功能化氧化石墨烯/聚氨酯泡沫材料的制备及性能研究

摘要

传统的聚氨酯泡沫因其具有良好的物理和化学性能等优势而被广泛应用于建筑、医疗、汽车等领域。此外，聚氨酯泡沫具有独特的多孔结构，利用其特殊的结构来探究功能化应用也在未来的生产生活中具有十分大的潜力。为了拓宽聚氨酯材料的应用领域，使聚氨酯泡沫得到更广泛的应用，常需要对聚氨酯泡沫的综合性能进行优化，使其的各项性能达到一个更加优异的水平，为了实现这一目的，就主要通过向聚氨酯基体材料中添加各种功能化纳米无机填料来实现。而石墨烯作为近几年来的新兴材料因其具有良好的强度硬度，较高的导热性，高模量等突出的特点而受到人们广泛的关注。本课题将石墨烯作为无机填料加入到聚氨酯基体中，利用石墨烯的成核作用及其对聚氨酯基体的增强作用，调控聚氨酯泡沫的微观泡孔结构，进而优化聚氨酯泡沫材料的力学性能、导热性能、及吸声降噪性能。具体研究内容如下:
　　首先，通过多次对照试验确定了聚氨酯发泡过程中基本配方的原料配比，并对各个配方所制得的聚氨酯泡沫进行泡孔形状及泡沫密度进行测试，得出结论，水用量的多少会影响泡沫孔径的大小，催化剂用量的改变会影响泡沫密度及发泡倍率，乳化剂的添加会影响发泡反应从而影响泡沫壁厚与密度。
　　其次，采用Hummers氧化法将石墨烯酸化氧化为氧化石墨烯，将制得的氧化石墨烯用异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)进行改性，提高了氧化石墨烯与聚氨酯基体的相容性，可以实现氧化石墨烯纳米材料在聚氨酯泡沫中的均匀分散。利用傅里叶红外光谱、拉曼测试、X射线扫描、扫描电镜、XPS等方法对产物进行表征。测试结果表明能够成功的制备氧化石墨烯并且对其进行改性。同时，通过改变反应时间及IPDI添加量最终确定了最佳的配方及工艺。
　　最后，将改性后的氧化石墨烯超声分散于异氰酸酯中参与聚氨酯发泡反应，并对最终的样品进行了力学、热学及声学性能方面的测试。测试结果表明，氧化石墨烯与改性氧化石墨烯的加入都会对聚氨酯泡沫泡孔结构的均匀性产生影响，但是由于异氰酸酯的改性使得氧化石墨烯的加入对泡沫基本结构的破坏有所减小，泡孔结构相对稳定;改性氧化石墨烯对聚氨酯泡沫中软段的玻璃化转变温度的影响较大，储能模量也有了极大的提高;填充了改性氧化石墨烯的聚氨酯泡沫的压缩强度先增大后减小，在添加量为0.5％时达到最大值0.78MPa，而加入氧化石墨烯后泡沫压缩强度不断减小;改性氧化石墨烯的加入对泡沫在3000～4000Hz频率范围内的吸声性能也有了一定程度的提高;导热系数随着改性氧化石墨烯加入量的增多也有了小幅增加，但随着氧化石墨烯的加入量的增多而不断减小。通过测试可以观察出，相比较于氧化石墨烯填充后对聚氨酯泡沫材料的改性效果，改性氧化石墨烯的加入能够使聚氨酯泡沫材料得到更加优异的力学、热学与声学性能。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1 引言

1．2 聚氨酯泡沫概述

1．2．1 聚氨酯泡沫的发展

1．2．2 聚氨酯泡沫原料种类及发泡原理

1．2．3 聚氨酯泡沫的发展前景

1．3 氧化石墨烯概述

1．3．1 氧化石墨烯结构

1．3．2 氧化石墨烯的制备

1．3．3 氢化石墨烯基材料的应用

1．3．4 氧化石墨烯在聚合物基复合材料中的应用

1．4 纳米粒子／聚氨酯泡沫复合材料研究现状

1．5 本课题研究的目的与意义

1．6 本课题研究的主要内容

1．6．1 聚氨酯泡沫的制备

1．6．2 改性氧化石墨烯的制备及研究

1．6．3 改性氧化石墨烯／聚氨酯泡沫的制备及研究

第二章、实验部分

2．1 实验原材料及实验设备

2．1．1 实验原材料

2．1．2 实验设备

2．2 试验样品的制备

2．2．2 氧化石墨烯的制备

2．2．3 氧化石墨烯的改性

2．3．1 傅里叶红外光谱(FT-IR)

2．3．2 扫描电子显微镜

2．3．3 泡沫密度测试

2．3．8 导热性能测试

第三章、结果与讨论

3．1 聚氨酯泡沫基础配方的研究

3．1．1 水用量对聚氨酯发泡效果的影响

3．1．2 催化剂用量对聚氨酯发泡效果的影响

3．1．3 乳化剂用量对聚氨酯发泡效果的影响

3．1．4 小结

3．2 氧化石墨烯的改性

3．2．1 多异氰酸酯的选择

3．2．2 IPDI／GO结构测试

3．2．3 IPDI改性氧化石墨烯反应工艺的优化

3．2．4 小结

3．3 聚氨酯泡沫复合材料的制备研究

3．3．1 微观结构

3．3．2 玻璃化温度

3．3．3 阻尼性能

3．3．4 吸声性能

3．3．5 储能模量

3．3．6 导热性能

3．3．7 力学性能

3．3．8 小结

第四章、结论

参考文献

致谢

研究成果及已发表的学术论文

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