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聚氨酯复合材料的粘弹行为

作　者: 姚珍
导　师: 吴德峰
学　校: 扬州大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 聚氨酯碳纳米管环氧树脂复合材料蠕变应力松弛
分类号: O633.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

作为一类重要的聚合物材料,聚氨酯的宏观性能可根据自身近程和远程结构的设计来进行调控,这样的特点使其被广泛应用于通用和工程材料的诸多领域。近年来,无论是在实际应用还是理论研究方面,互穿网络技术和纳米复合技术已逐渐成为新型聚氨酯材料研发的热点。有关聚氨酯互穿网络材料和聚氨酯纳米复合材料的研究也蓬勃发展,研究重点主要集中在分子结构设计、纳米形态控制以及对材料的力学强度、热稳定性、生物相容性等宏观性能的改良方面。众所周知,对于聚氨酯制品来说,尺寸稳定性非常重要,而尺寸稳定性又和体系的粘弹性密切相关。不过迄今为止,针对这一类材料粘弹行为的研究却非常有限,而由于粘弹性引起的尺寸变化恰恰是制约聚氨酯材料工程应用领域拓宽的重要因素。因此对聚氨酯及其复合材料的蠕变、蠕变回复以及应力松弛等粘弹行为的研究具有重要意义。因此,本文首先利用互穿网络改性和原位复合技术分别制备了聚氨酯/环氧树脂互穿网络(PU/EP IPNs)复合材料、聚氨酯/碳纳米管(PU/MWCNTs)复合材料和聚氨酯/环氧树脂/碳纳米管(PU/EP/MWCNTs)复合材料,随后研究了这些复合材料体系的结构、力学性能和粘弹行为,重点考察了EP和MWCNTs对PU复合材料蠕变、蠕变回复以及应力松弛等粘弹行为的影响,并进一步利用本构方程和相关的粘弹理论模型构建了PU基复合材料中MWCNTs不同层次的结构与材料粘弹行为之间的联系,目的在于初步实现该复合体系的结构设计和对粘弹性的控制,为制备高性能的PU复合材料提供较全面的实验和理论依据。得到的主要结论如下：(1)对于PU/EP IPNs复合材料,EP的加入会加快PU的固化速度,但互穿网络复合材料的交联度与纯PU相比有所降低；当EP用量较低(10wt%)时,复合材料的拉伸强度、杨氏模量、储能模量、热分解温度等均比纯PU低；不过随着EP用量的增加,这些性能逐渐提升直至远高于纯PU；纯PU及PU/EP IPNs复合材料的蠕变及应力松弛强烈依赖于实验温度和外加载荷,随着温度的升高和外加载荷的加大,体系的蠕变及应力松弛速率均加快；随着EP用量的增加,复合材料表现出明显强于纯PU的抗蠕变以及抗应力松弛的能力；(2)对于PU/MWCNTs复合材料,MWCNTs对PU具有显著的增强作用；当MWCNTs含量为1wt%时,复合材料的拉伸强度和储能模量分别提高了16%和56%；同时材料的耐热性能也有所改善,α转变温度提高了22℃；与MWCNTs的原位复合能够显著提高PU的抗蠕变能力：当MWCNTs含量为1wt%时,材料的蠕变应变水平最低,抗蠕变性能最好；Findley模型和Burgers模型可以很好的描述纯PU及PU/MWCNTSs复合材料的蠕变行为,而Weibull模型则能很好的描述蠕变回复行为；此外,通过时温叠加可获得长时域下材料的蠕变行为：纯PU的蠕变平台出现的时间约为109s (2.5MPa,40℃),而相同条件下含有0.5wt%MWCNTs的复合材料的蠕变平台则出现在1011s后,即MWCNTs有效的抑制了PU的蠕变行为；(3)对于PU/EP/MWCNTs复合材料,MWCNTs的引入能够显著提高PU/EP IPNs复合材料的热、力学性能,且提高幅度随着MWCNTs含量的增加呈现单调增加的趋势；当MWCNTs含量为2wt%时,杨氏模量和热分解温度相对于纯IPN(PU70/EP30)体系而言分别提高了28%和10%；此外,复合材料的松弛应力水平随MWCNTs含量的提高单调增加,幂率模型和广延指数模型均可很好的描述纯IPN及PU/EP/MWCNTs复合材料的应力松弛行为,通过时温叠加获得的长时域下材料的应力松弛行为进一步证明了MWCNTs能够有效抑制基体的应力松弛。

全文目录

摘要  2-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-21
  1.1 聚氨酯概述  9-11
    1.1.1 聚氨酯的结构与性能  9-10
    1.1.2 聚氨酯的新发展  10-11
  1.2 聚氨酯的改性  11-17
    1.2.1 共混改性  11-12
    1.2.2 共聚改性  12
    1.2.3 互穿网络改性  12-14
    1.2.4 填充改性  14-17
  1.3 聚氨酯碳纳米管复合材料的制备方法  17-18
    1.3.1 直接共混法  17
    1.3.2 原位聚合法  17-18
  1.4 聚氨酯纳米复合材料的粘弹行为  18-19
  1.5 本论文研究的内容和目的  19-21
    1.5.1 论文的研究目的  19
    1.5.2 论文的主要内容  19-21
第二章聚氨酯/环氧树脂互穿网络复合材料的粘弹行为  21-39
  2.1 引言  21
  2.2 实验  21-24
    2.2.1 实验原料及预处理  21-22
    2.2.2 实验仪器  22
    2.2.3 实验步骤  22
    2.2.4 性能测试  22-24
  2.3 结果与讨论  24-37
    2.3.1 聚氨酯/环氧树脂互穿网络复合材料的结构  24-28
    2.3.2 聚氨酯/环氧树腊互穿网络复合材料的力学性能  28-31
    2.3.3 聚氨酯/环氧树脂互穿网络复合材料的蠕变行为  31-34
    2.3.4 聚氨酯/环氧树脂互穿网络复合材料的应力松弛行为  34-37
  2.4 小结  37-39
第三章聚氨酯/碳纳米管复合材料的蠕变行为  39-57
  3.1 引言  39
  3.2 实验  39-41
    3.2.1 实验原料及预处理  39-40
    3.2.2 实验仪器  40
    3.2.3 实验步骤  40-41
    3.2.4 性能测试  41
  3.3 结果与讨论  41-55
    3.3.1 碳纳米管的加入对聚氨酯固化速度的影响  41-42
    3.3.2 碳纳米管在聚氨酯基体中的分散  42-43
    3.3.3 聚氨酯/碳纳米管复合材料的力学性能  43-46
    3.3.4 聚氨酯/碳纳米管复合材料的蠕变行为  46-54
    3.3.5 聚氨酯/碳纳米管复合材料的热性能  54-55
  3.4 小结  55-57
第四章聚氨酯/环氧树脂/碳纳米管复合材料的应力松弛  57-75
  4.1 引言  57
  4.2 实验  57-59
    4.2.1 实验原料及预处理  57-58
    4.2.2 实验仪器  58
    4.2.3 实验步骤  58-59
    4.2.4 性能测试  59
  4.3 结果与讨论  59-73
    4.3.1 碳纳米管在IPN复合材料中的分散  59-61
    4.3.2 复合材料的力学性能  61-63
    4.3.3 碳纳米管对IPNs复合材料热性能的影响  63-64
    4.3.4 复合材料的应力松弛行为  64-73
  4.4 小结  73-75
第五章结论  75-77
参考文献  77-88
攻读学位期间发表的学术论文目录  88-89
致谢  89-90

聚氨酯复合材料的粘弹行为

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