HTBN/PTMG基聚氨酯弹性体复合材料的制备与性能

摘要

聚四氢呋喃醚二醇(PTMG)结构规整，制得的聚氨酯弹性体在受到应力时易发生取向结晶，使PTMG基聚氨酯具有优良的力学性能，但分子主链上含有杂原子，高温时分子主链易在杂原子处断裂；端羟基聚丁二烯-丙烯腈(HTBN)分子主链为纯碳链多元醇，不含其它杂原子，具有良好的耐温性能，但HTBN基聚氨酯弹性体力学性能较差；HTBN/PTMG基弹性体能有效的结合两者的优点，制备出综合性能优异的聚氨酯弹性体。本论文从聚氨酯分子主链结构进行设计，软段分子间分别引入了由N,N-间苯撑双马来酰亚胺(HVA-2)构成的小分子交联键和由氢氧化甲基丙酸锌盐(HZMMA)聚合生成的离子聚合物(P-HZMMA)构成的离子聚合物交联键，硬段分子间引入无机纳米片层氧化石墨烯(GO)；分别在基体中形成的化学交联网络和物理交联网络，极大地改善了材料的耐温性，提高了材料的拉伸强度。
　　详细探究HVA-2邻接交联型聚氨酯弹性体的制备与性能。以PTMG、HTBN和交联剂HVA-2作为共混软段，甲苯二异氰酸酯(TDI)为硬段，3,5-二甲硫甲苯二胺(DMTDA)为扩链剂制备出邻接交联型聚氨酯脲(PUU)，研究硬段含量、交联密度和温度对其力学性能的影响，深入探讨交联密度对材料热稳定性和低温热性能的影响。采用平衡溶胀法、高低温力学测试、热失重分析法(TGA)、差示扫描量热分析法(DSC)等测试手段对材料的交联密度、力学性能以及热性能进行分析表征。结果表明，当硬段质量分数为39％时，线型PUU的拉伸强度最好；HVA-2的加入增加了PUU的交联密度，当交联密度为0.947×10-3 mol·cm-3时，交联型PUU比线型PUU的拉伸强度提高了17.3%，最高分解温度提高了20.1℃，玻璃化转变温度(Tg)增加了5℃。HVA-2形成的交联网络提高了材料的热性能和力学性能。
　　详细探究离子聚合物邻接交联型聚氨酯弹性体的制备与性能。以丁腈羟和聚醚二醇、甲苯二异氰酸酯为原料制备出预聚体，加入混合扩链剂HZMMA、DMTDA和过氧化二异丙苯(DCP)，在聚氨酯固化过程中HZMMA在DCP的引发下发生自由基聚合形成离子聚合物，同时离子聚合物自由基活性链与聚氨酯软段结构中的不饱和双键反应形成交联，制备出离子聚合物邻接交联型聚氨酯弹性体；研究离子聚合物对材料的力学性能、氢键化作用、低温热性能和热稳定性的影响。结果表明，当HZMMA质量分数为0.2%时材料的拉伸强度和扯断伸长率达到最佳，交联型PUU在高温下力学性能保留率显著提高，变温红外表明交联结构减缓了温度对PUU氢键化的破坏，热失重表明材料的最高热分解温度从401.3℃提高到423.3℃。离子聚合物形成的交联网络不仅提高了PUU的拉伸强度而且扯断伸长率也得到提高，同时耐温性显著改善。
　　详细探究氧化石墨烯/聚氨酯弹性体的制备与性能。借鉴Hummer法制备出氧化石墨烯(GO)，并采用原位聚合法将GO接枝到聚氨酯硬段上，制备出GO/PU复合材料。研究了GO对材料的力学性能和热性能的影响。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、广角X射线衍射(XRD)、材料拉伸机、SEM、DSC、TGA等检测手段分别对氧化石墨烯和氧化石墨烯/聚氨酯复合材料的结构和性能进行了分析表征。结果表明，石墨的层间距由0.337 nm增加到氧化石墨烯的1.055 nm，复合材料的XRD谱图中未出现GO的特征峰，表明GO在聚氨酯基体中以单片层状态均匀分散，在扫描电镜中也得出相同的结论；复合材料的拉伸强度由38.3 MPa增加到44.9 MPa，最高分解温度由401.3℃提高到450℃。氧化石墨烯在聚氨酯基体中分散性较好，复合材料的拉伸强度和热稳定性得到极大的改善。

目录

论文中使用的符号和缩写说明

1 文献综述

1.1 聚氨酯的发展

1.2 聚氨酯弹性体

1.3 聚氨酯弹性体中的结构与性能

1.4 聚氨酯弹性体的改性方法

1.5 石墨烯的结构及应用

1.6 本课题研究的意义和内容

2 HVA-2邻接交联型聚氨酯弹性体的制备与性能

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 分析测试

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

3 离子聚合物交联型聚氨酯弹性体的制备与性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 性能测试

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

4 氧化石墨烯/聚氨酯复合材料的制备与性能

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 性能测试

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与或完成的课题

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