单分散微纳粒子及其高分子复合短纤在汽车胶黏剂中的应用

编辑:wangyun 时间:2013年12月12日 访问次数:1380

单分散微纳粒子及其高分子复合短纤在汽车胶黏剂中的应用

作者: 李志勇         

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    目前,单分散(尺度均一)微纳尺度(10-1000 nm)粒子早已在现代工业、医学、生物工程等领域中发挥出重要作用。粒子之间及其与聚合物基体之间存在明显的表面相互作用,因此,选择合适的粒子与高分子树脂基体,使用一定的材料复合工艺,可在一定程度上改善材料的性能。若将微纳粒子应用于汽车胶黏剂,它们具有优良的力学性质,比如耐干燥缩皱,剪切强度,抗热性,以及耐磨性、耐冲击性等,同时保持对被粘附基底的粘结能力。这对于汽车结构胶、密封胶、抗飞石涂料以及减震胶等来说,有重要的应用价值。

因为粒子的分散形态直接影响材料的粘结性、力学强度、透明性等性质,而与之直接相关的是,单分散微纳米复合材料胶黏剂中填料与基体的相容性以及纳米粒子的有效分散性问题。正因如此,大多数研究都集中于如何获得均相混合物,比如,对粒子表面进行化学或物理改性而改变其与基体的相互作用。

单分散粒子的良好分散就必须要求将无机细粉解聚集为最为原始,最为初级的最小尺度粒子形态,否则将呈现出多分散的粒子分布形态,达不到单分散粒子-高分子复合胶黏剂所应该产生的材料性质。其实,单分散微纳米粒子在合成后就常常因为干燥工艺等原因产生非常稳定的聚集体形态。粒子间的连接点又常常扮演无规粉料的“成核剂”而形成极为稳定的大尺度结构。这种粒子间的相互作用在一定的外力,比如搅拌、研磨、超声等作用下,会部分重新分散。但是,研磨或外力的作用在粒子尺度为500nm以下时,需要更长的研磨时间以及更高的研磨强度,这样很容易引入外界杂质以及不可预料的相转变(材料不稳定性聚集)。对于纳米粒子,因其表面能低,小尺度粒子的稳定性不如大尺度粒子高,它们很容易又重新聚集在一起。不过,一般来说,若调控分散液的化学组成,比如加入表面活性剂,改变基体PH值,离子强度以及加入某些助溶剂,最终改变纳米粒子间相互作用力包括范德华力,静电双电层以及刚性相互作用,外力的作用仍然可以使得粒子良好分散。但,这也使得微纳粒子的应用受到很多限制。

 单分散微纳粒子的功能与其浓度呈现一定的关联。使用较低含量的填料,可以减少其导致的粘结力的下降;同时,填料在基体中分散的更加均匀。一般来说,填料的重量分数应小于10%。但填料的用量太少,常常无法发挥其作用。因此,很多研究人员研究了无机填料的聚集或多维组装结构,比如粒子微晶、玻璃态聚集体,与高分子材料混合。研究发现,这些结构对材料的性质提升有更卓越的价值。比如,表面改性的微纳米粒子二氧化硅,其玻璃态聚集体因玻璃化转变温度Tg在室温范围,在特定温度下使得材料具有极强的粘结性能;这一性质已被使用开发出很多优秀的产品并投放市场。另一种研究较多的材料是珠链结构纤维材料;或纳米粒子增强纤维材料,这类材料可以通过自组装法,微观相反转法,海岛模板法以及电纺丝等方法制备。相对于单分散粒子,这类物质即使在用量更低的情况下,对材料力学性能来说也会有更大幅度的提升。研究人员发现,若将含纳米粒子的纤维材料编制成网络,可以制备高强、轻质、具有不同性质的材料,在过滤膜、传感器、微电子以及光学元件、生物医学、安全防护等领域中有重要的应用价值。

    不过,二维单分散微纳米粒子-高分子复合纤维在胶黏剂中的应用还少有报道。我们通过化学物理方法制备出大量的二维短纤类物质(10-1000μm),并将该材料与丙烯酸型胶黏剂复合,对该材料的结构、形貌及其对材料粘结性能、耐剪切性能的影响做了研究。研究发现,对于丙烯酸型汽车抗飞石漆,即使不调整原配方中胶料液体基体的物化性质,当微纳短纤的加入量在0.01~0.1wt%时,在强力作用下搅拌,研磨,可以很好的分散,大大提高材料的抗剪切与抗石击能力等性质,同时不影响其对钢板的粘结能力。