一种跨尺度增强体颗粒及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种具有全新结构的跨尺度增强体颗粒、即T

【技术实现步骤摘要】
一种跨尺度增强体颗粒及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于四针状氧化锌晶须(T-ZnO
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)改性
，特别地，涉及一种具有二级纳米棒结构的跨尺度增强体颗粒及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]自然界中，通过范德华力实现粘附的生物，其粘附部位常常具有多级结构：如壁虎、甲虫、蚂蚁等动物脚趾末端约200-500nm的二级刚毛阵列、植物借以牢固扎根土壤生长的二级须根等；通过物理微结构实现界面的强粘附主要依靠范德华力与两相界面摩擦力；具有纳米二级结构能使接触的两相具有更大的接触面积，拥有更多的范德华力作用位点，从而达到有效提高界面作用力的效果。
[0003]低表面能聚合物材料因其自身的化学组成、分子结构与结晶度限制，作为聚合物材料界面增强研究领域中的难点，难以通过单一物理结构实现高强度界面增强。Chou等(Journal of Applied Physics,2002,91:6034-6037)在研究碳纳米管/碳纤维复合材料时，首次提出了“跨尺度材料”的概念(Multiscale Composites)，使用CVD法制备出碳纤维表层生长碳纳米管阵列的跨尺度增强体，将该增强体用于材料复合，可以有效解决碳纤维界面和碳纳米管分散的难题。
[0004]T-ZnO
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因其独一无二的空间立体结构，被Staubitz等(Advanced Materials,2012,24:5676-5680.)当作一种可引入的外援型楔形结构，用于增强低表面能表面间的界面作用力。使用T-ZnO
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实现界面增强时，界面断裂方式多为晶须从聚合物材料中拔出。而晶须拔出现象，使T-ZnO
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增强低表面能表面间的界面作用力降低。

