透明納米氧化鋯分散液及其納米顆粒膜的制備與性能研究.pdf

1、氧化鋯(ZrO2)具有化學(xué)惰性、熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)異、硬度高、折光指數(shù)高等優(yōu)點(diǎn),其涂層可廣泛用作高耐刮傷涂層、金屬材料的防腐涂層、微電子裝置的高耐磨涂層和絕緣涂層、食品包裝用高阻隔涂層、光學(xué)(高折光指數(shù))涂層、隔熱涂層等等。純無(wú)機(jī)ZrO2涂層雖然綜合性能突出,但制備時(shí)常需要非常高的真空度或后期高溫處理,限制了其實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。將納米ZrO2顆粒與聚合物復(fù)合制備聚合物基納米復(fù)合涂層具有制備條件溫和、易于大規(guī)模應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn),但涉及納米顆粒分散的難題,涂

2、膜的透明性不高,即使解決了納米顆粒的分散問(wèn)題,在高含量ZrO2時(shí),由于熱力學(xué)的原因仍易發(fā)生相分離而產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象,涂膜透光率變差,因此,無(wú)法實(shí)現(xiàn)高透明性高ZrO2含量納米復(fù)合涂層的制備。在本文中,我們以非水合成納米ZrO2晶粒為原料,硅烷偶聯(lián)劑為改性劑,通過(guò)透明ZrO2分散液的制備以及以此為基礎(chǔ)的納米顆粒涂料的制備、涂覆、固化制得了高透明性高ZrO2含量納米顆粒涂層,由于涂層中不含有聚合物粘結(jié)劑,避免了ZrO2納米粒子和聚合物之間的相分離

3、問(wèn)題。本文詳細(xì)研究了非水合成納米Z102晶粒在不同介質(zhì)中的分散與穩(wěn)定行為,并以制得的溶劑型或水性透明ZrO2分散液為基礎(chǔ),制備了納米ZrO2顆粒膜,考察了涂膜的制備工藝與結(jié)構(gòu)、性能之間的關(guān)系。主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)果如下:
　　以縮水甘油基氧丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)、β-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和異氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷(IPTES)作為改性劑,研究了非水合成納米ZrO2晶粒在四氫呋喃(THF)、甲苯、吡啶、丙酮、水等分

4、散介質(zhì)中的分散與穩(wěn)定行為。以THF作為分散介質(zhì),用GPTMS、APTES和IPTES改性納米ZrO2時(shí)均可以得到透明的分散液;以吡啶或甲苯作分散介質(zhì)時(shí),采用APTES和IPTES可得到透明ZrO2分散液;用二甲基甲酰胺作為分散介質(zhì)時(shí),只有以IPTES為改性劑時(shí)可以得到透明分散液。GPTMS改性的納米ZrO2粒子在THF中具有較好的貯存穩(wěn)定性,IPTES改性的納米ZrO2粒子在吡啶中具有較好的貯存穩(wěn)定性。FTIR、13C-NMR、29Si

5、-NMR及TGA結(jié)果表明,GPTMS、APTES和IPTES以不同的接枝模式鍵合到了納米ZrO2顆粒的表面,使ZrO2表面分別帶上了環(huán)氧基、氨基和乙氧基官能團(tuán)。HRTEM和動(dòng)態(tài)激光光散射表征表明,納米ZrO2晶粒在THF中達(dá)到了初級(jí)粒徑分散水平且單分散性好。APTES改性后的納米ZrO2在少量鹽酸或少量氫氧化鈉存在下均可以再分散到水中,制得納米ZrO2晶粒水性透明分散液,分散液的透明程度主要取決于水溶液的pH值和APTES/ZrO2摩爾

6、比。
　　以GPTMS改性的納米ZrO2/THF分散液為原料,六氟磷酸二苯碘鎓鹽為紫外光陽(yáng)離子引發(fā)劑,采用浸涂或旋涂工藝涂覆,在紫外光照射下引發(fā)納米ZrO2顆粒表面的環(huán)氧基團(tuán)進(jìn)行交聯(lián)固化,得到了透明、均勻、表面光滑且內(nèi)部致密的納米ZrO2顆粒膜,實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶性納米ZrO2顆粒膜的室溫制備?？疾炝薌PTMS/ZrO2摩爾比、分散液中ZrO2含量及涂膜工藝對(duì)納米ZrO2顆粒膜表面形貌的影響。SEM觀察結(jié)果表明,GPTMS/ZrO2摩爾比

7、在0.15-0.3之間,旋涂速度在1000-2500rpm或浸涂速度在50-150mm/min范圍內(nèi),均可以得到表面平整無(wú)開(kāi)裂的納米ZrO2顆粒膜。紫外-可見(jiàn)光譜結(jié)果顯示,通過(guò)改變浸涂速度或旋涂速度可以精確控制ZrO2顆粒膜的厚度,利用膜厚的控制調(diào)節(jié)其光學(xué)特性,可以有效調(diào)控不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的增透現(xiàn)象。納米壓痕儀和橢圓偏振儀測(cè)試表明,納米ZrO2顆粒膜的微硬度、彈性模量和折光指數(shù)隨GPTMS/ZrO2摩爾比的減小而增大,即隨ZrO2的含量增

8、加而增大。制得的納米ZrO2顆粒膜的ZrO2含量較高,超過(guò)70wt％,透明性佳,折光指數(shù)高達(dá)1.77(632nm波長(zhǎng)處),微硬度1.0GPa以上。
　　以AAPTMS改性的納米ZrO2水分散液為原料,1,4-丁二醇二縮水甘油醚(BBD6E)作為交聯(lián)劑,采用浸涂工藝或旋涂工藝涂覆于聚碳酸酯基材,在低的加熱溫度條件下,制備了具有優(yōu)異綜合性能的納米ZrO2顆粒膜?？疾炝薃APTMS/ZrO2摩爾比及pH值對(duì)納米ZrO2水分散液透明性及粒

9、徑分布的影響,并研究了AAPTMS/ZrO2摩爾比對(duì)AAPTMS-ZrO2顆粒膜的表面形貌、折光指數(shù)和力學(xué)性能的影響。HRTEM和動(dòng)態(tài)光散射表明,當(dāng)AAPTMS/ZrO2摩爾比大于0.12,pH在13-14之間時(shí),可以得到透明的納米ZrO2水分散液,且粒徑分布均勻。SEM和紫外-可見(jiàn)光譜表明,在所采用的涂膜工藝下制得的AAPTMS-ZrO2顆粒膜表面平整且透光率高。橢圓偏振儀、納米壓痕儀、納劃傷測(cè)試和紙帶摩擦測(cè)試結(jié)果表明,AAPTMS-