本发明专利技术公开一种高强度、高隔热、高透光聚甲基丙烯酸甲酯复合材料及其制备方法，采用超级绝热材料二氧化硅气凝胶与片状纳米材料石墨烯，对其进行表面化学状态调控，并将其与PMMA本体聚合体系复合制备复合材料，在石墨烯与PMMA相间形成π-π共轭相互作用，制得的二氧化硅气凝胶与石墨烯协同功能化的聚甲基丙烯酸甲酯复合材料具有高强度、高隔热、高透光等特点。本发明专利技术将二氧化硅气凝胶与功能化石墨烯协同作为PMMA功能化相，可以协同提升PMMA的拉伸强度、隔热性能和可见光透过率，为推广PMMA至建筑透明围护结构保温隔热领域创造条件。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于建筑保温隔热材料领域，更加具体地说，涉及一种高强度、高隔热、高 透光聚甲基丙烯酸甲酯复合材料及其制备方法。
技术介绍
建筑物能耗中透明围护结构的热量损失占很大比重，其原因很大程度上源自建筑 物玻璃构件的低隔热性。特别是在环境和能源问题日趋严峻的当下，提高建筑透明围护结 构的保温隔热水平，努力推进建筑节能，对于改善建筑热环境、减轻环境污染、保护地球资 源和生态环境均具有较为深刻的意义。其实人们很早就意识到建筑透明围护结构散热量 大这个问题，提出了一些提高玻璃构件隔热性的方法，比如中空或真空玻璃、热反射玻璃、 Low-E玻璃和贴膜玻璃等。但是这些方法并未从根本上解决透明围护结构散热的问题，或者 说是这些玻璃构件的保温隔热方法还远未达到我们的预期（刘念雄，秦佑国，建筑热环境， 清华大学出版社，2005)。 聚甲基丙稀酸甲酯（Polymethylmethacrylate，简称PMMA，英文Acrylic)，又称做 压克力或有机玻璃，它的铸板聚合物的数均分子量一般为2. 2X104,相对密度为1. 19~ 1.20,折射率为1.482~1.521，吸湿度在0.5%以下，玻璃化温度为105°C。具有高透明 度，低价格，易于机械加工等优点，是平常经常使用的玻璃替代材料。PMMA的导热系数约为 0. 2W/m. K，距离建筑保温隔热要求相去甚远，与此同时，PMMA材料机械强度、抗冲击性能等 仍然有可提升的空间（马占镖，甲基丙烯酸酯树脂及其应用，化学工业出版社，2002 ;厉蕾， 颜悦，丙烯酸树脂及其应用，化学工业出版社，2012)。 二氧化硅气凝胶是一种新型低密度、透明、结构可控的纳米多孔材料。与传统二氧 化硅颗粒相比，二氧化硅气凝胶具有连续的三维网状结构，具有低密度、高空隙率、高比表 面积等结构特点（不同硅源制备二氧化硅气凝胶的研究进展，王妮等，材料导报A :综述篇， 2014年第28卷第1期，42-45)。同时具有优异的保温隔热性能，常温常压下导热率极低，是 目前已知的导热率最低的固体材料，在建筑保温隔热领域具有广泛的应用前景。 石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收 2. 3%的光；导热系数高达5300W/m. K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迀移率超过 15000cm2/V · s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约1 Ω . m，比铜或银更低，是理想的 复合材料补强与功能化材料（朱宏伟，徐志平，谢丹等，石墨烯：结构、制备方法与性能表 征，清华大学出版社，2011)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种二氧化硅气凝胶与石墨烯协同功能化的聚甲基丙烯 酸甲酯复合材料的制备方法，采用超级绝热材料二氧化硅气凝胶与片状纳米材料石墨烯， 对其进行表面化学状态调控，并将其与PMMA本体聚合体系复合制备复合材料，在石墨烯与 PMMA相间形成JT-JT共辄相互作用，制得的二氧化硅气凝胶与石墨烯协同功能化的聚甲基 丙烯酸甲酯复合材料具有高强度、高隔热、高透光等特点。 