PU/CNTs復(fù)合材料的制備及其在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

舒 江，張志軍（.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，重慶市 40000；2. 南昌大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西省南昌市 33003）

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PU/CNTs復(fù)合材料的制備及其在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

舒 江1，張志軍2*
（1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，重慶市 400010；2. 南昌大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西省南昌市 330031）

摘 要：分別采用物理共混法和化學(xué)偶聯(lián)法原位制備了聚氨酯（PU）/碳納米管（CNTs）復(fù)合材料，并研究了其力學(xué)性能和抗靜電性能。結(jié)果表明：采用化學(xué)偶聯(lián)法制備的PU/CNTs復(fù)合材料中的CNTs分布更均勻，且復(fù)合材料的力學(xué)性能更優(yōu)異；隨CNTs含量增加，PU/CNTs復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大，而拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度先增加后降低；當(dāng)w（CNTs）為0.4%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最高，w（CNTs）為0.6%時(shí)，其沖擊強(qiáng)度最高；隨CNTs含量增加，PU/CNTs復(fù)合材料的抗靜電性能得到改善，保溫性能無(wú)明顯降低，是較為理想的室內(nèi)設(shè)計(jì)材料。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 碳納米管 聚氨酯 共混型 偶聯(lián)型 室內(nèi)設(shè)計(jì)

*通信聯(lián)系人。E-mail：642881850@qq.com。

聚氨酯（PU）的導(dǎo)熱系數(shù)低，并且具有高耐熱、防水、耐老化以及施工簡(jiǎn)便等優(yōu)良性能，廣泛用于門(mén)窗、地板、墻體、天花板等的保溫材料，在發(fā)達(dá)國(guó)家有超過(guò)49%的保溫材料都是PU泡沫塑料［1］；但由于PU的力學(xué)性能和抗靜電性能較差，一定程度上限制了PU泡沫塑料在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。為提高PU的力學(xué)性能，PU復(fù)合材料成為研究者的關(guān)注重點(diǎn)之一，其中，以纖維和納米粒子增強(qiáng)型PU復(fù)合材料為主［2-6］。碳納米管（CNTs）具有優(yōu)異的力學(xué)性能、抗靜電性能和耐熱性能，并且與聚合物有很好的相容性［7］。采用CNTs作為增強(qiáng)材料與PU復(fù)合，所制PU/CNTs復(fù)合材料的力學(xué)性能和抗靜電性能會(huì)得到較大程度的改善；但CNTs較大的惰性表面導(dǎo)致其在PU基體中容易發(fā)生團(tuán)聚，破壞材料的均一性，進(jìn)而影響復(fù)合材料在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

本工作分別采用物理共混法和化學(xué)偶聯(lián)法原位制備了PU/CNTs復(fù)合材料（分別記作共混型PU/ CNTs復(fù)合材料和偶聯(lián)型PU/CNTs復(fù)合材料），并研究了采用不同方法制備的PU/CNTs復(fù)合材料的性能以及其與CNTs含量的關(guān)系。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料

多臂CNTs，直徑為20～40 nm，長(zhǎng)度為5～15 μm，北京博宇高科新材料技術(shù)有限公司提供。1，4-丁二醇，濃硝酸，甲基丙烯酸羥乙酯，2'，2-雙羥甲基丙酸，二月桂酸二丁基錫，異佛爾酮二異氰酸酯，聚乙二醇，偶氮二異丁腈：均由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑北京有限公司提供，使用前未經(jīng)純化。硅烷偶聯(lián)劑KH-550，南京品寧偶聯(lián)劑有限公司提供，使用前用經(jīng)乙酸酸化的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的乙醇溶液（pH值約為3左右）處理，配制w（KH-550）為30%的KH-550處理液。

1.2試樣制備

多臂CNTs的預(yù)處理：將多臂CNTs于30 ℃在適量濃硝酸中浸泡6 h，隨后在60 ℃條件下超聲分散24 h；冷卻到室溫后，在4 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心分離5 min，烘干備用。

共混型PU/CNTs復(fù)合材料的制備：稱(chēng)取摩爾比為1∶1的聚乙二醇和異佛爾酮二異氰酸酯，加入摩爾分?jǐn)?shù)為4%的二月桂酸二丁基錫作催化劑，60 ℃條件下反應(yīng)3 h后加入2'，2-雙羥甲基丙酸，升至70 ℃超聲反應(yīng)3 h。隨后加入甲基丙烯酸羥乙酯和CNTs，超聲分散4 h，得到共混型PU/CNTs復(fù)合材料。

偶聯(lián)型PU/CNTs復(fù)合材料的制備：稱(chēng)取5 g預(yù)先處理好的CNTs，加入到200 mL的KH-550處理液中，60 ℃條件下超聲反應(yīng)2 h進(jìn)行偶聯(lián)處理，冷卻到室溫后過(guò)濾，用無(wú)水乙醇洗滌，烘干備用。稱(chēng)取摩爾比為1∶2的l，4-丁二醇和異佛爾酮二異氰酸酯，在60 ℃條件下反應(yīng)2 h，制備羥基封端的PU預(yù)聚物；稱(chēng)取摩爾比為1∶1的經(jīng)偶聯(lián)處理過(guò)的CNTs和羥基封端的PU預(yù)聚物，70 ℃條件下超聲反應(yīng)6 h，得到偶聯(lián)型PU/CNTs復(fù)合材料。