技术实现思路

[0005]为了改善上述技术问题，本专利技术以胶束乳液作为模板，通过正硅酸烷基酯(如正硅酸乙酯)在T-ZnO
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表面水解缩合，在晶须表面垂直生长出SiO2纳米阵列，获得一种具有二级纳米棒结构的跨尺度增强体颗粒，即T-ZnOw@SiO2复合颗粒；将获得的颗粒用于增强低表面能表面间相互作用力时，纳米阵列结构的存在可显著增强法向作用力，实现了低表面能聚合物(如PTFE、PDMS等)的界面增强。
[0006]本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种跨尺度增强体颗粒，其主体为四足型氧化锌晶须T-ZnO
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，还包括垂直于T-ZnO
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晶须表面生长的SiO2纳米结构。
[0008]根据本专利技术的技术方案，所述跨尺度增强体颗粒记为T-ZnO
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@SiO2复合颗粒。
[0009]根据本专利技术的技术方案，所述SiO2呈纳米棒状。
[0010]根据本专利技术的技术方案，所述SiO2还具有纳米线结构。
[0011]根据本专利技术的技术方案，所述T-ZnO
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表层还有SiO2壳层，所述SiO2壳层上有与之一体的呈纳米棒的SiO2；所述SiO2壳层厚度不超过10nm。
[0012]一种跨尺度增强体颗粒的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0013]S1：将非离子型聚合物溶于第一溶剂中，配制非离子型聚合物溶液、也称表面活性剂溶液；
[0014]S2：将T-ZnO
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粉末加入水中分散，得到分散液；向所述分散液加入表面活性剂溶液，混合；再加入第二溶剂，混合均匀；最后加入正硅酸烷基酯，混合，得到混合物；
[0015]S3：将步骤S2的混合物离心、洗涤，取沉淀物烘干，制备得到跨尺度增强体颗粒、即T-ZnOw@SiO2复合颗粒。
[0016]一种界面粘附增强的聚合物材料，所述材料包括低界面能聚合物和上述的跨尺度增强体颗粒。
[0017]根据本专利技术的技术方案，所述材料呈板状，所述跨尺度增强体颗粒分散于所述低界面能聚合物中。
[0018]一种界面粘附增强的聚合物材料的制备方法，包括以下步骤：
[0019]将所述低界面能聚合物和上述的跨尺度增强体颗粒的混合，制备得到所述界面粘附增强的聚合物材料。
[0020]上述界面增强的聚合物材料的应用，用于与低表面能聚合物复合，制备复合材料板、记为PTFE-ZnOw@SiO
2-低表面能聚合物板。
[0021]一种复合材料板，其由上述的界面粘附增强的聚合物材料与低表面能聚合物复合制备得到。
[0022]一种上述复合材料板的制备方法，其包括如下步骤：
[0023]K1：将低表面能聚合物的预聚物与固化剂共混均匀；制备预聚体；
[0024]K2：将预聚体浇筑于界面粘附增强的聚合物材料表面，流平，加热烘干，制备得到所述复合材料板。
[0025]根据上述的技术方案，所述低表面能聚合物可以为PTFE，PDMS，PP，PE中的至少一种。
[0026]本专利技术的有益效果
[0027](1)本专利技术提供了一种具有全新结构的跨尺度增强体颗粒、即T-ZnO
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@SiO2颗粒。具体的，本专利技术通过垂直于T-ZnO
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晶须表面生长的SiO2纳米结构、使T-ZnO
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@SiO2颗粒表面在拔出过程中产生了切向作用力，从而减少了晶须拔出现象；另外，T-ZnO
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@SiO2颗粒中纳米棒结构使颗粒表面粗糙度增加，从而增大颗粒与聚合物表面的接触面积，通过分子间力的增加提升界面作用力。
[0028]该T-ZnO
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@SiO2颗粒的引入可使界面粘附作用明显增强，例如是常见胶粘剂α-氰基丙烯酸乙酯(502胶)平均粘接强度975％、最大粘接强度的410％；是常见胶粘剂环氧树脂平均粘接强度的650％、最大粘接强度的260％。相较于普通T-ZnO
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而言，T-ZnO
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@SiO2颗粒对低表面能聚合物(如PDMS与PTFE)间的界面最大粘接强度提升了60％，平均粘接强度提升了50％。
[0029](2)本专利技术以正硅酸烷基酯在T-ZnO
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表面水解缩合的方法，制备了具有微纳多级结构的T-ZnO
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@SiO2颗粒，并将这种颗粒用于增强低表面能聚合物(如PDMS与PTFE)的界面粘接。
[0030](3)本专利技术的T-ZnO
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表面均匀包裹的SiO2壳层可提升晶须中心部分的断裂强度。
[0031](4)本专利技术为“多种物理结构协同作用”，纳米结构在剥离过程中有效分散了应力，
实现了低表面能聚合物材料间界面作用力提升。
附图说明
[0032]图1为实施例1中T-ZnOw@SiO2颗粒的SEM图；
[0033]图2为实施例1中T-ZnOw@SiO2颗粒的TEM图；
[0034]图3为实施例1中T-ZnOw@SiO2颗粒的形成过程的SEM图；
[0035]图4为实施例1和实施例2中制备的颗粒进行S本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种跨尺度增强体颗粒，其特征在于，其主体为四足型氧化锌晶须T-ZnO
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，还包括垂直于T-ZnO
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晶须表面生长的SiO2纳米结构。2.如权利要求1所述的一种跨尺度增强体颗粒，其特征在于，所述SiO2呈纳米棒状。优选地，所述SiO2还具有纳米线结构。优选地，所述T-ZnO
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表层还有SiO2壳层，所述SiO2壳层上有与之一体的呈纳米棒的SiO2；所述SiO2壳层厚度不超过10nm。3.权利要求1-2任一项所述的一种跨尺度增强体颗粒的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1：将非离子型聚合物溶于第一溶剂中，配制非离子型聚合物溶液、也称表面活性剂溶液；S2：将T-ZnO
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粉末加入水中分散，得到分散液；向所述分散液加入表面活性剂溶液，混合；再加入第二溶剂，混合均匀；最后加入正硅酸烷基酯，混合，得到混合物；S3：将步骤S2的混合物离心、洗涤，取沉淀物烘干，制备得到跨尺度增强体颗粒、即T-ZnOw@SiO2复合颗粒。4.一种界面粘附增强的聚合物材料，其特征在于，所述材料包括低界面能聚合物和权利要求1或2所述的跨尺度增强体颗粒。...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宁，余露佳，徐坚，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：