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SiO₂/PA接枝复合材料原位法制备过程中SiO₂分散性的调控

作　者: 袁艳
导　师: 邵建中；戚栋明
学　校: 浙江理工大学
专　业: 纺织化学与染整工程
关键词: 纳米SiO2 分散性 MPS偶联改性接枝复合乳胶
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 36次
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内容摘要

无机纳米粒子具有众多卓越的特性,可广泛应用于纺织品的功能整理。但无机纳米粒子固有的亲水性和自聚性导致其在有机介质和聚合物基体中极易发生大规模的团聚,这会极大地影响此类功能材料在高附加值纺织品中的应用功效,甚至还会带来纺织品原有性能的明显劣化。通过表面修饰和原位聚合方法在无机粒子表面锚固接枝上一定量的聚合物链,被认为是解决上述问题的关键。为此,本基础性研究以纳米SiO₂为代表性无机粒子,通过偶联改性、介质置换和原位聚合制备纳米SiO₂/甲基丙烯酸甲酯（MMA）单体分散液及相应的SiO₂/聚丙烯酸酯（PA）复合材料。再以原位本体聚合制得的SiO₂/PA复合材料为预分散母料,通过熔融共混工艺应用于化纤树酯的无机掺杂;以原位细乳液聚合制得的SiO₂/PA复合胶乳为功能整理剂,通过浸轧-焙烘工艺应用于棉织物的功能整理。在上述制备和应用过程中,重点考察影响SiO₂粒子在单体相和聚合物基体中分散性的关键因素及其作用机理。课题首先以高分散性纳米SiO₂/乙醇分散液为原料,通过3-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷（MPS）的偶联改性、MMA的介质置换制备高分散性SiO₂/MMA分散液。通过透射电镜观察（TEM）、粒度分析（DLS）、热重分析（TGA）和红外分析（FTIR）等表征测试手段的联合应用,发现:MPS偶联改性可有效提高SiO₂的亲油性、与单体的相容性及其在单体介质中的分散性。特别是当MPS加入量为0.02⁰.10 g·（g·SiO₂）-1时,SiO₂粒子表面MPS的偶联率和偶联效率均较高,体系中无MPS水解自聚粒子产生,且改性SiO₂粒子可在单体MMA中达到初级粒子水平的均匀稳定分散。其次,以上述MPS改性SiO₂/单体分散液为原料,通过原位本体聚合制备SiO₂/PMMA接枝复合材料,并将上述高无机含量复合材料为预分散母料,通过熔融共混工艺将其中的SiO₂稀释分散到目标树脂基体中。切片透射电镜（TEM）观察复合材料和熔融共混后树脂基体中SiO₂的分散状态发现:各考察因素中MPS偶联改性程度对SiO₂在聚合物基体中的分散性和稀释分散性影响最为明显。当SiO₂表面MPS偶联率在2⁸%时,SiO₂不但可在复合材料中,而且也能在熔融稀释后的新基体中达到初级粒子水平的均匀稳定分散。再次,以上述原位本体聚合产物为对象,通过索氐抽提实验、氢氟酸刻蚀实验和凝胶渗透色谱分析（GPC）等测试表征方法,系统分析SiO₂/PMMA复合材料的接枝和交联结构,并得到了相应的接枝交联模型。认为:当SiO₂含量和MPS偶联率较低时,复合材料内接枝聚合物只能以非交联的简单接枝形式存在;当SiO₂含量较大、粒子表面MPS和PMMA接枝链较多时,复合材料内可形成以SiO₂粒子为交联点的立体网状交联结构（小规模的非紧凑型交联结构和大规模的立体致密交联结构两种）。因此,通过调节SiO₂含量及其表面MPS偶联率等因素可较好地调控复合材料内部的接枝和交联结构。另一方面,以上述MPS改性SiO₂/单体分散液为原料,在考察改性SiO₂在油/水两相中的分配情况基础上,通过原位细乳液聚合制备自黏性的SiO₂/PA接枝复合胶乳。通过浸轧-焙烘工艺将其应用于棉织物的后整理,场发射扫描电镜（FE-SEM）观察整理织物表面SiO₂的分散和黏附状态,并与传统工艺整理织物进行形貌比较。发现:当MPS偶联率大于2%后,改性SiO₂可稳定均匀地分配到两相中的单体相内,由此通过原位细乳液聚合可实现黏合剂高分子对SiO₂粒子的高效稳定包裹。进而通过后整理工艺,可实现绝大部分SiO₂粒子在单纤维外黏合剂薄层内初级粒子水平的均匀稳定牢固被包埋。本基础性工作的研究成果对于实现无机功能粒子在单体介质、聚合物基体、纤维内部和表面中初级粒子水平的均匀稳定分散具有一定的指导意义。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章前言  10-24
