聚氨酯弹性体改性及其复合材料制备研究

论文摘要

本文综述了聚氨酯树脂的发展以及无机微粒填充高聚物复合材料的研究进展;探讨了无机填料表面处理技术,并利用自由基聚合的方法设计并合成了嵌段比为100∶50∶20的PS-b-PBA-b-PMPS嵌段共聚物偶联剂,而且以这种偶联剂和KH-550为有机处理剂分别对陶瓷微珠等几种填料进行了有机处理;通过原位聚合法合成了PUE/磨碎玻璃纤维、PUE/陶瓷微珠、PUE/滑石粉、PUE/碳化硅等复合材料;通过FTIR、GPC、NMR等手段对改性后的陶瓷微珠进行了表征,表明陶瓷微珠与有机处理剂之间有强相互作用;通过接触角、活化率、吸油量、红外谱图、偏光显微照相和粒度分布测试等实验方法,对玻璃纤维等改性效果进行了表征。结果表明改性后的无机填料活性增强,明显要好于未经偶联剂处理的无机填料;讨论了无机材料改性前后活性聚氨酯的特殊机理及各种因素对复合材料力学性能、耐热性能及耐极性溶剂性能的影响;讨论了各种因素对透明PU弹性体性能的影响;通过XRD、TEM、SEM扫描电镜、FITR、TG热分析等手段对改性材料进行了表征,充分研究了合成材料的聚合-结晶,结构-性能的关系。为聚氨酯改性提供了一种新的方法,同时也为改性聚合物提供了一个新的思路。研究表明,利用偶联剂改性的无机填料,可以使合成的聚氨酯弹性体的力学性能有明显的提高;但因无机填料本身性质的不同,改性后的材料彼此间也有很大区别,具体如下:1、对磨碎玻璃纤维改性聚氨酯弹性体进行了系列的研究,结果表明:经过KH550处理的磨碎玻纤在弹性体中分散良好,低于5%添量时性能表现一般;而15%的填加量可以明显提高弹性体的强度和韧性,拉伸强度由2.64MPa增加到8.05MPa,断裂伸长率由226%增加到252.5%,硬度由68A增加到75A。经过表面处理的磨碎玻纤改性的PU弹性体其耐溶剂性能、耐热性能均有所提高。2、用嵌段共聚物偶联剂PS-b-PBA-b-PMPS对陶瓷微珠进行了改性,详细考察了陶瓷微珠类型、含量等对填充型PU弹性体性能的影响,结果表明:DTA型陶瓷微珠填充效果最好,当填料量15%时,其拉伸强度由7.14MPa增加到14.12MPa,断裂伸长率由246.13%增加到437.93%,与纯PU相比,耐热性能有明显提高,但其耐溶剂性能仍比较差。3、对滑石粉填充制备的复合材料进行了详细研究,结果表明:滑石粉填充量小于5%时对复合材料的各项性能影响不大,但作为填充料可降低改性材料成本;为15%填量时拉伸强度、断裂伸长率等力学性能略有提高;当填量达到20%时,除硬度外,其它各项力学指标开始下降。通过改性前后的物理性能对比发现,滑石粉复合材料吸水率、收缩率减小、尺寸稳定性较好,耐溶剂性能提高,但耐热性能没有太大变化。4、用熔融插层法合成了PU弹性体/碳化硅复合材料并进行了系列研究,结果表明:10%碳化硅填充量在基体中分散性良好;少量的聚合物插入到了碳化硅层间;加入碳化硅后其耐热温度提高了20℃,耐溶剂性能有所增强,耐磨性表现最为突出,其耐磨性能要远远优越于其它合成材料。5、研究了合成方法、多异氰酸酯种类、扩链剂、固化温度、固化时间等对透明弹性体的力学性能、光学透明性和热稳定性的影响,结果表明:改进工艺后的最佳合成条件为,固化温度为130℃、固化时间为10h、聚合时间为30min;硬段含量42.6%时效果最佳。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 文献综述
• 1.1 研究现状及选题依据
• 1.1.1 聚氨酯弹性体及其复合材料的概述
• 1.1.2 选题的科学意义和应用前景
• 1.1.3 国内外聚氨酯的发展及现状
• 1.3 研究内容和方法
• 1.3.1 本论文选题的学术思想、特色和技术路线
• 1.3.2 学位论文预期的创新点
• 1.4 PU弹性体的结构与性能研究
• 1.4.1 PU弹性体微相分离结构
• 1.4.2 软段结构对PU弹性体性能的影响
• 1.4.3 硬段结构对PU弹性体性能的影响
• 1.4.4 交联对PU弹性体性能的影响
• 1.4.5 其它因素对PU弹性体性能的影响
• 1.5 无机微粒填充高聚物复合材料研究进展
• 1.5.1 表面处理改性应遵循的基本原则
• 1.5.2 表面改性与界面粘结强度
• 1.5.3 常用的几种填料表面处理技术
• 2 论文研究方法
• 2.1 原料和实验装置
• 2.1.1 原材料
• 2.1.2 实验装置
• 2.2 PU弹性体及其复合材料的制备与表征
