硅烷偶联剂改性钛白粉及其在聚酯基复合材料中的应用开题报告

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1. 研究目的与意义

由于不饱和聚酯树脂的强度低，硬度差，通常需对其进行改性处理，以提高不饱和聚酯树脂复合材料的综合性能。多年来增韧改性一直是不饱和聚酯树脂（upr）改性领域中最活跃和最重要的课题，在诸多的增韧改性方法中，增韧改性是以牺牲不饱和聚酯树脂宝贵的强度或其它性能（如耐热性等）为代价的，目前尚没有1种改性方法使upr的强度和韧性同时增加，以提高树脂的综合机械性能。本研究尝试以硅烷偶联剂改性钛白粉作为不饱和聚酯中的添加材料，以期达到同时增强增韧不饱和聚酯树脂的目的。

未经表面改性的钛白粉颗粒，粒径很小，具有较高的比表面能，极不稳定，在涂料介质中的分散性较差；加之其表面存在晶格缺陷，使颗粒表面存在许多光活化点，耐候性较差（耐候性是助剂原料耐各种气候的能力，包括可见光、紫外光、水份、温度、大气氧化作用以及制品使用期间所遇到的化学药剂），容易引起化学反应，造成颜料变色，使得其颜料应用性能较差。因此，必须对其进行表面改性。

tio₂的表面改性可分为无机改性和有机改性。提高纳米tio₂颗粒的光稳定性主要是通过无机表面处理实现的,纳米tio₂颗粒经过无机表面处理以后，表面呈亲水性，适合于极性体系中使用。但如果加入非极性体系中时，则难以分散，不能体现添加tio₂颗粒后的特殊功能。为了改善tio₂在有机体系的相容性和分散性，改进添加tio₂复合体系的性能，还必须对纳米tio₂颗粒进行有机表面处理。无机改性可提高耐候性，常用的改性剂为硅、铝氧化物；有机改性可有效的改进钛白粉在介质中的润湿性和分散性，常用的改性剂为有机胺及其盐、表面活性剂、钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、聚合物及dwa等。

2. 国内外研究现状分析

不饱和聚酯树脂（upr）是复合材料三大基体材料之一。世界不饱和聚酯树脂的主要生产、消费国家和地区是美国、西欧、日本和中国。不饱和聚酯树脂有两大缺点：固化收缩率高和固化物脆性大。前者影响制件的尺寸精确度和表面光洁度，后者使得制品的耐冲击、耐开裂和耐疲劳性较差。因此，降低不饱和聚酯树脂的固化收缩率、降低苯乙烯散发量（voc）、提高固化物的韧性、提高阻燃耐热性能、增强增韧、提高耐腐蚀性等方面，是当今不饱和聚酯树脂研究领域的主攻方向。

国内对于不饱和聚酯树脂的改性，主要集中在增韧和降收缩双重改性上。对于降收缩，主要采用的方法是加入低收缩剂（lsa）（对于smc或bmc，称低轮廓剂），如pvac、pmma、ps、pu等，目前lpa已有商品出售。清华大学材料科学与工程研究院的杨睿等在总结大量增韧和降低收缩研究的基础上，合成了一系列添加剂,可以同时起到增韧和降收缩的作用。

目前国际上对于不饱和聚酯树脂的改性主要集中在降低固化收缩率、提高阻燃耐热性能、增强增韧、耐腐蚀等方面。获得高性能不饱和聚酯树脂的方法很多,如通过制备高分子质量(分子质量在5000以上)upr,可使耐煮沸性、耐碱性、热分解温度、韧性和机械强度得到明显提高tran vinh dieu 等人以部分竹纤维代替玻璃纤维制备upr复合材料。发现，用25%竹纤维和75%玻璃纤维的混合物制备的复合材料力学性能较好，拉伸强度37mpa，弯曲强度140mpa，冲击强度32kj/m²。norma等人使用木粉改善upr的性能，发现复合材料（木粉/upr）的压缩强度比upr大幅度提高。在upr分子结构中引入柔性链段或与其它树脂互穿网络化,可有效改善抗冲击性能;引入难水解的结构单元,如双酚a环氧烷烃加成物或氢化双酚a,可以提高耐腐蚀性。

3. 研究的基本内容与计划

通过对硅烷偶联剂作用机理以及钛白粉改性材料的要求的学习研究，笔者查阅相关文献资料后，了解到许多研究者是在有机溶剂中采用硅烷偶联剂对无机材料进行有机表面改性，然而在有机溶剂中进行表面改性主要有两点不足：一方面由于无机材料表面呈极性，在有机溶剂中很难分散，实际上有机表面改性剂大都反应或附着在纳米粒子的团聚体上，因此，改性效果并不理想；另一方面，在有机溶剂中进行表面改性成本高、污染大、不便于工业化生产。

介于以上因素，再结合实验室有限条件的前提下，笔者决定将本次研究的重点放在钛白粉改性材料对于不饱和聚酯固化后强度效果的影响上。

考虑到应充分保障试验用偶联剂与钛白粉填料的混合改性效果，经过与导师的探讨，决定采用填料用量3%的比例添加偶联剂改性，并测定改性前后钛白粉的吸油率。计划将改性后的钛白粉填料，按梯度分布不同加入不饱和聚酯中，制成含不同比例改性钛白粉的聚酯树脂固化成品。试验采取室温固化，保障聚酯中不饱和键的断裂与新键生成速率的稳定性，防止因温度因素致使高分子链长降低，从而影响强度。

4. 研究创新点

在诸多的增韧改性方法中，增韧改性是以牺牲不饱和聚酯树脂宝贵的强度或其它性能（如耐热性等）为代价的，目前尚没有1种改性方法使UPR的强度和韧性同时增加，以提高树脂的综合机械性能。本研究尝试以硅烷偶联剂改性钛白粉作为不饱和聚酯中的添加材料，以期达到同时增强增韧不饱和聚酯树脂的目的。

纳米Ti0₂光催化与吸收性能好，可以提高制品的耐候性，是一种重要的化工和环境材料。Victor等利用共混法制备了性能优异的纳米TiO₂不饱和聚酯树脂复合材料。但是，由于纳米粒子具有很高的表面能和表面活性，在聚合物基体中均匀分散非常困难。因此，实现无机纳米粒子在聚合物基体中的均匀分散是成功制备性能优异复合材料的关键。而本次研究所使用的硅烷偶联剂改性钛白粉恰好解决了高表面活性的问题，可以在不饱和聚酯中有较好的分散性。