纤维素晶须改性聚氨酯的制备及其性能研究

发布时间：2020-03-23 09:57

【摘要】：聚氨酯由于优异的高弹性、高强度、高耐油、低磨耗等特性引起了众多研究人员的关注,由于人们对材料性能需求的进一步提高,使其在化学结构设计、物理改性等方面的研究取得了重要进展。然而传统的填料多限于无机材料的有机化或有机填料的直接添加,来实现聚氨酯的改性,并未考虑到有机填料与所有类型的聚氨酯材料是否均能起到良好的改性效果。本文以纤维素晶须(CNC)为例,从极性的相容性方面研究了有机填料对不同类型聚氨酯材料的性能影响。本论文工作将对以下问题进行讨论:以纤维素晶须为填料,分别通过溶剂法和原位生成法加入到聚醚型聚氨酯和聚酯型聚氨酯中,制备不同类型的纳米复合材料。通过红外光谱分析(FTIR)、X射线衍射分析(XRD)、热重分析(TG)、偏光显微镜(POM)、扫描电子显微镜(SEM)等一系列表征手段发现,利用溶剂法和原位生成法中,合成的纤维素晶须在聚醚型聚氨酯中均存在较大的团聚,在聚酯型聚氨酯中则能达到较好的分散状态,纤维素晶须的加入使聚酯型聚氨酯的氢键化程度和断裂强度都有显著提升,表明该纤维素晶须外部羟基的存在有利于其在聚酯型聚氨酯中的分散,当改变异氰酸酯MDI-50为TDI-80时,发现此种差异性更加明显。通过对比于SEM图像与POM图像的结果发现,POM是一种很好地观察晶须增强聚氨酯分散状态的方式。以间甲苯基异氰酸酯(MPI)改性的纤维素晶须,通过一系列的表征手段证明了该实验成功地在不破坏纤维素晶须原有形貌的前提下,制备了低极性、高分散、高结晶度的间甲苯基异氰酸酯改性纤维素晶须(MPI-CNC),可在丙酮、氯仿、乙酸乙酯中均有良好的分散性。重复上述研究方案取得了与上述相反的结果,MPI-CNC在聚醚型聚氨酯中分散良好,在聚酯型聚氨酯中则存在大量团聚现象。同时发现原位生成法制备的MPI-CNC在聚酯型聚氨酯中的团聚现象高于溶剂法制备的MPI-CNC/PU。这个结果表明低极性的纤维素晶须易与同为低极性的聚醚链段产生相互作用,而与极性较高的聚酯链段发生相互排斥。以TDI-80修饰纤维素晶须,制备了一系列的纤维素晶须接枝聚氨酯材料,通过POM观察可知,纤维素晶须在接枝到聚氨酯材料的过程中能够得到较好的分散状态。并通过静态力学性能结果分析可知,纤维素晶须的接枝对材料的断裂伸长率有一定程度的提升,同时使原有聚氨酯材料的力学特性曲线发生变化,当含量加到5wt%时,应力应变曲线呈现近线性关系。
【图文】：

示意图,聚氨酯材料,示意图

图 1.1 聚氨酯材料应用示意图1.1.1 聚氨酯材料的应用概述聚氨酯材料在人们生活中的应用无处不在，例如，城市化的进程，越来越多的高层建筑拔地而起，对楼体外部保温材料多为聚氨酯泡沫板，相比于其它合成保温材料和天然保温材料，聚氨酯硬质泡沫的导热率更低，因此，，此类泡沫材料在家电、管道保温以及工业保温应用方面也得到了快速发展；软质聚氨酯泡沫材料以其质地柔软、透气性好等特性成为沙发、床垫、车辆座椅等舒适性体验的首选；微孔聚氨酯泡沫材料[13]也是近年来应用发展的重点，由于其优异的力学强度及减震性能已被应用于高铁减震枕木；

异氰酸酯,分子结构式

第 1 章绪论材料的性能产生不同影响，从而使得聚氨酯材料的设计灵活多变，即可通过原实现对微观结构进行设计，从而得到满足人们不同生产需求的聚氨酯材料。聚氨酯制备过程中常用的异氰酸酯类型如图 1.2 所示。常用的异氰酸酯[23]大致：脂肪族异氰酸酯和芳香族异氰酸酯。结合聚氨酯的合成机理[24]可知，该化用的是异氰酸酯与活泼氢化合物的亲核取代，通过活泼氢化合物分子中的亲核 NCO 基的碳原子，进一步重排生成氨基甲酸酯基或脲基等强极性基团。相比异氰酸酯，芳香族异氰酸酯中苯环能够促使直接连接的 NCO 基团的电负性增芳香族异氰酸酯 NCO 的反应活性远高于脂肪族异氰酸酯。反应制备过程中，族异氰酸酯的 NCO 活性较低，会时常添加少量催化剂来促进反应的顺利进行苯环的存在对聚氨酯力学性能和热力学性能方面均有重要影响[25]。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332

【参考文献】