CN104151765A - 保护硅酸盐质文物的硅基纳米杂化材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
保护硅酸盐质文物的硅基纳米杂化材料的制备方法,一、氮气保护下,在反应瓶中加入含有双羟基硅油HO-PDMS-OH、三乙胺TEA和二甲氨基吡啶DMAP的THF溶液,然后用注射器加入溴代异丁酰溴BiBB,处理后得到大分子引发剂—双溴基硅油Br-PDMS-Br;二、利用第一步得到的大分子引发剂,采用原子基团转移(ATRP)法制备三嵌段聚合物MMA-PDMS-MMA;三、利用第二步产物MMA-PDMS-MMA与甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,MPS反应制备含硅五嵌段共聚物PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2;四、将正硅酸乙酯(TEOS)和乙醇按摩尔比1:10加入到反应瓶中,加入HCl溶液调节PH值再预水解1h;五、溶胶-凝胶法制备所需最终产物硅基纳米杂化材料,本发明具有过程方法简单快速,制备成本低,且保护效果明显的特点。
Description
技术领域
本发明涉及文物表面保护处理,特别涉及保护硅酸盐质文物的硅基纳米杂化材料的制备方法。
技术背景
硅基有机/无机纳米杂化材料兼具有机和无机材料的综合优点,近年来已引起新材料科学的广泛关注。由于这类杂化材料能够实现纳米尺度的均相分散,可以解决与基体之间热膨胀系数匹配的兼容性问题,同时还具有优异的化学稳定性,抗紫外线、抗雾、抗微生物、耐水、耐刮、耐湿热等性能,因此,硅基杂化纳米涂膜材料对生态、环境以及文物保护领域具有十分重大的意义。目前在文物保护领域已有相关报道或专利,但是针对于硅酸盐质文物的相关保护材料却很少。且现有的保护材料存在耐水性差,不耐老化和湿热性,机械性能差等缺陷,容易造成硅酸盐质文物的表面色泽和结构失真,表层容易脱落以及保护时间持久性差等问题,因此,制备获得一种硅基纳米杂化材料,对文物的保护以及生态环境的改善具有重大意义。基于无机纳米二氧化硅具有高硬度、化学稳定性、耐腐蚀、耐高低温、耐湿热等优点,可作为硅酸盐质文物基体加固材料;而有机硅具有良好的韧性、伸缩性、耐腐蚀、耐溶剂、耐高低温、低表面能等特性,且硅氧烷类水解可以进一步与硅酸盐质基体进行交联结合,具有很好的粘接强度和渗透性,可用于加固和粘接保护。因此,硅基有机/无机纳米杂化材料 可以在不改变硅酸盐基体本身原始形态及信息的前提下实现对其进行科学合理的保护,成为目前硅酸盐类文化遗产保护的杂化纳米材料亟需解决的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供保护硅酸盐质文物的硅基纳米杂化材料的制备方法,具有过程方法简单快速,制备成本低,且保护效果明显的特点。
为了达到上述目的,本发明的技术方案包括以下步骤:
保护硅酸盐质文物的硅基纳米杂化材料的制备方法,包括以下步骤:
一、氮气保护下,在反应瓶中加入含有双羟基硅油HO-PDMS-OH、三乙胺TEA和二甲氨基吡啶DMAP的THF溶液,然后用注射器加入溴代异丁酰溴BiBB,四者摩尔比为HO-PDMS-OH:TEA:DMAP:BiBB=1:2:3:2;冰浴2-3h后室温反应24h,处理后得到大分子引发剂—双溴基硅油Br-PDMS-Br;
二、利用第一步得到的大分子引发剂,采用原子基团转移(ATRP)法制备三嵌段聚合物MMA-PDMS-MMA:将大分子引发剂Br-PDMS-Br、甲基丙烯酸甲酯MMA、CuCl、TMEDA按摩尔比1:250:1:2,在氮气保护下加入到含有环己酮的反应茄形瓶中,环己酮与甲基丙烯酸甲酯MMA的摩尔比为1:1,80℃条件下持续反应24h,处理后得到白色粉状固体产物MMA-PDMS-MMA;
三、利用第二步产物MMA-PDMS-MMA与甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,MPS反应制备含硅五嵌段共聚物PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2:在 氮气保护下,在含有环己酮反应茄形瓶中,加入PMMA-b-PDMS-b-PMMA、CuCl、MPS和TMEDA的混合溶液,环己酮、PMMA-b-PDMS-b-PMMA、CuCl、MPS和TMEDA摩尔比为25:1:1:25:2,在120℃下反应24h,处理后得到白色粉状固体产物PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2;
四、将正硅酸乙酯(TEOS)和乙醇按摩尔比1:10加入到反应瓶中,加入适量的0.1mol/L的HCl溶液,调节PH值为4,50℃下预水解1h;
五、溶胶-凝胶法制备所需最终产物硅基纳米杂化材料,具体方式为:
步骤5.1、将步骤三中的得到的干燥粉末状固体产物加入THF溶剂中,配成质量百分数5%的THF溶液,移入到反应瓶中,通入N2,加入0.1mol/L的HCl溶液,调节PH值为4,50℃下预水解30min;
