烷基化纳米SiO2MMA乳液聚合物及其对PC的改性研究

烷基化纳米SiO2MMA乳液聚合物及其对PC的改性研究


2024年3月12日发(作者:buffer)

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钱翼清,等:烷基化纳米SiO2/MMA乳液聚合物墨其对Pc的改性研究 

烷基化纳米SiO2/MMA乳液聚合物 

及其对PC的改・f=生研究 

钱翼清赵平王卫华 

(南京化工大学材料科学与工程学院21O009) 

摘要用乳液聚合方法制备了烷基化纳米SiO:/MMA乳液聚合物,用TEM、FTIR分折研究了乳液聚合物的结 

构。结果表明,谊乳髓聚合物的粒子基本呈球形,由橱、壳组成,中心为SiO 棱,外围为PMMA壳,橱壳之问存在化 

学键。在适量第三组分配合下,烷基化纳米SiO /MMA乳液聚合物能走幅度提高Pc的韧性、加工流动性噩耐热性。 

同时对其增韧机理也进行了研究。 

关键词 纳米SiO 甲基丙烯酸甲酯乳液聚合物 结构表征Pc改性增韧机理 

无机纳米粒子的研究越来越受到世界各国的重 

视” ,变换不同功能的无机纳米粒子并将其与种类 

繁多的聚合物进行恰当匹配,能制备出一类多功能、 

高性能的复合材料 

凝聚力强、易团聚 

公司; 

扫描电镜(sEM):,ISM・6300型,日本电子公 

司: 

。但纳米粒子比表面能大、 

,这种团聚的二次粒子难以发 

傅立叶红外光谱仪(FTIR):NEXUS一560型, 

美国Nicolet公司; 

挥其纳米效应,故在应用前必须对其进行表面改 

性 。笔者用乳液聚合方法制备了烷基化纳米 

SiO /甲基丙烯酸甲酯(MMA)乳液聚合物(简称纳 

米SiO2/MMA),重点研究了纳米SiO2/MMA的结 

透射电子显微镜(TEM):H一800型,日本日立 

公司 

1.3试样制备 

(1)烷基化纳米SiO 的制备在三颈瓶中加人 

构,用这种核壳粒子改性聚碳酸酯(Pc),使Pc的韧 

性增加10.5倍,熔体表观粘度降低47.4%(270 ̄C, 

7.36x10 Pa),热分解温度提高17.47℃。这些内 

容均未见国内外文献公开报道。 

1实验部分 

1.1原料 

定量已干燥的纳米SiO 、KH一570及二甲苯,利用 

磁力搅拌使其充分分散。将三颈瓶置于油浴中,向 

三颈瓶内通N!保护,搅拌,加热,在二甲苯的回流温 

度下保持一定时间后结束反应。将物料移人烧杯静 

置分层,取出下层沉淀物,经丙酮洗涤后干燥得烷基 

化纳米s.0 。 

(2)纳米si0 /MMA的制备称取一定量已干 

燥的烷基化纳米SiO 于三颈瓶中,加蒸馏水和少量 

纳米SiO2:平均粒径2O]itm,比表面积160 litf / 

g.中科院固体物理研究所与浙江舟山升兴纳米材料 

开发有限公司联合生产; 

甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷:KH一570, 

的异丁醇作分散剂,若进行有皂乳液聚合还要加少 

量的聚氧乙烯仲辛酚醚一10作乳化剂,利用磁力搅 

拌充分分散后,移入水浴中,搅拌回流,通N 保护, 

加热至反应温度后加人K S:0 ,再滴加精制的 

MMA进行无皂或有皂乳液聚合。反应结束后分离、 

洗涤、干燥聚合物。 

(3)复合材料试样的制备将已干燥的Pc与 

南京曙光化工厂; 

MMA、异丁醇、过硫酸钾(K:S 0 ):均为市售。 

1.2测试仪器 

橡胶强力机:XQ一750型,上海非金属实验机 

厂; 

悬臂粱冲击试验机:UT一4型,承德材料试验机 

厂; 

纳米SiO /MMA混合,在双螺杆挤出机中共混挤出, 

所得粒料干燥后,用注射机注塑标准试样。 

高分子材料工程国家重点实验室资助项目(1998) 

江苏省科委资助项目(BJ98062) 

收稿日期:2001-09 ̄3 

毛细管流变仪:XLY一Ⅱ型,吉林大学科教仪器 

厂; 