  1.1 引言  10
  1.2 无机纳米粒子在纺织领域中的应用概况  10-11
  1.3 纳米粒子在介质中的分散机理与技术  11-13
    1.3.1 纳米粒子在介质中的分散机理  11-12
    1.3.2 纳米粒子在介质中的分散技术  12-13
  1.4 聚丙烯酸酯基纳米复合材料的制备技术  13-18
    1.4.1 纳米粒子分散液的制备  13-14
    1.4.2 纳米SiO_2/聚丙烯酸酯复合材料的原位法制备  14-18
  1.5 课题的提出  18
  1.6 主要研究内容  18-19
  参考文献  19-24
第二章介质置换法制备高分散性纳米SiO_2/单体分散液  24-36
  2.1 引言  24
  2.2 实验部分  24-25
    2.2.1 实验原料及仪器  24
    2.2.2 实验方法  24-25
    2.2.3 分析与表征  25
  2.3 结果与讨论  25-33
    2.3.1 SiO_2 在乙醇及MMA 单体中的分散状态  25-27
    2.3.2 SiO_2 表面MPS 的偶联程度  27-29
    2.3.3 偶联改性对乙醇介质中SiO_2 分散性的影响  29-31
    2.3.4 MPS 偶联程度对单体介质中SiO_2 分散性的影响  31-33
  2.4 本章小结  33-34
  参考文献  34-36
第三章原位本体聚合制备SiO_2/PMMA 复合材料  36-45
  3.1 引言  36
  3.2 实验部分  36-37
    3.2.1 实验原料及仪器  36
    3.2.2 实验方法  36-37
    3.2.3 分析与表征  37
  3.3 结果与讨论  37-43
    3.3.1 原位本体法制备SiO_2/PMMA 复合材料的工艺优化  37-39
    3.3.2 MPS 改性对复材中SiO_2 分散性的影响  39-40
    3.3.3 无机含量对复材中SiO_2 分散性的影响  40-41
    3.3.4 复材内的SiO_2 在PMMA 树酯中的稀释分散性  41-43
  3.4 本章小结  43
  参考文献  43-45
第四章原位本体聚合中的接枝交联机理  45-56
  4.1 引言  45
  4.2 实验部分  45-47
    4.2.1 实验原料及仪器  45
    4.2.2 实验方法  45-46
    4.2.3 分析与表征  46-47
  4.3 结果与讨论  47-54
    4.3.1 SiO_2 表面MPS 偶联程度对复合材料接枝和交联结构的影响  47-50
    4.3.2 SiO_2 表面聚合物的接枝情况  50-52
    4.3.3 其他因素对接枝和交联结构的影响  52-53
    4.3.4 原位本体聚合产物的接枝交联机理  53-54
  4.4 本章小结  54-55
  参考文献  55-56
第五章原位细乳液聚合制备SiO_2/PA 复合乳胶及其应用  56-67
  5.1 引言  56
  5.2 实验部分  56-58
    5.2.1 实验原料及仪器  56
    5.2.2 实验方法  56-57
    5.2.3 分析与表征  57-58
  5.3 结果与讨论  58-65
    5.3.1 MPS 改性SiO_2 的亲水亲油性  58-59
    5.3.2 原位细乳液聚合制备工艺的优化  59-62
    5.3.3 整理织物表面SiO_2 的存在形式及其结合牢度  62-64
    5.3.4 SiO_2 粒子在织物后整理过程中的附着示意  64-65
  5.4 本章小结  65-66
  参考文献  66-67
第六章结论与建议  67-69
  6.1 结论  67-68
  6.2 建议  68-69
附录1 实验仪器列表  69-70
致谢  70

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