本發(fā)明專利技術(shù)公開一種高抗沖、高強(qiáng)度、高隔熱、高透光聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合材料及其制備方法，采用超級絕熱材料二氧化硅氣凝膠與片狀納米材料石墨烯，對其進(jìn)行表面化學(xué)狀態(tài)調(diào)控，并將其與PMMA本體聚合體系復(fù)合制備復(fù)合材料，制得的二氧化硅氣凝膠與石墨烯協(xié)同功能化的聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合材料具有高抗沖、高強(qiáng)度、高隔熱、高透光等特點(diǎn)。本發(fā)明專利技術(shù)將二氧化硅氣凝膠與功能化石墨烯協(xié)同作為PMMA功能化相，可以協(xié)同提升PMMA的沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、隔熱性能和可見光透過率，為推廣PMMA至建筑透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱領(lǐng)域創(chuàng)造條件。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于建筑保溫隔熱材料領(lǐng)域，更加具體地說，涉及一種高抗沖、高強(qiáng)度、高 隔熱、高透光聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合材料及其制備方法。
技術(shù)介紹
建筑物能耗中透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量損失占很大比重，其原因很大程度上源自建筑 物玻璃構(gòu)件的低隔熱性。特別是在環(huán)境和能源問題日趨嚴(yán)峻的當(dāng)下，提高建筑透明圍護(hù)結(jié) 構(gòu)的保溫隔熱水平，努力推進(jìn)建筑節(jié)能，對于改善建筑熱環(huán)境、減輕環(huán)境污染、保護(hù)地球資 源和生態(tài)環(huán)境均具有較為深刻的意義。其實(shí)人們很早就意識(shí)到建筑透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量 大這個(gè)問題，提出了一些提高玻璃構(gòu)件隔熱性的方法，比如中空或真空玻璃、熱反射玻璃、 Low-E玻璃和貼膜玻璃等。但是這些方法并未從根本上解決透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱的問題，或者 說是這些玻璃構(gòu)件的保溫隔熱方法還遠(yuǎn)未達(dá)到我們的預(yù)期（劉念雄，秦佑國，建筑熱環(huán)境， 清華大學(xué)出版社，2005)。 聚甲基丙稀酸甲酯（Polymethylmethacrylate，簡稱PMMA，英文Acrylic)，又稱做 壓克力或有機(jī)玻璃，它的鑄板聚合物的數(shù)均分子量一般為2. 2X104,相對密度為1. 19~ 1.20,折射率為1.482~1.521，吸濕度在0.5%以下，玻璃化溫度為105°C。具有高透明 度，低價(jià)格，易于機(jī)械加工等優(yōu)點(diǎn)，是平常經(jīng)常使用的玻璃替代材料。PMMA的導(dǎo)熱系數(shù)約為 0. 2W/m. K，距離建筑保溫隔熱要求相去甚遠(yuǎn)，與此同時(shí)，PMMA材料機(jī)械強(qiáng)度、抗沖擊性能等 仍然有可提升的空間（馬占鏢，甲基丙烯酸酯樹脂及其應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社，2002 ;厲蕾， 顏悅，丙烯酸樹脂及其應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社，2012)。 二氧化硅氣凝膠是一種新型低密度、透明、結(jié)構(gòu)可控的納米多孔材料。與傳統(tǒng)二氧 化硅顆粒相比，二氧化硅氣凝膠具有連續(xù)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有低密度、高空隙率、高比表 面積等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（不同硅源制備二氧化硅氣凝膠的研究進(jìn)展，王妮等，材料導(dǎo)報(bào)A :綜述篇， 2014年第28卷第1期，42-45)。同時(shí)具有優(yōu)異的保溫隔熱性能，常溫常壓下導(dǎo)熱率極低，是 目前已知的導(dǎo)熱率最低的固體材料，在建筑保溫隔熱領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。 石墨烯是已知的世上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收 2. 