[发明专利]基于材料设计的纳米溶胶薄膜力学性能控制方法

说明书

技术领域

本发明专利公开的纳米溶胶薄膜力学性能控制方法，涉及材料设计、材料表面改性、溶胶凝胶技术等材料科学的技术领域。

背景技术

应用溶胶薄膜方法对材料表面进行改性，是材料科学领域受到广泛重视的一个方向，相关基础研究已经有大量的工作，但是对于溶胶薄膜实际应用，还有许多关键性难题有待解决；溶胶薄膜的力学性能控制是溶胶薄膜材料表面改性的一个关键技术，其关乎该项技术实际应用效果，涉及到基体材料的性能、溶胶的组成与结构、溶胶薄膜与基体材料的结合以及凝胶固化过程中发生的物理化学反应。

溶胶凝胶：溶胶是指通过水解和聚合作用，形成的有机或无机的纳米或微米级的粒子，这些粒子通常带有电荷，并由于电荷作用，吸附一层溶剂分子，形成由溶剂包覆的纳米或微米粒子，即胶体粒子，这些胶体粒子由于带有电荷而相互排斥，从而能以悬浮状态存在于溶剂中，即形成溶胶；胶体粒子由于失去电荷，或者包覆在外圈的溶剂层被破坏，胶体粒子发生聚合，溶胶发生固化即形成凝胶。

溶胶薄膜是由溶胶组成中的各种有机或无机分子经过化学键结合，成为网状或者层状结构的交联体，溶胶中溶剂挥发，溶胶经过凝胶固化，形成固体薄膜，附着在基体材料表面。

溶胶薄膜力学性能通常包括薄膜的硬度、薄膜的耐摩擦强度、薄膜的抗冲击强度、抗折强度和薄膜与基体材料的附着力；为同时满足溶胶薄膜的力学性能指标，获得具有良好力学性能的溶胶薄膜，需要应用材料设计技术，对溶胶的组成和结构等进行优化设计。

发明内容

应用材料设计技术，筛选影响溶胶薄膜硬度的关键因素并建立数学模型，发现溶胶薄膜的硬度由溶胶单体结构、胶体粒子硬度、溶胶交联键合的种类和交联度决定的，本发明专利公开的溶胶薄膜硬度控制方法包括：

1）设计和选择带有复杂支链且玻璃化温度较高的单体；

2）应用材料设计技术构建性能与组成、结构模型，健能较高的单体种类，例如但不仅限于C-N键；

3）设计和控制单体交联键合类型，平衡交联键合类型和交联度之关系；

4）在交联单体中设计和选择硬度较高的元素，例如但不仅限于锆、钛、铝等。

应用材料设计技术，筛选影响溶胶薄膜的耐摩擦性能的关键因素并建立数学模型，发现溶胶薄膜的耐摩擦性能由溶胶成膜单体种类和溶胶薄膜与基体材料的结合性能决定的，本发明专利公开的溶胶薄膜耐摩擦性能控制方法包括：

1）应用材料设计技术构建性能与组成、结构模型，设计和选择具有高硬度的溶胶成膜单体，例如但不仅限于硅氧、钛氧等元素螯合体；

2）设计和选择与基体材料能够发生键合的单体，例如但不仅限于含Si-O-C、Si-O-N健的单体。

应用材料设计技术，筛选影响溶胶薄膜抗冲击强度的关键因素并建立数学模型，发现溶胶薄膜的抗冲击强度由溶胶胶体粒子的大小和形状、溶胶薄膜的显微结构和溶胶薄膜键合种类决定的，本发明专利公开的溶胶薄膜抗冲击强度控制方法包括：

1）设计和选择具有较高键能的溶胶单体键合类型，例如但不仅限于含C-N健；

2）设计和控制粒径较小且分布均匀的纳米胶体粒子；

3）设计和生成片状结构的纳米胶体粒子；

4）设计和生成网状或层状结构中均匀分布具有孤岛粒子的显微结构的溶胶薄膜。

 应用材料设计技术，筛选影响溶胶薄膜抗折强度的关键因素并建立数学模型，发现溶胶薄膜的抗折强度由溶胶单体结构、溶胶单体键合种类、溶胶薄膜厚度决定，本发明专利公开的溶胶薄膜抗折强度控制方法包括：

1）设计和选择具有较长支链结构的单体；

2）设计和选择具有较高键能的溶胶单体键合类型，例如但不仅限于含C-N健；

3）设计和涂覆较大厚度的溶胶薄膜。

应用材料设计技术，筛选影响溶胶薄膜与基体材料附着力的关键因素并建立数学模型，发现溶胶薄膜与基体材料的附着力由基体材料表面结构和溶胶单体所含支链或基团决定，本发明专利公开的溶胶薄膜与基体材料附着力控制方法包括：

1）对基体材料表面进行活化处理，产生有效的键合基团，例如但不仅限于羟基、羧基；

2）设计和选择能够与基体材料表面基团发生键合的单体，例如但不仅限于含氨基。

 实施例一，一种提高聚碳酸酯树脂制品表面硬度和耐摩擦性能的纳米溶胶薄膜，控制其表面硬度、耐摩擦性能和表面附着力的方法包括：

1）设计和选择具有双键的甲基丙烯酸树脂作为单体，交联形成C-C键合；