一种轻质高强高分子材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种轻质高强高分子材料及其制备方法，其制备体系包括：连续相和分散相；连续相包括胶凝剂、油相反应物，且不包括正辛基三乙氧基硅氧烷；其中，油相反应物为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂预聚物和聚氨酯预聚物中的一种或几种。本发明专利技术通过省略正辛基硅氧烷，使得制备的材料95％以上均为闭孔结构，吸水率更小、隔热性能更佳，提升了材料的力学性能和保温性能。

A Lightweight High Strength Polymer Material and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种轻质高强高分子材料及其制备方法
本专利技术属于轻质材料
，涉及一种轻质高强高分子材料及其制备方法。
技术介绍
随着新材料及其技术的迅速发展，“节能、轻质、环保”等已成为当今新材料发展的重要目标。顺应科技发展的要求，多种高性能轻质材料依次出现，被广泛应用于航空航天、航海船舶、风电、雷达、交通运输和高端体育用品等领域。目前综合性能较好的轻质材料主要有PMI泡沫、PVC泡沫、PET泡沫以及固体浮力材料等。市面上的泡沫材料均采用物理或化学发泡法生产，受发泡工艺和原材料的影响，导致目前泡沫材料密度较小，通常为0.03～0.20g/cm3之间，且产品的密度均匀性不易控制，产品厚度受限，且目前国内很多领域的高性能泡沫材料均依赖于国外进口。固体浮力材料主要通过空心微球进行减重，受制备工艺的影响，其密度范围通常为0.38～0.70g/cm3。基于上述轻质材料的制备工艺问题，本专利技术课题组开发了一种以软模板法制备轻质高强高分子材料的方法(PolymerizableNonconventionalGelEmulsionsandTheirUtilizationintheTemplatePreparationofLow-Density,High-StrengthPolymericMonolithsand3DPrinting.Macromolecules,2019,52,2456-2463.)，以下简称对比文献，该方法虽然能在大范围内调控其密度，但是该制备方法采用的交联剂为刚性交联剂，导致材料力学性能受限，且此对比文献配方中添加了具有表面活性的正辛基三乙氧基硅烷，降低了凝胶乳液体系的界面张力，导致材料基本为开孔结构，影响了其力学性能。另外由于这种开孔结构导致其吸水率高，尺寸稳定性和力学性能稳定性下降，限制了其在众多应用领域的发展。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种轻质高强高分子材料及其制备方法，制备的轻质高分子材料力学性能有较明显的改善，且吸水率明显降低。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种轻质高强高分子材料，其制备体系包括：连续相和分散相；连续相包括胶凝剂、油相反应单体、油相交联剂和引发剂，且不包括正辛基三乙氧基硅烷；其中，油相反应单体为苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯中的一种或两种，油相交联剂为三丙烯基异氰尿酸酯、己二醇二丙烯酸酯和季戊四醇四丙烯酸酯中的一种或几种的组合，油相交联剂包含己二醇二丙烯酸酯时，己二醇二丙烯酸酯占油相反应单体质量的15％～30％，油相交联剂包含三丙烯基异氰尿酸酯时，三丙烯基异氰尿酸酯占油相反应单体质量的3％～10％，油相交联剂包含季戊四醇四丙烯酸酯时，季戊四醇四丙烯酸酯占油相反应单体的3％～10％；或者，连续相包括胶凝剂、油相预聚物和固化剂，且不包括正辛基三乙氧基硅烷；其中，油相预聚物为环氧树脂预聚物和聚氨酯预聚物中的一种或两种；或者，连续相包括胶凝剂、油相反应物、油相交联剂、引发剂和固化剂，且不包括正辛基三乙氧基硅烷；其中，油相反应物包括油相反应单体和油相预聚物，油相反应单体为苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯中的一种或两种，油相预聚物为环氧树脂预聚物和聚氨酯预聚物中的一种或两种；油相交联剂为三丙烯基异氰尿酸酯、己二醇二丙烯酸酯和季戊四醇四丙烯酸酯中的一种或几种的组合，油相交联剂包含己二醇二丙烯酸酯时，己二醇二丙烯酸酯占油相反应单体质量的15％～30％，油相交联剂包含三丙烯基异氰尿酸酯时，三丙烯基异氰尿酸酯占油相反应单体质量的3％～10％，油相交联剂包含季戊四醇四丙烯酸酯时，季戊四醇四丙烯酸酯占油相反应单体的3％～10％。