本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现： ，按照下述 步骤进行： 步骤1，将80-150重量份正硅酸乙酯和100-170重量份无水乙醇在50-70°C下混 合均匀，加入0. 1-1重量份盐酸搅拌均匀后静置30-180min，随后加入0. 01-0. 2重量份氢氧 化钠，搅拌至其完全溶解，将上述溶液静置2-6h后得到湿凝胶，将湿凝胶置于二氧化碳超 临界高压萃取装置中，以二氧化碳为介质在温度33-50Γ和气压7-10MPa下进行超临界干 燥2-5h，即制得二氧化硅气凝胶； 在所述步骤1中，将正硅酸乙酯和无水乙醇混合均匀，搅拌速度为150- 300转/ min，搅拌时间为5 -30min ； 在所述步骤1中，加入〇. 1-1重量份盐酸搅拌均匀，搅拌速度为150-300转/min， 搅拌时间为5 -30min ； 在所述步骤1中，所述盐酸为10 - 12mol/L盐酸（即每升氯化氢的水溶液中，氯化 氢的物质的量）； 步骤2,将5-10重量份石墨烯超声分散于500-1000重量份无水乙醇中并搅拌均 匀，随后逐滴加入1-2重量份聚硅氧烷并持续搅拌，在60-70°C下反应4-6h，随后过滤，滤得 的固体产物用无水乙醇洗涤3-5次后真空干燥，即得到功能化石墨烯，该功能化石墨烯是 由含苯基的聚硅氧烷分子通过31-31共辄相互作用被吸附到石墨烯表面而制得； 在所述步骤2中，将石墨烯超声分散于无水乙醇中，超声分散时间为30-60min。 在所述步骤2中，将石墨烯超声分散于无水乙醇中后，在60_70°C下搅拌l_3h。 在所述步骤2中，滴加聚硅氧烷的速度为每分钟1 一5ml。 在所述步骤2中，加入1-2重量份聚硅氧烷进行反应时，在65- 68 °C下反应 4. 5-5h〇 在所述步骤2中，滤得的固体产物用无水乙醇洗涤3-5次后，在50_60°C条件下，真 空干燥40-48h ; 在所述步骤2中，所述聚硅氧烷为数均分子量1000-5000乙烯基含量摩尔百分数 (乙烯基摩尔与整个聚二甲基二乙烯基二苯基硅氧烷的摩尔的比例）〇. 1-5%，苯基含量为 摩尔百分数（苯基摩尔与整个聚二甲基二乙烯基二苯基硅氧烷的摩尔的比例）〇. 1-2%的 聚^甲基^乙烯基^苯基硅氧烷； 步骤3,将5-10重量份步骤⑴得到的二氧化硅气凝胶和1-5重量份步骤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声分散均匀，随后加入0. 02-0. 2 重量份的过氧化二苯甲酰，超声分散均匀后将分散液置于引发温度之上以引发甲基丙烯酸 甲酯与功能化石墨烯表面共辄作用吸附的聚硅氧烷的侧乙烯基进行共聚合，同时将 二氧化硅气凝胶均匀分散在共聚体系中，反应时间至少为24h，聚合后即可得到高抗冲、高 强度、高隔热、高透光聚甲基丙烯酸甲酯复合材料； 在所述步骤3中，将二氧化硅气凝胶、功能化石墨烯和甲基丙烯酸甲酯超声分散 均匀，超声分散时间为l_2h ; 在所述步骤3中，加入0. 02-0. 2重量份的过氧化二苯甲酰超声分散均匀，超声分 散时间为3-10min。 在所述步骤3中，引发温度为70- 80摄氏度。 