不同维度SiO2@PMMA核壳纳米颗粒改性环氧树脂的结构与热/力学性能研究

Epoxy resin/SiO2 nanocomposites are widely used in mechanical manufacturing, aerospace, architectural decoration and other fields because of their excellent adhesive performance and thermal/mechanical properties. In the preparation of these nanocomposites, SiO2 nanoobjects with core-shell structure can improve the dispersion of nano-SiO2 in the resin matrix and increase the interfacial compatibility between SiO2 and resin matrix, thus improving the thermal/mechanical properties of the composites. The previous reports mainly focused on the spherical nano-SiO2 modified epoxy resin, while the effect of dimension of nano-SiO2 filler on the thermal/mechanical properties of composites has not been systematically studied. The solution of this problem has important theoretical and experimental significance for further understanding the selection of nano-fillers for modification of polymer matrix. Inspired by it, this proposal aims to obtain zero-dimensional (spherical), one-dimensional (cylindrical) and two-dimensional (sheetlike) SiO2@PMMA core-shell hybrid nanoobjects from gelable diblock copolymers, then using them as nanofillers to prepare epoxy resin/SiO2 nanocomposites, respectively. Furthermore, the relationship between core-shell structures in SiO2@PMMA and thermal/mechanical properties of epoxy resin/SiO2 composites will be detailedly investigated, and their mechanism will be clarified.

环氧树脂/SiO2纳米复合材料因其优异的粘结性和热/力学等性能而被广泛应用于机械制造、航空航天和建筑装饰等领域。在该纳米复合材料的制备中，利用核壳结构SiO2纳米颗粒可以改善纳米SiO2在基体中的单独分散和增加SiO2与树脂基体之间的界面相容性，从而使复合材料的热/力学等性能得到一定提升。目前的报道主要围绕球形的纳米SiO2改性环氧树脂展开，而关于纳米SiO2的维度对复合材料热/力学等性能的影响关系尚未有系统研究。该问题的解决对于深入理解改性聚合物基体用纳米填料的选择有着重要的理论和实验指导意义。基于此，本项目拟从可凝胶化两嵌段共聚物出发，获得零维（球形）、一维（线形）和二维（片形）等三个维度的SiO2@PMMA核壳杂化纳米颗粒，分别作为纳米填料制备环氧树脂/SiO2纳米复合材料，研究不同维度的SiO2@PMMA核-壳结构对环氧树脂复合材料热/力学等性能的影响关系并阐明其作用机理。

环氧树脂/SiO2纳米复合材料因其优异的粘结性和力学性能而被广泛应用于机械制造、航空航天和建筑装饰等领域。利用聚合物一端连接于SiO2纳米粒子表面的核壳结构杂化粒子来填充环氧树脂基体，可以有效改善纳米SiO2在基体中的分散并增强SiO2无机填料与树脂基体的界面相容性，从而使复合材料的力学和热性能得到改善。已有的报道主要围绕球形的纳米SiO2改性环氧树脂进行研究，聚合物也是通过传统的接枝方法连接于纳米粒子表面，同时，关于纳米SiO2的形状对复合材料性能的影响关系尚未有系统研究。该问题的解决对于深入理解改性聚合物基体用纳米填料的选择有着重要的理论指导和实际应用价值。本项目旨在研究SiO2@PMMA核/壳结构纳米粒子用于改性环氧树脂力学和热性能，并探讨纳米粒子形状对复合材料性能的影响，阐明相互作用机制，为后续选用填料构筑性能良好的复合材料提供参考。首先通过聚甲基丙烯酸甲酯-block-聚甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧硅烷（PMMA-b-PTEPM）嵌段共聚物的本体微相分离、选择性原位交联和溶剂剥离制备SiO2@PMMA核/壳结构纳米粒子，调控嵌段共聚物的组成可以得到了三种不同形状（球形、线形和片形）的纳米粒子，这些纳米粒子在PMMA的良溶剂中具有好的分散性。然后将其分别作为填料，加入环氧树脂基体中得到SiO2粒子改性的纳米复合材料，对其力学和热性能进行研究。研究结果表明，球、线、片三种不同维度的SiO2@PMMA核壳纳米粒子易于通过嵌段共聚物制备得到。将环氧树脂分别与三种不同维度的纳米粒子混合后经固化成型制备得到的环氧树脂基复合材料，球状纳米粒子改性环氧树脂的弯曲强度和拉伸强度较纯环氧树脂分别提高了11.7%和27%。线状纳米粒子改性环氧树脂的冲击强度较纯环氧树脂提高了93%。三种纳米粒子的引入均会使环氧树脂发生脆韧转变。裂纹钝化和裂纹钉锚为三种纳米粒子的主要增韧机理，球状纳米粒子还有粒子脱粘的增韧效果；线状纳米粒子断面暴露的线状粒子和空穴证实了粒子桥联和拔出的增韧机制，多种增韧机制的共同作用赋予了材料良好的力学强度。