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纳米二氧化硅对聚氨酯(PU)性能改进的研究
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纳米材料/工业陶瓷展厅
空心微珠, 金刚石微粉, 纳米金, 纳米铂金, 纳米铜, ...
摘要:将纳米二氧化硅(VK-SP15)经预分散后加入聚氨酯(PU)反应体系进行原位聚合,结果表明PU胶的力学性能有大的提高。TEM图像显示纳米二氧化硅(VK-SP15)在PU胶中有很好的分散,DTA分析证实了纳米二氧化硅(VK-SP15)的诱导结晶作用是聚氨酯(PU)增强的主要原因。
关键词:纳米二氧化硅;聚氨酯;胶黏剂;PU胶

常用的聚氨酯(简称PU)粘合剂是以聚酯二元醇和异氰酸酯合成的,但这种聚氨酯的分子链中由于含有大量的酯键,在酸碱的条件下应用,容易水解而造成粘结接头的破坏。而用聚醚二元醇合成的聚氨酯,其软段醚键的耐水解性能较好,但分子间的次价交联作用力不及聚酯型聚氨酯,导致聚氨酯的分子的微区结晶少,使其力学性能不高。本文试图将纳米二氧化硅(VK-SP15)作为增强剂复合聚醚型PU以改善粘结材料的内聚力。根据复合材料复合机理,要想纳米材料充分发挥增强剂的作用,就必须使纳米二氧化硅(VK-SP15)以纳米级粒子均匀分散在PU胶的基材中。

1 实验部分

1.1 原料和主要试剂

纳米SiO2(VK-SP15);MDI(二苯基甲烷二异氰酸酯)、PPG(聚氧化丙烯二醇)、EG(乙二醇)、溶剂,均为工业品。

1.2 仪器

TEM一1200EX透射电镜;差热分析仪;GF一1型控时调速高速分散器;电子拉力测试机。

1.3 PU胶的合成和纳米二氧化硅粒子的复合

将MDI和PPG及适量的溶剂在60~80℃ 反应制成预聚物,然后用EG 扩链,反应达一定粘度,终止反应。纳米粒子在溶剂中充分搅拌后,再用超声波处理15分,在反应的各阶段加入进行复合。

1.4 制样

用涂膜涂布器将合成的PU液均匀涂布在离型纸上,经烘干后切割试样,试样在干燥器中保持24小时供测试使用。

2 结果和讨论

2.1 纳米二氧化硅对PU胶影响

将预分散的纳米二氧化硅(VK-SP15)冷混加入PU中,比较不加纳米粒子的样品,加入纳米SiO2的PU胶其拉伸强度和伸长率分别比不加纳米二氧化硅(VK-SP15)填料的增加21% 和23% ,这说明纳米SiO2,是聚氨酯的一种高效增强剂。

2.2纳米二氧化硅加入量对PU胶的影响

随着纳米SiO2量增加,PU胶的力学性能逐渐提高,在4%左右开始下降;这可解释为纳米粒子表面的羟基与PU大分子中的一NCO参与原位聚合,形成一定量的化学键或形成氢键,有利于大分子结晶而达增强,当加入的纳米二氧化硅(VK-SP15) 过多时,可能破坏部分大分子中硬段的有序排列而影响结晶,从而使PU胶的力学性能下降

2.3 纳米纳米二氧化硅加入方法对PU力学性能的影响

经预分散纳米二氧化硅(VK-SP15),与PU胶在常温下搅拌复合,发现不论是断裂强度还是伸长率均要小于热混的样品,这表明热是纳米二氧化硅(VK-SP15)分散的一个动力。PU复合物的力学性能随填料含量增加而逐渐提高,在2% 时达最高,然后开始下降。与热复合相比,达力学性能高峰的纳米二氧化硅(VK-SP15)用量大大减少,也就是说在预聚物合成时将纳米二氧化硅(VK-SP15)原位复合对纳米材料有更好的分散效果。

2.4 纳米SiO2在PU中分散的TEN分析

由机械共混法加入的纳米SiO2,团聚十分严重,SiO2 没达到纳米级分散,这是由于合成好的PU胶体系粘度太大,简单的机械搅拌无法使纳米团聚体分散。在形成预聚体时加入的纳米二氧化硅(VK-SP15)粒子,纳米SiO2粒子团聚体内部很松散,纳米SiO2初级粒子达到纳米级分散 这是由于当时反应体系的粘度很小,有利于纳米二氧化硅(VK-SP15)的浸润,大量的单体易渗入团聚体内部,纳米粒子表面的羟基与异氰酸根原位聚合反应产生的聚合热动力驱使团聚粒子膨松化,结合强剪切力作用使其达分散。

3 结 论

纳米二氧化硅(VK-SP15)对PU的增强效果可从复合物的差热现象加以说明,不加纳米二氧化硅(VK-SP15)的PU胶,在整个热过程中无结晶放热现象,而随加入纳米SiO2的量不同均有不同程度的放热,这可认为PU胶中不规整的硬段,由于纳米粒子的敛集作用集结为晶区的结果。过多的纳米粒子妨碍了硬段的结晶,表现在热分析曲线的结晶放热峰变小。

(1)在反应生成预聚物时加入纳米二氧化硅(VK-SP15),由于粒子表面产生原位聚合,有利于纳米粒子团聚体分散,分散粒子的诱导结晶作用和与聚氨酯大分子的化学键合使复合材料力学性能大大的提高。

(2) 纳米二氧化硅(VK-SP15)加入量1% 一2% 时,PU复合材料的力学性能有明显提高,过量的纳米粒子反而使力学性能下降。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (11/1/2010)
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