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热塑性聚氨酯/无机粒子功能复合材料的制备及性能研究

作　者: 陈莹
导　师: 李耀刚
学　校: 东华大学
专　业: 纳米纤维及杂化材料
关键词: 热塑性聚氨酯 硅藻土 氢氧化镁 碳纳米管 钴锌铁氧体 功能复合材料
分类号: TB33
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


热塑性聚氨酯(TPU)硬度高且富有弹性,具有良好的耐油性、耐臭氧性,以及优异的低温性能,因而应用广泛。但是由于其强度不高,耐热性差,易燃,并且在高温下容易发生软化、分解,使机械性能急剧下降,一般情况下它的长期使用温度不能超过80℃,短期使用温度不能超过120℃,这大大限制了它的应用范围。如何在提高TPU耐热性能的同时,保证其综合性能不下降或不发生改变,是多年来人们对TPU性能研究的一个重点。无机材料普遍具有高熔点、高硬度、耐磨损、耐腐蚀和良好的抗氧化性等特点。此外,无机纳米粒子具有独特的光、电、磁和化学特性,这为制备高性能、多功能复合材料指明了新的方向。近年来,无机粒子改性成为TPU改性的主要手段之一。本文选取了三种不同的无机粒子,采用溶液共混法制备了三种TPU/无机粒子功能复合材料,在提高TPU材料耐热性和机械性能的同时,还改善了其阻燃性能和磁性能。首次将硅烷偶联剂改性的硅藻土颗粒填充到TPU材料中,利用硅藻土颗粒的天然孔状结构,将TPU基体吸收到空隙和表面而不能向外迁移,形成一种内部机械啮合的结构,从而使得TPU与硅藻土之间的结合更为牢固。采用傅里叶红外变换光谱(FTIR)、热失重分析仪(TGA)、扫描电子显微镜(SEM)、电子万能试验机、动态力学分析仪(DMA)对复合材料进行表征。结果表明：TPU/硅藻土复合材料的力学性能和耐热性明显提高,其中复合材料的拉伸强度增幅达到62.2%。以表面偶联化处理后的氢氧化镁(MH)为改性剂,采用溶液共混法制备了TPU/MH复合材料。通过FTIR、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、TGA、电子万能试验机、DMA、ATS 1004050型氧指数仪对复合材料进行表征。结果表明：TPU/MH复合材料的力学性能和耐热性明显提高,当材料的热失重质量分数达到30%时,TPU/MH复合材料的热分解温度较纯TPU提高了58℃。此外,MH的添加提高了TPU复合材料的阻燃性能,随着MH含量的增加,TPU/MH复合材料的极限氧指数值(LOI)从20.5%提高至22.7%。首次采用醇热法制备得到了晶相纯、磁性优良的钴锌铁氧体包覆碳纳米管的复合材料,研究了不同化学计量的钴锌铁氧体纳米颗粒包覆MWCNTs纳米复合材料的磁性能。通过溶液共混法将制得的MWCNTs/Co0.5Zn0.5Fe2O4磁性纳米颗粒添加到TPU材料中,以改善TPU材料的力学性能和耐热性,并赋予材料新的磁响应性能。通过X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和振动磁强计(VSM)、FE-SEM、TGA、电子万能试验机、DMA对复合材料进行表征。结果表明：MWCNTs/Co1-xZnxFe2O4磁性纳米复合材料的饱和磁化强度随Zn2+含量的增加,呈先递增后下降的趋势,当x=0.5时达到最大值57.5emu·g-1。该复合材料的磁感应灵敏度强,是一种很好的软磁材料。TPU/MWCNTs/Co0.5Zn0.5Fe2O4纳米复合材料的力学性能、耐热性和磁性能明显提高,复合材料的饱和磁化强度高达30.30 emu·g-1。

