硅溶胶/聚丙烯酸酯复合乳液的合成及性能研究

论文摘要

聚合物与无机材料的复合是材料科学与技术的重要组成部分,也是制备高性能聚合物材料的重要方法之一。由于丙烯酸酯聚合物的可加工性、可塑性与多功能性,使之成为复合材料的首选载体之一。本文提出一种新的合成硅溶胶/聚丙烯酸酯复合乳液的方法,创新点在于用TEOS的水解缩聚产物代替了商用的硅溶胶,并对硅溶胶/聚丙烯酸酯复合乳液的合成及性能进行了研究。本研究工作首先在碱性条件下,将TEOS水解缩聚制得硅溶胶,分别用阳离子型热引发剂和阴离子型热引发剂引发MMA和BA进行乳液聚台。系统地研究了引发剂种类和浓度、TEOS浓度、聚合反应温度、聚合时pH值、单体滴加速度、搅拌速度等对乳液主要性能的影响,同时对乳胶粒子结构进行了透射电镜分析（TEM）和红外光谱分析（FTIR）。在阳离子型热分解引发体系中,硅溶胶/聚丙烯酸酯复合乳液的最佳合成工艺：BA:MMA=2:3,引发剂AIBA·2HCl的浓度为0.36wt%～0.45wt%, TEOS的浓度为9wt%～13wt%,聚合反应温度为75℃C,聚合时pH值为5.7-6.5,单体的滴加速度为1滴/1s, TEOS水解缩合过程的搅拌速度为350r/min,聚合过程的搅拌速度为300r/min,保温回流过程的搅拌速度为180r/min。TEM结果显示,杂化粒子的微观结构是聚丙烯酸酯包裹Si02的核壳结构,IR结果显示,SiO2粒子与聚丙烯酯之间存在化学键作用,这也说明有机单体大SiO2粒子表面上引发聚合。乳液的稳定性及涂膜的硬度随着TEOS浓度的升高而升高,但TEOS浓度过高时,乳液会发生沉淀,涂膜也会开裂。在阴离子型热分解引发体系中,硅溶胶／聚丙烯酸酯复合乳液的合成工艺：BA:MMA=2:3,引发剂KPS的浓度为0.32wt%～0.40wt%, TEOS的浓度为6wt%～10wt%,聚合反应温度为80℃,聚合时pH值为6.8-7.5,单体的滴加速度为1滴/1s,TEOS水解缩合过程的搅拌速度为350r/min,聚合过程的搅拌速度为300r/min,保温回流过程的搅拌速度为180r/min。TEM结果显示,Si02粒子在复合乳液中是以游离的形式存在的,这也说明Si02粒子与聚丙烯酯之间不存在化学键。阳离子型热分解体系中硅溶胶/聚丙烯酸酯复合乳液的机械稳定性、冻融稳定性、钙离子稳定性、稀释稳定性和贮存稳定性等普遍都比阴离子型热分解体系中硅溶胶/聚丙烯酸酯复合乳液的稳定性好。这就再次证明了,在阴离子型热分解体系中,SiO2粒子与聚丙烯酸酯乳胶粒并没有化学键合,在外部的压力下,SiO2粒子就会沉积下来。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 涂料的应用现状及存在的问题
• 1.1.1 聚丙烯酸酯涂料目前的应用现状及存在的问题
• 1.1.2 无机涂料的应用现状及存在的问题
• 1.1.3 硅溶胶
• 1.2 复合纳米材料制备方法的研究进展
• 1.2.1 溶胶-凝胶法
• 1.2.2 共混法
• 1.2.3 插层法
• 1.2.4 原位聚合法
• 1.3 有机-无机复合乳液合成机理
• 1.3.1 静电作用机理
• 1.3.2 化学键作用机理
• 1.3.3 接枝机理
• 1.3.4 吸附层媒介机理
• 1.4 硅溶胶/聚丙烯酸酯复合乳液的应用
• 1.4.1 纳米涂料
• 1.4.2 光学材料
• 1.4.3 医学材料
• 1.4.4 造纸和纺织
• 1.5 本文的研究意义和研究内容
• 2 实验部分
• 2.1 实验原料及主要装置
• 2.1.1 主要原材料规格及来源
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 合成工艺与涂膜制备
• 2.2.1 乳液的合成工艺
• 2.2.2 涂膜的制备
• 2.3 性能测试与表征
• 2.3.1 乳液外观评价
• 2.3.2 单体转化率的测定
• 2.3.3 凝聚率的测定
• 2.3.4 贮存稳定性测试
• 2.3.5 稀释稳定性测试
• 2.3.6 钙离子稳定性测试
• 2.3.7 冻融稳定性测试
• 2.3.8 机械稳定性测试
• 2.3.9 透射电子显微镜分析（TEM）
• 2.3.10 傅立叶红外光谱分析（FT-IR）
• 2.3.11 成膜性能
• 2.3.12 涂膜硬度测试
• 2.3.13 吸水率测试
• 3 阳离子型热引发体系中硅溶胶/聚丙烯酸酷复合乳液的合成与研究
• 3.1 配方设计实验
• 3.1.1 单体种类及比例的确定
• 3.1.2 引发剂浓度的确定
• 3.1.3 TEOS浓度的确定
• 3.2 聚合工艺的确定
• 3.2.1 聚合反应温度的确定
• 3.2.2 pH值的确定
• 3.2.3 有机单体滴加速度的确定
• 3.2.4 搅拌速度的确定
• 3.3 乳液结构
• 3.3.1 透射电镜分析（TEM）
• 3.3.2 红外光谱分析（FTIR）
• 3.4 TEOS浓度对乳液性能的影响
• 3.4.1 TEOS浓度对乳液稳定性的影响
• 3.4.2 TEOS浓度对涂膜性能的影响
• 4 阴离子型热引发体系中硅溶胶/聚丙烯酸酯复合乳液的合成与研究
• 4.1 配方设计实验
• 4.1.1 单体种类及比例的确定
• 4.1.2 引发剂浓度的确定
• 4.1.3 TEOS浓度的确定
• 4.2 聚合工艺的确定
• 4.2.1 聚合反应温度的确定
• 4.2.2 pH值的确定
• 4.2.3 有机单体滴加速度的确定
• 4.2.4 搅拌速度的确定
• 4.3 乳液结构的透射电镜分析（TEM）
• 5 阳离子型热分解体系与阴离子型热分解体系中硅溶胶/聚丙烯酸酯复合乳液性能的比较
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果