TiO_2或VO_2(W)基有机-无机纳米复合涂膜的制备与性能研究

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无机纳米粒子在涂料中可起到力学增强或者赋予涂料新功能的作用而受到广泛关注。纳米粒子的分散对于其功能的实现尤其重要,特别高透明性有机-无机纳米复合涂层的制备。对于纳米粉体而言,在改性分散剂存在下进行球磨解团聚通常是必需的。在本文中,我们以甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)为改性分散剂,考察了TiO2纳米粉体(UV100)和自制的V02(W)粉体在乙酸丁酯(BAc)溶剂中的解团聚行为,并进一步通过离心除大尺寸团聚体的方法得到了透明纳米分散液,将纳米分散液与有机树脂复合,制备了纳米复合涂层。详细解析了MPS对于TiO2纳米粉体在有机介质中的解团聚与分散行为的精细影响规律,成功制备了综合性能俱佳的VO2(W)基热致变色纳米复合涂膜。具体的研究内容和主要结果如下:(1)以MPS为改性分散剂,通过TiO2纳米粉体在BAc溶剂中球磨、离心得到了透明的TiO2纳米分散液。采用DLS、FTIR、TGA、UV-Vis等表征方法考察了球磨时间、MPS/TiO2摩尔比、离心条件对TiO2分散液粒径、表面MPS接枝量、固含等的影响规律。将透明MPS-TiO2纳米分散液与不同的紫外光固化成膜介质复合,考察了MPS-TiO2纳米粒子在这些介质中的相行为。研究发现,MPS-TiO2纳米粒子在成膜介质中分散时,存在透明性突变的临界MPS-TiO2浓度。该浓度与成膜介质的成份和MPS的接枝量相关,成膜介质分子量越大,或MPS的接枝量越大,临界浓度越低。MPS/TiO2摩尔比对TiO2纳米粉体在BAc中的解团聚与对MPS-TiO2纳米粒子在成膜介质中的分散行为有不同的影响行为。(2)以VOSO4和Na2W04为原料自制了VO2(W)粉体,并对VO2(W)粉体采用类似TiO2纳米粉体的球磨分散、离心工艺制备了MPS-VO2(W)/BAc纳米分散液,与自制聚硅氧烷低聚物、氨丙基三乙氧基硅烷固化剂复合,成功制备了硬度高(990MPa)、透明性好(>65%)的热致变色聚硅氧烷/VO2(W)纳米复合涂层。利用XRD、DSC、Vis-NIR光谱、摆杆硬度计和微纳力学测试系统测试和表征了VO2(W)粒子、纳米复合涂层的结构和性能。研究了合成条件、球磨过程对于VO2(W)粒子的性质的影响。结晶VO2(W)粒子只有在适量的氧分压和合适的温度条件下才能成功制备。纳米复合涂膜从近红外调制幅度可以通过VO2(W)含量、膜厚、掺杂等因素调节,VO2(W)含量越高,涂膜厚度越大,或W的掺杂比例越小,则红外调制幅度越大,但提高红外调制功能通常会降低膜的可见光区透明性。因此,需要在复合涂膜的透明性和热致变色性能之间进行平衡。(3)以自制的VO2(W)粉体和膜为对象,研究了其储存、超声、球磨和人工加速老化的稳定性。短期储存和超声过程对于VO2(W)的结晶性能影响较小,但是长期储存条件下,VO2(W)会发生化学变化。球磨会影响VO2(W)的结晶性,从而影响复合膜的热调制功能。而人工加速老化过程则显著降低纳米复合膜的热致变色能力。
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