POSS／PMMA纳米复合材料的制备及性能研究

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功能性POSS聚合物及其应用_张凯强

［9 ， 10 ］。其外供良好的耐热性、抗氧化性、强度和硬度围被有机基团Ｒ包围，这些有机基团可以是惰性［7 ， 8 ］［4 ～ 6 ］
图1
POSS 聚合物的主要合成方法：（ a ）以 POSS 为引
［7 ， 13 ， 14 ］
发剂合成星型聚合物
；（ b ）以多活性基团 POSS ；（ c）由双活性基团
为交联剂合成交联聚合物 POSS 合成线型聚合物（ i）形成接枝聚合物物
［21 ， 22 ］［18 ］［19 ， 20 ］
［15 ～ 17 ］
；（ d ）由单活性基团 POSS：
；（ ii ）形成 POSS 单封端聚合
24 ］；（ iii）形成 POSS 双封端聚合物［23，；（ e）惰性
http： / / w w w ． progchem． ac． cn
Progress in Chemistry ， 2014 ， 26 （ 2 /3 ）： 394 ～ 402
张凯强等：功能性 POSS 聚合物及其应用
综述与评论
building block for shape memory polymers． The challenges of POSScontaining polymers are also proposed based on the current progress． Finally ，the research trends of the POSScontaining polymers are prospected． Key words polyhedral oligomeric silsesquioxanes； superhydrophobic surface； antiicing ； amphiphilic polymer； shape memory polymer Contents 1 2 2. 1 2. 2 3 4 5 Introduction POSScontaining polymeric surfaces Omniphobic POSScontaining polymers POSScontaining coatings for antiicing Amphiphilic POSScontaining polymers POSScontaining shape memory polymers Conclusion

聚丙烯纳米复合材料的研究及应用

聚丙烯纳米复合材料的研究及应用李跃文陈枝晴(湖南科技职业学院高分子工程与技术系，长沙,410118 )摘要：综述了聚丙烯基层状填料纳米复合材料、纤维状填料纳米复合材料、粉状填料纳米复合材料、POSS 纳米复合材料制备方法、结构与性能方面的最新研究进展，介绍了聚丙烯／粘土纳米复合材料的一些实际应用，对今后的研究和开发方向也提出了自己的看法。

关键词：聚丙烯，纳米复合材料，纳米填料，研究进展，应用聚丙烯(PP) 是目前产量最大、发展最快的合成树脂之一，它具有良好的综合力学性能、耐热性、耐腐蚀性能和成型加工性能，应用范围十分广泛。

但PP 低温脆性大，耐老化性能不好，容易燃烧，绝对强度和金属材料相比尚有一定差距，这些使其应用受到一定程度的制约。

共聚、共混、加助剂等传统的改性方法均有一定的局限性，近年发展起来的纳米技术给PP 提供了一种新的改性途径，大量的研究表明，将PP 与纳米组份复合，具有广泛而显著的改性效果。

与传统方法相比，通过形成纳米复合材料对PP进行改性具有如下优点：(1)纳米组份含量很少时即有显著的改性效果；(2)在改善某些性能的同时，几乎不损害其它性能，特别是成型加工性能；(3)改性范围广泛。

1、PP /层状填料纳米复合材料1.1 PP/ 层状粘土纳米复合材料自然界有些粘土矿物具有层状结构，如蒙脱土、累托土、斑脱土等。

在适当的条件下，聚合物分子链能插入到粘土片层之间，使片层层间距扩大，甚至剥离，从而形成纳米复合材料。

由于粘土片层的纳米效应和层状结构，PP/层状粘土纳米复合材料的力学强度、热稳定性、阻隔性、阻燃性均有明显改善。

PP/ 蒙脱土纳米复合材料是研究和开发较早的PP 纳米复合材料。

目前的研究主要集中在熔融共混法制备纳米复合材料及其结构与性能上。

王平华［1］等用钠基蒙脱土(Na-MMT) 和经十六烷基三甲基溴化铵处理过的有机蒙脱土(Org-MMT) 分别与PP 制成了纳米复合材料，实验结果表明，Na-MMT 和Org-MMT 对PP 均有良好的增强增韧效果，但两者填充形态不一样，Na-MMT 以纳米粒子形态填充，Org-MMT 以插层形态填充；另外，Na-MMT 还能诱导聚丙烯结晶晶型发生转变，产生有利于提高聚丙烯冲击强度的3晶型。

