[发明专利]一种改性磷酸锆-环氧纳米复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种改性磷酸锆‑环氧纳米复合材料及其制备方法；该制备方法是：将插层剂、表面活性剂和溶剂混合，加入层状磷酸锆，振荡均匀，超声分散，得到剥离后的单层磷酸锆溶液；将单层磷酸锆溶液使用去剥离剂调节pH，离心，洗涤，倒掉上层清液；将磷酸锆与改性剂添加至溶剂中，在80～100℃温度下搅拌反应12‑24h，洗涤、干燥后，得到改性磷酸锆；将改性磷酸锆用溶剂分散，与固化剂的乙醇溶液混合，加入环氧树脂，搅拌均匀，得到改性磷酸锆‑环氧纳米复合材料；本发明改性后的磷酸锆‑环氧纳米复合材料相比于环氧树脂，机械性能、防腐性能显著提升。

技术领域

本发明涉及一种层状材料的改性方法，特别是涉及一种改性磷酸锆-环氧纳米复合材料及其制备方法；属于纳米磷酸锆复合材料技术领域。

背景技术

近年来，对无机层状化合物作为填料引入聚合物中的应用的关注逐渐增多，如蒙脱土、水滑石、层状磷酸锆等，无机层状化合物的引入使复合材料的热稳定性、机械性能、气体屏蔽性及阻燃性增强。然而，纳米尺寸无机化合物的易团聚性以及与聚合物的不相容性是限制其应用的两个主要方面。近年来在聚合物基质中实现纳米片的高度剥离已成为研究的主要焦点，而纳米片的纵横比对其在聚合物基质中的分散和剥离有很大影响，从而影响纳米复合材料的物理和机械性能特别是对阻隔性能、模量和强度。对于应用最为广泛的MMT、水滑石或其他天然层状化合物，受到粘土颗粒固有性质的限制，控制其纵横比较困难，剥离后的粘土纳米片的纵横比仅为约80-200。

磷酸锆类化合物是近些年发展起来的一种新型多功能的介孔材料，离子交换容量(600mmol/100g)大约是黏土的6倍，磷酸锆属于单斜晶系，其结构由ZrO₆八面体与HPO₄四面体通过交替链接的方式构成层状化合物，磷酸锆具有以下特点：易制备，纵横比易控制，耐强酸和强碱，具有优良的热稳定性和力学性能，比表面积以及表面电荷密度大，可以发生离子交换反应，指向层内空间的O₃P-OH基团中的羟基可以被其他官能团取代，通过此途径可以在磷酸锆中引入不同官能团，实现材料的改性。

作为无机纳米材料，其与聚合物的相容性较差，在聚合物中难以均匀分散，容易产生团聚现象，因此，对无机纳米材料进行有机改性是实现实际应用价值的前提与核心。磷酸锆改性后所得纳米复合材料可将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性以及改性剂特有的性能与聚合物的可加工性及介电性结合起来，制备出高强度、高耐热性、高阻隔和阻燃性能的复合材料。

常规的环氧树脂是一种用途广泛的基体树脂，成膜性能良好，涂层防腐蚀性能也非常优秀，但由于受环保形势的压力，企业逐步向绿色环保涂料产品方向转型，对水性环氧防腐涂料的研究已成为涂料界的热点。然而传统的水性防腐涂料具有阻隔性能差的缺点，大大降低了其防腐性能，因此人们通常引入无机纳米粒子作为填料与水性防腐涂料复配来增强涂料的阻隔性能。中国专利201410725574.5公开了一种石墨烯改性环氧富锌底漆及其制备方法。其中各组分质量份数为：改性环氧树脂15-30份，石墨烯0.3-5份，丁醇2-8份，甲苯4-10份，防沉剂0.3-3份，锌粉70-90份。具有良好的防锈、耐热、耐油、耐溶剂性能及优异的附着力。但石墨烯比表面积大，在水中难以润湿分散；石墨烯比表面能低，易于向表面富集，导致涂层附着力下降。另外石墨烯导电性能良好，当漆膜存在缺陷时，有加速腐蚀风险。

由于硅材料优秀的疏水和拒水性能，行业里已经做了很多用有机硅改性环氧树脂的研究，如朱化雨等人采用三甲氧基硅氧烷和苯基甲基二甲氧基硅氧烷合成聚苯基甲基硅氧烷，改性E-20，提高了聚合物的热稳定性；郭文录等采用环氧树脂和硅氧烷低聚物如KH-550等，在引入丙烯酸亲水基团，制得水性有机硅改性环氧树脂。用硅氧烷对水性环氧树脂进行改性的共同问题是制得的产品固含量不高，相比传统环氧树脂，交联不够，综合性能不够理想。