聚氨酯/蒙脱土纳米复合新技术及性能研究

【摘要】：本课题研究了聚氨酯／蒙脱土(PU／MMT)纳米复合的新工艺以及复合材料的结构和性能。论文工作主要由两部分组成： 第一部分，辅助超声波等手段，采用阳离子聚氨酯聚电解质，替代传统有机季铵盐小分子，直接与钠基蒙脱土进行阳离子交换，制备出稳定的水基PU／MMT纳米复合乳液。用傅立叶变换红外技术(FTIR)、差热分析(DSC)、热重分析(TGA)、广角X-射线衍射(WXRD)和透射电镜(TEM)表征分析了大分子阳离子聚氨酯聚电解质对蒙脱土(MMT)的插层行为、聚氨酯／层状硅酸盐的复合结构、剥离程度对聚氨酯复合材料的性能的影响。 FTIR的结果表明：由于蒙脱土粒子表面上的结构羟基和聚氨酯聚合物上的N-H官能团间的氢键作用，使得Si-O键的伸缩振动吸收由1037cm~(-1)下移到1015cm~(-1)，而连接Si原子上的羟基的弯曲振动由915cm~(-1)上移至918cm~(-1)。因此纳米MMT粒子和聚氨酯分子间存在较强的物理与化学作用。透射电镜(TEM)表明复合体系内产生大量分散的层状结构。广角X-射线衍射(WXRD)的结果显示蒙脱土的尖锐衍射峰向小角方向移动并基本消失，暗示蒙脱土硅酸盐和聚氨酯分子间的复合结构以剥离型为主。差热分析(DSC)的结果显示MMT的插层作用导致PU复合材料的玻璃化转变温度较纯PU的高，具有较高的热稳定性；热重分析(TGA)的结果显示，纳米层状硅酸盐与聚氨酯的相互作用使聚氨酯热分解温度呈现大幅度地提高。上述数据表明，水基复合树脂中阳离子聚氨酯对层状硅酸盐粒子具有较好地插层行为。 第二部分，以有机蒙脱土、端羟基聚合物、二异氰酸酯和二胺扩链剂为原料，用半预聚体法制备出聚氨酯脲／蒙脱土弹性体。实验结果表明，在适当的蒙脱土含量范围内，随着蒙脱土含量的提高，PU／MMT纳米复合材料的力学性能和断裂伸长率同时得到了提高，过度的增加蒙脱土含量会导致复合材料的拉伸强度、撕裂强度降低；永久变形则表现为单调提高。蒙脱土含量为6％的PU／MMT复合材料与PU基体材料相比较，拉伸强度提高78％，断裂伸长率提高113％。