有机硅/聚合物复合乳液的合成及性能研究

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由于兼具有机硅和聚合物材料的优异性能,有机硅/聚合物复合材料越来越引起研究者们的青睐。将有机硅组分引入到聚合物乳液合成中,所制备的具有复合结构的聚合物胶乳,在高性能水性涂料、环保型功能涂料等领域有重要的应用价值。本论文首先通过偶联剂体系设计和聚合方法设计,以分步乳液聚合工艺实现了具有高硅含量的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/聚丙烯酸酯(PA)乳液合成,并探索了其在建筑涂料制备中的应用;其次,以溶胶凝胶法制备了可聚合双键修饰的聚倍半硅氧烷(PSQ)荧光纳米粒子,并将其引入乳液聚合,制备得到了具有光致发光性能的PSQ/聚苯乙烯(PS)、PS/PSQ两类核壳结构荧光乳胶粒子;最后,将PS/PSQ与PSQ/PS复合乳液分别与少量PDMS乳液共混成膜,制备兼具有光致发光性能和疏水表面的聚合物涂层。本文主要内容如下:1、制备了粒径小、转化率高且硅含量高的建筑涂料用硅-丙乳液:以八甲基环四硅氧烷(D4)为有机硅单体,选用带有可聚合不饱和双键的三烷氧基硅烷和二烷氧基硅烷构建反应性偶联剂体系,以十二烷基苯磺酸(DBSA)作为乳化/催化剂,并选用阴离子乳化剂与非离子乳化剂与其进行复配,在乳液条件下开环聚合制备PDMS乳液;以该乳液为种子,加入甲基丙烯酸甲酯(MMA),丙烯酸正丁酯(BA)和α-甲基丙烯酸(MAA),以过硫酸铵[(NH4)2S2O8]为引发剂引发乳液聚合,制备PDMS/PA复合乳液;系统研究了PDMS种子乳液和复合乳液合成条件(时间、加料方式等)、乳化/催化剂组成与用量、偶联剂体系构成以及PDMS含量对复合乳液的粒径、转化率、稳定性以及乳胶膜的耐水性、耐热性、机械强度等影响。通过对反应条件的优化,制备出的硅-丙复合乳液,乳液粒径在100 nm左右,粒径可控,无漂油且转化率较高;分别用有机硅含量不同的硅丙乳液作为原料配制建筑涂料,对涂料的各项性能进行了对比与分析,乳胶漆具有优异的附着力与耐水性能,接触角可以达到116°(60wt%PDMS),相比于纯丙体系,漆膜疏水性显著提高。2、制备了有机硅荧光溶胶粒子;以分别含有氨基、可聚合双键的硅烷偶联剂与正硅酸乙酯作为共聚前驱体,用溶胶凝胶法制备了荧光溶胶粒子PSQ,考察了pH、单体种类、用量等条件对溶胶粒径与光致发光性能的影响,并通过合成参数调整,实现对其粒径的控制,其可控范围在:20nm~500 nm之间;以小粒径(<100 nm)PSQ溶胶为Pickering乳化剂,用Pickering乳液聚合法合成了具有核壳结构的PS/PSQ荧光复合粒子;以大粒径(>200 nm)PSQ溶胶为种子,用种子乳液聚合法制备了核壳结构的PSQ/PS荧光复合粒子;通过透射电镜(TEM)、表面能谱(EDS)、荧光发射光谱(PL)、激光共聚焦显微镜(LSCM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等,对粒子形态、结构以及光致发光性能进行表征;系统研究了乳液pH值、(助)乳化剂种类与用量、引发剂种类与用量、溶胶用量、反应工艺等因素对复合粒子形态与其光致发光性能的影响。3、制备了兼具荧光性能和表面疏水性能的功能涂层材料:通过PSQ/PS和PS/PSQ荧光乳液与PDMS乳液分别共混,制备聚合物涂层材料;探索了共混乳液组成、荧光乳胶粒子结构以及后处理温度对乳液涂层结构和接触角的影响;所制备的乳胶膜在紫外光下可以呈现明显的蓝色荧光,而且涂层接触角最高可以达到127.6°,即形成兼具荧光性能和表面疏水性能的功能涂层。
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