笼型聚倍半硅氧烷(POSS)对聚合物的改性

笼型聚倍半硅氧烷(POSS)对聚合物的改性摘要笼型聚倍半硅氧烷(polyhedral oligomeric silsesquioxanes，poss)是一种新型的纳米级无机填料，因其特殊的结构，能显著的改善聚合物的耐热性能和力学性能。

本文描述了poss的合成与结构，重点介绍了近年来利用化学共聚和物理共混两种方法将poss应用于几种聚合物的改性研究综述。

关键词笼型聚倍半硅氧烷；poss；聚合物改性中图分类号tq316.6 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）57-0088-02近年来，利用无机纳米粒子对有机聚合物的改性研究较为广泛，因为经过此种方法改性后的材料，不仅具有高分子材料的易加工性、成本低和质轻等特点，同时其耐热性和力学性能等也有很大的提高。

其中笼型聚倍半硅氧烷（polyhedral oligomeric silsesquioxanes，poss），因其对称结构中的si可带多种的反应性或非反应性基团，使其与聚合物具有很好的相容性而受到人们的关注[1]，现在利用poss对聚合物的改性的研究也越来越多，本文就对近年来这方面的研究进行了综述。

1 笼型聚倍半硅氧烷(po ss)的结构及合成方法1.1 poss的结构poss的结构简式为（rsio1.5）n，于1946年由scott，d.w首先合成出来，但当时的产率极低，poss包含多面体硅-氧纳米机构骨架，直径约为1.5mm，分子量可高达1000，分子为笼型结构。

poss 中的六面体倍半硅氧烷又称t8，其结构具有很好的对称性（如图1），其中的si原子可以和多种反应性和非反应性基团相连[2]。

六面体倍半硅氧烷，t8结构式1.2 poss的合成方法目前，poss单体的合成主要是通过rsix3水解来制备。

rsix3（r为有机基团，x=cl、och3、och2、ch3）的水解即溶胶－凝胶法，是制备t8- poss最直接的方法。

根据水解程度的不同，可分为完全水解和部分水解—封角法两种[3]。

POSS／PUE纳米复合材料的制备与表征

降。
关键词
聚氨酯
弹性体
多面体低聚倍半硅氧烷
中图分类号：ＱＯＯ４３Ｔ５．＋
文献标识码：Ａ
ＰｅａａｉｎａｄＣｈｒｃｅｉａｉｎｏＯＳ／ＵＥＮａｏｏｏｉｓｒｐｒｔｎａａｔｒｚｔｆＰＳＰｎｃｍｐｓｅｏｏｔ
ＰＳＰＯＳ／ＵＥ纳米复合材料的制备与表征／成渝等Ｐ
・１・１１
ＰＳＰｏＳ／ＵＥ纳米复合材料的制备与表征
卢成渝，田春蓉。王建华，
（西南科技大学材料科学与工程学院，阳６１１；２中国工程物理研究院化工材料研究所，阳６１０）１绵２００绵２９０摘要利用多面体低聚倍半硅氧烷（（Ｓ对聚氨酯弹性体（ＵＥ进行了改性，究了带有不同基团的ＰＳＰ））ＳＰ）研ＯＳ
ｔｒａｄｎｉｈｈｎｌｅｄｉｇｅｇｔｐｅｙＰＯＳｎｉｙＯＳｏＰＵＥ．ＴＧＡｎｌｓｓｒｓｌｓｓｏｔａｈｉａｈｒａｅｏｐｓ— ＳａｄｖｎｌＰＳｔａａｙｉｅｕｔｈｗｈｔｔｅｉｔｌｅｍｌｃｍｏｉｎｉｔｄｔｎｔｍｐｒｔｒｆｃｍｐｓｔｓｉｃｅｓ８６ｉｅｅａｕｅｏｏｏｉｎｒａｅ２． ℃ ａｄ１ｅｐｃｉｅｙ，ｔｅｔｅｍａｔｂｌｙｏｏｐｓｔｔｒａｓｉ — ｏｅｎ５Ｃｒｓｅｔｌｖｈｈｒｌｓａｉｔｆｍｏｉｍａｅｉｌｉｃｅｎｃｅｓｓｓｉｈｌ．Ｆｉａｌｒａｅｌｔｙｇｎｌｙ，ｔｅｒｓｌｓｏＥＭｈｗｈｔｔｅｄｓｅｓｏｆＰｈｅｕｔｆＳｓｏｔａｈｉｐｒｉｎｏＯＳｅｒａｅｔｎｒａｉｇｃｎｅｔｆＳｄｃｅｓｓｗｉｉｃｅｓｎｏｔｎｓｏｈ

