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有机-无机杂化功能材料研究—聚倍半硅氧烷分子杂化与应用

赵宁  戴珍  刘海云  黎白钰  马军  王真  徐坚  
【摘要】:随着科学技术的发展,单一材料的使用已经受到很大的局限,往往需要将各种不同性能的材料进行复合,以达到性能互补、提高材料整体性能的目的。有机-无机杂化材料的研究始于上世纪80年代,该类材料中无机相的尺寸可达到百纳米级,大大增强了界面的相互作用,因此这是集无机相的刚性、尺寸稳定性、热稳定性和有机相的韧性、加工性等诸多特性于一体的新型材料。聚倍半硅氧烷(PSQ)以重复的Si—O键为主链,分子通式符合(RSiO1.5)n,其侧链是与硅原子相连的各种有机基团,其分子本身就是一种性能优异的杂化材料[1]。因此,可利用聚倍半硅氧烷的这一特点,制备PSQ与无机或有机物的杂化材料。本课题组自20世纪80年代起就开展了对于聚倍半硅氧烷的研究,在合成方面,首先采用非水解法合成了高分子量的苯基倍半硅氧烷(PPSQ)和甲基倍半硅氧烷(PMSQ),这种方法在合成过程中没有引入金属离子,产品在电子工业中具有良好的应用前景;之后又提出了一种新型的水解法工艺合成PSQ,整个合成过程中不使用有机溶剂,且在常温下进行,是一种绿色环保高效的合成路线[2]。我们深入研究了所合成PSQ树脂的结构及各方面性能,并且将其与无机或高聚物复合得到各种杂化材料。纤维增强复合材料是目前技术比较成熟且应用较为广泛的一类复合材料,我们以具有优异耐热性能的PMSQ为基体树脂,与玻璃纤维复合,制备耐高温玻璃纤维增强复合材料,系统地研究了PMSQ和玻璃纤维层压材料制备的基本工艺。同时,为了对PMSQ增强,采用了粘土和多壁碳纳米管作为纳米粒子与PMSQ复合。将进行有机化处理的粘土引入PMSQ中应用于玻璃纤维布复合后,得到的层压材料力学性能较纯PMSQ与玻璃纤维的层压材料相比有很大的提高,0.5%的添加量就使弯曲强度和弯曲模量分别从94.7MPa,12.8GPa提高到221.0MPa,19.9GPa;在硅烷偶联剂的作用下,将碳纳米管表面处理后与有机硅聚合物通过化学键结合,用1%硅官能化碳纳米管与PMSQ复合,制得的玻璃纤维复合材料的弯曲强度和模量分别比纯PMSQ的玻璃纤维复合材料提高了31%和34%[3,4]。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为一种重要的商业化塑料,具有高透明度、低密度、良好的机械加工性、尺寸稳定性等优点。但是,PMMA耐磨性较差,并且由于耐热性不高限制了其使用范围。我们将含乙烯基的倍半硅氧烷(PVSQ)与其共聚,制得PMMA/PVSQ杂化材料。PMMA/PVSQ杂化材料仍保持了透明性较高的优点,纯PMMA的透光率为91%,改性后材料的透光率为92%。与纯PMMA相比,杂化材料的分解温度提高了50-100℃,玻璃化转变温度提高了5-22℃,并且随着PVSQ含量的增加,材料的耐磨性和硬度也随之提高。这种方法同样也适用于对聚苯乙烯、聚碳酸酯等树脂的杂化改性。综上所示,我们以聚倍半硅氧烷为基体材料,利用材料自身的优异性能和有机官能团的反应性,通过分子设计,与其他无机或有机材料杂化,制得具有良好热性能、介电性能、机械性能等的高性能材料,实现其功能化。

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