在所述步骤3中，首先将反应温度保持在引发温度，聚合2h后，将分散液在45- 50 °C下聚合24h，再将分散液依次在80 °C，90 °C，100 °C下分别反应2h。 在所述步骤3中，在聚合过程中采用搅拌或者超声方式，将二氧化硅气凝胶均匀 分散在共聚体系中。 使用本专利技术所述技术方案制备的二氧化硅气凝胶具有三维多孔网状结构，借助荷 兰Philips的Nanosem430场发射扫描电子显微镜观察制备的二氧化娃气凝胶得到的SEM 照片如附图1所示，图中明场为二氧化硅二次粒子堆积而成的三维多孔纳米网络，暗场为 孔洞，可见该气凝胶纳米级的孔洞分布较为均匀，并且具有较高的孔隙率，利用二氧化碳超 临界萃取的设备，以液态二氧化碳对湿态凝胶进行超临界干燥，即以液态二氧化碳对湿态 凝胶吸附的溶剂进行置换，并同时保持凝胶内得到的多孔结构。 使用本专利技术所述技术方案制备功能化石墨烯，可以将石墨片层成功剥离成单层石 墨烯，同时可以对石墨烯表面进行功能化，引入硅氧烷链节和不饱本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高强度、高隔热、高透光聚甲基丙烯酸甲酯复合材料，其特征在于，孔隙率达到98—99.5％，孔径分布均匀，在30—50nm，冲击强度为19.5‑20.5kJ/m2，导热系数为0.05W/mK‑0.07W/mK，透光率为95.0％‑97.0％，拉伸强度为59.0‑61.0MPa，按照下述步骤进行：步骤1，将80‑150重量份正硅酸乙酯和100‑170重量份无水乙醇在50‑70℃下混合均匀，加入0.1‑1重量份盐酸搅拌均匀后静置30‑180min，随后加入0.01‑0.2重量份氢氧化钠，搅拌至其完全溶解，将上述溶液静置2‑6h后得到湿凝胶，将湿凝胶置于二氧化碳超临界高压萃取装置中，以二氧化碳为介质在温度33‑50℃和气压7‑10MPa下进行超临界干燥2‑5h，即制得二氧化硅气凝胶；步骤2，将5‑10重量份石墨烯超声分散于500‑1000重量份无水乙醇中并搅拌均匀，随后逐滴加入1‑2重量份聚硅氧烷并持续搅拌，在60‑70℃下反应4‑6h，随后过滤，滤得的固体产物用无水乙醇洗涤3‑5次后真空干燥，即得到功能化石墨烯，该功能化石墨烯是由含苯基的聚硅氧烷分子通过π‑π共轭相互作用被吸附到石墨烯表面而制得；在所述步骤2中，所述聚硅氧烷为数均分子量1000‑5000乙烯基含量摩尔百分数(乙烯基摩尔与整个聚二甲基二乙烯基二苯基硅氧烷的摩尔的比例)0.1‑5％,苯基含量为摩尔百分数(苯基摩尔与整个聚二甲基二乙烯基二苯基硅氧烷的摩尔的比例)0.1‑2％的聚二甲基二乙烯基二苯基硅氧烷；步骤3，将5‑10重量份步骤(1)得到的二氧化硅气凝胶和1‑5重量份步骤(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声分散均匀，随后加入0.02‑0.2重量份的过氧化二苯甲酰，超声分散均匀后将分散液置于引发温度之上以引发甲基丙烯酸甲酯与功能化石墨烯表面π‑π共轭作用吸附的聚硅氧烷的侧乙烯基进行共聚合，同时将二氧化硅气凝胶均匀分散在共聚体系中，反应时间至少为24h，聚合后即可得到高抗冲、高强度、高隔热、高透光聚甲基丙烯酸甲酯复合材料。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李洪彦，刘洪丽，李亚静，李婧，蒲辉雕，唐海洋，汪伟岸，
申请(专利权)人：天津城建大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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