PMMA无机纳米复合材料的制备及性能研究的开题报告

PMMA无机纳米复合材料的制备及性能研究的开题报告一、研究背景及意义PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）是一种重要的工程塑料，具有透明度高、机械强度高、易加工等优点，在制造光学、电子、建筑等领域广泛应用。

但同时也存在着其脆性高、热稳定性差、阻燃性能差等问题，这些问题制约了其在某些领域中的应用。

近年来，无机纳米材料的发展与应用在材料科学领域中占据了重要地位，因其在材料性能改进、提升方面具有独特优点。

目前已有学者研究的纳米复合材料中，大部分是有机纳米复合材料，面对聚合物材料的发展，无机纳米复合材料对于克服聚合物材料在物理性能、力学性能等方面的不足越来越受到重视。

因此，研究制备PMMA无机纳米复合材料，提高其力学强度、热稳定性和阻燃性能，有着重要的科学意义和应用价值。

二、研究内容1.通过化学合成方法获得具有不同形貌、尺寸和组成的分散均匀的纳米无机材料。

2.利用溶液混合法、原位聚合等方法制备PMMA无机纳米复合材料。

3.对比纳米材料和PMMA无机纳米复合材料的性能差异，分析PMMA无机纳米复合材料的力学性能、热稳定性和阻燃性能。

三、研究方法1.合成纳米无机材料，并通过扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪等方法分析其物理和化学特性。

2.制备PMMA/纳米复合材料并表征物理和化学特性。

分析纳米材料在复合材料中的分散度、存在方式等。

3.测试PMMA/纳米复合材料的力学性能、热稳定性和阻燃性能。

采用万能试验机、热重分析仪、热解气相色谱仪等测试仪器进行分析。

四、预期成果1、成功制备出分散均匀、形貌多样的纳米无机材料。

2、成功制备PMMA无机纳米复合材料，并获得物理和化学特性的表征数据。

3、PMMA无机纳米复合材料的性能得到有效提升，其力学性能、热稳定性和阻燃性能均得到了改善。

四、研究意义1、为不同领域研究PMMA/纳米复合材料提供了新思路和方法。

2、为材料科学领域的普遍规律提供了新的实验依据和数据。

3、探究PMMA/纳米复合材料的结构和性能关系，增强对聚合物材料性能控制的理解。

配位聚合制备聚合物／POSS纳米杂化材料研究进展

的研究便如火如荼地展开。此类多面体低聚倍半硅氧烷是一种不同立构类型的齐聚物，具有梯型、无规、笼型、半笼型等结构。笼型结构的ＰＯＳＳ外围为有机基团，有机基团可以是非反应性的或反应性的，反应
（ＮＢＥＴＭＳ）聚合制备嵌段共聚物ＮＢＥＴＭＳ — ｂ－ＮＢＥＰＯＳＳ，再将此嵌段
ＰＯＳＳ含量高达５５ｗｔ％的杂化材料，在随后的第二步反应中，通过氢化作用制备得到了半结晶的ＰＥ／ＰＯＳＳ聚合物。这又是配位聚合得到利用的一个很好体现，同时采用两步合成路线制备高聚物还反映出ＰＯＳＳ与烯类单体共聚反应过程的高度可控性。很巧合的是，在２００７年韩国的ＷｅｎｔａｏＸｕ等人 ’ 也同样利用ＲｕＣ１（＝（ＣＨＰｈ）（ＰＣｙ３）：作为催化剂将ｎｏｒｂｏｍｅｎｅｅｔｈｙｌＰＯＳＳ（ＮＢＥＰＯＳＳ）
共聚物作为前驱体，经过水解沉降作用得到最终产物ＮＢＥＣＯＯＨ — ｂ — ＮＢＥＰＯＳＳ（如图５）。这是首次通过开环易位的方法制备了ＰＯＳＳ基聚合材料中含有羧酸类的亲水基团。之所以将ＮＢＥＴＭＳ — ｂ — ＮＢＥＰＯＳＳ作为反应的预聚体是因为一ＣＯＯＨ的存在会毒化Ｒｕ基类的催化剂。文章还深入分析了为什么ＮＢＥＴＭＳ在催化剂ＲｕＣｈ（＝（ＣＨＰｈ）（ＰＣｙ＋的存在下会进行开环易位的活性离子聚合。试验通

