[发明专利]纳米二氧化硅微粒增强的超疏水聚苯乙烯薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米材料的应用技术领域，特别是涉及将偶联剂处理过的纳米二氧化硅微粒均匀分散在聚苯乙烯溶液中，通过电纺制备出具有多孔微球与纳米纤维复合结构的二氧化硅微粒增强的超疏水聚苯乙烯薄膜。

背景技术

近年来，制备有机一无机纳米复合材料是材料科学领域研究的一个热点，是探索高性能复合材料的一条重要途径。有机一无机纳米复合材料具有与传统复合材料显著不同的性能，能使复合材料获得优良的刚度、强度和热稳定性，且可改善聚合物基体的断裂性能、可加工性和介电性能。由于将聚合物的韧性、优良的加工性能和填充材料的强度、模量、耐热性及尺寸稳定性等有机组合，聚合物基复合材料在以下方面具有显著作用和优势：

1.综合性能好，如高比强、高比模、低密度、良好的韧性和尺寸稳定性等；

2.提高了聚合物基体的耐温性，拓宽了材料使用范围；

3.予材料阻隔、阻燃等功能；

4.可设计剪裁，整体性强。

聚苯乙烯(PS)是无定形、非极性线性高聚物，为无味、无臭、无毒的白色颗粒。由于分子链上有苯环取代基，分子的不对称性增加，内旋转受到限制，导致普通PS呈现刚性和脆性，PS不结晶使它具有很高的透明度。PS最主要的优点是透明性好，透光率可达88％～92％，折光率为1.59～1.60，电绝缘性好，尺寸稳定性高，耐腐蚀性、流动性，易加工成型，用于注塑电话机、吸尘器、录像带外壳等高光泽部件。但PS耐磨性差、冲击性不好、耐气候性差、耐热不高。利用纳米粒子改善聚合物的性能已成为大家关注的热点。当二氧化硅纳米粒子均匀分布在聚苯乙烯中，聚合物能够被增强增韧、改善脆性。曾有报道气相法白炭黑作为一种增强剂常用于硅橡胶等特种橡胶制品中，虽然在塑料中的增强作用很小，但可改善加工性能和其他物理性能。在聚氯乙烯薄膜中，可以增加薄膜表面的粗糙度，防止层间粘连。向聚氯乙烯中加入白炭黑可以提高拉伸强度和硬度，改善耐热性，防止增稠剂迁移。白炭黑加到聚丙烯或聚乙烯中可以起成核剂的作用，增加晶核数量，缩小晶球结构，从而提高透明性。专利申请号为CN200410067210.9的专利申请公开了采用纳米碳酸钙增强聚苯乙烯的技术方案。气相二氧化硅增强具有多孔微球与纳米纤维复合结构的超疏水聚苯乙烯薄膜还未见报道。复合材料的力学性能主要取决于增强纤维的力学性能。因此，通过纳米粒子提高纤维的性能对改善复合材料的性能起着关键的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供纳米二氧化硅微粒增强的超疏水聚苯乙烯薄膜。

本发明的再一目的是提供通过电纺技术制备出纳米二氧化硅微粒增强的超疏水聚苯乙烯薄膜的方法，从而发挥无机纳米粒子填充并增强的聚苯乙烯纤维的作用。

本发明的还一目的在于提供纳米二氧化硅微粒增强的超疏水聚苯乙烯薄膜的用途。

本发明利用电纺技术制备出的纳米二氧化硅微粒增强的超疏水聚苯乙烯薄膜具有聚苯乙烯/二氧化硅的多孔微球与纳米纤维复合结构，其薄膜的组分及重量百分比含量为：

聚苯乙烯         50～98.9％

纳米二氧化硅     1～40％

有机硅烷偶联剂   0.1～10％。

所述的聚苯乙烯/二氧化硅的多孔微球的大小为500nm～10μm。

所述的聚苯乙烯/二氧化硅的纳米纤维的直径为50nm～500nm。

所述的有机硅烷偶联剂选自γ-氨丙基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、三甲基乙氧基硅烷、聚二甲硅基硅氧烷等中的一种或一种以上的混合物。

所述的聚苯乙烯的重均分子量是20万～35万。

本发明的纳米二氧化硅微粒增强的超疏水聚苯乙烯薄膜的制备方法，首先对纳米二氧化硅颗粒进行表面改性，再将其加入到聚苯乙烯溶液中进行电纺，该方法包括以下步骤：

(1).气相二氧化硅的偶联改性

将一定量的纳米二氧化硅颗粒加入到有机硅烷偶联剂溶液中(纳米二氧化硅颗粒与有机硅烷偶联剂的比例为1g/ml～5g/ml)，在磁力搅拌下反应24h(±10min)，反应结束后自然干燥至溶剂基本挥发，在80±5℃烘箱里烘2h(±5min)，得到表面偶联改性的纳米二氧化硅颗粒；

(2).增强的超疏水聚苯乙烯薄膜的制备

将步骤(1)改性后的纳米二氧化硅颗粒置于聚苯乙烯有机溶液中(纳米二氧化硅颗粒与聚苯乙烯的重量比是1∶15～1∶30)，在超声池中充分分散数十个小时后，通过电纺丝设备进行电纺得到纳米二氧化硅微粒增强的超疏水聚苯乙烯薄膜。