热重分析仪(TGA):TA一2000型,美国Du Pont 

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2 Jl程塑料应用 2002年,第3O卷.第1期 

1.4结构表征与性能测试 

(1)纳米SiO,/MMA的表征 将制得的纳米 

SiO,/MMA在充分荤取前后(萃取充分的标准是取 

滴萃取液置于清洁的玻璃片上,使丙酮蒸发干,玻 

璃片上无任何白色斑痕),用FTIR仪测试,再取乳 

液经染色后用TEM分析。 

(2)力学性能测试拉伸强度按GB/T 1040— 

1992在橡胶强力机上测试;缺口冲击强度按GB/T 

1843—1996在悬臂梁冲击机上测试 

(3)熔体流动性能测试

长径比为40的毛细管测试。 

在毛细管流变仪上用 

蔽数/Cnl 

a一萃取前;b--莘取后 

图2纳米SiO2/MMA的FTIR谱图 

(4)PC及其复合材料的TGA测试将试样用 

较密锯齿的锯条锯屑,并将碎屑在TGA仪上测试。 

(5)PC及其复合材料的SEM分析①将1 、3 

试样的冲击断面分别喷金后用扫描电镜观察并拍 

照。②各取两个,1 、3 冲击试样,经液氮冷冻后,一 

个沿垂直于冲击方向脆断,另一个沿平行于冲击方 

向脆断(见图1),分别在其脆断面喷金后,用扫描 

电镜观察并拍照。 

与KH一570上的一0cH 发生反应而形成化学键, 

使KH一570分子键合到了SiO,粒子表面 

2.2 纳米SiO /MMA的形态结构 

图3为纳米SiO /MMA经染色后放大1.5万倍 

及l0万倍的TEM照片。从图3 a可以看出,纳米 

SiO /MMA为近似球形的乳胶粒子。图3 b清晰显 

示出乳胶粒子具有核壳结构,结合乳液聚合机理,笔 

者认为:键接有KH一570的纳米SiO,即烷基化纳 

米SiO ,在引发剂引发下与MMA进行乳液聚合时, 

因KH一570上含双键的大R基团包覆在粒子表面, 

而使SiO:粒子能稳定地分散在水中,无论体系中有 

无乳化剂存在,根据“相似相容”原理,MMA单体总 

是趋向集中在SiO 粒子表面,一旦水相中引发剂分 

解的自由基扩散到SiO 表面,便引发大R基上的双 

键及MMA上的双键聚合,PMMA包覆在粒子表面, 

l一冲击力 2一冲击脆断的 凸面; 

因单体的亲水性大于聚合物,故剩余单体始终处于 

聚合物与水的界面上,聚合反应就在这一单体层内 

进行,最后形成以SiO 为核,PMMA为壳的核壳粒 

子。至此可以断定;图3 b中具有核壳粒子结构的 

中心深色部分为纳米SiO ,外围浅色部分为PMMA: 

3一垂直冲击臆断面;4一乎行冲击臆断面 

目l 冲击试样脆断面示意图 

2结果与讨论 

2.1纳米SiO /MMA的FTIR分析 

图2为纳米SiO2/MMA的FrIR谱线。从图2 

试验中发现,壳层厚度可用单体用量、引发剂用量、 

聚合温度、聚合时问等因素来调控。当1 L H 0中 

MMA单体用量为10 mL、引发剂K S10 用量为 

0.75 g,聚合温度70%,聚合反应时间3h时,壳层 

可看出,萃取前在1 100 cm~、804 cm 附近有SiO, 

中s;一O的不对称和对称伸缩振动吸收峰,在1 731 

g21Tl 附近还有C:O伸缩振动吸收峰,在1 150— 

1 268 cm 处有c—c一0一c伸缩振动吸收峰,证实 

了乳液聚合物由SiO 和PMMA组成。纳米SiO,/ 

MMA经丙酮充分萃取后干燥物的FI'IR谱线中纳米 

SiO:及PMMA的特征峰均存在,说明乳液粒子中 

PMMA未被其良溶剂丙酮所萃取,换言之,该聚合产 

物中PMMA与SiO:问存在化学键。这可用纳米 

SiO 的烷基化反应解释,即纳米SiO 表面的一0H 

(a1 《b, 

a一放太l 5万倍;b一放太lO万倍 

图3纳米SiO2/MMA的TEM照片 

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钱翼清 等:烷基化纳米SiO:/MMA乳液聚台物及其对Pc的改性研究 3 

