纳米粒子改性丙烯酸酯复合材料及其在超疏水涂层中的应用

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聚丙烯酸酯是一类由丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯为主要原料合成的高分子聚合物,它具有良好的机械性能、耐候性能和耐酸碱性能,其制备工艺简单,成本低廉,被广泛用作皮革涂饰、建筑涂料和木材的成膜材料。但由于纯聚丙烯酸酯抗菌性能、力学性能和热稳定性能较差,限制了其应用,可以通过化学改性和结构设计来加以改善。作为分散相的纳米粒子以独立的相态形式通过改性、分散到连续相的丙烯酸酯聚合物基体中形成一种既保留无机材料的热稳定性与硬度,也兼具聚合物韧性与介电性能的复合材料,该过程不是无机相与有机相的简单混合,而是在纳米尺度内两相的有机复合。水接触角(CA)>150°、水滑动角(SA)<10°的超疏水涂层,能抑制水滴的粘附,使水滴从表面快速滚动,因此在自清洁、不润湿、防雾、防结冰等领域具有广阔的应用前景。随着现代社会空气污染、水污染和能源问题的日益严重,人们对超疏水性涂料的应用提出了更高的要求。本文先合成了一种含有双键和硅氢键的有机硅,用这种有机硅改性纳米粒子,再分别使用合成的硅油和改性后的纳米粒子分别改性丙烯酸酯制备两种复合材料,分别叫做有机硅/聚丙烯酸酯复合材料和纳米粒子/复合材料,再将改性纳米粒子和有机硅/聚丙烯酸酯混合制备超疏水涂层。具体的研究内容包括以下几个方面。(1)采用调聚反应合成了一种含双键和氢键的有机硅。为了使氧化锌分散到聚合物基体中,对氧化锌进行了有机硅改性。最后,用改性氧化锌和有机硅制备了氧化锌/聚丙烯酸酯和有机硅/聚丙烯酸酯复合材料,并对其进行了表征。系统研究了氧化锌和有机硅对复合材料形态结构和热性能的影响。采用傅里叶变换红外(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、热重分析(TG)、粒径分析、紫外(UV)和水接触角(WCA)对复合材料进行了表征。可以看出,随着氧化锌和有机硅的加入,复合材料的热降解温度明显提高。SEM分析表明,膜表面的Zn O纳米粒子分布均匀。然后用改性氧化锌和有机硅/丙烯酸酯乳液制备氧化锌/丙烯酸酯超疏水复合涂层。该涂料具有良好的自清洁性能和油水分离性能。(2)用调聚法合成了一种侧链上有氢键和双键的有机硅,并利用FTIR和核磁共振(1H NMR)确定了有机硅的结构。然后用有机硅对Al2O3进行改性,通过FTIR、XRD、TGA和WCA验证改性前后Al2O3的化学组成和热稳定性。分别用有机硅、改性Al2O3、有机硅和改性Al2O3对聚丙烯酸酯进行改性,得到的乳液称为有机硅/聚丙烯酸酯复合乳液、Al2O3/聚丙烯酸酯复合乳液、Al2O3-有机硅硅/聚丙烯酸酯复合乳液。为了验证有机硅和Al2O3都能在一定程度上提高复合材料的热稳定性和疏水性,对复合乳液和复合乳液膜进行了测试和表征。红外光谱证实,有机硅和改性氧化铝被成功地引入到聚丙烯酸酯乳液中。通过粒度分析和TEM可以观察到直径约为68纳米的球形颗粒。SEM显示了改性单体在聚合物基体中的分布状态。TG和WCA分析表明,有机硅和改性Al2O3的引入均能提高聚丙烯酸酯膜的热稳定性和疏水性,有机硅-Al2O3复合膜的接触角可达92°。最后,将改性氧化铝与有机硅/聚丙烯酸酯混合并喷涂在基体上,制备超疏水性涂层,并用原子力显微镜(AFM)、SEM和WCA对涂层进行表征。该涂层具有良好的耐高温性和自洁性,将混合乳液喷在滤布上制备的超疏水滤布具有良好的油水分离效果。
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