纳米二氧化硅-硅酸钙晶须及改性酚醛树脂的制备方法技术

本发明专利技术属于高端制造领域，通过设计一种纳米二氧化硅

【技术实现步骤摘要】
纳米二氧化硅
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硅酸钙晶须及改性酚醛树脂的制备方法


[0001]本专利技术属于高端制造领域，具体涉及高端制造业使用的高性能酚醛树脂改性和制备方法，特别涉及一种通过纳米二氧化硅
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硅酸钙晶须复合改性增效剂制备具有良好弯曲、冲击强度和热变形温度的酚醛树脂的方法。

技术介绍

[0002]高端制造业是国民经济发展的基础，高精度铸造零部件是高端制造业的重要支撑。覆膜砂型铸造作为高精度铸造的重要技术手段，酚醛树脂的性能对铸造零部件的质量具有决定作用，其强度和韧性指标是影响高精度零部件铸造的重在因素。然而，目前其强度和韧性协同提升仍然面临较大的困难。
[0003]酚醛树脂俗称电木，是由苯酚与甲醛在催化剂条件下缩聚而成的一种合成树脂，因选用催化剂的不同，可分为热固性和热塑性两类酚醛树脂。酚醛树脂具有良好的力学性能、耐高温性、耐水性、低烟低毒、制品尺寸稳定等特点被广泛应用于耐火材料，摩擦材料，粘结剂和铸造行业。随着产业结构升级、我国居民消费能力和消费水平的提升，对酚醛树脂的性能提出了更高的要求，酚醛树脂需要朝着高端化的方向发展。因此，制备高性能的酚醛树脂是非常必要的。在合成酚醛树脂时加入不同组分，可获得功能各异的改性酚醛树脂，提供所需要的不同的优良特性，如机械强度，耐碱性、耐磨性、耐油性、耐腐蚀性等。
[0004]纳米粒子又称超细微粒，是指粒度在1
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100nm之间的粒子，具有特殊的界面性能和体积效应，用于改性聚合物，可起到增加韧性、提高耐热性的目的。目前用于改性酚醛树脂的纳米粒子主要有SiO2、Al2O3、TiO2等，以及纳米铜、碳纳米管、纳米炭黑等，其中，纳米SiO2是改性酚醛树脂最常用的无机纳米粒子之一。由于纳米SiO2化学活性高，表面效应强烈，容易发生聚集。因此，在改性酚醛树脂之前，要对纳米SiO2表面进行修饰，降低表面能，从而防止纳米粒子的团聚。硅烷偶联剂是一种常用的表面改性剂，不仅可以减少纳米粒子的聚集，而且可以提高纳米粒子与有机聚合物间的相容性。 然而，由于对纳米SiO2粒子表面改性不充分等其它原因还会有部分团聚现象，致使在应用中无法充分发挥纳米SiO2粒子的优异性能。
[0005]晶须是直径非常小的以单晶形式生长成的一种纤维，晶体内部原子排列有序，通常没有空穴、位错、晶界等缺陷，密度和强度都接近于理想晶体的理论值，晶须具有非常高的强度和弹性模量。研究发现，用短纤维可以提高酚醛树脂的抗剥离性能。因此，可以将晶须加入酚醛树脂中来提高其韧性。酚醛树脂用于石英砂覆膜，相邻的覆膜石英砂颗粒之间通过晶须搭桥增强酚醛树脂连结的韧性和强度。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术要解决的第一个技术问题是：如何解决纳米二氧化硅的部分团聚现象。
[0007]要解决的第二个技术问题是：如何制备一种冲击强度和热变形温度性能良好的改
性酚醛树脂。
[0008]为解决上述第一个技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种纳米二氧化硅
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硅酸钙晶须的制备方法，包括如下步骤：S1：将硅烷偶联剂溶入乙醇水溶液中，所述乙醇水溶液中无水乙醇和水的体积比为3：1，乙醇水溶液与硅烷偶联剂的质量比是2：1，然后加入SiO2纳米粉，SiO2纳米粉中SiO2的粒度小于100nm，硅烷偶联剂和SiO2纳米粉的质量比为1.5~3.0； 再采用超声波震荡分散20 min
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35min，得到均匀的改性纳米SiO2悬浮液。
[0009]采用超声波震荡分散的具体过程是：将硅烷偶联剂，乙醇水溶液和SiO2纳米粉得到的混合溶液放入超声纳米材料分散仪的水槽中，接通电源，打开开关，超声波震荡分散20 min
ꢀ‑
35min。
[0010]该步骤的作用是对纳米SiO2粒子进行表面改性。使用硅烷偶联剂作为改性剂，硅烷偶联剂与SiO2纳米粒子表面发生化学偶联反应，使SiO2纳米粒子表面性质发生变化，表面能降低，得到分散良好、界面结合良好的SiO2纳米粒子。
[0011]硅烷偶联剂和SiO2纳米粉的质量比控制在1.5~3.0之间效果最好，如硅烷偶联剂和SiO2纳米粉质量比小于1.5，则会因为硅烷偶联剂用量过少不能充分与SiO2纳米粉中纳米SiO2粒子结合，造成对SiO2纳米粉中纳米SiO2粒子的改性不完全；硅烷偶联剂和SiO2纳米粉质量比大于3.0，则会因为硅烷偶联剂用量过多，形成有机化改性粉体物理缠结点，重新产生更大的团聚体，从而造成颗粒的聚沉。
[0012]S2：将S1得到的改性纳米SiO2悬浮液和CaO加入到聚四氟乙烯反应器中，SiO2和CaO的硅钙摩尔比为1.5~3.0，然后按照液固比为35~45的比例加入水，随后将聚四氟乙烯反应器放入带搅拌功能的高温高压反应釜中，确认高温高压反应釜气密性后，设定反应温度为100℃
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300℃，反应20h~60h后，开始降温，冷却至25℃后取出混合浆液并静置20 min
