可控氧化硅酮热解组分制备微纳米硅基杂化材料的研究

硅基杂化材料具有抗氧化、耐腐蚀、无毒、低表面能等特性，在建筑、化工、纺织等领域具有广泛应用前景，开展新型硅基杂化材料研究是国内外热点之一。本课题以硅酮为原料，对其加热分解形成蒸汽，然后将蒸汽在特定装置和温度下氧化，使其变成纳米固体，并在基底上自聚集成微纳米梯度结构的硅基杂化材料涂层或者在特殊装置下收集成微纳米粉体。通过研究硅酮热分解产生的主要成分、氧化程度、氧化温度对形成颗粒组成和聚集体形貌的影响及其在基底上形成涂层的润湿特性，揭示出硅酮分解-氧化可控制备硅基杂化材料的关键机制，掌握规模化制备的关键参数。探索将硅基杂化材料应用于透明塑料膜、玻璃和纺织面料上构建功能涂层的可行性，以及作为添加剂加入到聚丙烯(PP)中，研究其对PP成型后表面性能的影响。本课题基于以成熟而廉价的硅酮为原料，经分解、可控氧化而制备微纳米硅基杂化材料，并具有规模化制备的可能性，将为硅基杂化材料的研究开辟一条新途径。

本课题以酸性硅酮和中性硅酮为原料，应用自行设计制备的特定装置,首次采用热分解氧化硅酮在常压条件下气相沉积制备硅基杂化薄膜和粉体。在玻璃、金属、陶瓷以及PET树脂柔性膜等基底上制备了微纳米梯度结构的硅基杂化薄膜。研究结果表明脱乙醇型、脱酸型的块体硅酮分解主要发生在350℃和450℃两个阶段，分别对应Si-O和C-Si键的断裂。形成的硅基杂化材料组成主要由聚硅氧烷、二氧化硅以及纳米碳组成，其含量由温度和氧气的相对含量决定。无氧气情况下，形成硅油，不能形成聚硅氧烷聚集体。缺氧气的条件下可以制备出碳量子点掺杂的、具有光上转化特性的、超疏水彩色聚硅氧烷杂化薄膜，颜色随着碳量子点的含量而改变。在纯氧气气氛下，制备出的薄膜为亲水性。探索了将硅基杂化材料应用于金属、玻璃和PET树脂柔性膜等基底上起防水粘附作用的可行性。基本完成了本项目计划书的研究内容，达到了预期研究目标。取得的主要成果如下: 1)掌握了硅酮分解氧化沉积系统设计和制备的关键参数; 2)温度和氧气对聚硅氧烷杂化膜的形貌和组成有重要影响。掌握了沉积聚硅氧烷薄膜的关键参数, 即温度优选分解温度为320℃，沉积温度为350℃，沉积温度越高形成的表面形貌越有序。薄膜的润湿性可根据需要由氧气的含量调变; 3)制备了碳量子点掺杂的、具有光上转化特性的、超疏水彩色聚硅氧烷杂化薄膜; 4)研究发现由于所生成的聚硅氧烷表面含有极性官能团羟基，引起纳米颗粒在聚集时具有一定取向性，因而在不同基底聚集成的形貌不同；在有导向聚集条件下形成不同尺寸的纳米纤维，从而可以实现常压气相沉积方法制备重复性非常好的杂化聚硅氧烷纳米纤维; 5)制备的硅基杂化疏水粉体，主要由30纳米和300纳米两种尺度的颗粒混合组成。在国内外已发表论文8篇，其中SCI(EI) 7篇，申请专利1项，参加国内学术会议5人次，培养硕士生6人。转化成果1项，2013年销售收入超过100万元，2012年以来累计销售超过150万元，实现利税超过15万元。