步骤5.2、取步骤四中产物加入到步骤5.1产物中,步骤四中的TEOS与步骤5.1中的PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2两者摩尔比为=1:(2-10),50℃下反应1h,促进缩合反应的进行,即得到杂化材料SiO2/PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2。
所述的步骤五溶胶-凝胶法制备所需最终产物硅基纳米杂化材料,还可以采用以下步骤制备:
步骤A、将步骤三中的得到的干燥粉末状固体产物加入THF溶剂中,配成质量百分数5%的THF溶液,移入到反应瓶中,通入N2,然后加入甲醇后搅拌30min,THF:甲醇摩尔比=9:1,促进聚合物组装体的形成;
步骤B、在步骤A得到的组装体溶液中,加入0.1mol/L的HCl溶液,调节PH值为4,50℃下预水解30min;
步骤C、取步骤四中产物加入到步骤B产物中,步骤四中的TEOS与 步骤B中预水解的聚合物组装体摩尔比为聚合物:TEOS=(2-10):1,50℃条件下反应1h,促进缩合反应的进行,即得到杂化材料PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2。
本发明所制得的两种硅基有机/无机纳米杂化材料的老化性能分析
一.硅基有机/无机纳米杂化材料的老化性能分析
两种硅基杂化材料SiO2/PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2和PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2的湿热循环后的水接触角和粘接力分析显示,PDMS-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2和SiO2/PDMS-(PMMA-b-PMPS)2膜表面接触角的减小较为缓慢,在湿热老化936h后降到90°以上,说明这些材料在强湿度环境中也能够在长期保持疏水性能。杂化材料PDMS-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2和SiO2/PDMS-(PMMA-b-PMPS)2老化前对基体具有非常强的粘接力,分别达到463.2N和358.39N。老化1392小时候后对基体粘接力能达到121.58N和138.17N,且不再随老化时间衰减,说明衰减之后仍然具有较高的粘接力。
硅基有机/无机纳米杂化材料的应用效果评价
利用杂化材料PDMS-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2或SiO2/PDMS-(PMMA-b-PMPS)2进行了砂岩和陶质硅酸盐样块模拟保护后的紫外光老化和表面色差、接触角、毛细吸水、水蒸气透过性和耐盐循环等进行评价。
色差的数据见表1和表2,表明PDMS-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2(表1)和SiO2/PDMS-(PMMA-b-PMPS)2(表2)杂化材料在紫外老化过程中颜色变化程度相对较小,对于紫外线照射有较好的抵抗作用。
表1 保护处理不同样块紫外老化色差变化
表2 保护处理不同样块紫外老化色差变化
经PDMS-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2或SiO2/PDMS-(PMMA-b-PMPS)2杂化材料处理过的砂岩样块的水蒸气渗透率较小,说明其在抗水的同时使得透气性变差。
经过盐侵蚀,未保护空白样的损坏程度大,质量损失约为30%,经过杂化材料PDMS-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2或SiO2/PDMS-(PMMA-b-PMPS)2保护处理的样块基本没有变化,其质量损失率成负值为-0.63%,结果说明经过杂化材料保护处理的样块的耐盐性能的提升突出。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例一
本实施例的制备方法,包括以下步骤:
一、在经过3-5次的抽真空和通氮气条件下,在反应瓶中加入含有双羟基硅油HO-PDMS-OH、三乙胺TEA和二甲氨基吡啶DMAP的THF溶液,然后用微量注射器加入溴代异丁酰溴BiBB,四者摩尔比为HO-PDMS-OH:TEA:DMAP:BiBB=1:2:3:2;冰浴2.5h后室温反应24h,经过滤和旋转蒸发处理,后得到大分子引发剂双溴基硅油(Br-PDMS-Br);
二、利用第一步得到的大分子引发剂,采用ATRP法制备三嵌段聚合物MMA-PDMS-MMA:将大分子引发剂Br-PDMS-Br,甲基丙烯酸甲酯(MMA),CuCl,TMEDA按摩尔比1:250:1:2,加入到含有环己酮的反应茄形瓶中,环己酮与甲基丙烯酸甲酯MMA的摩尔比为1:1,茄形瓶预先经过3-5次的抽真空和通氮气,在80℃条件下持续反应24h;经过中性氧化铝柱子去除配体后,旋转蒸发和甲醇沉析处理,得到白色粉状固体产物MMA-PDMS-MMA;
