气相二氧化硅在不饱和聚酯树脂增韧增强功能

气相二氧化硅通常又称之为气相法白炭黑,英文名称为fumed silica。气相二氧化硅是由氯硅烷在氢氧火焰产生的高温水中水解得到的无定形态的粉末状物质,气相二氧化硅为无定形白色粉末,是一种无毒、无味、无污染的无机纳米材料。气相二氧化硅呈三维网状结构,其表面存在不饱和键和不同键态的羟基(孤立羟基、邻位羟基、双重羟基等)。气相二氧化硅在不饱和聚酯树脂的作用主要是两个方面:增韧增强和增稠触变性能调整。

气相二氧化硅的小尺寸(亚微米)效应使其具有特殊的光学性能:气相二氧化硅对紫外、红外、可见光具有极强的反射特性。对波长为280~1300nm的光的反射率达到80%以上。气相二氧化硅的体积效应和量子隧道效应使其产生渗透作用,可深入到高分子化合物的π键附近,与其电子云发生重叠,形成空间网状结构,从而大幅度提高高分子材料的力学强度、韧性、耐磨性、耐老化性等。人们就是利用气相二氧化硅的这些特殊的结构和性能对树脂基材料进行改性或制备树脂基-气相二氧化硅复合材料,提高树脂基材料的综合性能。

由于气相二氧化硅微粒表面缺陷大、非配对原子多,表面活性高,产生巨大的表面及界面效应,且分子状态是三维链状结构,其表面分布着大量游离的羟基,这些游离羟基之间形成氢键,使二者之间的作用力大大提升,从而使所得制品更致密。气相二氧化硅分散在聚合物分子链之间的间隙中,将聚合物分子链连接在一起,使其相对运动阻力变大,从而改善了聚酯树脂的韧性、强度和延展性。同时由于气相二氧化硅粒子直径为纳米级,其小尺寸效应使得制品变得更光洁,耐磨性也得到很大改善。

纳米二氧化硅改性不饱和聚酯树脂复合材料增强不饱和聚酯树脂的强度和韧性的机理是:当不饱和聚酯树脂受到冲击时,冲击能由纳米二氧化硅粒子/不饱和聚酯树脂两相界面共同承担,可消耗更多的冲击能。同时纳米二氧化硅尺寸小,比表大,因此与不饱和聚酯树脂基体可接触面积相应增大,应力集中,当树脂受到外力冲击时,诱发产生很多小裂纹或银纹,这些小裂纹或银纹的长大需要消耗大量的冲击能,因而需要更大的外力冲击才能使树脂断裂,从而发挥了增强增韧的功效。

如以气相二氧化硅改性的不饱和聚酯树脂,当气相二氧化硅(比表面积为380m2/g)加入量达到质量分数3%的时候,不饱和聚酯树脂复合材料的弹性模量可以由2.3G提高到4G。

如果使用改性过的气相二氧化硅(即疏水型气相二氧化硅),可使之较容易分散在不饱和聚酯树脂当中,在经过充分分散(例如超声波振荡分散),则得到不饱和聚酯树脂-气相二氧化硅复合材料,当气相二氧化硅的添加量达到质量分数的3%-5%的时候。复合材料的耐磨性提高1-2倍,莫氏硬度为2.8-2.9,接近于天然大理石,其拉伸强度提高了1倍以上,同时热稳定性和抗冲击性能良好。

图一、不饱和聚酯树脂制品-人造石材

图二、不饱和聚酯树脂制品-纽扣

图三、不饱和聚酯树脂制品-卫浴产品


关键字:气相二氧化硅 不饱和聚酯树脂 增韧增强
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