单分散介孔材料原位增强聚合物基复合材料的可控制备及性能研究

Inorganic mesoporous materials reinforced polymer matrix composites is a new area of research in recent years. The dispersibility of mesoporous materials in matrix resin and interfacial compatibility between mesoporous materials and polymer play crucial roles in the preparation of composites because they may otherwise restrict the improvement of the general performance of resulting composites. The basic way to solve the above problems is to control the mesoporous materials structures and optimize the preparation process of composite materials. One objective of this project is to develop novel polymer matrix composites, which follows a four-step preparation route, i) preparation of monodisperse silica mesoporous materials with controlled morphology and pore size; ii) adopting effective organic modification and original dispersion process of silica mesoporous materials; iii) preparation of novolac-phenolic resins/mesoporous silica hybrid materials by incorporating phenolic resins molecular chain into pore gallery via in-situ polymerization; iv) Curing epoxy resins using formed novolac-phenolic resins/mesoporous silica hybrid materials. Another major objective of this project is involved in systematically investigating the influence of morphology, pore size and surface properties of the monodisperse mesoporous materials on dispersibility, interfacial compatibility and thermal performance of the novolac-phenolic resins/mesoporous hybrid materials. Impact of these factors on the mechanical, thermal and electrical properties of resulting epoxy resins composites is also been studied. These explorations will result in understanding the interaction mechanism between monodisperse mesoporous materials and polymer matrix composites, and reveal the correlations among structural feature of monodisperse mesoporous material—polymeric mesoporous hybrid materials—the properties of epoxy resins composites. As consequence, the proposed work will provide fundamental theoretical support for both design and manufacturing of high performance polymer matrix mesocomposites.

无机介孔材料增强聚合物基复合材料是近年来新的研究领域。其中介孔材料在聚合物中的分散性和介孔材料与聚合物的界面相容性是其复合材料制备中的关键问题，制约着复合材料性能的提升，通过介孔材料的结构调控和复合材料制备工艺优化是解决以上问题的根本途径。本项目设计合成形貌、尺寸、孔径可控的单分散介孔材料，采用有效的表面修饰和较好的分散工艺，再利用原位聚合法制备出线性酚醛树脂介孔杂化材料，以其固化环氧树脂制得聚合物基复合材料。探讨单分散介孔材料的形貌、尺寸、孔径、表面特性及其分散工艺对线性酚醛树脂介孔杂化材料分散性、界面相容性和热性能的影响，进一步研究上述因素对所得环氧树脂基复合材料力学性能、热性能和电性能的影响，探究单分散介孔材料与聚合物基复合材料的作用机制，在此基础上构筑介孔材料结构-线性酚醛树脂介孔杂化材料性能-环氧树脂基复合材料性能之间的关系，为高性能聚合物介孔复合材料的设计、制造提供理论依据。

本项目利用介孔材料有序的结构、可控的孔径和孔容，较大的比表面积和可修饰表面等结构特性，将其应用于增强聚合物基复合材料和重金属离子吸附的研究。主要工作如下：.通过调整合成工艺条件、添加不同助溶剂和扩孔剂，合成单分散大孔径介孔材料SBA-15，并对其进行表面修饰，将其用于增强环氧树脂基复合材料。主要结论有：当模板剂P123与丙三醇的质量比为1:4时，制得的SBA-15分散性较好，结构有序度较高；在静置条件下，以1,3,5-三甲苯为扩孔剂，可制得平均孔径达12.5nm，孔容为2.03 cm3g-1的单分散介孔材料；采用KH-560对SBA-15进行表面修饰，将其增强环氧树脂体系中，与纯环氧树脂相比，在添加量为5 wt%时，复合材料的冲击强度和拉伸弹性模量分别提高了22.2%和19.8%，初始储能模量有明显提高，且其损耗角正切峰向高温处偏移明显，其玻璃化转变温度提高了4℃。.采用线性酚醛树脂为有机前驱体，正硅酸乙酯为硅源，分别以三嵌段共聚物F127和P123为模板剂，三元自组装制得高度有序性的介孔杂化材料，将介孔杂化材料加入酚醛树脂中进行熔融共混，以其为基体再加入其他组分，通过模压成型制得酚醛树脂基复合材料。结果表明，合成的介孔杂化材料有序性较好，比表面积、孔容、孔径分别为41.96m2/g、0.118cm3/g、8.2nm。与纯的酚醛树脂基复合材料相比，介孔杂化材料的用量为6 wt%，复合材料的高温储能模量较稳定，复合材料的玻璃化转变温度提高20℃。.通过乳液聚合制备出一种单分散的核-壳纳米球（MLS），并以此为模板制备出中空介孔二氧化硅纳米球（HMSNs），利用HMSNs为载体，以PPy为有机配体，通过原位聚合制得聚吡咯/中空介孔二氧化硅复合材料（PPy/HMSNs），将其应用于水中Cr(VI)的吸附研究。研究表明，Py含量为60 wt%和pH值为2.0时，吸附效果达到最佳，在25 ℃时，最大吸附容量为321.54 mg/g，吸附在100 min以内达到平衡，且经过2次的循环吸附-脱附复合材料对Cr(VI)的去除率仍高达99.0 %以上。吸附过程较符合准二级动力学与Langmuir等温吸附模型，分析表明，PPy/HMSNs已经成功将Cr(VI)离子吸附在其表面，在吸附过程中PPy/HMSNs具有较强的还原能力。