气相二氧化硅/极性低聚物纳米复合材料的界面调控与流变行为研究

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气相二氧化硅(Fumed silica, FS)/极性低聚物纳米复合材料在涂料、胶黏剂、锂离子电池、液体防弹衣等诸多领域应用广泛。然而,极性低聚物与FS表面相互作用复杂,配方对流变性质影响极大。如何实现对FS/极性低聚物复合材料流变行为的调控,是长期以来困扰工业界的一大难题。本论文首先从单组分湿固化聚氨酯胶黏剂(1C-PUR)的配方设计出发,通过流变与电子显微等手段,考察不同配方1C-PUR流变行为与微结构的共性与差异,建立配方-结构-流变间的联系;随后,采用调制型差示扫描量热(MDSC)及宽频介电谱(BDS)等方法,研究FS/极性低聚物界面处分子链的松弛行为及其影响因素;最终,将界面结构与流变行为相关联,揭示FS填充低聚物溶胶-凝胶行为的本质,为FS填充极性低聚物的界面及流变行为调控提供理论指导。本论文主要工作如下:1.系统总结了配方与1C-PUR微结构及流变行为的联系,发现FS的表面性质强烈影响FS团聚状态及1C-PUR流变行为;引入低分子量预聚体及叔胺催化剂可显著提高1C-PUR凝胶强度,而引入有机锡催化剂会破坏其凝胶结构;对比分析不同配方1C-PUR的流变行为及粒子团聚状态,可将1C-PUR归为三类:(1)粒子均匀分散的溶胶,(2)团聚体松散堆积的弱凝胶,(3)大尺寸团聚体紧密堆积的强凝胶。2.分别考察了溶胶、弱凝胶及强凝胶1C-PUR的复数黏度随应变及应变能的变化规律,发现应变软化为等能过程,应变硬化为等应变过程,两者均与配方无关;通过绘制溶胶-凝胶相图,证实凝胶与溶胶行为可通过调节体系黏度及施加应变能进行调控,并揭示了粒子团聚体结构在剪切过程中的演化与1C-PUR线性黏弹性的内在联系。3.选择简单的FS填充聚醚(PPG)体系,通过MDSC研究粒子表面化学性质对PPG玻璃化转变及冷结晶的影响,发现亲水FS表面存在分子链松弛异于基体相的“双层结构”,即链段松弛完全固定化的“玻璃层”以及部分受限的“非晶层”;而疏水FS表面只存在不连续的“玻璃层”。玻璃层的几何学逾渗是导致体系发生溶胶-凝胶转变的直接原因。4.采用MDSC、BDS考察了胺对FS/PPG界面分子链松弛行为的影响,并FS/PPG将其与流变行为对应,发现加胺使亲水FS表面的PPG玻璃层增厚、逾渗变易、凝胶化提前,溶胶-凝胶转变阈值由11 vol%显著下降至2 vol%。5.采用MDSC、BDS考察了FS对不同重均分子量(Mw) PPG分子松弛行为的影响,发现随MW增大,PPG端羟基密度减小,端羟基与FS表面硅羟基直接作用形成强氢键的概率显著降低,导致FS表面玻璃层向部分受限层转变。流变测试结果表明,玻璃层逾渗仍是体系发生溶胶-凝胶转变的主要原因。
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