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二氧化硅/聚合物纳米复合材料的应用
2022年01月13日    阅读量:1129    新闻来源:中国粉体技术网  |  投稿

将SiO2引入聚合物中,制备而成的纳米复合材料在力学性能、热学、光学、电学等方面都表现出优异的性能。此外,SiO2与聚合物能够产生协同效应,赋予复合材料新的性能,因而在多功能材料的方向具有巨大的潜力。


01 涂料和涂层

聚合物成膜性能好,SiO2的加入赋予其优异的热稳定性和力学性能涂料在线coatingol.com。此外,通过不同的工艺还可以制备高性能与多功能的涂层。

研究人员将疏水SiO2喷涂在聚氨酯(PU)-丙烯酸酯(PUA)膜表面,制备出用于辊对辊或辊对板系统的超疏水涂层,接触角达到150°,透光率高,适用于连续性生产。此外,还可利用紫外光照射系统将PDMS基底图案转移至PU-PUA薄膜。

SiO2热稳定性高,可用于制备阻燃性复合材料。研究人员将中空介孔SiO2(HM-SiO2),壳聚糖(CS)和磷酸化纤维素(PCL)为原料,通过层层自组装法引入环氧树脂(EP)中,制备出一种环保型阻燃剂。结果表明,HM-SiO2带有Si、P、S等阻燃元素,与CS、PCL协同赋予了EP优异的阻燃性能。阻燃物质在燃烧后会在EP表面形成致密的炭层,物理阻隔了氧气与易燃物的接触、复合材料在内部的流动,以及热量的传递。按此思路可制备如超疏水与阻燃相结合等多功能纳米复合材料。

同理,以负载缓蚀剂的SiO2为填料涂层附着在金属表面,能屏蔽外界环境造成的腐蚀因素影响。当涂层产生缺陷时,缓蚀剂释放到相应的位置进行交联完成修复。研究人员以介孔SiO2为纳米容器,负载缓蚀剂8-羟基喹啉,并将其加入聚环氧涂料中。结果表明,当物品发生腐蚀时,涂层周围的pH值发生变化,SiO2中缓释剂开始溶解并到相应的位置释放,仅需质量分数为2%的缓蚀剂就能发挥很好的效果。


02 生物医学

SiO2对细胞无毒性,具有良好的生物相容性,在生物医学领域常用于药物释控、靶向治疗、检测等。

较之其他多孔材料,SiO2孔径大小可调,操作简单,这为用于药物缓释的载体结构设计提供了更大的空间。研究人员将磺胺嘧啶以湿浸渍法方式分别负载到氨基功能化的球形MCM-41和纳米级SBA-15SiO2中,使用2种不同的聚丙烯酸树脂修饰后作为一种载药复合体系。结果表明,纳米复合物载药体系释药速率低于未修饰的SiO2,在pH值为1.2时不释放药物,而在pH值为6.8时,能够成功在靶位释放出负载的药物。这归因于对pH值非常敏感,包裹在外的2层聚合物,可与SiO2配合进一步减缓释放药的速度。

研究人员将磁化的SiO2与聚合物胍聚合,利用新型胆红素诱导荧光蛋白UnaG功能化修饰制备复合材料,当在溶液中监测到胆红素时,复合颗粒可发出荧光,用于肝功能的临床诊断。

一般医学成像基于磁共振成像,研究人员在具有微孔结构的药物聚合物外,包裹一层掺杂氧化铁的SiO2无机壳。此载药体系具有很好的生物相容性,在pH值为7.4时,膜通道中显示出超低的释药速率,防止损伤正常的细胞,基本不产生副作用。随着酸性增强,载药体系在磁性靶向作用下到达癌细胞靶位,无机外壳上的氧化铁被溶解,外壳气孔打开并释放药物,直至无机壳破碎;这些结果表明,该载药体系实现了体内的靶向治疗,同时并表现出良好的体外磁共振成像能力,以便观察药物释放的区域。


03环境

SiO2纳米复合材料对环境的贡献主要体现在重金属的吸附方面。SiO2具有高比表面积,吸附性能强的特点,但官能团单一,因此将SiO2功能化是扩大应用范围且可行的途径。研究人员以Cu2+水溶液为模型,制备一种具有核壳结构的磁性纳米SiO2粒子(MNPs)吸附剂,探讨该吸附剂对Cu2+的吸附机理。结果发现,吸附剂对Cu2+的最大吸附量达143mg/g,并且可循环使用。其中,NH/NH2在吸附行为中提供电子,使Cu2+价态降低。此类吸附剂非常适用于污泥这种环境条件,具有高效、环保的特点。灵活使用不同的聚合物对SiO2进行改性,能针对性提高SiO2复合材料对某类重金属的吸附性。

SiO2复合膜在油水分离领域也有着重要的地位,通过使用亲水疏油(或亲油疏水)的SiO2来提高膜对水(或油)分子的吸附和溶解,以阻碍油(或水)分子通过膜,实现油水分离。分离效率与膜材料的孔大小相关,Cao等将改性的聚氨酯与疏水性的SiO2喷涂于铜网上,简单制备一种耐高温(近100℃)的油水分离膜,用于分离油类物质。结果表明,该铜网对煤油具有很高的分离效率,最高可达99.3%,并且在循环使用几十次后依然保持良好的油水分离效果。


04 包装

SiO2/聚合物纳米复合材料或以涂层的形式增强传统包装的阻隔性能,或以本身作为包装材料,尤其在水蒸气阻隔方面具有突出的表现,该特性无疑有利于食品保鲜。研究人员为了改善传统包装纸对气体、湿气和蒸汽敏感的缺点,将制备的聚苯乙烯(PS)/SiO2用以粗化包装纸表面纤维。结果表明,包装纸防水性能在SiO2质量分数为4%时最佳,且力学性能得到提高,含水率下降。超薄的疏水涂层沉积于纤维基质,一方面堵塞了气孔和孔隙,另一方面在表面作为屏障阻止了纤维对水分子的接触,从而使包装纸具有疏水特性。

研究人员开发了一种活性包装薄膜,以介孔SiO2(MCM-41)作为丁香酚的封装容器,并通过静电纺丝法引入聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)。结果表明,薄膜的耐热性、机械强度以及对柠檬烯和水蒸气的阻隔性都有提高,具有长期抑菌的性能。此时SiO2不仅仅是作为填料增强薄膜的性能,还能作为容器来降低薄膜中抑菌剂的释放,延长货架期,保护食品的安全。

SiO2本身无毒无味,能够弥补环境友好型包装在理化性质方面的不足,满足可持续发展的要求。研究人员通过溶胶凝胶法制备掺杂SiO2的可降解淀粉膜,结果表明,此类无机-有机杂化膜的力学性能、光学性能和势垒性能都得到了增强,虽然其所用方法仍需要改进,但同时也展现出SiO2在硬质可降解包装材料方面的发展潜力。

资料来源:《冯春妮,刘鎏,胡驰,等.二氧化硅/聚合物纳米复合材料的研究进展[J].包装工程,2021,42(03):78-86》

标签:原材料技术中心树脂
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