全文目录


摘要  5-8
ABSTRACT  8-10
目录  10-13
第一章 绪论  13-25
  1.1 引言  13
  1.2 TPU材料概述  13-14
  1.3 TPU/无机粒子复合材料的制备方法  14-17
    1.3.1 共混法  14-15
    1.3.2 原位聚合法  15-16
    1.3.3 溶胶-凝胶法  16-17
    1.3.4 插层聚合法  17
  1.4 TPU/无机粒子复合材料的功能化及其应用  17-24
    1.4.1 无机氧化物改性TPU复合材料  18-20
    1.4.2 黏土改性TPU复合材料  20-21
    1.4.3 纳米碳材料改性TPU复合材料  21-23
    1.4.4 纳米CaCO_3改性TPU复合材料  23
    1.4.5 其他无机粒子改性TPU复合材料  23-24
  1.5 本论文研究的目的和意义  24-25
第二章 TPU/硅藻土复合材料的制备及性能研究  25-38
  2.1 引言  25-26
  2.2 实验部分  26-27
    2.2.1 实验原料  26
    2.2.2 实验设备  26
    2.2.3 TPU/硅藻土复合材料的制备  26-27
    2.2.4 表征及测试方法  27
  2.3 结果与讨论  27-37
    2.3.1 硅藻土颗粒表面改性的定性和定量分析  27-29
    2.3.2 TPU/硅藻土复合材料的断面形貌分析  29-30
    2.3.3 TPU/硅藻土复合材料的反应机理探讨  30-31
    2.3.4 TPU/硅藻土复合材料的热性能分析  31-33
    2.3.5 TPU/硅藻土复合材料的力学性能分析  33-37
  2.4 本章小结  37-38
第三章 TPU/氢氧化镁复合材料的制备及性能研究  38-51
  3.1 引言  38-39
  3.2 实验部分  39-41
    3.2.1 实验原料  39
    3.2.2 实验设备  39-40
    3.2.3 TPU/氢氧化镁复合材料的制备  40
    3.2.4 表征及测试方法  40-41
  3.3 结果与讨论  41-50
    3.3.1 氢氧化镁颗粒表面改性的定性分析  41-42
    3.3.2 TPU/氢氧化镁复合材料的断面形貌分析  42-43
    3.3.3 TPU/氢氧化镁复合材料的热性能分析  43-45
    3.3.4 TPU/氢氧化镁复合材料的力学性能分析  45-49
    3.3.5 TPU/氢氧化镁复合材料的阻燃性能分析  49-50
  3.4 本章小结  50-51
第四章 TPU/MWCNTs/Co_(0.5)Zn_(0.5)Fe_2O_4纳米复合材料的制备及性能研究  51-72
  4.1 引言  51-52
  4.2 实验部分  52-55
    4.2.1 实验原料  52-53
    4.2.2 实验设备  53
    4.2.3 TPU/MWCNTs/Co_(0.5)Zn_(0.5)Fe_2O_4纳米复合材料的制备  53-54
    4.2.4 表征及测试方法  54-55
  4.3 结果与讨论  55-70
    4.3.1 钴锌铁氧体纳米颗粒包覆碳纳米管复合材料的物相分析  55-57
    4.3.2 钴锌铁氧体纳米颗粒包覆碳纳米管复合材料的形貌分析  57-58
    4.3.3 钴锌铁氧体纳米颗粒包覆碳纳米管复合材料的反应机理分析  58-59
    4.3.4 钴锌铁氧体纳米颗粒包覆碳纳米管复合材料的磁性能分析  59-61
    4.3.5 TPU/MWCNTs/Co_(0.5)Zn_(0.5)Fe_2O_4纳米复合材料的断面形貌分析  61-62
    4.3.6 TPU/MWCNTs/Co_(0.5)Zn_(0.5)Fe_2O_4纳米复合材料的热性能分析  62-65
    4.3.7 TPU/MWCNTs/Co_(0.5)Zn_(0.5)Fe_2O_4纳米复合材料的力学性能分析  65-69
    4.3.8 TPU/MWCNTs/Co_(0.5)Zn_(0.5)Fe_2O_4纳米复合材料的磁性能分析  69-70
  4.4 本章小结  70-72
全文总结  72-74
参考文献  74-86
附录1: 硕士期间所撰写的论文及申请的专利  86-87
致谢  87

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料
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