3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m. K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子迀移率超過 15000cm2/V · s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約1 Ω . m，比銅或銀更低，是理想的 復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)與功能化材料（朱宏偉，徐志平，謝丹等，石墨烯：結(jié)構(gòu)、制備方法與性能表 征，清華大學(xué)出版社，2011)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高抗沖、高強(qiáng)度、高隔熱、高透 光聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合材料及其制備方法，旨在采用超級絕熱材料二氧化硅氣凝膠與片 狀納米材料石墨烯，對其進(jìn)行表面化學(xué)狀態(tài)調(diào)控，并將其與PMMA本體聚合體系復(fù)合制備復(fù) 合材料，制得的二氧化硅氣凝膠與石墨烯協(xié)同功能化的聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合材料具有高 抗沖、高強(qiáng)度、高隔熱、高透光等特點(diǎn)。 本專利技術(shù)的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)： -種高抗沖、高強(qiáng)度、高隔熱、高透光聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合材料及其制備方法， 按照下述步驟進(jìn)行： 步驟1，將80-150重量份正硅酸乙酯和100-170重量份無水乙醇在50-70°C下混 合均勻，加入0. 1-1重量份鹽酸攪拌均勻后靜置30-180min，隨后加入0. 01-0. 2重量份氫氧 化鈉，攪拌至其完全溶解，將上述溶液靜置2-6h后得到濕凝膠，將濕凝膠置于二氧化碳超 臨界高壓萃取裝置中，以二氧化碳為介質(zhì)在溫度33-50Γ和氣壓7-10MPa下進(jìn)行超臨界干 燥2-5h，即制得二氧化硅氣凝膠； 在所述步驟1中，將正硅酸乙酯和無水乙醇混合均勻，攪拌速度為150- 300轉(zhuǎn)/ min，攪拌時(shí)間為5 -30min ； 在所述步驟1中，加入〇. 1-1重量份鹽酸攪拌均勻，攪拌速度為150-300轉(zhuǎn)/min， 攪拌時(shí)間為5 -30min ； 在所述步驟1中，所述鹽酸為10 - 12mol/L鹽酸（即每升氯化氫的水溶液中，氯化 氫的物質(zhì)的量）； 步驟2,將5-10重量份石墨烯超聲分散于500-1000重量份無水乙醇中，向分散液 中加入0. 1-0. 5重量份Ν，Ν' -羰基二咪唑并混合均勻，隨后逐滴加入1-2重量份氨基封端 聚硅氧烷并持續(xù)攪拌，在60-70°C下反應(yīng)4-6h，隨后過濾，濾得的固體產(chǎn)物用無水乙醇洗滌 3-5次后真空干燥，即得到功能化石墨烯，該功能化石墨烯是由聚硅氧烷的氨基-NH 2通過化 學(xué)鍵連接到石墨烯表面的羧基基團(tuán)上而制得； 在所述步驟2中，將石墨烯超聲分散于無水乙醇中，超聲分散時(shí)間為30-60min。 在所述步驟2中，滴加氨基封端聚硅氧烷的速度為每分鐘1 一5ml。 在所述步驟2中，向分散液中加入Ν，Ν' -羰基二咪唑進(jìn)行混合均勻時(shí)，在60_70°C 下攪拌l_3h。 在所述步驟2中，加入1-2重量份氨基封端聚硅氧烷進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，在65- 68°C下 反應(yīng) 4. 5_5h〇 在所述步驟2中，濾得的固體產(chǎn)物用無水乙醇洗滌3-5次后，在50_60°C條件下，真 空干燥40-48h ; 在所述步驟2中，所述氨基封端聚硅氧烷為數(shù)均分子量1000-5000乙烯基含 量摩爾百分?jǐn)?shù)（乙烯基摩爾與整個(gè)氨基單封端的聚二甲基二乙烯基硅氧烷的摩爾的比 例）0. 1-5%的氨基單封端的聚二甲基二乙烯基硅氧烷；或者數(shù)均分子量1000-5000乙烯基 含量摩爾百分?jǐn)?shù)0. 1-5%的氨基雙封端的聚二甲基二乙烯基硅氧烷； 步驟3,將5-10重量份步驟⑴得到的二氧化硅氣凝膠和1-5重量份步驟⑵得 到的功能化石墨烯加入到100重量份甲基丙烯酸甲酯中超聲分散均勻，隨后加入0. 02-0. 