定量评价纳米粒子在基体中的分散性

【摘要】由于纳米粒子在基体中的分散程度对于纳米复合材料的性能有很大的影响。因此，确立一个合适的纳米粒子分散性定量评价方法，对优化纳米复合材料结构，改善纳米复合材料的性能有着极大的促进作用。为了能更好地定量分析纳米粒子在基体中的分散程度，使提取的分散评价指数能更精确地反映纳米粒子的分散效果，本文在前人研究的基础上，首次提出了一个全面考虑三维结构信息的定量评价粒子分散性的新方法——体视能量法。并以二氧化硅/环氧树脂纳米复合材料作为评价对象，利用体视能量法对纳米二氧化硅在基体中的分散性进行定量评价。在此基础上，利用材料的物理热性能（玻璃化温度Tg）对体视能量法进行了验证。首先，体视能量法依据的是粒子表面能原理，即粒子的分散程度越高，表面能越大，而表面能又与比表面积相关联。即粒子尺寸越小，粒子的比表面积越大，分散效果越好。为了求出粒子的比表面积，引入了生物学中常用的体视学法来解决这个问题，求取粒子的平均比表面积，然后以此为基础定义一个分散指数去定量评价分散性。由于结合了表面能和体视法，因此，将该评价方法命名为体视能量法。其次，以PEG为分散剂，纳米二氧化硅粒子为增强材料，环氧树脂为基体，采用共混法制备了纳米粒子含量相同但在基体中分散程度不同的二氧化硅/环氧树脂纳米复合材料，利用扫描电子显微镜拍摄其断面照片，作为体视能量法评价纳米粒子在基体中分散性的研究对象。再次，通过MATLAB软件对SEM图像进行滤波、形态学处理以及阈值化等处理，最大程度地保留原有信息并且凸显出需要的信息。最后，通过体视能量法有效地从二维图像中提取三维信息，利用这些信息判断粒子表面能大小，提取出分散指数,定量评价分散性。与其他现有的分散性定量分析方法（诸如自由路径法和面积分割法）相比，在诸多分散状况不同的条件下，体视能量法表现出更好的普适性。利用体视能量法对二氧化硅/环氧树脂纳米复合材料的SEM断面图像中的纳米粒子进行定量评价，体视能量法表现出相当好的关联性和准确性。随着粒子在基体中分散性的变差，分散指数相应减小。相反，随着粒子在基体中分散性的改善，分散指数相应增大。最后，利用二氧化硅/环氧树脂纳米复合材料的物理热性能（Tg），对体视能量法提取的分散指数的合理性和准确性进行了定性验证，结果显示体视能量法定量评价纳米粒子在基体中的分散性具有正确性和可靠性。
【作者】付翔；
【导师】傅雅琴；
【作者基本信息】浙江理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】纳米；分散性；表面能；体视法；定量评价；

【参考文献】
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