兼具耐高温和高静电耗散能力的热可逆自修复聚氨酯膜的研究

摘要

静电击穿是由于静电的积累而导致放电的现象，有效防止静电击穿已经成为事关人们安全生产与生活的重要因素之一。因此，能够有效防止静电积累与静电击穿现象发生的静电耗散（导静电）涂料的研发成为一个具有重要社会意义和经济价值的课题。在实际应用过程中，涂层直接与外界环境接触，不可避免因为外力或者内应力作用产生划痕等损伤。为了确保设备仪器的安全使用，研发采用具有可逆自修复特性的静电耗散涂层引起人们的浓厚兴趣。迄今，研制兼具导静电和可逆自修复功能的涂料是一个有趣的、高难度的挑战。本文针对这一挑战展开相关研究。
　　本文从新型多呋喃单体及常温下呈液态的超支化多马来酰亚胺的设计合成出发，分别以多壁碳纳米管（CNT）和石墨烯（rGO）为导体，设计合成了基于Diels-Alder反应的新型交联自修复静电耗散聚氨酯膜。具体研究工作主要包括以下三个方面。
　　首先，基于分子设计，合成了一种新型线型呋喃化聚氨酯（FPU）和液态多马来酰亚胺封端的超支化聚硅氧烷（HSiNCM），其中FPU上含有大量的呋喃环，HSiNCM上含有丰富的基团。然后，酸化CNTs、FPU与HSiNCM通过反应制备出聚氨酯膜（PU-DA-CNT）。并对其结构进行了测试和表征。
　　其次，研究了PU-DA-CNT膜的静电耗散、耐热性及自修复性能。研究发现PU-DA-CNT2（含1.96wt％aCNTs）具有优异的静电耗散性能，其表面电阻、静电衰减半衰期和电导率分别为3.094×108Ω、0.07s和4.116×10-8S·cm-1。热失重（TG）结果显示，当aCNTs含量＞0.99wt%时，PU-DA-CNT具有优异的耐热性，相比于其他自修复PU材料，其初始热分解温度（Tdi）提升了20-40oC。PU-DA-CNT2膜具有优异的自修复能力，其自修复原理主要是由于DA键的热可逆反应。热台偏光显微镜观察发现，当表面有裂纹出现时，经过130oC/5min和50oC/48h处理后，裂纹得到修复。核磁数据图谱证明，这种修复能够持续多次。此外，PU-DA-CNT2膜具有优异的自修复效率，应力-应变测试表明，其最高一次自修复效率为92.54%，超过现有文献中同类所有PU的自修复效率；同时其两次修复效率也高于现有文献中同类PU的自修复效率。综合研究结果表明，PU-DA-CNT2具有优异的综合性能，集突出的耐热性、优异的静电耗散性能和自修复性能为一体，是迄今为止唯一兼具耐高温和高静电耗散能力的热可逆自修复材料，显示出巨大的应用前景和价值。
　　第三，我们用石墨烯（rGO）代替CNT作为导体，制备了不同含量的rGO静电耗散聚氨酯膜（PU-DA-rGO），发现其也拥有优异的静电耗散性能和自修复性能。初步证明了PU-DA-rGO2具备优异的静电耗散性能，其最主要的亮点在于低含量填料就能满足优异静电耗散性能的要求。

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第一章 文献综述

1.1前言

1.2导静电涂层

1.2.1本征型导静电涂层

1.2.2添加型导静电涂层

1.3自修复材料

1.3.1添加型自修复

1.3.2本征型自修复

1.4 CNT和rGO的表面改性

1.4.1 CNT的共价改性

1.4.2 CNT的非共价改性

1.4.3 石墨烯（rGO）的改性

1.5 聚氨酯（PU）涂层

1.6 课题的提出及研究内容

第二章 耐高温/高静电耗散热可逆自修复聚氨酯膜的研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验材料

2.2.2 HSiNCM的制备

2.2.3 FPU的制备

2.2.4 CNT的酸化改性

2.2.5 PU-DA-CNT的合成

2.2.6 结构表征与性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 HSiNCM的结构

2.3.2 FPU的结构

2.3.3 aCNTs的结构

2.3.4 PU-DA-CNT的结构

2.3.5 PU-DA-CNT的热性能

2.3.6 PU-DA-CNT的静电耗散性能

2.3.7 PU-DA-CNT的自修复性能

2.4本章小结

第三章 高静电耗散热可逆自修复石墨烯/PU膜的研究

3.1 前言

3.2实验部分

3.2.1 实验材料

3.2.2 GO的制备

3.2.3 HSiNCM的制备

3.2.4 FPU的制备

3.2.5 PU-DA-rGO的合成

3.2.6 结构表征与性能测试

3.3结果与讨论

3.3.1 PU-DA-rGO的结构

3.3.2 PU-DA-rGO的热性能

3.3.3 PU-DA-rGO的静电耗散性能

3.3.4 PU-DA-rGO的自修复性能

3.4 本章小结

第四章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和申请的专利

致谢