2 重量份的過氧化二苯甲酰，超聲分散均勻后將分散液置于引發(fā)溫度之上以引發(fā)甲基丙烯酸 甲酯與功能化石墨烯表面的聚硅氧烷的側(cè)乙烯基進(jìn)行共聚合，同時(shí)將二氧化硅氣凝膠均勻 分散在共聚體系中，反應(yīng)時(shí)間至少為24h，聚合后即可得到高抗沖、高強(qiáng)度、高隔熱、高透光 聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合材料； 在所述步驟3中，將二氧化硅氣凝膠、功能化石墨烯和甲基丙烯酸甲酯超聲分散 均勻，超聲分散時(shí)間為l_2h ; 在所述步驟3中，加入0. 02-0. 2重量份的過氧化二苯甲酰超聲分散均勻，超聲分 散時(shí)間為3-10min。 在所述步驟3中，引發(fā)溫度為70- 80攝氏度。 在所述步驟3中，首先將反應(yīng)溫度保持在引發(fā)溫度，聚合2h后，將分散液在45- 50 °C下聚合24h，再將分散液依次在80 °C，90 °C，100 °C下分別反應(yīng)2h。 在所述步驟3中，在聚合過程中采用攪拌或者超聲方式，將二氧化硅氣凝膠均勻 分散在共聚體系中。 使用本專利技術(shù)所述技術(shù)方案制備的二氧化硅氣凝膠具有三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，借助荷 蘭Philips的Nanosem430場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察制備的二氧化娃氣凝膠得到的SEM 照片如附圖1所示，圖中明場為二氧化硅二次粒子堆積而成的三維多孔納米網(wǎng)絡(luò)，暗場為 孔洞，可見該氣凝膠納米級的孔洞分布較為均勻并且具有較高的孔隙率，利用二氧化碳超 臨界萃取的設(shè)備，以液態(tài)二氧化碳對濕態(tài)凝膠進(jìn)行超臨界干燥，即以液態(tài)二氧化碳對濕態(tài) 凝膠吸本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種高抗沖、高強(qiáng)度、高隔熱、高透光聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合材料，其特征在于，孔隙率達(dá)到98—99.5％，孔徑分布均勻，在30—50nm，沖擊強(qiáng)度為19.5?20.5kJ/m2，導(dǎo)熱系數(shù)為0.05W/mK?0.07W/mK，透光率為95.0％?97.0％，拉伸強(qiáng)度為59.0?63.0MPa，按照下述步驟進(jìn)行：步驟1，將80?150重量份正硅酸乙酯和100?170重量份無水乙醇在50?70℃下混合均勻，加入0.1?1重量份鹽酸攪拌均勻后靜置30?180min，隨后加入0.01?0.2重量份氫氧化鈉，攪拌至其完全溶解，將上述溶液靜置2?6h后得到濕凝膠，將濕凝膠置于二氧化碳超臨界高壓萃取裝置中，以二氧化碳為介質(zhì)在溫度33?50℃和氣壓7?10MPa下進(jìn)行超臨界干燥2?5h，即制得二氧化硅氣凝膠；步驟2，將5?10重量份石墨烯超聲分散于500?1000重量份無水乙醇中，向分散液中加入0.1?0.5重量份N,N'?羰基二咪唑并混合均勻，隨后逐滴加入1?2重量份氨基封端聚硅氧烷并持續(xù)攪拌，在60?70℃下反應(yīng)4?6h，隨后過濾，濾得的固體產(chǎn)物用無水乙醇洗滌3?5次后真空干燥，即得到功能化石墨烯，該功能化石墨烯是由聚硅氧烷的氨基?NH2通過化學(xué)鍵連接到石墨烯表面的羧基基團(tuán)上而制得；在所述步驟2中，所述氨基封端聚硅氧烷為數(shù)均分子量1000?5000乙烯基含量摩爾百分?jǐn)?shù)(乙烯基摩爾與整個(gè)氨基單封端的聚二甲基二乙烯基硅氧烷的摩爾的比例)0.1?5％的氨基單封端的聚二甲基二乙烯基硅氧烷；或者數(shù)均分子量1000?5000乙烯基含量摩爾百分?jǐn)?shù)0.1?5％的氨基雙封端的聚二甲基二乙烯基硅氧烷；步驟3，將5?10重量份步驟(1)得到的二氧化硅氣凝膠和1?5重量份步驟(2)得到的功能化石墨烯加入到100重量份甲基丙烯酸甲酯中超聲分散均勻，隨后加入0.02?0.2重量份的過氧化二苯甲酰，超聲分散均勻后將分散液置于引發(fā)溫度之上以引發(fā)甲基丙烯酸甲酯與功能化石墨烯表面的聚硅氧烷的側(cè)乙烯基進(jìn)行共聚合，同時(shí)將二氧化硅氣凝膠均勻分散在共聚體系中，反應(yīng)時(shí)間至少為24h，聚合后即可得到高抗沖、高強(qiáng)度、高隔熱、高透光聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合材料。...
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李洪彥，劉洪麗，李桂茹，李婧，李亞靜，程林，
申請(專利權(quán))人：天津城建大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：天津;12
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