纳米ZnO的表面改性研究及其在聚酯涂料中的应用

论文摘要

将纳米颗粒添加到涂料中制备新型功能纳米复合涂料,正成为纳米应用研究的一个热点。但是,由于纳米颗粒表面极强的表面能,使它们很容易团聚在一起,从而形成带有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体,这大大降低甚至丧失了纳米粒子所具有的特殊性质,同时由于纳米粒子表面的亲水疏油性,使其在有机高分子树脂中难于均匀分散,界面会出现空隙,当空气中的水分进入空隙中就会触发界面处高聚物的脆化、降解,导致涂层失效。因此,为了提高纳米粒子在有机高分子中的分散性和稳定性,需要对纳米粒子进行表面改性。本文主要研究了纳米ZnO的改性及其对聚酯涂膜性能的影响。文中分别采用偶合接枝法和N,N’-羰基二咪唑（CDI）活化接枝法对纳米氧化锌进行改性,通过硅烷偶联剂KH550将硬脂酸接枝到粒子表面,采用红外光谱（IR）、扫描电镜（SEM）、热重分析、分光光度法和活化指数对改性前后纳米ZnO进行表征,考察纳米ZnO表面与有机官能团的结合方式以及改性对纳米氧化锌在有机介质中的分散稳定性的影响。同时研究了溶剂种类、偶联剂用量、偶联时间、硬脂酸用量、硬脂酸接枝时间、改性温度等因素对偶合接枝改性效果的影响,以确定改性纳米ZnO粒子的最佳工艺条件。活化指数和分光光度法的测试结果表明,两种方法改性后的纳米粒子都由亲水性转变为亲油性,在有机溶剂中的分散性都有所改善,其中CDI活化接枝法的改性效果更好。红外谱图结果显示,偶合接枝法和CDI活化接枝法都能够成功地将硬脂酸以化学键合的方式接枝到纳米ZnO表面。热重分析结果表明活化剂CDI的加入对酰胺化反应有明显的促进作用,能够显著提高硬脂酸的接枝率。SEM结果显示两种方法改性后的纳米颗粒均不同程度地改善了纳米氧化锌颗粒的团聚情况,其中经CDI活化接枝的效果更好。偶合接枝改性的最佳工艺条件为:偶联剂用量为2%、偶联时间为8h、硬脂酸用量为2%、硬脂酸接枝时间为3h、改性温度为60℃。通过共混法将经过改性的纳米ZnO粒子添加到不饱和聚酯涂料中,制备得到纳米ZnO/聚酯复合涂料,测试了纳米ZnO/聚酯复合涂膜的性能,如拉伸强度、断裂伸长率、吸水率、硬度、附着力、耐酸性及耐碱性,考察了ZnO改性方法以及纳米ZnO用量对复合涂料性能的影响,结果发现,不饱和聚酯涂料各种性能在不同程度上都得到了明显的改善,同时,研究了纳米ZnO改性不饱和聚酯涂膜的机理。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 纳米科学与纳米技术
• 1.2 纳米材料的特性
• 1.3 纳米粉体的表面改性
• 1.3.1 纳米粉体表面改性的目的和意义
• 1.3.2 纳米粉体表面改性的途径和方法
• 1.3.4 纳米氧化锌的表面改性
• 1.4 纳米复合涂料的研究及应用现状
• 1.4.1 纳米复合涂料国内外研究现状
• 1.4.2 纳米复合涂料未来主要研究方向
• 1.5 研究目的和研究内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 2 实验试剂和仪器
• 2.1 实验试剂
• 2.2 实验仪器
• 3 纳米 ZnO 表面改性工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 表征方法
• 3.3 偶合接枝法改性纳米ZnO
• 3.3.1 偶合接枝法改性原理
• 3.3.2 偶合接枝法实验步骤
• 3.4 偶合接枝改性结果与讨论
• 3.4.1 颗粒表征
• 3.4.2 溶剂的影响
• 3.4.3 偶联剂用量的影响
• 3.4.4 偶联时间的影响
• 3.4.5 硬脂酸用量的影响
• 3.4.6 硬脂酸接枝时间的影响
• 3.4.7 改性温度的影响
• 3.5 CDI 活化接枝法改性纳米ZNO
• 3.5.1 CDI 活化接枝法改性原理
• 3.5.2 CDI 活化接枝法实验步骤
• 3.5.3 红外表征
• 3.5.4 热重表征
• 3.5.5 电镜表征
• 3.6 偶合接枝法与CDI 活化接枝法改性ZnO 效果比较
• 3.7 本章小结
• 4 改性纳米 ZnO 粒子填充聚酯涂料及其性能测试
• 4.1 引言
• 4.2 ZnO 聚酯复合涂膜的制备
• 4.2.1 实验流程图
• 4.2.2 纳米ZnO 复合涂料的制备
• 4.2.3 涂膜的制备
• 4.3 纳米ZnO 对涂料性能的影响
• 4.3.1 纳米ZnO 对涂料涂膜吸水率的影响
• 4.3.2 纳米ZnO 对涂料涂膜附着力的影响
• 4.3.3 纳米ZnO 对涂料涂膜硬度的影响
• 4.3.4 纳米ZnO 对涂料涂膜耐酸碱性的影响
• 4.3.5 纳米ZnO 对涂料涂膜拉伸性能的影响
• 4.4 ZnO/聚酯涂膜改性机理探讨
• 4.4.1 不饱和聚酯聚合机理
• 4.4.2 纳米ZnO 改性聚酯涂膜机理
• 4.5 本章小结
• 5 结论和展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B.作者在攻读学位期间取得的科研成果