高介电性能聚氨酯材料制备及微观结构与性能关系研究

摘要

最近，介电弹性体在传感器、能源收集和驱动器等领域中的应用前景受到广大研究者的兴趣。聚氨酯材料是其性能可调性较好，力学和物理性能较好的一种弹性体材料。聚氨酯中含有极性基团使得其介电常数高于7，可以通过原料的选择获得不同介电常数的聚氨酯弹性体，正是这一优点使得其引起科学家的广泛兴趣，但是其发展也面临许多挑战，如何得到高介电常数的聚氨酯弹性体一直是问题的关键，然而介电聚氨酯材料的结构与性能关系并不清楚。本论文通过原料的选择合成一种高介电常数的聚氨酯弹性体，并通过FTIR、SAXS、XRD、DSC、TGA和DMA等测试手段对聚氨酯进行了结构和性能的表征。研究的内容主要有:(1)合成不同的软段结构的聚氨酯，研究其对聚氨酯介电弹性体结构和性能的影响;(2)通过改变硬段结构研究其对聚氨酯介电弹性体结构和性能的影响;(3)探究了不同硬段含量对聚氨酯介电弹性体结构和性能的影响;(4)采用胺类和醇类的扩链剂制备聚氨酯材料，研究扩链剂对聚氨酯介电弹性体结构和性能的影响;(5)研究了热处理对聚氨酯介电弹性体结构和性能的影响。
　　研究结果表明:1）相同硬段结构与含量的端羟基聚丁二烯(HTBN)和端羟基丁二烯-丙烯腈共聚物(HTBN)基聚氨酯材料的介电性能比较结果表明，软段含有极性基团的HTBN基聚氨酯材料显示更高的介电性能，HTBN基聚氨酯材料的介电常数能达到9.2在1000Hz;2)HTBN和HTPB基聚氨酯材料中，HDI为硬段的型聚氨酯的介电常数高于相应的MDI和TDI为硬段的聚氨酯材料的介电常数;3）在HTBN和HTPB体系中，随着硬段含量的增大，其介电常数也随之增大，从7.8增大至8.6，从5.1增大至5.8;4）研究结果表明扩链剂的化学结构也影响聚氨酯材料的介电常数，胺类扩链剂合成的聚氨酯的介电常数高于醇类扩链剂;胺类扩链剂合成的聚氨酯的介电常数随热处理的温度升高降低，醇类扩链剂则相反。以上的研究结果表明，聚氨酯材料的介电性能可以通过改变聚氨酯材料的硬段化学结构、扩链剂以及软段化学结构进行调控，而且提高相分离程度和结晶度，以及软段的极性有利于提高聚氨酯材料的介电常数，尤其是低频的介电常数。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景和研究意义

1．1．1 电活性聚合物

1．1．2 研究意义

1．2 介电弹性体

1．2．1 介电弹性体驱动的工作原理

1．3 影响介电弹性体驱动的因素

1．3．1 介电常数

1．3．2 介电损耗

1．3．3 外界因素对介电常数和介电损耗的影响

1．4 介电弹性体的应用

1．5 介电弹性体研究进展

1．5．1 丙烯酸酯材料

1．5．2 硅橡胶材料

1．5．3 聚氨酯弹性体

1．6 本论文研究的内容

第二章 实验部分

2．1 实验原材料及仪器

2．2 介电弹性体的合成

2．2．1 实验原料的准备

2．2．2 聚氨酯的合成反应和过程

2．3 表征手段

2．3．1 傅里叶红外光谱(FTIR)

2．3．2 示差扫描量热法(DSC)

2．3．3 热重分析(TG)

2．3．4 X射线衍射(XRD)

2．3．5 小角X射线散射(Small Angle X-Ray Scattering，SAXS)

2．3．6 动态力学热分析(DMTA)

2．3．7 力学性能

2．3．9 介电

第三章 丁腈基聚氨酯的结构与性能

3．1 前言

3．2 聚氨酯弹性体的合成

3．3 不同硬段结构的聚氨酯弹性体结构与性能分析

3．3．1 傅里叶红外光谱(FTIR)分析

3．3．2 热重分析(TG)

3．3．3 示差扫描量热法(DSC)分析

3．3．4 X射线衍射(XRD)分析

3．3．5 小角X射线散射(SAXS)分析

3．3．6 动态力学热分析(DMTA)分析

3．3．5 介电分析

3．3．6 力学性能

3．4 不同硬段含量的聚氨酯弹性体结构与性能分析

3．4．1 傅里叶红外光谱(FTIR)分析

3．4．2 热重分析(TG)

3．4．3 示差扫描量热法(DSC)分析

3．4．5 小角X射线散射(SAXS)分析

3．4．6 动态力学热分析(DMTA)分析

3．4．7 介电分析

3．4．8 力学性能

3．5 本章小结

第四章 丁羟基聚氨酯的结构与性能

4．1 前言

4．2 聚氨酯弹性体的合成

4．3 不同硬段结构的聚氨酯弹性体结构与性能分析

4．3．1 傅里叶红外光谱(FTIR)

4．3．2 热重分析(TG)

4．3．3 示差扫描量热法(DSC)分析

4．3．4 X射线衍射(XRD)分析

4．3．5 小角X射线散射(SAXS)分析

4．3．6 动态力学热分析(DMTA)分析

4．3．7 介电分析

4．3．8 力学性能

4．4 不同硬段含量的聚氨酯弹性体结构与性能分析

4．4．1 傅里叶红外光谱(FTIR)分析

4．4．2 热重分析(TG)

4．4．3 示差扫描量热法(DSC)分析

4．4．4 小角X射线散射(SAXS)分析

4．4．5 动态力学热分析(DMTA)分析

4．4．6 介电分析

4．4．7 力学性能

4．5 本章小结

第五章 热处理对聚氨酯结构和性能的影响

5．1 前言

5．2 聚氨酯弹性体的合成

5．3 性能与结构分析

5．3．1 傅里叶红外光谱(FTIR)分析

5．3．2 热重分析(TGA)

5．3．3 示差扫描量热法(DSC)分析

5．3．4 XRD分析

5．3．5 小角X射线散射(SAXS)分析

5．3．6 介电性能分析

5．3．7 力学性能分析

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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