納米無機(jī)粒子改性聚氨酯研究進(jìn)展

楊瑜珂　代麗

摘 要：綜述了近年來國(guó)內(nèi)外無機(jī)粒子如CaCO3、TiO2、碳納米管、石墨烯等在改性聚氨酯方面的研究進(jìn)展，同時(shí)指明了改性聚氨酯的研究方向，對(duì)聚氨酯的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：無機(jī)粒子；聚氨酯；改性

聚氨酯（PU）具有優(yōu)異的耐磨性能、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐沖擊性能和與其他材料粘接性能好等特點(diǎn)，是一種性能優(yōu)異的工程材料，但抗拉強(qiáng)度低、不耐高溫、不耐強(qiáng)酸堿介質(zhì)等缺點(diǎn)限制了聚氨酯的使用范圍，因此通常需對(duì)其進(jìn)行改性以滿足使用要求。近年來，納米技術(shù)不斷完善，已成為改善聚氨酯性能的有效手段。通過添加納米無機(jī)粒子，可使聚合物的綜合物理性能提高，尺寸穩(wěn)定性也得到相應(yīng)改善。本文旨在對(duì)納米碳酸鈣等無機(jī)粒子改性聚氨酯方面的研究進(jìn)行綜述。

一、納米CaCO3改性聚氨酯

納米CaCO3顆粒具有極高的表面能，親水性能強(qiáng)，僅適用于極性體系使用。若加入到非極性體系中，則表現(xiàn)出較強(qiáng)團(tuán)聚趨勢(shì)，在與聚合物混合的加工過程中遇熱、力等作用，往往團(tuán)聚成幾百納米甚至微米尺度的顆粒，從而喪失納米粒子的特有功能和作用。為改善納米碳酸鈣在有機(jī)體系中的相容性和分散性，改進(jìn)添加納米碳酸鈣復(fù)合體系的性能，必須對(duì)納米碳酸鈣進(jìn)行有機(jī)表面改性處理。近年來，大多數(shù)研究通過運(yùn)用表面活性劑、硬脂酸及偶聯(lián)劑對(duì)納米碳酸鈣進(jìn)行表面改性，從而降低納米粒子表面能，增強(qiáng)納米粒子在聚合物中的分散性能。

楊紅艷等研究了預(yù)聚體法制備的彈性聚氨酯/納米CaCO3體系，研究表明，超聲輔助和對(duì)無機(jī)材料的表面改性可以改善體系的硬度和扯斷伸長(zhǎng)率；最佳力學(xué)性能制備條件為納米CaCO3含量為4%，合成溫度80℃。

高勇等制備硬質(zhì)聚氨酯泡沫/納米CaCO3復(fù)合材料。樣品的阻尼性能在納米粒子含量增加的條件下，其背景內(nèi)耗呈上升趨勢(shì)，基體加入5%體積比的CaCO3后，體系在標(biāo)準(zhǔn)溫度區(qū)間內(nèi)的損耗因數(shù)均高于0.04，可作為硬質(zhì)阻尼復(fù)合體應(yīng)用。

二、納米TiO2改性聚氨酯

為改善聚氨酯在光學(xué)及光化學(xué)方面的光高效催化、紫外線屏蔽作用、顏色效應(yīng)和光電轉(zhuǎn)化效應(yīng)、殺菌功能等，通常在聚氨酯中加入納米TiO2。

Charpentier等利用二羥甲基丙酸（DMPA）處理TiO2，進(jìn)獲得了聚氨酯/納米TiO2復(fù)合涂層。研究表明，功能化TiO2能與與聚氨酯網(wǎng)絡(luò)骨架形成穩(wěn)定化學(xué)鍵合。聚氨酯/功能化納米TiO2體系表現(xiàn)出良好的表面自凈性能，同時(shí)還具有優(yōu)異的光催化抗菌作用。

Mahfuz等制備了硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料（RPUF）/納米TiO2復(fù)合材料材料，研究發(fā)現(xiàn)，TiO2納米顆粒在聚氨酯基體中微觀分布均勻，且復(fù)合材料熱穩(wěn)定性、彎曲模量以及彎曲強(qiáng)度等力學(xué)性能都有明顯的改善。

劉福春等研究了聚氨酯/納米TiO2復(fù)合涂層體系的制備控制條件對(duì)光催化性能的影響。發(fā)現(xiàn)TiO2納米粒子在聚氨酯中均勻分布，無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，得到的復(fù)合材料光催化性能較好，并且涂層的催化性能隨著TiO2加入比例的增加而增大。

三、石墨納米材料類改性聚氨酯

石墨類納米材料主要包括碳納米管和石墨烯，通常主要用來改善聚氨酯的力學(xué)、電學(xué)性能，賦予聚氨酯以新的功能。

Kwon等制備了水性聚氨酯/碳納米管復(fù)合材料。結(jié)果表明，CNTs對(duì)復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能、儲(chǔ)存模量、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及電性能都有一定的提高。而經(jīng)過功能化處理后的CNTs對(duì)復(fù)合材料電性能能提高8-9個(gè)數(shù)量級(jí)。

Hodlur等制備了具有彈性好、壓縮性強(qiáng)、均勻度好等特點(diǎn)的高壓敏導(dǎo)電性能聚氨酯/石墨烯復(fù)合材料，研究表明，石墨烯在聚氨酯基體表面兩者以強(qiáng)化學(xué)鍵結(jié)合；其壓電性能具有壓力響應(yīng)性。此復(fù)合材料將在靈敏度要求較高的化學(xué)、生物傳感器中有很大應(yīng)用潛力。

四、其他無機(jī)粒子

目前，針對(duì)其他無機(jī)粒子改性聚氨酯的研究也頗為豐富，如納米SiC、納米SiO2等。

Rybak 等制備了聚氨酯/PS-SiO2-SiC納米線復(fù)合薄片，并研究其電致應(yīng)變性能。結(jié)果表明，復(fù)合樣品變形的電壓響應(yīng)性較為明顯。

五、結(jié)語

無機(jī)粒子在改性聚氨酯極大地拓寬了聚氨酯在多行業(yè)的適用范圍和應(yīng)用價(jià)值，主要研究方向如下：

1.提高無機(jī)粒子與聚氨酯的相容性，使無機(jī)粒子在聚氨酯基體中更為分散，二者的結(jié)合力更強(qiáng)。

2.改善聚氨酯原有性能，擴(kuò)大聚氨酯的應(yīng)用范圍和條件。

3.增加聚氨酯某些特殊功能，例如壓力響應(yīng)性，電響應(yīng)性等。

參考文獻(xiàn)：

[1] 傅明源，孫酣經(jīng).聚氨酯彈性體及其應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

[2] 金國(guó)珍.工程塑料[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2000.295-303.

[3] 楊紅艷，欒道成，王紅研等.聚氨酯/納米碳酸鈣復(fù)合材料及性能的研究[J].高分子材料科學(xué)與工程，2006，22（6）：106-109.

[4] 高勇，蘆艾，黃奕剛.硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料阻尼性能研究[J].中國(guó)塑料，2008，22（8）：50-53.