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无机纳米粒子填充改性聚合物因其具有重要的理论意义和应用价值而成为近些年迅猛发展的一个研究领域。利用常规共混方法，将纳米无机粒子直接分散到聚合物中，无疑是最方便、经济的方法，但有两个问题急需解决：一是纳米粒子在基体中易团聚、难分散的问题；二是纳米粒子与基体的粘结。
反应性增容技术作为聚合物共混常用的一种手段得到了广泛的应用，其原理是在熔融加工过程中原位生成接枝或嵌段共聚物而在两相之间产生比纯物理作用更强的相容性和界面粘结。据此原理，如在无机纳米粒子的表面引入反应性基团，并使其在熔融共混过程中与聚合物上的活性基团反应，应有利于发挥纳米粒子在聚合物基体中的增强增韧效应。
基于上述思路，本研究采用溶液接枝的方法在纳米粒子表面接枝改性引入反应性官能团，详细研究了影响接枝聚合的各因素，包括单体浓度、引发剂浓度、反应时间、反应温度等。利用FTIR、TG、XPS、GPC、TEM等对改性纳米粒子进行了表征，运用DSC、FTIR等验证了接枝物的反应活性，证实了反应性增容制备纳米复合材料的可行性。然后采用熔融接枝的办法制备了反应性增容剂。最后将接枝了反应性官能团的SiO2纳米粒子、反应性增容剂和聚丙烯(PP)经常规熔融共混方法制备了纳米SiO2/PP复合材料，系统研究了影响复合材料力学性能的各种因素，研究了制备方法对复合材料的影响，研究了改变粒子表面接枝物种类、接枝率以及不同反应体系对复合材料性能的影响。利用转矩流变仪、熔融指数仪、高级扩展流变仪研究了复合材料的流变性能，通过TG、DMA、DSC、PLM、XRD等对材料的热稳定性、动态力学性能、结晶行为进行了研究。用FTIR、TG研究了共混中发生的反应，计算了纳米粒子表面接枝物官能团的反应率，采用TEM和SEM对纳米粒子在基体中的分散状况和复合材料断裂表面形貌进行了观察和分析，探讨了纳米粒子增强增韧聚合物的机理。
本论文主要研究结果如下：
(1)用硅烷偶联剂(KH570)与粒子表面的羟基反应，在粒子表面可引入能参与自由基聚合反应的双键，再利用溶液聚合在纳米SiO2表面引入反应性官能团。在本研究中，共采用了两种活性官能团，一种是环氧基，另一种是羧基。对于环氧基的导入，我们研究了甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)单独接枝聚合和与丙烯酸丁酯(BA)共聚接枝。对于羧基化合物(丙烯酸AA)接枝也是采取和BA共聚的方式，研究表明，在纳米粒子表面引入反应性基团可行且易调控。考察了偶联剂用量对预处理的效果，发现偶联剂用量增加，则纳米SiO2粒子表面引入的偶联剂量增大。研究发现引发剂浓度和反应温度都有最适条件，引发剂浓度过高和过高的温度均不利于接枝率的提高，改变单体浓度来调节接枝率是一种方便可行的方法。对于共聚接枝改性纳米粒子，则发现反应温度对不同配比的共混单体聚合具有不同的影响，因此对于共聚接枝，可以通过改变单体浓度，也可以控制反应温度来调控接枝率。
(2)利用FT-IR，TGA，GPC，XPS，TEM和沉降性实验等对改性粒子进行了表征。FT-IR，TGA，XPS分析结果证实聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)确实是通过化学键结合到纳米SiO2粒子表面，而不是简单的物理包覆。TEM和沉降性实验表明，接枝改性能显著提高纳米粒子在有机溶剂中的分散性和分散稳定性。FT-IR和DSC的研究结果表明纳米粒子上的环氧基不管在溶液还是在熔体中均保持了反应活性，在聚合物基体(PP或PS)中与反应性增容剂间的固化反应的反应机理没有发生变化。
(3)通过对反应性增容体系的抽提试验，对抽提物的FTIR、TGA分析表明在熔融共混过程中确实发生了原位化学反应，生成了接枝物，从而增强了粒子与基体的界面粘结。通过TGA分析计算，对于SiO2-g-PGMA(接枝率为42.9％)，其环氧基的反应率为8％，接枝率为13.2％时，反应率则为20％；对于SiO2-g-P(BA-co-GMA)(接枝率为24.2％)，其环氧基团反应率为14％。
(4)不同反应体系(氨基与环氧基、羧基与噁唑啉)的力学性能测试结果表明，反应性增容剂的引入能大幅度提高复合材料的综合性能，在粒子含量很低(＜1vol％)时能有效的增强增韧。但反应性增容会使断裂伸长率有不同程度的下降。不同接枝率、不同组成接枝物的改性纳米粒子对反应性增容效果的影响不一致，过高接枝率改性纳米粒子对PP增韧的效果不如较低接枝率的改性粒子，共聚接枝改性是调控纳米粒子表面性能的一种有效方法，通过适当控制活性官能团和柔性基团的比例，可以制备综合性能良好的复合材料。特别能减弱反应性增容对断裂伸长率的不利影响。但过低的官能团含量对材料增韧不能有效起作用。当添加体积分数为0.66vol％的改性SiO2(即SiO2-g-P(BA-co-GMA))(接枝率为24.2％)及10wt％PP-g-NH2时复合材料的冲击强度比纯PP的提高90％。研究还发现，加工方法对材料性能影响很大，两步熔融法不适合反应性增容体系。反应性增容剂的用量对增容效果影响很大，只有增容剂的量达到一定程度时才能有效地起作用，在本研究中，10wt％的增容剂是比较合适的。不同增容剂对材料的影响是不一样的，在SiO2表面引入环氧基团时，PP-g-NH2的增容效果明显优于PP-g-MA或PP-g-MA/HMDA，这是因为氨基易于和环氧基团反应的缘故。
(5)DSC、PLM研究表明反应性增容能极大提高纳米SiO2的成核活性，增强纳米粒子的异相成核作用，使结晶温度升高，结晶速率加快，球晶细化。XRD研究表明反应性增容剂和改性纳米粒子的协同作用能诱导PPβ晶的生成。
(6)平衡扭矩、熔融指数、高级扩展流变测试表明，反应性增容剂的加入增大了复合材料的粘度，表明粒子与基体的界面作用增强。DMA分析表明，反应性增容使PP玻璃化转变温度移向高温，损耗能量增大，内耗值增大，表明反应性增容增强了粒子与基体的界面粘结，对PP分子链具有一定的束缚作用。
(7)TEM观察发现，接枝改性能使纳米粒子比未处理粒子在PP基体中更好分散，加入反应性增容剂后，纳米粒子的分散性进一步得到改善，并且伸展成带状分布。SEM冲击断面微观形貌观察发现，通过反应性增容能增强纳米粒子与基体的作用，促进基体的塑性屈服，产生大量的微纤，有效防止裂纹的扩展，耗散更多的能量，从而使复合材料的缺口冲击强度提高。