聚氨酯基納米復(fù)合材料的制備和性能研究.pdf

1、納米材料是指其微結(jié)構(gòu)中至少有一相的一維尺度在lOOnm以?xún)?nèi)的材料。納米材料具有表面效應(yīng)和量子機(jī)械效應(yīng)，如“量子尺寸”效應(yīng)。它們?cè)诼?、光、電、磁、熱力學(xué)和催化等方面有著特殊的性能，是目前學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。聚氨酯(PU)因其具有優(yōu)異的機(jī)械性能，優(yōu)良的耐磨性能、耐疲勞性、耐化學(xué)腐蝕及高抗沖性等，而成為一類(lèi)用途非常廣泛的聚合物材料。但是傳統(tǒng)PU材料正面臨著材料的功能化以及多用途化的挑戰(zhàn)，而在聚氨酯中引入無(wú)機(jī)納米材料是一個(gè)拓展其性能和應(yīng)用領(lǐng)

2、域的有效途徑。聚氨酯的柔性鏈段較適宜作為納米復(fù)合材料的基體樹(shù)脂，而研究如何使無(wú)機(jī)納米材料在聚氨酯中均勻分散是制備聚氨酯基納米復(fù)合材料的關(guān)鍵。
　　 本文的研究目的是如何將無(wú)機(jī)納米材料引入到聚氨酯體系中制備聚氨酯基納米復(fù)合材料，以使聚氨酯具有高折光、導(dǎo)電，或者有提高的熱力學(xué)性能等，從而大大拓寬聚氨酯的性能和應(yīng)用領(lǐng)域。
　　 本文制備了一種具有高折光指數(shù)的含硫聚氨酯及其與ZnS的納米復(fù)合光學(xué)材料(PTU/ZnS)。為制備高折

3、光指數(shù)的聚氨酯基納米復(fù)合光學(xué)材料，首先將硫元素引入到聚氨酯中，制得折光指數(shù)遠(yuǎn)高于普通聚氨酯(n=1.50-1.56)的含硫聚氨酯(n=1.63)，然后在體系中引入納米硫化鋅進(jìn)一步提高其折光指數(shù)。為避免含量較高的硫化鋅納米顆粒在聚氨酯中團(tuán)聚，采用了在納米硫化鋅顆粒表面包覆上具有可反應(yīng)基團(tuán)的硫醇，再將之與異氰酸酯反應(yīng)通過(guò)共價(jià)鍵引入到含硫聚氨酯中制備了含硫聚氨酯/硫化鋅納米復(fù)合材料。由透射電鏡圖可見(jiàn)：納米硫化鋅均勻的分散在聚氨酯中，無(wú)明顯團(tuán)聚

4、。由于硫化鋅的尺寸遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)，因而所制備的硫化鋅納米顆粒對(duì)于體系的透光率影響較小，光學(xué)測(cè)試結(jié)果表明復(fù)合材料薄膜在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透光率均高于87％，能夠滿(mǎn)足光學(xué)材料的要求。隨著納米硫化鋅含量的增加，復(fù)合材料薄膜的折光指數(shù)有效地從1.63提高到1.79。
　　 制備了一類(lèi)新的含有咪唑基離子液體的聚（氨酯-離子液體），將帶有羥基的離子液體與異氰酸酯反應(yīng)，使離子液體通過(guò)共價(jià)鍵而引入到聚氨酯中。文中分別制備了含有Cl-，BF4-

5、和PF6-陰離子的聚（氨酯-離子液體），并研究了不同陰離子對(duì)于制各的聚（氨酯-離子液體）性能的影響。通過(guò)相互作用參數(shù)R值，可以比較含有不同陰離子的聚（氨酯-離子液體）中分子間作用力的大小。PUILs的分子間相互作用大小順序是PUCI>PUPF>PUBF>PU，離子液體的加入，不同程度的提高了聚氨酯的分子間相互作用，其中含有CI"的聚（氨酯-離子液體）分子間作用力最強(qiáng)。性能測(cè)試結(jié)果表明：PUILs的模量、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和拉伸強(qiáng)度都高于PU

6、，而且大小順序與R值完全一致。但是，含有CT和PF6-陰離子的聚（氨酯-離子液體）較胞，表明保持一定的微觀相分離對(duì)于聚氨酯力學(xué)性能具有重要意義。含有BF4-陰離子的聚（氨酯-離子液體）以其較好的綜合性能被選為制備與碳納米管的復(fù)合材料的基體樹(shù)脂。
　　 在上一節(jié)的基礎(chǔ)上，我們以含有BF4-陰離子的聚（氨酯-離子液體）作為基體樹(shù)脂，將碳納米管以非共價(jià)鍵的方式引入到體系中制備出聚（氨酯-離子液體）/碳納米管的復(fù)合材料。碳納米管與咪唑陽(yáng)

7、離子間的“兀-cation"相互作用增強(qiáng)了碳管與聚合物界面間的親和力，有助于提高碳納米管在聚氨酯中的分散性，這對(duì)于納米復(fù)合材料來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，有利于充分發(fā)揮納米材料的性能。測(cè)試結(jié)果表明：在聚（氨酯-離子液體）中添加少量的碳管，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、模量、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等都得以顯著提高。
　　 制備了石墨烯、含有可聚合雙鍵的聚氨酯、聚（氨酯-離子液體）共聚物及其與石墨烯的納米復(fù)合材料。離子液體自聚物本身是一種較脆的黃色粉末狀固體，

8、而共聚物則是一種淺黃色透明的有彈性的聚合物，這實(shí)現(xiàn)了我們以聚氨酯改善離子液體聚合物剛性的初衷。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，離子液體的加入顯著提高了聚氨酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和模量。利用離子液體和石墨烯間的“π-cation”相互作用，將石墨烯均勻的分散在其中，然后再與聚氨酯原位自由基聚合得到聚（氨酯-離子液體）共聚物與石墨烯的納米復(fù)合材料。離子液體和石墨烯間的相互作用對(duì)石墨烯有較好的穩(wěn)定、分散作用，從而能夠?qū)⑹┮苑枪矁r(jià)鍵的方式引入到體系中，盡可能的