纳米粘土改性的大豆油基聚氨酯/环氧树脂聚合物互穿网络的制备与性能研究

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聚合物互穿网络(Interpenetrating polymer networks,IPN)是两种或两种以上聚合物组成的网络结构,且其中至少一种聚合物自身交联或与其他聚合物交联。微观结构上的交联和互穿使IPN产生区别于一般共混物的相结构特点,组成IPN的聚合物可以产生协同效应,因而具有更加优异的性能。  聚氨酯(PU)是一类功能广泛的聚合物,富含双键的植物油具备作为PU原材料的条件。随着石油产品价格的上涨和对环境友好型材料的需求,植物油基PU获得了大量的关注。基于PU合成的IPN容易制取,且具有优异的性能,目前蓖麻油基PU IPN得到了较多的研究,大豆油基PU IPN还较少。  纳米粘土改性聚合物也称为聚合物纳米复合物,是指经过填料填充改性的,且填料至少有一个维度的尺寸在纳米范围内的聚合物。蒙脱土和凹凸棒土是常用于聚合物改性的两类纳米粘土,能增强聚合物的性能,扩展其应用范围。  本文研究了有机蒙脱土(OMMT)、凹凸棒土(ATT)和改性凹凸棒土对大豆油基PU/EP IPN的改性,通过表征IPN的微观形貌、动态力学分析、热稳定性、阻尼性能和力学性能来探究纳米粘土对大豆油基PU/EP IPN性能的影响,并合成了以三聚亚油酸为固化剂的大豆油基PU/大豆油基EP IPN。  OMMT用于PU/EP IPN改性时,其层间距从1.79nm增加到1.96nm,在含量低于4%时,在IPN基体中均匀分散。OMMT提高了改性IPN的玻璃化转变温度(Tg)、初始分解温度(IDT)和积分过程分解温度(IPDT),提高了PU/EPIPN的热稳定性。随着OMMT质量分数的增加,损耗因子最大值(tanδ)ma、有效阻尼温度范围△T和TA都有所降低。改性IPN的拉伸强度最多增加了64%,拉伸模量可达原来的4倍,而伸长率却降低到原来的7%。  不同种类的凹凸棒土对PU/EP IPN的改性效果不同。改性前后凹凸棒土的晶体结构不变,但由于表面极性不同,酸活化ATT(a-ATT)在IPN基体中分散均匀,而硅烷偶联剂改性ATT(s-ATT)易于集聚。凹凸棒土同样降低了IPN的阻尼性能,而提高了改性IPN的Tg和热稳定性,凹凸棒土含量为4%时IPDT增加了约30℃。a-ATT/IPN的力学性能随着a-ATT的含量增加而呈现规律性的变化,拉伸强度逐步提高到纯IPN的156%,伸长率降低到38%,这与其在IPN中的分布状况相吻合。  为了提高生物基材料在PU/EP IPN中的比例,我们采用三聚亚油酸为环氧固化剂,尝试合成了大豆油基PU/大豆油基EP IPN。大豆油基PU预聚体和大豆油基EP之间形成了互穿网络结构,体系中生物基材料的比例达到了57~62%,PU相区在EP基质中均匀分散,形成了“海-岛”状结构。随着大豆油基PU含量的增加,IPN的Tg、储存模量E、热稳定性和拉伸强度都有所下降,其中IPN-40/60在40℃下的E仅有大豆油基EP的5%,IDT和IPDT分别降低了54.2℃和31.5℃。大豆油基PU显著改善了大豆油基EP的阻尼性能,提高了其断裂伸长率。通过调整大豆油基PU预聚体和大豆油基EP的质量比例,IPN的阻尼性能和力学性能都得到了较好的优化,有利于扩展其应用范围。
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