水性聚倍半硅氧烷/丙烯酸酯有机无机杂化乳液的制备与性能研究

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丙烯酸酯聚合物乳液具有优异的成膜性,在本性涂料、粘合剂等领域广泛应用,但其涂膜存在硬度低和耐水、耐溶剂差等缺点。在丙烯酸酯聚合物乳液中引入无机或具有无机结构的纳米粒子,可结合有机部分和无机部分独特的化学和物理性质,有望改善上述缺点。目前,开展有机无机丙烯酸酯乳液研究已成为一个重要的发展方向。  无机SiO2粒子常用于制备有机无机杂化乳液,引入方法有共混、原位聚合等方法,但制备过程中存在纳米颗粒易团聚、杂化乳液成膜过程中易发生相分离等现象,导致涂膜性能差等问题。本文制备了一种含有功能化基团的无机结构聚倍半硅氧烷粒子,在此基础上制备了聚倍半硅氧烷/聚丙烯酸酯乳液(PSQ/PA),并对其结构和性能进行表征。最后,在PSQ/PA制备基础上,引入纳米SiO2溶胶,制得了具有高硅含量的有机无机杂化乳液,对其性能进行了表征。  首先,以甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(MPS)为前驱体,采用溶胶凝胶法制备了具有无机结构的功能化PSQ纳米粒子。通过考察溶胶凝胶过程中前驱体浓度、乳化剂、催化剂、反应温度等因素对反应稳定性和PSQ粒子粒径及其分布的影响,实现其粒径的调控。采用傅立叶红外光谱(FTIR)、透射电镜(TEM)和动态光散射(DLS)等分析表明,制备的PSQ颗粒具有较窄的粒径分布,制备过程稳定性良好。  其次,以PSQ纳米粒子为核,采用半连续种子乳液聚合法,制备了具有核壳粒子结构的PSQ/PA有机无机聚合物乳液,并进行表征。为考察功能化PSQ纳米粒子在制备有机无机聚合物乳液无需进行表面改性的优势,以无机siO2粒子为核出发制备二氧化硅/聚丙烯酸酯乳液(SiO2/PA),对PSQ/PA和SiO2-PA两种乳液粒子及其涂膜性能进行分析表征。结果发现,与SiO2出发制备杂化乳液相比,PSQ/PA乳液纳米粒子粒径分布较窄,SiO2/PA乳液粒子呈双峰分布;PSQ/PA涂膜在透光率、成膜性能以及热稳定性方面比SiO2/PA都要好,这些都归于PSQ粒子与PA化学键合,而SiO2/PA涂膜中,SiO2与PA之间作用力弱,容易发生相分离。  最后,在制备的PSQ/PA乳液基础上,引入MPS,考察MPS添加量对乳液聚合稳定性及涂膜耐水等性能的影响。将硅溶胶(30wt%)与制得的PSQ/PA乳液直接共混,在共溶剂作用下制备高硅含量PSQ/PAS有机无机杂化乳液,并制成涂膜。考察了硅溶胶含量对杂化乳液涂膜硬性能的影响,结果表明:涂膜硬度和热稳定性随着硅溶胶含量增加而增加,但涂膜透明度则略有下降,杂化乳液涂膜的综合性能在硅溶胶含量为50%时达到最佳,PSQ/PAS涂膜无机硅含量高达30%,涂膜硬度达到6H,透光率达到90%以上。杂化乳液涂膜良好的性能原因是:硅溶胶粒子表面羟基与PSQ/PA壳层引入MPS水解后形成的羟基发生了缩合,进一步增强了PSQ/PA和无机SiO2粒子间的界面作用,极大地消除了杂化乳液成膜过程中相分离,使杂化乳液涂膜具有更优异的综合性能。
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