用于绢云母湿法加工的大分子表面改性剂合成及应用

论文摘要

绢云母粉体属于片层状天然矿物材料,价格低廉,作为无机填料添加到高聚物中能降低其生产成本,同时具有补强、提高阻隔、耐热、绝缘及耐紫外光老化的性能。为了提高绢云母矿在湿法加工成粉体时的剥离成片与细化效果,并要求在加工的同时能实现对绢云母粉体的有机包覆,以增加其与有机高聚物的相容性,提高它对塑料、橡胶、涂料等产品的填充改性效果,自行进行了大分子设计,合成出了能达到以上技术要求的新型大分子表面改性剂,并申报了一项发明专利,获得了授权（《一种大分子表面改性剂和表面改性绢云母及其用途》,专利号：200910116375.3）。根据绢云母在湿法研磨、剥离加工成粉体的具体要求,以及所要填充改性的高聚物结构、性能与用途,所设计的大分子表面改性剂应具有以下分子结构特征：1、所设计的大分子表面改性剂的锚固基团要能在水性介质中,通过离子键、或共价键、或氢键及范德华力等,较牢固地吸附在粉体颗粒表面,防止大分子表面改性剂的脱附；2、所设计的大分子表面改性剂的可溶剂化柔性链段,与水分散介质具有良好的相溶性,形成比较伸展的构象,而在绢云母粉体颗粒表面形成足够厚度的保护层,有利于其在加工成粉过程中剥离成片与细化；还要和填充改性的高分子具有一定的相容性,以提高它在其基体中的分散性。本文对采用自行设计合成大分子表面改性剂处理的绢云母粉体的具体应用也作了研究。分别将绢云母粉体原样和处理后的绢云母粉体,添加到丁腈橡胶及三元乙丙橡胶中制备橡胶复合材料,研究、比较了它们对综合性能的影响；将处理后的绢云母粉体作为电子级填料添加到覆铜板绝缘基材中,在达到相关电学、力学、阻燃等基本性能要求的前提下,研究了替代价高的电子级硅微粉,降低生产成本的可行性。本文共分三章：第一章是绪论。通过文献调研,主要介绍了绢云母在高分子材料中应用的研究现状,以及常用的无机粉体及其表面改性方法等,最后提出了本文的设计思路。第二章是介绍大分子表面改性剂PEG400-MAH-PAA的合成与表征。对绢云母粉体表面结构研究发现,粉体表面存在大量Si-O-Si、A1-O-Al、Si-OH等反应性基团,为其表面改性以及合成大分子表面改性剂提供了分子设计的依据。选择马来酸酐（MAH）、聚乙二醇400（PEG400）为单体,按摩尔比1：1进行开环反应,生成聚乙二醇马来酸单酯预聚体；再通过单酯预聚体末端引入的双键,与丙烯酸（AA）单体进行自由基共聚,得到聚乙二醇马来酸单酯—聚丙烯酸嵌段共聚物（PEG400-MAH-PAA）。采用红外FTIR、核磁NMR、热重分析TGA和凝胶渗透色谱GPC对嵌段共聚物进行了表征。结果表明它符合我们预期设计的产物分子结构；其分子量Mn=3050,Mw=3979,多分散系数d=1.302,分布较窄；开始分解温度大于200℃,具有较高的热稳定性能,能满足橡胶硫化温度的要求。此外,还通过FTIR、TGA、TEM等手段,表征了本实验室前期所合成的大分子表面改性剂BA-VTES-SSS的结构。试验结果表明其性能达到了所设计的大分子表面改性剂的要求。第三章是介绍绢云母的表面改性及在橡胶、覆铜板中应用。大分子表面改性剂PEG400-MAH-PAA包覆改性绢云母为化学包覆,包覆效果较佳,不仅包覆改性后的绢云母在水中分散性提高,而且还增加了改性后的绢云母与天然、丁苯橡胶之间的相容性,提高了绢云母粉体在橡胶基体中分散性,从而使橡胶的热稳定、物理机械等性能得到较为明显提高。不同比例的改性绢云母粉添加到橡胶中的力学数据表明,9%的添加比例对橡胶的补强效果最佳。实验结果表明：改性绢云母对橡胶的补强效果好于轻质碳酸钙；大分子表面改性剂对绢云母的改性效果较小分子偶联剂显著；自行设计合成的大分子表面改性剂PEG400-MAH-PAA由于其本身极性较强,其表面改性的绢云母粉体对极性较大的橡胶的补强效果较为明显,而对极性较弱的橡胶补强效果较差,甚至使橡胶的性能下降。试验结果还表明,自行设计合成的另一大分子表面改性剂BA-VTES-SSS,不仅能够提高改性后的绢云母在水中的分散性,添加到三元乙丙胶中还可提高橡胶的力学性能和电绝缘性能；当将改性绢云母粉体添加到覆铜板环氧树脂的基材中,各项性能可以满足IPC4101-98标准。与电子级硅微粉相比,表明电子级绢云母粉体的性价比在覆铜板制造行业中具有一定的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 绢云母高分子复合材料的简介
• 1.2.1 绢云母在涂料中的应用
• 1.2.2 绢云母在塑料中的应用