平均厚度为2O~5O nm(电镜法),SiO 占70%左右 

(灼烧法)。这种PMMA为壳层,核壳间存在化学键 

(详见图5 a)。而从图4 b可见,3 试样冲击断面上 

联结的复合粒子在聚合物基体中既能良好地分散又 

能改善界面状况,必然会显著改善聚合物的性能 

2.3纳米SiO:/MMA对PC的改性效果及其机理 

无凹凸、无错落,只是光滑平整的平面,为典型的脆 

性断裂面。图5是l 、3 冲击断裂试样在应力发白 

区垂直于冲击方向的脆断面的SEM照片。图5 a清 

分析 

纳米SiO /MMA对Pc的改性效果见表1。 

表1纳米siO2/MMA对PC的改性效果 

晰显示出凸起片层上存在大量取向束,而图5 b脆 

断面上的取向束则寥寥无几 图6是l 、3 冲击断 

裂试样在应力发白区平行于冲击方向脆断面的 

SEM照片 图6 a脆断面上有许多分布均匀的空 

洞,犹如孔穴密布的海绵。图6 b则无海绵状结构, 

断面上仅有少量极微细的条纹,放大l 5万倍后能 

看到少量的纹路。像l 试样断裂面上出现的凹凸 

试样 配比(Pf/R 缺口冲击强}拉伸屈服 断裂伸 熔体表观牯 热分解 

l,_^ )/质量份 度/kJ・m 强度删P日 长率/% 度 /Pa・s 温度/℃ 

【 

2 

3 

【∞,4,适量 

l00/4/0 

l00/0/0 

盯20 

7.16 

4.12 

56 69 66 4 

6l 96 

6]09 

64 5 

76 5 

393 3 

593 3 

伸8 

491.【6 

477【2 

473 69 

错落的扭曲片层呈犬牙状交错排列,凸起片层I二的 

取向束,以及多重微穴空化区均为多重裂延现象。 

“多重裂延”增韧机理就是在多重裂延现象的基础 

上提出的,它分为五个阶段:①多重微裂缝空化区的 

产生;②“粘连片膜”的形成;③空化区边缘及“粘连 

注il)R一为烷基化纳米SiO2/MMA乳液聚合物; 

2)A一第三组分; 

3)270 ̄C、7 36×to*P且条件下删斌 

由表1可以看出,2 试样的缺.zI冲击强度虽比 

3 纯Pc高,但不太显著,因核壳粒子为SiO,/PMMA 

结构,属刚性粒子,而刚性粒子为分散相的复合材料 

要达到增韧效果,其基体必须有适度的韧性 , 

即要求刚性粒子的模量 及泊松比or与基体聚合 

物的 与or有一定的匹配,否则难以体现增韧效 

片膜”的延展;④“粘连片膜”内分子链的取向;⑤ 

“粘连片膜”与空化区的脱离。这五个阶段顺利完 

成后,必然出现1 试样所产生的多重裂延现象,其 

果。用适量的第三组分A来调节基体的E与 ,使 

两者的E与 更好地匹配后,体系在脆韧转变 

点” 附近表现出很高的韧性,因而l 试样的缺口冲 

击强度高达47.2O kJ/m ,为纯Pc的l1.5倍,其拉 

伸屈服强度及断裂伸长率与纯PC相当 这种高韧 

化材料的断裂现象用过去传统的橡胶增韧塑料的多 

重裂纹化理论已不能圆满地解释了,需用最新的 

“多重裂延”等高韧化增韧理论 来研究。 

从表1还可看出,在270℃,剪切应力为7.36 x 

1O Pa时,1 试样的熔体表观粘度为393.3Pa-s.仅 

是纯Pc的52.6%,热分解温度为491.16℃,比纯 

Pc提高17.47℃。这主要是第三组分的加人增大 

了体系中Pc与核壳粒子壳层PMMA的相容性,使 

其能更好地渗透扩散到PC大分子问,减弱了PC分 

子问的相互作用,从而降低了Pc的熔体粘度 同 

理,壳层PMMA的扩散渗透使SiO 无机粒子更加均 

匀分布在PC中,有利于SiO:耐热性的发挥。 

2.4 高韧化体系增韧机理研究 

图4为1 、3 试样缺El冲击断面的SEM照片。 

从图4 a可见,1 试样冲击断面是凹凸错落、相互交 

错的扭曲片层,这些片层呈犬牙状交错排列,在凸起 

的片层上存在大量的垂直于冲击力方向的取向束 

a—I 试样;b—3 试样 

图6 冲击断裂试样在应力发自区平行于冲击 

方向脆断面的SEM照片(放大l 5万倍) 

