘油酯)和MMA(甲基丙烯酸甲酯)与引发剂AIBN(单体总质量的1％)混合溶解于适量的丁酮中，置于装有磁子的圆底烧瓶后，缓慢升温至65℃，在搅拌条件下反应10-12h，反应结束后，降至室温，且多余的溶剂旋蒸除去，剩余的粘稠状反应液在过量的正己烷中反复沉析以充分除去未反应的单体，最后抽虑，真空干燥24h，得到白色粉末；
步骤五：中空二氧化硅/环氧聚合物粘接剂的制备
将所述步骤三得到的NH2-H-SiO2均匀分散在四氢呋喃(THF)中，然后加入所述步骤四得到的P(GMA-co-MMA)，再加入三乙胺催化剂0.25g，磁搅拌均匀后，缓慢升温至50℃，反应8-10h，自然冷却至室温，即得到中空二氧化硅/环氧聚合物粘接剂。
进一步的，所述步骤五中，NH2-H-SiO2、P(GMA-co-MMA)和THF的质量比范围为：(0.05-0.2):1:10。
与现有技术相比该发明的有益效果如下：
(1)本发明中引入中空二氧化硅纳米粒子表面具有反应性基团，可以与环氧聚合物的环氧基团发生环氧开环固化反应，从而通过化学键合以及固化后形成的三维网络结构限制二氧化硅纳米粒子的团聚现象，提高二氧化硅纳米粒子在聚合物体系中的分散性。
(2)二氧化硅纳米粒子的引入可以降低环氧聚合物的交联密度，提高材料的性能。
具体实施方式
下面结合具体的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种中空二氧化硅/环氧聚合物粘接材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：PNIPAM(聚N-异丙基丙烯酰胺)聚合物的制备
称取10gN-异丙基丙烯酰胺单体置于100mL三颈瓶中，加入相当于N-异丙基丙烯酰胺单体物质的量1％的引发剂AIBN(偶氮二异丁腈)和50mLTHF(四氢呋喃)，在氮气保护下60℃恒温水浴中回流10h，回流产物旋蒸除去THF，并用少量丙酮溶解，然后逐滴滴入正己烷中，抽滤后在 30℃真空干燥10-48h，得到PNIPAM聚合物白色固体；
步骤二：中空二氧化硅(H-SiO2)纳米粒子的制备
首先将所述步骤一得到的250mgPNIPAM完全溶解在50mL蒸馏水中，磁力搅拌24h，得到 0.5wt％的聚合物溶液；在磁力搅拌下将PNIPAM水溶液放入50℃的油浴中，PNIPAM溶液变浑浊；将约2.25mL的TEOS(正硅酸乙酯)添加至18mL的蒸馏水中，50℃下搅拌3h；将热的PNIPAM 溶液添加到热的预水解TEOS溶液中；将混合溶液在50℃下连续搅拌约160小时；最后，将溶液冷却至室温，离心分离，并用蒸馏水和乙醇洗涤3次，真空干燥，得到白色粉末，即为中空二氧化硅纳米粒子；
步骤三：中空二氧化硅纳米粒子的表面氨基化
称量所述步骤二制备得到的中空二氧化硅纳米粒子1g，研磨后放入100mL无水乙醇中超声分散均匀；然后加入7mL3-氨丙基乙氧基硅烷，50℃条件下磁力搅拌反应10-12h；最后离心分离，并用蒸馏水和乙醇洗涤3次，真空干燥，得到表面氨基化的中空二氧化硅纳米粒子(NH2-H-SiO2)；
步骤四：环氧聚合物P(GMA-co-MMA)的制备
将质量比为2：1的单体GMA(甲基丙烯酸缩水甘油酯)和MMA(甲基丙烯酸甲酯)与引发剂AIBN(单体总质量的1％)混合溶解于适量的丁酮中，置于装有磁子的圆底烧瓶后，缓慢升温至65℃，在搅拌条件下反应10-12h，反应结束后，降至室温，且多余的溶剂旋蒸除去，剩余的粘稠状反应液在过量的正己烷中反复沉析以充分除去未反应的单体，最后抽虑，真空干燥24h，得到白色粉末；
步骤五：中空二氧化硅/环氧聚合物粘接剂的制备
将所述步骤三得到的NH2-H-SiO2均匀分散在四氢呋喃(THF)中，然后加入所述步骤四得到的P(GMA-co-MMA)，其中，NH2-H-SiO2、P(GMA-co-MMA)和THF的质量比为0.05:1:10，再加入三乙胺催化剂0.25g，磁搅拌均匀后，缓慢升温至50℃，反应8-10h，自然冷却至室温，即得到中空二氧化硅/环氧聚合物粘接剂。
实施例2
实施例2的一种中空二氧化硅/环氧聚合物粘接材料的制备方法，步骤一至四和实施例1中的步骤一至四相同。
步骤五：中空二氧化硅/环氧聚合物粘接剂的制备
