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形状记忆聚氨酯—二氧化硅杂化材料的制备、表征及应用初探

作　者: 徐龙彬
导　师: 傅雅琴
学　校: 浙江理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 形状记忆聚氨酯 二氧化硅 杂化材料 芳纶纤维 界面剪切强度
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


形状记忆聚氨酯(SMPU)因其具有形状记忆回复功能、良好的回弹性和抗震性等广受关注。但单一的SMPU尚存在强度、弹性模量不高,耐热性差,玻璃化转变温度(Tg)附近的热膨胀系数变化较大等不足,影响其独特性能的有效利用。本文的目的在于通过在SMPU中引入纳米二氧化硅(silica)粒子,制备分散性能良好的SMPU-silica杂化材料,并对其结构、性能进行表征。以期在改善SMPU力学性能的同时,提高其耐热性能,稳定其在Tg附近的热膨胀系数。在此基础上,对杂化材料的应用进行初步的探讨。通过对SMPU-silica杂化材料制备工艺的研究,提出了在无水添加的形状记忆聚氨酯-正硅酸乙酯(TEOS)溶胶-凝胶体系中,以固体酸对甲基苯磺酸(PTSA)为催化剂,利用空气中的水分为水解水源,原位制备SMPU-silica杂化材料的方法,并对制备的杂化材料的结构进行表征。研究结果表明:该方法制备的SMPU-silica杂化材料,二氧化硅粒子在基体中的分散性能优异,粒子直径在20-50nm,且SMPU与silica粒子之间具有良好的界面结合性能,为制备形状记忆聚氨酯杂化材料提供了新途径。通过对SMPU-silica杂化材料的力学、热学和形状记忆性能的表征,结果发现:二氧化硅的加入有效的提高了杂化材料的Tg,二氧化硅含量为7.5 wt%时,杂化材料的Tg比纯SMPU的Tg高出10℃;SMPU经过二氧化硅杂化后,在Tg附近的热膨胀系数得到了有效降低,明显提高了热膨胀系数的稳定性;杂化材料的杨氏模量和拉伸强度较原始SMPU均有显著的提高,并且在二氧化硅含量为6 wt%左右时显示出较优值;杂化材料的形状固定率(Rf (N))要明显高于纯SMPU;总的形状回复率(Rr.tol)随着循环次数和二氧化硅含量的增加而有所下降,但是在第二次循环后,材料的Rr.tol趋于稳定;经过数次循环后,材料能够获得一个趋近于100%的优异稳定的单次形状回复率(Rr (N))。在对SMPU-silica杂化材料结构性能表征的基础上,对其应用进行了初步探讨。探索性地以SMPU-silica杂化材料为基体制备芳纶增强SMPU-silica复合材料,以期改善复合材料的界面性能。研究结果表明,SMPU通过silica杂化后,由于Tg附近热膨胀系数下降等因素,芳纶/SMPU-silica复合材料的界面剪切强度得到了显著提高,为SMPU-silica在芳纶增强复合材料中的应用提供了重要依据。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第1章 绪论  9-17
  1.1 形状记忆聚氨酯概述  9-14
    1.1.1 形状记忆聚氨酯的研究现状  9-10
    1.1.2 形状记忆聚氨酯的形状记忆机理  10-11
    1.1.3 形状记忆聚氨酯的应用  11-14
  1.2 形状记忆聚氨酯的改性  14-15
  1.3 论文研究的目的和意义  15
  1.4 论文的主要研究内容和创新点  15-17
    1.4.1 论文的主要研究内容  15-16
    1.4.2 论文的创新点  16-17
第2章 形状记忆聚氨酯-二氧化硅杂化材料的制备与结构表征  17-28
  2.1 引言  17-18
  2.2 实验部分  18-20
    2.2.1 实验原材料  18
    2.2.2 实验主要设备  18
    2.2.3 SMPU-silica 杂化材料的制备  18-19
    2.2.4 SMPU-silica 杂化材料结构表征  19-20
      2.2.4.1 FTIR 测试  19
      2.2.4.2 SMPU-silica 杂化材料断面形貌观察（FE-SEM 测试）  19-20
      2.2.4.3 SMPU-silica 杂化材料TEM 测试  20
      2.2.4.4 SMPU-silica 杂化材料XRD 测试  20
  2.3 结果与讨论  20-27
    2.3.1 FTIR 分析  20-22
    2.3.2 SMPU-silica 杂化材料微观形貌  22-25
    2.3.3 SMPU-silica 杂化材料结晶行为  25-27
  2.4 本章小结  27-28
第3章 形状记忆聚氨酯-二氧化硅杂化材料的性能表征  28-47
  3.1 引言  28
  3.2 试样的制备  28
  3.3 SMPU-silica 杂化材料性能测试  28-30
    3.3.1 热学性能测试  28
    3.3.2 动态热力学性能测试  28-29
    3.3.3 静态力学性能测试  29
    3.3.4 形状记忆性能测试  29-30
  3.4 结果与讨论  30-45
    3.4.1 SMPU-silica 杂化材料热学性能  30-34
    3.4.2 SMPU-silica 杂化材料动态热力学性能  34-36
    3.4.3 SMPU-silica 杂化材料静态力学性能  36-39
    3.4.4 SMPU-silica 杂化材料应力松弛性能  39-41
    3.4.5 SMPU-silica 杂化材料形状记忆性能  41-45
  3.5 本章小结  45-47
第4章 形状记忆聚氨酯-二氧化硅杂化材料的应用初探-------杂化材料与芳纶复合制备复合材料的界面性能研究  47-61
  4.1 引言  47-49
  4.2 实验部分  49-52
    4.2.1 实验原材料  49-50
    4.2.2 实验主要设备  50
    4.2.3 试样的制备  50-51
      4.2.3.1 芳纶纤维表面处理  50
      4.2.3.2 芳纶纤维/SMPU-silica 单丝复合材料的制备  50-51
    4.2.4 性能测试  51-52
      4.2.4.1 磷酸溶液改性前后芳纶纤维表面基团FTIR 测试  51
      4.2.4.2 磷酸溶液改性前后芳纶纤维表面基团XPS 测试  51
      4.2.4.3 磷酸溶液改性前后芳纶纤维表面形貌测试  51
      4.2.4.4 磷酸溶液改性前后芳纶纤维单丝强度测试  51
      4.2.4.5 单纤维复合材料的界面剪切强度（IFSS）测试  51-52
  4.3 结果与讨论  52-61
    4.3.1 磷酸处理对于芳纶纤维表面基团的影响  52-56
      4.3.1.1 FTIR 分析  52-54
      4.3.1.2 XPS 分析  54-56
    4.3.2 磷酸处理对芳纶单纤维强度的影响  56-57
    4.3.3 芳纶纤维表面形貌观察  57-58
    4.3.4 芳纶纤维/SMPU-silica 复合材料界面性能  58-61
第5章 结论与建议  61-63
  5.1 结论  61-62
  5.2 建议  62-63
参考文献  63-69
攻读硕士学位期间发表的与学位论文相关的研究成果  69-70
致谢  70

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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