优选的，当连续相包括胶凝剂、油相反应单体、油相交联剂和引发剂时，胶凝剂、油相反应单体和引发剂的质量比为：(0.5～40)：100：(0.1～5)；当连续相包括胶凝剂、油相预聚物和固化剂时，胶凝剂与油相预聚物的质量比为：(0.5～40)：100；当连续相包括胶凝剂、油相反应物、油相交联剂、引发剂和固化剂时，胶凝剂与油相反应物的质量比为(0.5～40)：100，油相反应单体和引发剂的质量比为：100：(0.1～5)。优选的，连续相与分散相的体积比为：(8.5～1.5)：(1.5～8.5)。优选的，胶凝剂为胆固醇衍生物、四氧化三铁微纳米颗粒、二氧化钛微纳米颗粒、二氧化硅微纳米颗粒、氧化锌微纳米颗粒、十二烷基硫酸钠、二丁基萘磺酸钠和烷基磺酸钠中的一种或几种的组合。优选的，引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化二苯甲酰、过硫酸钾、异丙苯过氧化氢、过氧化二碳酸二异丙酯和过氧化苯甲酸叔丁酯中的一种或几种组合。优选的，分散相为与连续相不反应且不互溶的水、无机盐水溶液、有机化合物水溶液、酸水溶液或碱水溶液。所述的轻质高强高分子材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1，软模板的制备将胶凝剂、油相反应单体、油相交联剂和引发剂混合，并搅拌均匀，然后加入分散相进行乳化，得到凝胶乳液；或者，将胶凝剂、油相预聚物和固化剂混合，并搅拌均匀，然后加入分散相进行乳化，得到凝胶乳液；或者，将胶凝剂、油相反应物、油相交联剂、引发剂和固化剂混合，并搅拌均匀，然后加入分散相进行乳化，得到凝胶乳液；步骤2，软模板的聚合将凝胶乳液进行加热引发聚合反应，反应完成后干燥，得到轻质高强高分子材料。优选的，聚合反应为：30～90℃反应4～12h。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术发现，在加入小分子表面活性剂具有表面活性的正辛基三乙氧基硅烷后，会影响凝胶体系的界面张力，因此导致对比文献中的材料呈现出开孔的微观结构，导致对比文献中材料的承力性大大降低。更重要的，由于这种开孔结构，使得对比文献中材料的吸水率特别高，进一步导致了对比文献中材料的尺寸稳定性和力学性能稳定性大大降低，这严重的限制了其应用。本专利技术通过配方的调整，省略具有表面活性的正辛基三乙氧基硅烷，使得制备的材料95％以上均为闭孔结构，因此本专利技术材料的吸水率更小，应用于海洋领域有更加明显的优势，且闭孔结构进一步提升了材料的力学性能，取得了预料不到的技术效果，极大的拓宽了轻质材料的应用领域。对比文献配方中的具有表面活性的正辛基三乙氧基硅烷价格昂贵，而本专利技术采用的原料价格低廉易得，总的来说，在有效控制原料成本的前提下，以本专利技术技术制备的轻质高强材料的力学性能和吸水性能均有较明显的改善。当使用油相反应单体和油相交联剂时，选择更加柔性的交联剂，并且调整了交联剂配比，改变了体系的交联密度，使得整个体系的交联网状结构得到改善，达到最合适的状态，这导致轻质高强材料的压缩性能提高、弯曲性能和剪切性能有了大幅度的提升。本专利技术材料制备过程绿色安全，材料密度可调控范围广，密度分布均匀，比强度比模量高，热性能优异，耐介质性能突出，成型加工性能优异，弥补了国内外轻质材料生产工艺中的重大缺陷，可以代替国内较多应用领域中的进口高性能轻质材料。本专利技术以软模板法进行制备，通过胶凝剂的稳定作用，使连续相和分散相搅拌形成一种稳定存在、倒置不流动的凝胶乳液，将此凝胶乳液进行聚合即得到孔分布均匀、密度可控的轻质高强高分子材料，不需要通过物理化学发泡或以空心微球达到减重的目的。