三、利用第二步产物MMA-PDMS-MMA与甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,MPS反应制备含硅五嵌段共聚物PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2:在氮气保护下,在含有环己酮反应茄形瓶中,加入PMMA-b-PDMS-b-PMMA、CuCl、MPS和TMEDA的混合溶液,环己酮、PMMA-b-PDMS-b-PMMA、CuCl、MPS和TMEDA摩尔比为25:1:1:25:2,在120℃下反应24h,处理后得到白色粉状固体产物PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2;经过中性氧化铝柱子去除配体后,旋转蒸发和甲醇中沉析处理,得到白色粉状固体产物PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2;
四、将正硅酸乙酯(TEOS)和乙醇按摩尔比1:10加入到反应瓶中,加入适量的0.1mol/L的HCl溶液,调节PH值为4,50℃下预水解1h;
五、溶胶-凝胶法制备所需最终产物硅基纳米杂化材料,具体方式为:
步骤5.1、将步骤三中得到的干燥粉末状固体产物加入THF溶剂中,配成质量百分数5%的THF溶液,移入到反应瓶中,通入N2,加入0.1mol/L的HCl溶液,调节PH值为4,50℃下预水解30min;
步骤5.2、取步骤四中产物加入到步骤5.1产物中,步骤四中的TEOS与步骤5.1中的PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2两者摩尔比为=1:10,50℃下反应1h,促进缩合反应的进行,即得到杂化材料SiO2/PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2。
将本实施例所得杂化材料SiO2/PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2经过接触角试验,结果表明有机/无机杂化材料SiO2/PDMS-(PMMA-b-PMPS)2有较好的疏水性,老化1392h都能保持在90°以上。
将本实施例所得杂化材料SiO2/PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2经过毛细吸水试验,结果表明经SiO2/PDMS-(PMMA-b-PMPS)2杂化材料处理过的砂岩样块的毛细吸水程度小到可以忽略不计:经过保护材料处理的样块的吸水率为0.66wt%,空白样块为6.02wt%。
实施例二
本实施例制备方法与实施例一相同,仅步骤五中的步骤5.2不同:
步骤5.2、取步骤四中产物加入到步骤5.1产物中,步骤四中的TEOS与步骤5.1中的PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2两者摩尔比为=1:5,50℃下反应1h,促进缩合反应的进行,即得到杂化材料SiO2/PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2。
实施例三
本实施例制备方法与实施例一相同,仅步骤五中的步骤5.2不同:
步骤5.2、取步骤四中产物加入到步骤5.1产物中,步骤四中的TEOS与步骤5.1中的PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2两者摩尔比为=1:2,50℃下反应1h,促进缩合反应的进行,即得到杂化材料SiO2/PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2。
实施例四
本实施例的制备方法,包括以下步骤:
一、在经过3-5次的抽真空和通氮气条件下,在反应瓶中加入含有双羟基硅油HO-PDMS-OH、三乙胺TEA和二甲氨基吡啶DMAP的THF溶液,然后用微量注射器加入溴代异丁酰溴BiBB,四者摩尔比为HO-PDMS-OH:TEA:DMAP:BiBB=1:2:3:2;冰浴2.5h后室温反应24h,经过滤和旋转蒸发处理,后得到大分子引发剂双溴基硅油(Br-PDMS-Br);
二、利用第一步得到的大分子引发剂,采用ATRP法制备三嵌段聚合物MMA-PDMS-MMA:将大分子引发剂Br-PDMS-Br,甲基丙烯酸甲酯(MMA),CuCl,TMEDA按摩尔比1:250:1:2,加入到含有环己酮的反应茄形瓶中,环己酮与甲基丙烯酸甲酯MMA的摩尔比为1:1,茄形瓶预先经过3-5次的抽真空和通氮气,在80℃条件下持续反应24h。经过中性氧化铝柱子去除配体后,旋转蒸发和甲醇沉析处理,得到白色粉状固体产物MMA-PDMS-MMA;