POSS／聚合物复合材料的研究进展

组分和无机组分间的协同作用，使其兼具有机聚合物和无机材料的综合性能。多面体聚倍半硅氧烷（ＰＯＳＳ）作为一种全新的纳米材料，为聚合物复合材料的研究注入了新的活力，为新材料的
此，ＰＯＳＳ／聚合物复合材料进入了材料设计的范畴，这在复合材料的研究上具有深远意义，推动
１４０￣Ｃ下通过熔融共混在乙烯和丙烯的共聚物（ＥＰ）中分别嵌入八甲基ＰＯＳＳ和八异丁基
ＰＯＳＳ。研究表明，大部分ＰＯＳＳ在ＥＰ基体中以纳米级的微晶形态存在；材料的玻璃化转变温度（）、模量都增大，如ＰＯＳＳ质量分数为１０％时，复合材料的比ＥＰ提高４．５ ℃ 。Ｄ．Ａ．
物含有一个或多个具有反应活性的官能团，使ＰＯＳＳ能用于聚合、接枝、表面改性等等』。由
收稿日期：２０１３一叭一２１。作生，主要从事高分子复合材料的研究。基金项目：中物院基金资助课题（２０１２Ｂ０３０２０５０）、联系人，Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｚｈｅｎｊｉａｎｇ２００６＠１２６．ｃｏｎ。
ＰＯＳＳ上有机链段的柔性来控制材料的机械性能和流变性能。物理共混法又分为熔融共混法和溶液共混法。
设计提供了新的思路。近年来，有关ＰＯＳＳ／聚合物复合材料的研究越来越活跃，尤其是一些常用

P(MMA—MAA)／有机蒙脱土纳米复合材料的研究

Ｍｏｉｃｔｏｆｅｃｌｂｒｎｏｌｍｅａｅｉｌ，ｌｇｆＭａｅｉｌｉｎｅａｄＥｎｉｅｒｎ，ｄｆａｉｎｏＣｈｍｉａｅｓａｄＰｙｒｉＦｉＭｔｒａｓＣｏｌｅｏｅｔｒａｅｃｎｇｎｅｉｇＤｏｎｈａＵｎｖｒｉ，ａｇａ２６０）ＳｃｇｕｉｅｓｔＳｈｎｈｉ０１２ｙＡｂｔａｔＥｍｕｓｏｏｌｍｅｉａｉｎｗａｄｐｅｎｔｅｐｅａａｉｎｏｏｙｍｅｈｌｍｅｈｃｙｌｔ／ｔｙｃｙｉｃｄ／ｒａ－ｓｒｃｌｉｎｐｙｒｚｔｓａｏｔｄｉｈｒｐｒｔｏｆｐ（ｔｙｔａｒａｅｍｅｈｌａｒｌａｉ）ｏｇｎｍｏｎｍｏｉｏｉｏｃｔｒｌｎｔｌｅ
ＯＭＭＴｃｎｅｔａｄｒａｈｄｍａｍｕｖｌｅｗｈｎｔｅＯＭＭｑｃｎｅｔｓｕＰｏＴｈｄｉｉｎｏｅｃｍｏｏｒｍｅｈｃｙａｅＭＡＡ）ａｓｎａｃｄｏｔｎｎｅｃｅｘｉｍａｕｅｈ ’ ｏｔｎＷａ７，／ｅａｄｔｏｆｔｏｎｍｃｔａｒｌｔ（ｈｌｏｅｈｅｎ
（（ＰＭＭＡ－ＭＡＡ）ＭＭＴｎｎｃ，ｐｓｔＸ・ａｉｒｃｉｎＸＲＤ）ｎｒｎｍｉｉｎｅｅｔｏｃｏｃｐ（Ｅ）ｒｕｅｏｃａａｔｒｅｔｅ／Ｏ）ａｏｏｎｏｉｅｒｙｄｆａｔ（ｏａｄｔｓｓｏｌｃｒｎｍｉｓｏｙＴＭｗｅｅｓｄｔｈｒｃｅｉｈａｓｒｚ
ｍｏｐｏｏｙａｄｓｒｃｕｅｆｈａｏｏｏｉｓＴｅｔｅｍａｓｂｌｙｗａｘｍｉｄｂｅｍｏｒＶｍｅｉａａｓ（ＧＡＩＷａｈｗｄｔａｂｔｒｈｌｇｎｔｔｒｓｅｎｎｃｍｐｓｅｈｒｌｔｉｔｓａｎｙｔｒｇａｉｔｃｎｌｉＴｕｏｔｔｈａｉｅｅｈｒｙｓ）ｔｓｓｏｅｔｏｈｈ

