高性能聚氨酯及其復(fù)合材料的研究
時(shí)間:2005-07-25
戴新華 趙寧 郭興林 徐堅(jiān)*
高分子物理與化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中科院化學(xué)所北京100080 ,
E-mail：jxu@iccas.ac.cn
聚氨酯可采用多種原料，通過(guò)簡(jiǎn)單的加聚反應(yīng)、原位復(fù)合等方法制備新一代高性能的聚合物材料，如超拉伸聚氨酯、超阻尼聚氨酯，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和研究意義。在本研究中，用溶液插層法制備了聚氨酯(PU)/納米級(jí)粘土復(fù)合材料，材料力學(xué)性能得到較大幅度提高，粘土含量為2.0％時(shí)，復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率高達(dá)1700％，超出了公開(kāi)報(bào)道的PU斷裂伸長(zhǎng)值。用FT IR二向色性光譜研究了PU/納米級(jí)粘土復(fù)合材料分子鏈的取向行為、氫鍵性能以及拉伸誘導(dǎo)軟鏈段的結(jié)晶行為，粘土含量為2.0％時(shí)，拉伸誘導(dǎo)結(jié)晶的臨界應(yīng)力值達(dá)最大為700％。用超臨界CO2作為PU的發(fā)泡劑，發(fā)展了一種綠色、簡(jiǎn)便的PU發(fā)泡材料制備方法，研究了加工參數(shù)如溫度、壓力等對(duì)材料的形貌，孔徑大小及其分布的影響，特殊的泡孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致PU材料的阻尼值可高達(dá)3.8
圖1是聚氨酯(PU)/納米級(jí)粘土復(fù)合材料取向函數(shù)f和應(yīng)變之間的關(guān)系曲線。樣品發(fā)生形變，f2940就會(huì)沿著拉伸方向進(jìn)行取向。由于粘土的加入，影響了軟鏈段的取向，其取向速率明顯低于純的聚氨酯，且隨著粘土含量的增加，取向函數(shù)f值減少,表明粘土片層的存在阻礙了軟鏈段的運(yùn)動(dòng)。硬鏈段的取向行為如圖2所示，f1649首先是負(fù)的取向，表明硬區(qū)中硬鏈段的取向開(kāi)始時(shí)與拉伸方向垂直。表明了由于在體系中引入了粘土，具有剛性的粘土片層大大的影響了分子鏈的運(yùn)動(dòng)，從圖中可得知，所有樣品中，f1649最小值處的伸長(zhǎng)率值中樣品具有較大的伸長(zhǎng)率。
納米級(jí)復(fù)合材料的彈性由于結(jié)合了有機(jī)粘土而得到大大的提高。隨著粘土含量的增加，彈性模量和斷裂強(qiáng)度逐漸增大，如圖3所示。材料模量和強(qiáng)度的增加主要是由于結(jié)合了分散在聚合物基體中粘土片的剛性。從圖4中可以明顯看到，隨著粘土的加入，斷裂伸長(zhǎng)率也大大提高；尤其當(dāng)粘土含量為2.0％時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到1700％。通常一種材料在提高強(qiáng)度的同時(shí)往往會(huì)使其韌性降低。然而，在本工作中，聚氨酯/納米級(jí)粘土復(fù)合材料可以通過(guò)結(jié)合以納米尺度分散的剝離了的粘土片層而使得復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性同時(shí)得到提高。
我們還應(yīng)用環(huán)境友好的超臨界流體CO2浸泡純的聚氨酯膜并且快速釋放壓力制備聚氨酯發(fā)泡材料，孔徑大小比較均勻且孔徑一般小于18微米。發(fā)泡材料孔徑的大小和形態(tài)可以通過(guò)改變加工條件而得到很好的控制。特殊的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)導(dǎo)致了發(fā)泡材料力學(xué)性能的下降，然而其阻尼值卻有較大的提高。結(jié)果表明：隨著浸泡溫度的升高，材料的孔徑增大，分布變寬；隨著浸泡壓力的升高，材料的孔徑變小，分布變窄。不同溫度、不同壓力下制備的發(fā)泡材料其質(zhì)量密度均降低；隨著浸泡溫度的升高，材料的質(zhì)量密度減少；同時(shí)材料泡孔密度減少；隨著浸泡壓力的升高，材料的質(zhì)量密度略有增加；同時(shí)材料泡孔密度大大增加。發(fā)泡前后材料力學(xué)性能測(cè)試的結(jié)果表明：不同溫度、不同壓力下制備的發(fā)泡材料其彈性強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均下降；隨著浸泡溫度的升高，泡孔材料的彈性強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率下降；隨著浸泡壓力的升高，泡孔材料的彈性強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均有所增加。
2004年全國(guó)高分子材料科學(xué)與工程研討會(huì)論文集