将所述步骤三得到的NH2-H-SiO2均匀分散在四氢呋喃(THF)中，然后加入所述步骤四得到的P(GMA-co-MMA)，其中，NH2-H-SiO2、P(GMA-co-MMA)和THF的质量比为0.1:1:10，再加入三乙胺催化剂0.25g，磁搅拌均匀后，缓慢升温至50℃，反应8-10h，自然冷却至室温，即得到中空二氧化硅/环氧聚合物粘接剂。
实施例3
实施例3的一种中空二氧化硅/环氧聚合物粘接材料的制备方法，步骤一至四和实施例1中的步骤一至四相同。
步骤五：中空二氧化硅/环氧聚合物粘接剂的制备
将所述步骤三得到的NH2-H-SiO2均匀分散在四氢呋喃(THF)中，然后加入所述步骤四得到的P(GMA-co-MMA)，其中，NH2-H-SiO2、P(GMA-co-MMA)和THF的质量比为0.2:1:10，再加入三乙胺催化剂0.25g，磁搅拌均匀后，缓慢升温至50℃，反应8-10h，自然冷却至室温，即得到中空二氧化硅/环氧聚合物粘接剂。
通过对实施例得到的粘接剂性能测试，结果如下：
(1)利用万能机械拉力机对粘接剂的粘接性能统计分析，结果表明，本发明涉及的粘接剂的粘接力为650-700N。
(2)利用原子力显微镜(AFM)和接触角测量仪(SCA)对粘接剂所成膜的表面粗糙度及润湿性进行了表征，结果表明，粘接剂所成膜表面的粗糙度为12-101nm，对水的静态接触角为 80-100°。
(3)利用差示扫描量热法(DSC)对粘接剂的热稳定进行了分析，结果表明，该粘接剂的玻璃化转变温度为180-230℃，具有良好的热稳定性。

Claims (2)

1.一种中空二氧化硅/环氧聚合物粘接材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：PNIPAM(聚N-异丙基丙烯酰胺)聚合物的制备
称取10gN-异丙基丙烯酰胺单体置于100mL三颈瓶中，加入相当于N-异丙基丙烯酰胺单体物质的量1％的引发剂AIBN(偶氮二异丁腈)和50mLTHF(四氢呋喃)，在氮气保护下60℃恒温水浴中回流10h，回流产物旋蒸除去THF，并用少量丙酮溶解，然后逐滴滴入正己烷中，抽滤后在30℃真空干燥10-48h，得到PNIPAM聚合物白色固体；
步骤二：中空二氧化硅(H-SiO2)纳米粒子的制备
首先将所述步骤一得到的250mgPNIPAM完全溶解在50mL蒸馏水中，磁力搅拌24h，得到0.5wt％的聚合物溶液；在磁力搅拌下将PNIPAM水溶液放入50℃的油浴中，PNIPAM溶液变浑浊；将约2.25mL的TEOS(正硅酸乙酯)添加至18mL的蒸馏水中，50℃下搅拌3h；将热的PNIPAM溶液添加到热的预水解TEOS溶液中，该混合溶液在50℃下连续搅拌约160小时；最后，将溶液冷却至室温，离心分离，并用蒸馏水和乙醇洗涤3次，真空干燥，得到白色粉末，即为中空二氧化硅纳米粒子；
步骤三：中空二氧化硅纳米粒子的表面氨基化
称量所述步骤二制备得到的中空二氧化硅纳米粒子1g，研磨后放入100mL无水乙醇中超声分散均匀；然后加入7mL3-氨丙基乙氧基硅烷，50℃条件下磁力搅拌反应10-12h；最后离心分离，并用蒸馏水和乙醇洗涤3次，真空干燥，得到表面氨基化的中空二氧化硅纳米粒子(NH2-H-SiO2)；
步骤四：环氧聚合物P(GMA-co-MMA)的制备
将质量比为2：1的单体GMA(甲基丙烯酸缩水甘油酯)和MMA(甲基丙烯酸甲酯)与引发剂AIBN(单体总质量的1％)混合溶解于适量的丁酮中，置于装有磁子的圆底烧瓶后，缓慢升温至65℃，在搅拌条件下反应10-12h，反应结束后，降至室温，且多余的溶剂旋蒸除去，剩余的粘稠状反应液在过量的正己烷中反复沉析以充分除去未反应的单体，最后抽虑，真空干燥24h，得到白色粉末；
步骤五：中空二氧化硅/环氧聚合物粘接剂的制备
将所述步骤三得到的NH2-H-SiO2均匀分散在四氢呋喃(THF)中，然后加入所述步骤四得到的P(GMA-co-MMA)，再加入三乙胺催化剂0.25g，磁搅拌均匀后，缓慢升温至50℃，反应8-10h，自然冷却至室温，即得到中空二氧化硅/环氧聚合物粘接剂。
2.根据权利要求1所述的一种中空二氧化硅/环氧聚合物粘接材料的制备方法，其特征在于，所述步骤五中，NH2-H-SiO2、P(GMA-co-MMA)和THF的质量比范围为：(0.05-0.2):1:10。
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