本专利技术以软模板法制备的材料兼具高性能泡沫材料和固体浮力材料的优异性能，密度可在0.15～0.85g/cm3之间调控，制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轻质高强高分子材料，其特征在于，其制备体系包括：连续相和分散相；连续相包括胶凝剂、油相反应单体、油相交联剂和引发剂，且不包括正辛基三乙氧基硅烷；其中，油相反应单体为苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯中的一种或两种，油相交联剂为三丙烯基异氰尿酸酯、己二醇二丙烯酸酯和季戊四醇四丙烯酸酯中的一种或几种的组合，油相交联剂包含己二醇二丙烯酸酯时，己二醇二丙烯酸酯占油相反应单体质量的15％～30％，油相交联剂包含三丙烯基异氰尿酸酯时，三丙烯基异氰尿酸酯占油相反应单体质量的3％～10％，油相交联剂包含季戊四醇四丙烯酸酯时，季戊四醇四丙烯酸酯占油相反应单体的3％～10％；或者，连续相包括胶凝剂、油相预聚物和固化剂，且不包括正辛基三乙氧基硅烷；其中，油相预聚物为环氧树脂预聚物和聚氨酯预聚物中的一种或两种；或者，连续相包括胶凝剂、油相反应物、油相交联剂、引发剂和固化剂，且不包括正辛基三乙氧基硅烷；其中，油相反应物包括油相反应单体和油相预聚物，油相反应单体为苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯中的一种或两种，油相预聚物为环氧树脂预聚物和聚氨酯预聚物中的一种或两种；油相交联剂为三丙烯基异氰尿酸酯、己二醇二丙烯酸酯和季戊四醇四丙烯酸酯中的一种或几种的组合，油相交联剂包含己二醇二丙烯酸酯时，己二醇二丙烯酸酯占油相反应单体质量的15％～30％，油相交联剂包含三丙烯基异氰尿酸酯时，三丙烯基异氰尿酸酯占油相反应单体质量的3％～10％，油相交联剂包含季戊四醇四丙烯酸酯时，季戊四醇四丙烯酸酯占油相反应单体的3％～10％。...

【技术特征摘要】
1.一种轻质高强高分子材料，其特征在于，其制备体系包括：连续相和分散相；连续相包括胶凝剂、油相反应单体、油相交联剂和引发剂，且不包括正辛基三乙氧基硅烷；其中，油相反应单体为苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯中的一种或两种，油相交联剂为三丙烯基异氰尿酸酯、己二醇二丙烯酸酯和季戊四醇四丙烯酸酯中的一种或几种的组合，油相交联剂包含己二醇二丙烯酸酯时，己二醇二丙烯酸酯占油相反应单体质量的15％～30％，油相交联剂包含三丙烯基异氰尿酸酯时，三丙烯基异氰尿酸酯占油相反应单体质量的3％～10％，油相交联剂包含季戊四醇四丙烯酸酯时，季戊四醇四丙烯酸酯占油相反应单体的3％～10％；或者，连续相包括胶凝剂、油相预聚物和固化剂，且不包括正辛基三乙氧基硅烷；其中，油相预聚物为环氧树脂预聚物和聚氨酯预聚物中的一种或两种；或者，连续相包括胶凝剂、油相反应物、油相交联剂、引发剂和固化剂，且不包括正辛基三乙氧基硅烷；其中，油相反应物包括油相反应单体和油相预聚物，油相反应单体为苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯中的一种或两种，油相预聚物为环氧树脂预聚物和聚氨酯预聚物中的一种或两种；油相交联剂为三丙烯基异氰尿酸酯、己二醇二丙烯酸酯和季戊四醇四丙烯酸酯中的一种或几种的组合，油相交联剂包含己二醇二丙烯酸酯时，己二醇二丙烯酸酯占油相反应单体质量的15％～30％，油相交联剂包含三丙烯基异氰尿酸酯时，三丙烯基异氰尿酸酯占油相反应单体质量的3％～10％，油相交联剂包含季戊四醇四丙烯酸酯时，季戊四醇四丙烯酸酯占油相反应单体的3％～10％。2.根据权利要求1所述的轻质高强高分子材料，其特征在于，当连续相包括胶凝剂、油相反应单体、油相交联剂和引发剂时，胶凝剂、油相反应单体和引发剂的质量比为：(0.5～40)：100：(0.1～5)；当连续相包括胶凝剂、油相预聚物和固化...

【专利技术属性】
技术研发人员：房喻，王佩，何怡楠，刘姣姣，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61