• 2.2.1 试样的制备
• 2.2.2 试样的表征
• 2.3 PU弹性体及其复合材料的机械性能测试
• 2.3.1 耐磨性测试
• 2.3.2 拉伸强度
• 2.3.3 断裂伸长率
• 2.3.4 硬度
• 2.3.5 溶剂溶胀性测试
• 2.3.6 耐油性能测试:
• 2.3.7 吸水性测试
• 2.3.8 垂直分布测试
• 2.4 磨碎玻纤表面改性效果的表征
• 2.4.1 填料的接触角测试
• 2.4.2 填料的活化率测试
• 2.4.3 填料的吸油量测试
• 2.4.4 红外分析
• 2.4.5 填料的偏光显微研究
• 2.4.6 填料的粒度分布测试
• 2.5 嵌段共聚物的制备与表征
• 2.5.1 反应机理
• 2.5.2 原料及试剂
• 2.5.3 嵌段共聚物的合成
• 2.5.4 表征手段
• 2.6 陶瓷微珠的表面处理效果的表征
• 2.6.1 反应机理
• 2.6.2 表征手段
• 3 磨碎玻璃纤维复合材料的物性研究
• 3.1 引言
• 3.1.1 玻璃纤维材料的性能和特点
• 3.1.2 改性机理研究
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 玻璃纤维偶联处理
• 3.2.2 试样制备工艺流程
• 3.2.3 磨碎玻纤复合材料的试样制备
• 3.3 各个工艺过程中工艺参数的确定
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 磨碎玻纤的表面改性研究
• 3.4.2 弹性体复合材料的改性研究
• 3.5 本章小结
• 4 嵌段共聚物偶联剂改性陶瓷微珠及其复合材料的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 陶瓷微珠表面有机处理
• 4.2.2 PU弹性体/陶瓷微珠复合材料的试样制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 嵌段共聚物偶联剂的表征
• 4.3.2 嵌段共聚物偶联剂对陶瓷微珠表面处理效果的红外表征
• 4.3.3 弹性体/陶瓷微珠复合材料的表征
• 4.4 本章小结
• 5 改性滑石粉对PU弹性体复合材料的影响
• 5.1 前言
• 5.1.1 滑石粉的性质
• 5.1.2 选用滑石粉改性填充的必要性
• 5.1.3 滑石粉改性剂
• 5.1.4 国内外先进的改性方法
• 5.1.5 应用
• 5.2 实验部分
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 XRD结果分析
• 5.3.2 镜像分析
• 5.3.3 改性滑石粉活化指数分析
• 5.3.4 热性能对比分析
• 5.3.5 力学性能测试结果对比分析
• 5.3.6 PU弹性体耐油性能
• 5.3.7 PU弹性体改性前后物理性能
• 5.4 本章小结
• 6 碳化硅填充PU弹性体复合材料的改性研究
• 6.1 前言
• 6.2 试样制备
• 6.2.1 碳化硅偶联处理
• 6.2.2 试样制备工艺流程
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 XRD结果分析
• 6.3.2 PU弹性体形貌分析
• 6.3.3 TG结果分析
• 6.3.4 FTIR结果分析
• 6.4 力学性能测试
• 6.4.1 复合材料的磨擦、磨损特性
• 6.4.2 填料加入量对PU弹性体力学性能的影响
• 6.4.3 PU弹性体/碳化硅复合材料的耐溶剂性能
• 6.5 本章小结
• 7 高性能透明聚氨酯弹性体材料研究
• 7.1 前言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 性能测试
• 7.2.2 试样制备及其工艺路线的分析
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 工艺条件对透明聚氨酯弹性体性能的影响
• 7.3.2 硬段含量对透明聚氨酯弹性体性能的影响
• 7.3.3 多异氰酸酯种类对透明PU弹性体性能的影响
• 7.3.4 扩链剂对透明聚氨酯弹性体性能的影响
• 7.3.5 交联剂用量对透明聚氨酯弹性体性能的影响
• 7.4 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论著、获奖情况及发明专利等:
• 参考文献