纳米二氧化硅的制备及其悬浮分散体系流变行为研究

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1、武汉理工大学博士学位论文摘要纳米粒子由于具有表面效应、小尺寸效应等“纳米效应”而引起了科学界的重视。而纳米Si02是目前应用最广泛的纳米材料之一，由于其具有高强度、高刚性、能吸收紫外线等特点，业已成为材料科学研究的热点。根据悬浮流变学理论，纳米颗粒悬浮分散液的流变行为能反映纳米粒子与介质分子之间相互作用的情况，对纳米复合材料结构与性能关系的研究具有重要的理论意义。本文采用化学沉淀法，通过原位生成改性技术制备出在高分子材料中容易分散纳米Si02，并系统的研究了纳米Si02悬浮分散体系的流变行为以了解纳米Si0

2、2与介质分子间的作用。主要研究内容和创新性研究成果摘要如下：以化学沉淀法制备了纳米Si02水分散液，发现纳米Si02的产率、粒径及分布与反应工艺条件密切相关。在制备体系中加入聚乙烯醇和聚乙二醇等水溶性高分子，可很好的抑制纳米Si02絮凝团聚，通过无皂乳液聚合的方法可将纳米Si02絮凝体打开并赋予其良好的存放稳定性。在硅烷偶联改性剂的存在下，通过原位反应复合制备得到颗粒粒径在10-15rim和粒径分布窄(10rim占12．5％；15nm占87．5％)的纳米Si02分散液。纳米颗粒在介质中分散度高、稳定性好。将

3、纳米Si02水分散液、亲水性纳米Si02粉末和亲油性纳米Si02粉末分别与苯丙乳液复配，比较了各类复合乳胶膜的性能发现，纳米Si02水分散液／苯丙乳液复合乳胶膜有更高的Tg，更优良的耐蠕变性。通过原子力显微镜观察复合乳胶膜的表面形貌发现，在纳米Si02水分散液／苯丙乳液复合乳胶膜中纳米Sj02分散更均匀，粒子尺寸更小，复合膜表面更为致密、光滑。与纳米Si02粉体相比，纳米Si02水分散液更适合作为纳米材料与乳液复配使用。系统研究了纳米Si02／PEG悬浮分散体系、纳米Si02／环氧树脂悬浮分散体系的流变行为

4、。发现随纳米Si02的含量增加，悬浮分散体系的粘度升高，纳米Si02的体积分率与体系粘度的关系与爱因斯坦方程有较大的偏差。本文认为偏差是由纳米Si02粒子显著的界面效应、介质分子的官能团能与纳米Si02粒子表面的基团作用、介质分子尺寸与纳米粒子的颗粒尺寸在同一数量级等多种原因使介质分子吸附在纳米Si02粒子表面而造成的。本文以悬浮流变学的经典方程一爱因斯坦方程和软球模型中关于有效体积武汉理工大学博士学位论文分数站的概念为基础，提出针对此类稀悬浮分散体系“有效运动粒子一的假设：由于纳米粒子与介质分子的相互作甩

5、；纳米粒子在运动时会裹挟吸附在其表面的介质分子一起运动，导致实际运动粒子的粒径大于纳米粒子的粒径，而伴随纳米粒子运动的介质层的有效厚度，可反映纳米粒子与介质分子作用的强弱。本文假定在此类纳米颗粒稀悬浮分散体系中，由纳米粒子和伴随其一起运动的介质层有效厚度构成_有效运动粒子一，“有效运动粒子一满足爱因斯坦方程的刚性、球形形态的要求。用‰表示“有效运动粒子竹的体积分率，则体系粘度与％的关系在稀悬浮液体积分率范围内符合爱因斯坦方程。该假设的意义在于，‰与纳米粒子实际体积分率(驴)的比值可反映体系中的介质分子与纳米

6、粒子作用的大小。。，系统比较分析了各类纳米si02悬浮分散体系的％叱值，发现在相同分散介≯垮。／质中，亲水性纳米si02悬浮分散液的％叱值高于亲油性纳米si02悬浮分散液，V。／的甲形值。而分子量相近的E．5l、E啪和PEG．400体系，由于的分子结构的≯V。≯差异的影响，甲嘭值有较大的差别．●’通过对纳米Si02／珂：氧树脂悬浮分散体系动态剪切温度扫描分析发现，体系纳米SiO∥环氧树脂悬浮分散体系的粘度有很大的温度依赖性。且亲油性纳米Si02在一定温度区域内可能与环氧树脂分子产生物理交联作用，而在更高的温

7、度下会解物理交联。另外，通过对该体系时间扫描发现亲油性纳米Si02的加入会使环氧树脂固化反应凝胶点提前，而亲水性纳米Si02对固化反应影响不大。通过对纳米Si02／KGM／-有机硼凝胶行为的研究。发现随纳米Si02含量的增加，体系的凝胶时问缩短。其原因可能是纳米Si02在体系中通过纳米颗粒的表面吸附作用和表面羟基与KGM链上的羟基作用，使KGM分子链被吸附包覆在其表面，而起到物理交联点的作用，从而促使凝胶时间缩短。且纳米Si02的存在使纳米Si02／KG蛐有机硼复合凝胶的破胶温度升高。关键词：纳米Si02，

8、悬浮分散体系，流变行为，粒子运动体积n武汉理工大学博士学位论文ABSTRACTNano—particleshaveattractedsignificantaUentioninscienceduetoits”nanoeffects”such弱surfaceeffectandsmallsizeeffect．Nano-Si02isoneofthemostwidelyusednanomaterials．Becauseof