论文部分内容阅读
热塑性聚氨酯(TPU)是用多异氰酸酯和多元醇反应制得的一类聚合物。其强度和模量介于橡胶与塑料之间，具有优良的耐磨性能和承载性能，较大的撕裂强度以及优异的耐低温、耐油、耐臭氧等性能，因此TPU广泛应用于航空航天、医疗器械、制鞋、电器等行业。但传统TPU材料存在气体阻隔性不良、耐热性能不好、强度偏低等缺点，限制了其应用范围。因此，有必要在TPU体系中添加高阻隔性、稳定性好和强度高的填料，以期制备出性能优良的TPU复合材料，从而大幅度提高TPU的综合性能。 石墨烯是目前已知最薄的材料，仅由单个碳原子层组成，厚度为0.334nm，片层宽度可达几个微米甚至几百微米，这种独特的二维结构赋予了石墨烯优异的性能，如导电性优良，强度极高，结构稳定等。另外，无缺陷的石墨烯几乎能阻隔所有气体分子扩散渗透，当石墨烯均匀分散在聚合物基体中时，可以极大提高聚合物的气体阻隔性能。因此，石墨烯是理想的纳米填充阻隔材料。 本文紧紧围绕聚氨酯在气体阻隔性能方面的不足，利用各种改性的石墨烯填料与其共混，制备了各种功能化石墨烯/聚氨酯纳米复合材料，对复合材料的结构与性能进行了研究。 1、通过Hummers方法制备了氧化石墨烯(GO)，然后用溶液共混法制备了氧化石墨烯/聚氨酯纳米复合材料。研究发现，氧化石墨烯能显著提高聚氨酯的气体阻隔性。但氧化石墨烯与聚氨酯的界面相互作用相对较弱，使其在聚氨酯基体中分散性较差，限制了聚氨酯气体阻隔性的提高，并且使某些机械性能下降。因此我们采用异氰酸酯对氧化石墨烯进行修饰制备了iGO填料。iGO与聚氨酯拥有更强的界面相互作用，因此提高了石墨烯的分散程度，从而使聚氨酯薄膜的气体阻隔性能和机械性能等得到了进一步改善。 2、针对异氰酸酯与氧化石墨烯的反应条件比较苛刻的缺点，我们设计利用重氮盐反应来修饰氧化石墨烯，制备的石墨烯填料称为磺化石墨烯(SGO)。反应可以在水中进行。磺化石墨烯可以很好地分散在水中，但在有机溶剂中的分散性相对较差，制得的复合材料薄膜的气体阻隔性和机械性能等也得到了一定的提高。 3、石墨烯在氧化过程中会产生大量缺陷，而采用在有机溶剂中对石墨直接超声剥离的方法可以制备低缺陷的溶液剥离石墨烯(SEG)。由于SEG颗粒表面缺少官能团，与聚氨酯之间相互作用很弱而容易聚集。因此我们将异氰酸酯接枝到SEG表面来提高其在聚氨酯基体中的分散程度，这种方法仅对SEG表面进行修饰而不损伤SEG颗粒内部的石墨烯片层，因此可以得到高阻隔性、高分散性的石墨烯填料。制得的功能化石墨烯/聚氨酯纳米复合材料薄膜在极低的填料含量下就具备了优异的气体阻隔性能。