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以內(nèi)的材料。納米材料具有表面效應(yīng)和量子機械效應(yīng)，如“量子尺寸”效應(yīng)。它們在聲、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)界研究的熱點和重點。聚氨酯(PU)因其具有優(yōu)異的機械性能，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機納米材料是一個拓展其性能和應(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)合材料的基體樹脂，而研究如何使無機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機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)基團的硫醇，再將之與異氰酸酯反應(yīng)通過共價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：納米硫化鋅均勻的分散在聚氨酯中，無明顯團聚

4、。由于硫化鋅的尺寸遠小于可見光波長，因而所制備的硫化鋅納米顆粒對于體系的透光率影響較小，光學(xué)測試結(jié)果表明復(fù)合材料薄膜在可見光波長范圍內(nèi)的透光率均高于87％，能夠滿足光學(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)，使離子液體通過共價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于制各的聚（氨酯-離子液體）性能的影響。通過相互作用參數(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。性能測試結(jié)果表明：PUILs的模量、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和拉伸強度都高于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）作為基體樹脂，將碳納米管以非共價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

7、離子間的“兀-cation"相互作用增強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，這對于納米復(fù)合材料來說是至關(guān)重要的，有利于充分發(fā)揮納米材料的性能。測試結(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。從測試結(jié)果來看，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石墨烯有較好的穩(wěn)定、分散作用，從而能夠?qū)⑹┮苑枪矁r鍵的方式引入到體系中，盡可能的