• 1.2.3 绢云母在吸水性材料中的应用
• 1.2.4 绢云母在橡胶中的应用
• 1.2.5 绢云母在覆铜板中的应用
• 1.3 无机填料表面改性的研究现状
• 1.3.1 偶联剂对无机填料的表面改性
• 1.3.2 表面活性剂对无机填料的表面改性
• 1.3.3 聚合物对无机填料的表面改性
• 1.4 本论文的主要设计思想与研究内容
• 1.4.1 本文设计的主要思想
• 1.4.2 本论文的研究内容
• 参考文献
• 第二章 大分子表面改性剂的设计、合成及表征
• 2.1 绢云母的表面结构分析
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 实验仪器
• 2.1.3 绢云母的表面结构分析
• 2.1.3.1 红外光谱分析
• 2.1.3.2 X射线光电子能谱（XPS）和电子结合能分析
• 2.1.3.3 热分析
• 2.1.3.4 扫描电微镜分析
• 2.1.3.5 X衍射谱图分析
• 2.1.4 结论
• 2.2 人分子表面改性剂PEG400-MAH-PAA的设计、合成
• 2.2.1 引言
• 2.2.2 实验部分
• 2.2.2.1 实验主要药品
• 2.2.2.2 实验仪器
• 2.2.2.3 实验步骤
• 2.2.2.4 结果与分析
• 2.2.2.4.1 红外光谱分析
• 2.2.2.4.2 核磁分析
• 2.2.2.4.3 热分析
• 2.2.2.4.4 凝胶渗透色谱
• 2.2.3 结论
• 2.3 大分子表面改性剂BA-VTES-SSS的设计、合成
• 2.3.1 引言
• 2.3.2 实验部分
• 2.3.2.1 实验主要药品
• 2.3.2.2 实验仪器
• 2.3.2.3 实验步骤
• 2.3.3 结果与分析
• 2.3.3.1 产物固含量及转化率的测定
• 2.3.3.2 红外谱图分析
• 2.3.3.3 热分析
• 2.3.3.4 透射电镜分析
• 2.3.4 结论
• 参考文献
• 第三章 绢云母的表面改性及在橡胶、覆铜板中应用
• 3.1 大分子表面改性剂PEG400-MAH-PAA包覆绢云母及应用
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 大分子表面改性剂PEG400-MAH-PAA包覆绢云母
• 3.1.2.1 实验部分
• 3.1.2.1.1 实验主要药品
• 3.1.2.1.2 实验主要仪器
• 3.1.2.1.3 实验步骤
• 3.1.2.2 结果与分析
• （1） 红外光谱分析
• （2） 接触角分析
• （3） 扫描电镜分析
• （4） 沉降实验分析
• 3.1.2.3 结论
• 3.1.3 PEG400-MAH-PAA包覆改性绢云母在橡胶中的应用
• 3.1.3.1 实验部分
• 3.1.3.1.1 实验主要原料
• 3.1.3.1.2 实验仪器
• 3.1.3.1.3 实验步骤
• 3.1.3.2 实验结果与分析
• （1） 扫描电镜分析
• （2） 热分析
• （3） 天然丁苯橡胶复合材料力学及电学性能表征
• ①不同比例改性剂包覆绢云母制备绢云母天然丁苯橡胶复合材料的力学性能测试结果
• ②不同物质制备天然丁苯橡胶复合材料的力学性能测试结果
• ③、绢云母/天然丁苯橡胶复合材料的电学学性能测试结果
• （4） 改性绢云母对不同极性橡胶的影响
• 3.1.3.3 结论
• 3.2 大分子表面改性剂BA-VTES-SSS包覆改性绢云母及应用
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 实验部分
• 3.2.2.1 实验主要药品
• 3.2.2.2 实验主要仪器
• 3.2.2.3 实验步骤
• 3.2.3 结果与分析
• 3.2.3.1 红外光谱分析
• 3.2.3.2 热分析
• 3.2.3.3 沉降实验分析
• 3.2.3.4 EPDM绢云母复合材料力学性能分析
• 3.2.3.5 EPDM绢云母复合材料电学性能分析
• 3.2.4 结论
• 3.3 改性电子级绢云母在覆铜板中的应用
• 3.3.1 引言
• 3.3.2 实验
• 3.3.2.1 实验主要药品
• 3.3.2.2 实验主要仪器
• 3.3.2.3 实验步骤
• 3.3.3 结果与分析
• 3.3.4 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文与中报专利