新型四重氢键聚氨酯扩链剂的合成、性能及应用研究

摘要

超分子聚合物通过非共价键连接不同组分，在适当的条件下这些非共价键可以解离和重组，这个过程是可逆的，根据这一性质可以设计不同种类的功能材料。近年来，基于UPy(2-ureido-4[1H]-pyrimidone)的超分子材料受到了极大关注，UPy可以通过自互补四重氢键形成二聚体，从而大大提高超分子聚合物的聚合程度。UPy若被引入到了聚合物的端基中，则可以将低聚体通过端基UPy的二聚，形成超分子的长链，其机械性能会发生很大的改变。若多个 UPy被引入到聚合物的一条链上，可以得到以 UPy二聚体为物理交联点的可逆的超分子交联网络，与化学交联的聚合物网络相比，其保持了聚合物的弹性，也保留了聚合物的可加工性。
　　本文期望将 UPy可以通过四重氢键二聚的特点与聚氨酯低成本、原料简单易得、结构可设计等优点相结合，制备含 UPy的聚氨酯材料。通过合成两种新型含有 UPy官能团的二醇化合物，作为扩链剂通过羟基与聚氨酯预聚体中异氰酸酯的反应，将 UPy官能团引入到了聚氨酯材料的主链及侧链中，合成了不同UPy含量的聚氨酯并研究了其相关性能。
　　选用不同分子量的聚氨酯软段合成了四种主链含UPy聚氨酯。TGA, DSC, DMA测试结果表明，聚氨酯主链上引入UPy官能团会导致聚氨酯耐热性减弱，随着所用软段分子量增加，UPy含量减少，聚氨酯耐热性越来越好。由于UPy基团附近的氨酯键的氢键的引导作用，进行横向集聚形成的微晶，其熔点在60℃左右。玻璃化转变温度随着软段分子量增加而下降，同时四种主链含 UPy聚氨酯都在0℃-50℃左右有个典型的橡胶平台。拉伸性能测试表明，主链含UPy聚氨酯随着软段分子量的增大，主链中 UPy含量降低，使聚氨酯强度下降，但伸长率因为柔性软段分子量增大而提高。
　　选用1,4-丁二醇与UPy侧基的二醇按不同比例混合，合成了UPy侧链含量不同的聚氨酯。TGA, DSC, DMA测试结果表明，聚氨酯中UPy侧链含量越多时，起始分解温度越低。而UPy侧链对主链的分解起到一定的延迟作用。含侧链UPy聚氨酯由于UPy基团附近的脲键的氢键的引导作用，也会进行横向集聚形成的微晶，其熔点在60℃-70℃左右。随着UPy含量的增加，使含侧链UPy聚氨酯的玻璃化转变温度向低温偏移。拉伸测试结果表明随着UPy侧链含量的增加，材料的断裂伸长率增加，而断裂强度出现先减小后增大的趋势，有一个最低点。

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第一章 绪论

1.1 超分子聚合物

1.1.1 超分子化学与超分子聚合物

1.1.2 超分子聚合物里的主要作用力

1.2 氢键超分子聚合物

1.2.1 氢键

1.2.2 单重氢键体系

1.2.3 双重氢键体系

1.2.4 三重氢键体系

1.2.5 四重氢键体系

1.2.6 多重氢键体系

1.3 Upy改性聚合物研究进展

1.3.1 概述

1.3.2 端基含UPy聚合物

1.3.3 侧基含UPy聚合物

1.3.4 含UPy的支化型聚合物

1.3.5 主链含UPy聚合物

1.3.6 UPy四重氢键体系的理论研究

1.4 聚氨酯及聚氨酯扩链剂

1.4.1 聚氨酯概述

1.4.2 聚氨酯的发展

1.4.3 聚氨酯的扩链剂

1.5 本文研究的意义及主要内容

第二章 主链含UPy官能团的聚氨酯

2.1 引言

2.2实验部分

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验仪器与测试条件

2.2.3 主链UPy扩链剂的合成

2.2.4 主链含UPy聚氨酯的合成

2.3 结果与讨论

2.3.1 主链UPy扩链剂的结构表征

2.3.2 主链含UPy聚氨酯的结构表征

2.3.3 主链含UPy聚氨酯的分子量及其分布

2.3.4 主链含UPy聚氨酯的热失重分析

2.3.5 主链含UPy聚氨酯的DSC分析

2.3.6 主链含UPy聚氨酯的DMA分析

2.3.7 主链含UPy聚氨酯的力学性能

2.3.8 主链含UPy聚氨酯的AFM测试

2.4 本章小结

第三章 侧链含UPy官能团的聚氨酯

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验原料

3.2.2 实验仪器与测试条件

3.2.3 侧链UPy扩链剂的合成

3.2.4 侧链含UPy聚氨酯的合成

3.3 结果与讨论

3.3.1 侧链UPy扩链剂的结构表征

3.3.2 侧链含UPy聚氨酯的结构表征

3.3.3 侧链含UPy聚氨酯的分子量及其分布

3.3.4 侧链含UPy聚氨酯的热失重分析

3.3.5 侧链含UPy聚氨酯的DSC分析

3.3.6 侧链含UPy聚氨酯的DMA分析

3.3.7 侧链含UPy聚氨酯的力学性能

3.4 本章小结

第四章 全文总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文