三、利用第二步产物MMA-PDMS-MMA与甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,MPS反应制备含硅五嵌段共聚物PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2:在氮气保护下,在含有环己酮反应茄形瓶中,加入PMMA-b-PDMS-b-PMMA、 CuCl、MPS和TMEDA的混合溶液,环己酮、PMMA-b-PDMS-b-PMMA、CuCl、MPS和TMEDA摩尔比为25:1:1:25:2,在120℃下反应24 h,处理后得到白色粉状固体产物PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2;经过中性氧化铝柱子去除配体后,旋转蒸发和甲醇中沉析处理,得到白色粉状固体产物PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2;
四、将正硅酸乙酯(TEOS)和乙醇按摩尔比1:10加入到反应瓶中,加入适量的0.1mol/L的HCl溶液,调节PH值为4,50℃下预水解1h;
五、溶胶-凝胶法制备所需最终产物硅基纳米杂化材料,具体方式为:
步骤A、将步骤三中的得到的干燥粉末状固体产物加入THF溶剂中,配成质量百分数5%的THF溶液,移入到反应瓶中,通入N2,然后加入甲醇后搅拌30min,THF:甲醇摩尔比=9:1,促进聚合物组装体的形成;
步骤B、在步骤A得到的组装体溶液中,加入0.1mol/L的HCl溶液,调节PH值为4,50℃下预水解30min,
步骤C、取步骤四中产物加入到步骤B产物中,步骤四中的TEOS与步骤B中预水解的聚合物组装体摩尔比为聚合物:TEOS=5:1,50℃条件下反应1h,促进缩合反应的进行,即得到杂化材料PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2。
将本实施例所得杂化材料PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2经过接触角试验,结果表明有机/无机杂化材料PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2有较好的疏水性,老化1392h都能保持在90°以上。
将本实施例所得杂化材料PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2经过毛细吸水试验,结果表明经PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2杂化材料处理过的砂 岩样块的毛细吸水程度小到可以忽略不计:经过保护材料处理的样块的吸水率为0.76wt%,空白样块为5.82wt%。
实施例五
本实施例制备方法与实施例四相同,仅步骤五中的步骤C不同:
步骤C、取步骤四中产物加入到步骤B产物中,步骤四中的TEOS与步骤B中预水解的聚合物组装体摩尔比为聚合物:TEOS=2:1,50℃条件下反应1h,促进缩合反应的进行,即得到杂化材料PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2。
实施例六
本实施例制备方法与实施例四相同,仅步骤五中的步骤C不同:
步骤C、取步骤四中产物加入到步骤B产物中,步骤四中的TEOS与步骤B中预水解的聚合物组装体摩尔比为聚合物:TEOS=10:1,50℃条件下反应1h,促进缩合反应的进行,即得到杂化材料PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2。
Claims (8)
1.保护硅酸盐质文物的硅基纳米杂化材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
一、氮气保护下,在反应瓶中加入含有双羟基硅油HO-PDMS-OH、三乙胺TEA和二甲氨基吡啶DMAP的THF溶液,然后用注射器加入溴代异丁酰溴BiBB,四者摩尔比为HO-PDMS-OH:TEA:DMAP:BiBB=1:2:3:2;冰浴2-3h后室温反应24h,处理后得到大分子引发剂—双溴基硅油Br-PDMS-Br;
二、利用第一步得到的大分子引发剂,采用原子基团转移(ATRP)法制备三嵌段聚合物MMA-PDMS-MMA:将大分子引发剂Br-PDMS-Br、甲基丙烯酸甲酯MMA、CuCl、TMEDA按摩尔比1:250:1:2,在氮气保护下加入到含有环己酮的反应茄形瓶中,环己酮与甲基丙烯酸甲酯MMA的摩尔比为1:1,80℃条件下持续反应24h,处理后得到白色粉状固体产物MMA-PDMS-MMA;
三、利用第二步产物MMA-PDMS-MMA与甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,MPS反应制备含硅五嵌段共聚物PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2:在氮气保护下,在含有环己酮反应茄形瓶中,加入PMMA-b-PDMS-b-PMMA、CuCl、MPS和TMEDA的混合溶液,环己酮、PMMA-b-PDMS-b-PMMA、CuCl、MPS和TMEDA摩尔比为25:1:1:25:2,在120℃下反应24h,处理后得到白色粉状固体产物PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2;
