原位光聚合技术制备耐刮擦有机无机杂化纳米材料的研究

【摘要】近年来,有机-无机杂化材料综合了无机和有机材料的优点,是复合材料领域新兴的热点之一。通常情况下,有机-无机杂化材料都是热固化居多,但UV固化制备有机-无机杂化材料也在这些年逐渐兴起,它结合了传统的杂化材料和UV固化技术的优点,主要包括固化速度快、能源消耗低、在室温下就可固化、工艺成本低、材料的化学稳定性高以及挥发性有机化合物挥发量较低,由于有机-无机杂化材料在微观尺度下可以形成均相的网络结构,其热稳定性和机械性能得到不同程度的提高。聚合物涂层既有装饰美观的目的,也有保护基材作用,因此,除了整体性能外,表面性能(如抗压痕和划伤)也是涂层的重要基本功能。通常有两种主要的方法来提高有机涂层的耐擦伤性：一种是优化聚合物涂料组分,另一种是通过加入填料增强涂层耐擦伤性。因此,本论文采用溶胶-凝胶制备了含叔胺结构的纳米SiO2/丙烯酸酯预聚物以及MPTMS/SiO2溶胶填料来提高UV固化涂层的耐擦伤性。(1)用丫-氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)合成含叔胺结构的丙烯酸酯硅氧烷AP-GMA,通过溶胶-凝胶反应制备了纳米Si02/丙烯酸酯预聚物HAP-GMA。用实时红外表征了/AP-GMA,HAP-GMA溶胶,AP-GMA涂料以及HAP-GMA杂化涂料的光固化行为。由于有机-无机杂化网络以及有机相与无机相之问存在着界面相互作用,HAPTP杂化涂料固化膜的热稳定性、耐刮擦性能比AP-GMA涂料更优异。(2)通过两步溶胶-凝胶法制备了UV固化MPTMS/SiO2溶胶,在减压蒸馏抽出溶剂得到的浓缩溶胶中加入HDDA-TMPTA,提高蒸馏后的溶胶和溶胶/HDDA-TMPTA分散体的稳定性的方法进行了讨论。将MPTMS/SiO2溶胶/HDDA-TMPTA分散体中混合EA、光引发剂制备了硬度高、附着力良好、耐刮擦的UV固化EA/SiO2杂化涂层。由于硅溶胶中的纳米Si02对紫外光有散射和吸收作用,杂化体系C=C双键转化率要小于纯有机基体树脂体系,但杂化体系的热稳定性以及耐刮擦性也较优于有机基体树脂体系。此外,涂膜光固化后的热处理以及存放时间能提高涂层的耐刮擦性。(3)以EA和HAP-GMA溶胶为预聚物,MPTMS/SiO2溶胶为无机组分,制备了耐刮擦UV固化有机无机杂化涂层,含叔胺结构的HAP-GMA溶胶有助引发作用以及抗氧阻作用,其在杂化涂料中加入量为20份以内时,C=C双键转化率要高于纯有机基体树脂。杂化光固化膜的热稳定性没有随耐热性极好的双酚A型EA的减少而变化是因为硅溶胶中的纳米Si02粒子具有很高的表面能,在受热时会向涂膜的表面迁移,在表面形成可以有效地阻止聚合物降解的阻隔层。UV固化有机无机杂化涂层中的纳米Si02粒子几乎转化成为一个开放的类多面体结构,该结构刚性较小并且以共价键的形式和整个体系相结合,虽然与有机物聚合交联成网状结构,但仍保持一定的弹性。HAP-GMA溶胶的加入可以减少EA涂层的刚性,而且纳米粒子Si02的良好分散使聚合物更容易变形,弹性恢复增加,降低了塑性变形,耐擦伤性提高。
【作者】何维霖；
【导师】廖正福；
【作者基本信息】广东工业大学，高分子化学与物理，2014，硕士
【关键词】UV固化；溶胶-凝胶法；二氧化硅；杂化涂料；耐刮擦；

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