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30min，得到纳米二氧化硅
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硅酸钙晶须。
[0013]作为优选，所述S2中纳米二氧化硅
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硅酸钙晶须的直径为10
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500nm，长度为1
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10μm 。该纳米二氧化硅
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硅酸钙晶须的直径和长度范围得到的酚醛树脂用于石英砂覆膜时，可以使相邻的覆膜石英砂颗粒之间通过晶须搭桥增强酚醛树脂连结的韧性和强度。
[0014]为解决上述第二个技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种改性酚醛树脂的方法，其特征在于，采用上述的纳米二氧化硅
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硅酸钙晶须，包括如下步骤：第一步：将苯酚从25℃升温至40℃~55℃，使苯酚完全融化。
[0015]第二步：将甲醛水溶液和纳米二氧化硅
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硅酸钙晶须放入融化后的苯酚中，苯酚与甲醛的质量比为2~2.8，纳米二氧化硅
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硅酸钙晶须与苯酚的质量比为0.2%
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1.0%。
[0016]设定反应温度为95℃~115℃，反应时间为3h~5h，并使用搅拌器进行搅拌，搅拌器转速为100 rmp/min
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500 rmp/min，甲醛和苯酚反应得到酚醛树脂，纳米二氧化硅
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硅酸钙晶须则分散于酚醛树脂中得到混和浆液；由于搅拌器的不断搅拌，可以使纳米二氧化硅
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硅酸钙晶须尽可能均匀的分散于酚醛树脂。
[0017]第三步：通过抽滤机将第二步中混和浆液中的溶剂过滤掉，得到混和浆液中的溶质，将该溶质放入干燥箱中100℃烘干12h后，即得改性后的酚醛树脂。通过抽滤机将第二步中混和浆液中的溶剂过滤掉，该溶剂即水。
[0018]相对于现有技术，本专利技术至少具有如下优点：
1.本专利技术纳米二氧化硅
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硅酸钙晶须的制备方法中，采用硅烷偶联剂对SiO2的粒子进行表面改性，降低了SiO2粒子表现的活性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米二氧化硅
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硅酸钙晶须的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将硅烷偶联剂溶入乙醇水溶液中，所述乙醇水溶液中无水乙醇和水的体积比为3：1，乙醇水溶液与硅烷偶联剂的质量比是2：1，然后加入SiO2纳米粉，SiO2纳米粉中SiO2的粒度小于100nm，硅烷偶联剂和SiO2纳米粉的质量比为1.5~3.0； 再采用超声波震荡分散20 min
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35min，得到均匀的改性纳米SiO2悬浮液；S2：将S1得到的改性纳米SiO2悬浮液和CaO加入到聚四氟乙烯反应器中，SiO2和CaO的硅钙摩尔比为1.5~3.0，然后按照液固比为35~45的比例加入水，随后将聚四氟乙烯反应器放入带搅拌功能的高温高压反应釜中，确认高温高压反应釜气密性后，设定反应温度为100℃
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300℃，反应20h~60h后，开始降温，冷却至25℃后取出混合浆液并静置20 min
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30min，得到纳米二氧化硅
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硅酸钙晶须。2.如权利要求1所述的纳米二氧化硅
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硅酸钙晶须的制备方法，其特征在于，所述S2中得到的纳米二氧化硅
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【专利技术属性】
技术研发人员：李涛，孟倩，庞敏，谭敏，刘恺，李俊国，刘伟，郭晓培，赵毅，徐培栋，辛朝阳，陶梦洁，李丰，张霖，孙雨含，
申请(专利权)人：华北理工大学，
类型：发明
国别省市：