四、将正硅酸乙酯(TEOS)和乙醇按摩尔比1:10加入到反应瓶中,加入适量的0.1mol/L的HCl溶液,调节PH值为4,50℃下预水解1h;
五、溶胶-凝胶法制备所需最终产物硅基纳米杂化材料,具体方式为:
步骤5.1、将步骤三中的得到的干燥粉末状固体产物加入THF溶剂中,配成质量百分数5%的THF溶液,移入到反应瓶中,通入N2,加入0.1mol/L的HCl溶液,调节PH值为4,50℃下预水解30min;
步骤5.2、取步骤四中产物加入到步骤5.1产物中,步骤四中的TEOS与步骤5.1中的PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2两者摩尔比为=1:(2-10),50℃下反应1h,促进缩合反应的进行,即得到杂化材料SiO2/PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2。
2.根据权利要求1所述的保护硅酸盐质文物的硅基纳米杂化材料的制备方法,其特征在于,步骤五溶胶-凝胶法制备所需最终产物硅基纳米杂化材料,采用以下步骤制备:
步骤A、将步骤三中得到的干燥粉末状固体产物加入THF溶剂中,配成质量百分数5%的THF溶液,移入到反应瓶中,通入N2,然后加入甲醇后搅拌30min,THF:甲醇摩尔比=9:1,促进聚合物组装体的形成;
步骤B、在步骤A得到的组装体溶液中,加入0.1mol/L的HCl溶液,调节PH值为4,50℃下预水解30min,
步骤C、取步骤四中产物加入到步骤B产物中,步骤四中的TEOS与步骤B中预水解的聚合物组装体摩尔比为聚合物:TEOS=(2-10):1,50℃条件下反应1h,促进缩合反应的进行,即得到杂化材料PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2。
3.根据权利要求1所述的保护硅酸盐质文物的硅基纳米杂化材料的制备方法,其特征在于,步骤5.2、取步骤四中产物加入到步骤5.1产物中,步骤四中的TEOS与步骤5.1中的PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2两者摩尔比为=1:10,50℃下反应1h,促进缩合反应的进行,即得到杂化材料SiO2/PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2。
4.根据权利要求1所述的保护硅酸盐质文物的硅基纳米杂化材料的制备方法,其特征在于,步骤5.2、取步骤四中产物加入到步骤5.1产物中,步骤四中的TEOS与步骤5.1中的PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2两者摩尔比为=1:5,50℃下反应1h,促进缩合反应的进行,即得到杂化材料SiO2/PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2。
5.根据权利要求1所述的保护硅酸盐质文物的硅基纳米杂化材料的制备方法,其特征在于,步骤5.2、取步骤四中产物加入到步骤5.1产物中,步骤四中的TEOS与步骤5.1中的PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2两者摩尔比为=1:2,50℃下反应1h,促进缩合反应的进行,即得到杂化材料SiO2/PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2。
6.根据权利要求2所述的保护硅酸盐质文物的硅基纳米杂化材料的制备方法,其特征在于,步骤C、取步骤四中产物加入到步骤B产物中,步骤四中的TEOS与步骤B中预水解的聚合物组装体摩尔比为聚合物:TEOS=5:1,50℃条件下反应1h,促进缩合反应的进行,即得到杂化材料PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2。
7.根据权利要求2所述的保护硅酸盐质文物的硅基纳米杂化材料的制备方法,其特征在于,步骤C、取步骤四中产物加入到步骤B产物中,步骤四中的TEOS与步骤B中预水解的聚合物组装体摩尔比为聚合物:TEOS=2:1,50℃条件下反应1h,促进缩合反应的进行,即得到杂化材料PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2。
8.根据权利要求2所述的保护硅酸盐质文物的硅基纳米杂化材料的制备方法,其特征在于,步骤C、取步骤四中产物加入到步骤B产物中,步骤四中的TEOS与步骤B中预水解的聚合物组装体摩尔比为聚合物:TEOS=10:1,50℃条件下反应1h,促进缩合反应的进行,即得到杂化材料PDMS-b-(PMMA-b-PMPS)2/SiO2。
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