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POSS／PMMA纳米复合材料的制备及性能研究采用八乙烯基倍半硅氧烷（OV-POSS），通过原位聚合法制备了具有交联网状结构的POSS/PMMA纳米复合材料。

通过FT-IR、DSC等方法对纳米复合材料的结构和性能进行了表征。

结果表明，通过原位聚合法制备的POSS/PMMA纳米复合材料具有交联网状结构，POSS的引入能明显改善材料介电性能和热学性能，但当OV-POSS含量较高时，热学性能有所下降。

当POSS的用量为0.6%时，POSS/PMMA纳米复合材料的介电常数从2.91降低至2.77，介电损耗从0.0088降低至0.0039，复合材料的Tg也上升了。

标签：POSS；PMMA；介电性能；热性能近年来，对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）进行改性的研究较多[1]，但用于改性的无机纳米粒子大多是SiO2 和TiO2[2，3]。

笼形低聚倍半硅氧（POSS）在结构上是分子纳米粒子，在性能上具有更好的耐热性、更低的表面能，常用作耐高温材料的基料[4]。

将其引入聚合物体系，形成无机/有机纳米复合物，利用POSS的纳米尺寸效应，可显著改善聚合物的热稳定性、力学性能等，且不会影响材料的透光性，POSS/聚合物纳米复合材料已成为研究热点。

本文采用八乙烯基倍半硅氧烷（OV-POSS）作为无机组分，通过原位聚合法，制备了交联网状结构的POSS/PMMA纳米复合材料，并对其介电性能以及热性能进行了研究。

1 实验部分1.1 实验原料八乙烯基POSS（OV-POSS），≥99%，辽宁美联复合材料有限公司；甲基丙烯酸甲酯（MMA），AR，天津市福晨化学试剂厂；偶氮二异丁腈（AIBN），AR，上海山浦化工有限公司；去离子水，实验室自制。

1.2 POSS/PMMA纳米复合材料的制备将0（摩尔分数，下同）、0.2%、0.4%、0.6%的POSS分别加入到含有AIBN 的MMA单体中，超声分散后，在75 ℃恒温条件下预聚20 min，然后浇注到模具中，制成各种纳米复合材料。

聚合反应工艺：45 ℃/20 h+80 ℃/2 h+100 ℃/1 h。

1.3 结构与性能表征（1）采用IS10型傅里叶红外光谱仪测试样品的红外吸收光谱，将样品和KBr以约1∶100的比率混合研磨均匀，压制成小圆片，在室温下扫描，扫描范围为400～4 000 cm-1；（2）利用TGA-2050型热重分析仪对复合材料的热稳定性进行分析：N2气氛，升温速率10 ℃/min。

（3）采用TAMDSC2910型差示扫描量热分析仪测定复合材料的玻璃化转变温度（Tg）：N2气氛，升温速率10 ℃/min，测试范围：25～300 ℃。

（4）采用WY2851型高频Q表测定复合材料的介电性能（介电损耗、介电松弛）：测试温度25 ℃，测试频率分别为1、60 MHz，试样厚度为3 mm。

（5）采用阿基米德原理测定复合材料密度（ρ）：测定温度25 ℃，介质为蒸馏水，每组3个试样，每个试样测定3次，取平均值。

2 结果与讨论2.1 POSS/PMMA纳米复合材料化学结构的分析图1为POSS，PMMA及POSS/PMMA纳米复合材料FT-IR谱图，POSS 谱图中，在1 109 cm-1和585 cm-1处为Si-O-Si的伸缩和弯曲振动吸收峰，1 602 cm-1为C=C伸缩振动吸收峰。