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4 工程塑料应用 2002年.第3O卷 第1期 

中第三、四阶段吸收能量最多,大量的冲击能转化成 

(23):4391 

片膜的表面延展能及分子取向能,因而表现出极高 

的缺口冲击强度。 

3结论 

5坪川粑夫舞礁超撇粒子表面,\0 亍工 

≯ 工h.1995(6):I7 

新展 lj 一 

6吴唯.等.纳米刚性微粒与橡胶弹性微粒同时增韧增强PP的研 

究.高分子学报,2000(1):99 

(1)采用乳液聚合方法能使PMMA包覆在纳米 

SiO 粒子表面,形成核壳结构。 

(2)烷基化纳米SiO /MMA乳液聚合物的乳胶 

粒子核壳间存在化学键,在1L H 0中,当单体MMA 

用量lO mL,引发剂 s’O 用量为0.75 g,聚合温 

度70℃,聚合反应时间3 h时,壳层平均厚度20— 

50/Im,SiO2占70%左右。 

(3)烷基化纳米SiO /MMA乳液聚合物(即核 

7严东生.纳米材料的合成与制备无机材料学报,1995.10(I)rl 

8张立德,等纳米材率}和纳米结构.北京:科学出版杜,2001 

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l0是井腾利. IJ力粒子 

265 

J 一修鲕.高分子,1999.48(1): 

11 Angola J C.el al COntlxatibiliger-aided toughening in polymer 

blends eon ̄sfing of brittle polymer particles chsporsed in a duttile 

olpmer myat,ix PolyTa j:Polym Phys.1998.26:807 

12李东明 等非弹性增韧一聚合物增韧的新逮径高分子通报. 

1989.3:22 

壳乳胶粒子)在适量第三组分配合下,使Pc的缺口 

冲击强度、加工流动性、热分解温度均太幅度提高, 

其改性效果非常显著。本体系的增韧机理属高韧化 

增韧理论范畴。 

参考文献 

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18冯威.等PPO/SEBS・g MAH共混体系的形态结构与冲击性能 

高分子学报,2000(5):573 

PREPARAT10N AND ANALYSIs oF EMULSIoN P0LYM哐R oF ALKYLABLE 

NANO-SiO,/MMA ANDⅡS MODIFYING EF兀CmNCY Io PC 

Qin Yiaqing,Zhao Ping,Wang Weihua 

(College 0fMaterids Science and Englneex ̄g,N ̄jhag mv 0fC icdTetralogy 2t0009) 

analysized and researched by TEM and AIKSTRAcT The structure of emulsion polymeric products of ni:lrlO Si0,/MMA惴

IR.The results indicate that particles of emulsion polymeric products are approximately ball shape the particle consists of centred cote 

(SiO2)and shell(PMMA)around CO1.e nd cahemical bonds exi between core and shell of 

In addition 

PC was toughened notably

 ̄oceB8 flowabili ̄.and heat resistance of PC were raised by o0re・shell particles of ̄kylable/18.11o-silica/PM— 

MA with cooperation of third component.Its itoughening mechanism was also studied 

KEYWORI)S 118110・silica.MMA,emulsion polymeric product,structure characterization,PC modiifcation

tuughe.i ̄g mecha 

nism 

改性聚碳酸酯管件技术问世 

山东双兴集团有限公司研制的新一代改性聚碳酸酯管 

新型聚乙烯材料 

种广泛使用于地板采暖技术的新型聚乙烯材料日前 

在河北武邑德鑫塑料管材有限公司开发成功,并顺利通过国 

家化工建材质检中心检测,现已投放市场。 

该产品不含任何有害成分,适用温度范围广,耐热性能 

高,可以在一7O一95℃下长期使用,内压强度高,在9o℃时 

爆破压力大于2 MPa,使用寿命长达50年。特别是管材内 

壁表面张力低,可有效防止承垢的形成。同时,由于导热系 

数低于金属管材,其隔热保温性能优良。 (魏双捧) 

件技术通过了国家建设部科技成果评估。有关专家认为,此 

项技术填补了国内空白。 

该技术的研发成功,最终使铝塑复台管、PE X管等柔性 

塑料管材连接中因受管件密封技术制约所造成的渗漏、阻 

径、锈蚀三大难题得到全匾而有效的解决,也为我国新型绿 

色环保管材的推广与发展提供了可靠的保证。该技术在国 

内属领先水平,而且已经获得8项国家专利。 (砸成) 


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