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纳米SiO_2/聚丙烯酸酯复合乳液的制备、表征及应用

作　者: 王亚强
导　师: 李玉平
学　校: 湖南大学
专　业: 材料学
关键词: 乳液聚合纳米SiO2/聚丙烯酸酯复合乳液改性热稳定性涂料
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

聚丙烯酸酯乳液具有品种齐全、价格低廉、性能优异等特点,被广泛应用于化学建材、纺织、皮革等多个工业领域。但是,其低温难成膜、高温易返粘、涂膜硬度低等问题,已经无法满足人们日益增长的生产、生活需要,设法提高聚丙烯酸酯乳液的性能已成为该领域工作者急需解决的问题。本文根据种子乳液聚合原理,以经过硅烷偶联剂表面改性的纳米SiO₂为种子,制备了纳米SiO₂/聚丙烯酸酯复合乳液,表征了复合乳液结构性能,讨论了其在涂料中的应用。首先,研究了改性工艺条件对纳米SiO₂改性效果的影响。采用适当的工艺流程,硅烷偶联剂可以接枝在纳米SiO₂表面,一方面在其表面形成一层有机物膜,降低了粒子的表面张力,增大了空间位阻作用,从而使其能够均匀的分散在反应体系中;另一方面接枝的硅烷偶联剂分子中带有可参与聚合反应的基团,能够在纳米SiO₂与聚丙烯酸酯之间建立起一座“桥梁”,增加两者的界面亲和性。纳米SiO₂较佳的改性工艺条件为:pH值为3～4;反应温度为80℃;反应时间为120min;硅烷偶联剂的加入量为纳米SiO₂重量的10%左右。其次,根据材料设计理论,通过对复合乳液粒子的结构设计,探讨了复合乳液制备的聚合体系和工艺流程,制备了纳米SiO₂/聚丙烯酸酯复合乳液,分析了复合乳液的聚合反应机理。再次,表征了纳米SiO₂/聚丙烯酸酯复合乳液的结构和性能。FT-IR图谱表明,复合乳液既具有纳米SiO₂的特征吸收峰,又具有聚丙烯酸酯乳液的特征吸收峰,说明其兼有两者的共同特性;ζ电位图谱表明,纳米SiO₂的加入并没有对复合乳液体系的稳定性造成太大的影响,复合乳胶粒仍按照阴离子稳定机理保持其在体系中的分散稳定性,与聚丙烯酸酯乳胶粒的表面电性基本一致;纳米SiO₂的加入减少了体系中初始胶核的数目,从而造成复合乳胶粒平均粒径增大,但是复合乳液与聚丙烯酸酯乳液粒径分布是基本一致的;复合乳液粒子形貌图表明,存在两种形态（均匀和核壳）的乳胶粒子,没有发现单独存在的纳米SiO₂粒子,说明加入的纳米SiO₂粒子全部形成了复合乳液;随着纳米SiO₂加入量增加,纳米SiO₂/聚丙烯酸酯复合乳液的粘度先保持不变后急剧增大;而随着纳米SiO₂接枝率增大,复合乳液的粘度却基本不变;乳液的基本性能已达到市场聚丙烯酸酯类乳液产品的性能指标。第四,采用热重分析、红外光谱和原子力显微镜等手段,研究了纳米SiO₂/聚丙烯酸酯复合乳液涂层的热降解行为,分析了其热降解机理,并利用动力学原理计算了其热降解活化能。最后,按照传统水性涂料配方和工艺流程,以本文制备的纳米SiO₂/聚丙烯酸酯复合乳液为基料,制备了涂料试样一方面纳米SiO₂表面的高分子链相互缠结形成物理交联,另一方面其表面改性剂与单体聚合形成化学交联,从而增加了涂膜的交联度,提高了涂膜的致密性,使其耐候性和耐沾污性提高。涂料的低温稳定性、对比率、耐水性、耐碱性、耐沾污性、耐洗刷性和耐候性等性能指标均达到或超过国标优等品水平。

全文目录

摘要  8-10
Abstract  10-12
插图索引  12-14
附表索引  14-15
第1章绪论  15-31
  1.1 乳液聚合基本理论  15-20
    1.1.1 乳液聚合概述  15-17
    1.1.2 乳液聚合主要组分  17-18
    1.1.3 乳液聚合基本原理  18-20
  1.2 有机-无机复合乳液  20-24
    1.2.1 有机-无机复合乳液概述  20-22
    1.2.2 有机-无机复合乳液的复合原理  22-23
    1.2.3 有机-无机复合乳液的制备方法  23-24
  1.3 纳米SiO_2/聚丙烯酸酯复合乳液  24-29
    1.3.1 聚丙烯酸酯乳液  24-26
    1.3.2 纳米SiO_2 的性质  26-27
    1.3.3 纳米SiO_2/聚丙烯酸酯复合乳液的最新进展  27-29
  1.4 本课题的选题依据与研究内容  29-31
第2章实验  31-36
  2.1 主要原材料  31-32
  2.2 主要仪器设备  32
  2.3 工艺流程  32-34
    2.3.1 纳米SiO_2 表面改性  32-33
    2.3.2 复合乳液的制备  33-34
  2.4 性能表征  34-36
第3章纳米SiO_2 的表面改性  36-45
  3.1 纳米SiO_2 表面改性原理  36-37
  3.2 纳米SiO_2 表面改性影响因素  37-41
    3.2.1 反应体系的pH 值  38-39
    3.2.2 反应温度  39
    3.2.3 反应时间  39-40
    3.2.4 硅烷偶联剂的加入量  40-41
  3.3 纳米SiO_2 表面改性效果  41-44
  3.4 小结  44-45
第4章纳米SiO_2/聚丙烯酸酯复合乳液的制备  45-58
  4.1 复合乳液粒子结构设计  45-46
  4.2 聚合体系的选择  46-52
    4.2.1 单体  46-48
    4.2.2 乳化剂  48-49
    4.2.3 引发剂  49-51
    4.1.4 纳米SiO_2  51-52
    4.1.5 其它助剂  52
  4.3 聚合工艺的确定  52-56
    4.3.1 单体滴加方式  52-54
    4.3.2 反应温度  54-55
    4.3.3 搅拌强度  55-56
  4.4 聚合反应机理分析  56-57
  4.5 小结  57-58
第5章纳米SiO_2/聚丙烯酸酯复合乳液的结构及性能表征  58-64
  5.1 复合乳液粒子的化学结构  58-59
  5.2 复合乳液粒子的表面电性  59-60
  5.3 复合乳液粒子的粒径及其分布  60-61
  5.4 复合乳液的粒子形态  61
  5.5 复合乳液的粘度  61-62
  5.6 复合乳液的基本性能  62-63
  5.7 小结  63-64
第6章纳米SiO_2/聚丙烯酸酯复合乳液涂层的热稳定性  64-71
  6.1 纳米SiO_2/聚丙烯酸酯复合涂层的热降解过程  64-66
  6.2 纳米SiO_2/聚丙烯酸酯复合涂层的热降解机理  66-68
  6.3 纳米SiO_2/聚丙烯酸酯复合涂层的热降解动力学  68-70
  6.4 小结  70-71
第7章纳米SiO_2/聚丙烯酸酯复合乳液在涂料中的应用  71-77
  7.1 涂料的制备  71-74
    7.1.1 配方  71-72
    7.1.2 工艺流程  72-73
    7.1.3 性能检测  73-74
  7.2 涂料的性能  74-76
  7.3 小结  76-77
结论  77-87
致谢  87-88
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纳米SiO_2/聚丙烯酸酯复合乳液的制备、表征及应用

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