纯PMMA谱图中，C=O伸缩振动吸收峰在1 732 cm-1处，1 249 cm-1是C-O的伸缩振动峰，而POSS/PMMA谱图与纯PMMA 不同的是C=O的吸收峰在1 726 cm-1处发生了红移，在1 602 cm-1吸收峰强度大大减弱，说明POSS的部分乙烯基与MMA的双键形成了聚合反应。

在585 cm-1处的Si-O-Si的吸收峰依然存在，其强度要比纯POSS弱，而此峰在纯PMMA中未出现，也说明POSS笼形结构与PMMA形成了杂化结构[5]。

为确定POSS/PMMA纳米复合材料网络结构，将纯PMMA和POSS/PMMA 分别放入乙酸乙酯中进行溶解性测试分析。

在溶剂中浸泡48 h后发现，PMMA 在溶剂中完全溶解，0.6mol% POSS/PMMA保持溶胀状态，溶剂占溶胀试样的质量分数为72%。

这表明，POSS/PMMA纳米复合材料形成了交联网络结构（其结构见式1），但它的交联密度不是很大。

这可能是因为POSS带有的乙烯基基团与MMA反应活性相对较低，使得POSS中仅有部分活性基团参与了聚合反应[6]。

2.2 POSS/PMMA纳米复合材料的电性能表1为POSS/PMMA纳米复合材料在不同频率下的介电常数和介电损耗，在1 MHz和60 MHz时，POSS/PMMA纳米复合材料的介电常数和介电损耗均随POSS含量的增加逐渐降低。

在60 MHz时，当POSS的摩尔分数为0.6%时，POSS/PMMA的介电常数从2.91降低至2.77，介电损耗从0.0088降低至0.0039。

POSS对PMMA介电性能的影响可以从2个方面解释：一是引入了低介电常数的介质。

由表1可知POSS的加入降低了PMMA的密度，即增加了材料的自由体积，从而带入介电常数更低的空气（k=1），且笼形结构POSS具有较低的密度和较大的孔隙，使其POSS纳米分子本身具有较低的介电常数（k=2.1～2.7）；另一方面POSS与PMMA具有极强的偶极作用，而且复合材料具有交联结构，大大限制了PMMA分子中极性基团的运动，从而使PMMA的介电常数和介电损耗降低。

2.3 POSS/PMMA纳米复合材料热性能的研究图2为PMMA和POSS/PMMA纳米复合材料的DSC曲线。

从曲线可以看出，当添加摩尔分数为0.6%的POSS时，POSS/PMMA纳米复合材料的Tg从110.6 ℃提高到119.5 ℃。

表2为PMMA和0.6% POSS/PMMA纳米复合材料的分解温度。

当添加摩尔分数为0.6%的POSS时，POSS/PMMA杂化材料的热分解温度向较高的温度方向移动，其热稳定性提高。

与纯PMMA相比，POSS/PMMA 试样失重50%T50、最快分解Tmax和100%Tend时温度分别提高了19 ℃、26 ℃和14 ℃。

PMMA与POSS的结合虽然会增加材料的自由体积，但POSS的刚性和交联密度的增大占主导地位。

首先，PMMA与POSS间有化学键及物理缠绕，形成了以POSS为核心的刚性结构，这种刚性结构可以限制材料中柔性结构的运动，成为材料中的锚点[7，8]；其次PMMA本身是线性的热塑性聚合物，而制备的POSS/PMMA纳米复合材料是以POSS为交联点的交联聚合物，大大限制了分子链的运动[9，10]；再者，POSS与PMMA侧基的极性基团间存在极强的偶极作用[11]，也限制分子链的运动，从而提高了PMMA的热分解温度及Tg。

3 结论1）利用原位聚合法可以制备出具有交联网状结构的POSS/PMMA纳米复合材料。

2）POSS的交联作用提高了材料的热性能，同时复合材料的介电性能也有所改善。

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