基于聚合物熔体降解的纳米二氧化硅表面功能化及其应用研究

Polymer/SiO2 nanocomposites have attracted extensive attention due to the significant improvement in mechanical, thermal, and optical properties. Surface functionalization of silica nanoparticles is always a research focus in this field because of that it can improve nano-SiO2 dispersion and interfacial interaction so as to reinforce the properties of polymer nanocomposites. However, most of the existing surface modification methods with the disadvantages including complicated process, low efficiency, high cost, etc., are not suited for industrial application. In the present proposal, the degradation reactions occurring in the melt blending process of polyester polymer and silica nanoparticles will be utilized to simply and efficiently functionalize nano-SiO2. Based on the reaction mechanisms of the covalent grafting of different polyester polymers onto nano-SiO2 surface, a “melt blending plus high-speed centrifugal separation ” technique will be used to realize the controllable preparation of functionalized nano-SiO2 via controlling the technological process and parameters of melt blending. Whereafter, polymer/functionalized nano-SiO2 composites will be prepared. The microstructure and mechanical and thermal properties of composites will be characterized and analyzed to establish structure-property relationship. This proposal will provide a new approach to functionalizing inorganic nanoparticles and developing high-performance polymer nanocomposites.

聚合物/SiO2纳米复合材料因在力学、热学、光学等性能方面的优异表现而受到研究者广泛关注。通过表面功能化改善纳米SiO2的分散性和界面结合作用，进而强化纳米复合材料性能，一直是该领域研究的热点。然而，现有的纳米SiO2表面改性方法往往由于过程复杂、效率低、成本高等原因，不适合工业化应用。本项目拟利用聚酯类聚合物与SiO2纳米粒子在熔融共混过程中发生的降解反应，达到简单、高效功能化纳米粒子的目的。在揭示不同聚酯类聚合物共价接枝纳米SiO2反应机理的基础上，采用“熔融共混+高速离心分离”技术，控制熔融共混工艺过程和参数，实现功能化纳米SiO2的可控制备；制备聚合物/功能化纳米SiO2复合材料，对材料微观形态结构和力学、热学性能进行表征分析，建立结构-性能之间的关系。本项目可为无机纳米粒子表面功能化和高性能聚合物纳米复合材料开发提供新的思路。

SiO2纳米粒子因在改善聚合物材料力学、热学、光学等性能方面的优异表现，近年来备受研究者关注。探索简单、高效的纳米SiO2表面功能化新方法，提高纳米粒子的分散性和界面结合强度，获得综合性能优良的聚合物/SiO2纳米复合材料，已成为该领域的研究重点。本项目基于纳米SiO2与聚酯类聚合物聚碳酸酯（PC）、聚乳酸（PLA）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）在熔融共混过程中发生的降解反应，利用“熔融共混+高速离心分离”技术制备出具有高接枝量的功能化纳米SiO2，并进一步制备其复合材料。在此基础上，深入研究了不同聚酯类聚合物共价接枝纳米SiO2的反应机理、粒子表面接枝效果的工艺调控以及功能化纳米SiO2对复合材料性能的强化机理和规律，得出大量对复合材料理论研究和实际应用具有重要意义的结果。主要研究结果如下：. 1.不同聚酯类聚合物共价接枝纳米SiO2的反应机理. 综合运用多种表征手段，证实PC、PLA和PET均通过与纳米SiO2反应形成Si-O-C键实现共价接枝，反应机理主要包括以下三类：(1)聚合物分子链中酯基与纳米SiO2表面硅羟基发生酯交换反应；(2)降解聚合物分子链末端羟基与纳米SiO2表面硅羟基发生缩合反应；(3)降解聚合物分子链末端羧基与纳米SiO2表面硅羟基发生酯化反应。. 2.功能化纳米SiO2表面接枝效果的工艺调控. 重点考察了熔融共混时间（5-20 min）对功能化纳米SiO2表面接枝效果的影响，结果表明：尽管长时间熔融共混有利于接枝更多的聚合物分子链，但已接枝在纳米粒子表面的分子链也会随熔融共混时间延长而降解脱落。. 3.功能化纳米SiO2对复合材料性能的强化机理和规律. 在低含量下（0.5-1 wt%），功能化纳米SiO2即可显著提升复合材料的力学性能、热稳定性能以及结晶性能。这主要归因于功能化纳米SiO2在聚合物基体中优异的分散性和界面相容性。