將PU/CNTs復(fù)合材料超聲均勻分散后，加人偶氮二異丁腈，攪拌均勻后真空抽氣，于模具中澆注固化成型，裁切成標(biāo)準(zhǔn)試樣備用。

1.3測(cè)試與表征

超聲反應(yīng)在深圳市晶達(dá)超聲波設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JD-2830型超聲波發(fā)生機(jī)中進(jìn)行，功率300 W，頻率28 kHz；PU/CNTs復(fù)合材料的電阻率采用上海云漢電子有限公司生產(chǎn)的DMM6001型數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試；復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率在深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的UTM5000型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上按ASTM D 638—2008測(cè)試；復(fù)合材料的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度采用無(wú)錫建儀儀器廠生產(chǎn)的KCJ-50型抗沖擊強(qiáng)度測(cè)定儀按ASTM D 256—2010測(cè)試；復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)采用湘潭儀器儀表廠生產(chǎn)的DRL-Ⅱ-A型熱流法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀測(cè)試；CNTs在復(fù)合材料中的分布情況采用美國(guó)FEI公司生產(chǎn)的Nova NanoSEM 50型超高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察。

2　結(jié)果與討論

2.1CNTs在PU基體中的分布情況

從圖1可以看出：共混型PU/CNTs復(fù)合材料中的CNTs發(fā)生了團(tuán)聚，呈光亮的圓點(diǎn)分布；而偶聯(lián)型PU/CNTs復(fù)合材料中CNTs與PU通過(guò)偶聯(lián)劑連結(jié)在一起，在PU基體中分布均勻。這說(shuō)明通過(guò)化學(xué)方法制備的偶聯(lián)型PU/CNTs復(fù)合材料中的CNTs分布更均一。

圖1　偶聯(lián)型及共混型PU/CNTs復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig. 1 SEM images of PU/CNTs composite in blending and coupling type

2.2PU/CNTs復(fù)合材料力學(xué)性能

從表1可以看出：加入CNTs可有效增強(qiáng)PU的力學(xué)性能，隨著CNTs含量的增加，PU/CNTs復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增加，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度呈先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)w（CNTs）為0.4%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最高，共混型PU/CNTs復(fù)合材料為18.35 MPa，偶聯(lián)型PU/CNTs復(fù)合材料為19.85 MPa，與純PU相比，分別提高4.92，6.42 MPa。當(dāng)w（CNTs）為0.6%時(shí)，PU/CNTs復(fù)合材料的抗沖擊性能呈最優(yōu)狀態(tài)，其中，共混型復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度為10.72 MPa，偶聯(lián)型復(fù)合材料為11.57 MPa，與純PU相比，分別提高3.06，3.91 MPa。與共混型PU/CNTs復(fù)合材料相比，偶聯(lián)型PU/CNTs復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度更高，說(shuō)明CNTs良好的分散程度有利于提高PU的力學(xué)性能。繼續(xù)增加CNTs的含量，偶聯(lián)型PU/CNTs復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率反而低于共混型PU/CNTs復(fù)合材料，可能是由于剛性的CNTs摻雜在聚合物鏈中，在一定程度上增大了聚合物的剛性。由于CNTs的摻雜提高了PU的拉伸性能和抗沖擊性能，因此，PU材料在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的施工和操作更為簡(jiǎn)便，不會(huì)由于PU質(zhì)脆的缺點(diǎn)而導(dǎo)致施工困難。

表1　PU/CNTs復(fù)合材料的力學(xué)性能Tab. 1 Mechanical properties of PU/CNTs composite

2.3PU/CNTs復(fù)合材料的體積電阻率

從圖2可以看出：加入CNTs可有效降低PU的體積電阻率，而且隨著CNTs含量的增加，復(fù)合材料的體積電阻率逐漸降低。當(dāng)w（CNTs）為0.8%～1.0%時(shí)，復(fù)合材料的體積電阻率變化不明顯，此時(shí)材料由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體，具有較好的抗靜電性能。同樣，由于偶聯(lián)型PU/CNTs復(fù)合材料中CNTs的分布比較均勻，所以其導(dǎo)電性能略優(yōu)于共混型PU/CNTs復(fù)合材料?，F(xiàn)今室內(nèi)設(shè)計(jì)中除了追求美觀實(shí)用外，抗靜電性能也是較為重要的性能之一，優(yōu)良的抗靜電性能可以在很大程度上保障室內(nèi)居住環(huán)境的安全性和潔凈度，PU/CNTs復(fù)合材料的體積電阻率較低，可以更好地應(yīng)用于室內(nèi)的抗靜電墻壁和抗靜電地板。

圖2　共混型及偶聯(lián)型PU/CNTs復(fù)合材料的體積電阻率Fig. 2 Volume resistivity of PU/CNTs composite in blending and coupling type

2.4PU/CNTs復(fù)合材料的熱導(dǎo)率

PU泡沫塑料極低的熱導(dǎo)率賦予了其優(yōu)異的保溫性能，使之可以用于建筑工程及室內(nèi)設(shè)計(jì)中的保溫材料，所以，對(duì)PU的改性必須要建立在保證其保溫性能的前提之下。從圖3可以看出：采用化學(xué)偶聯(lián)法和物理共混法制備的PU/CNTs復(fù)合材料都可以較好地保持PU本身的低導(dǎo)熱性，且復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨著CNTs含量的增加變化不大。在節(jié)能型室內(nèi)設(shè)計(jì)中，材料的良好保溫性能可以在很大程度上降低建筑物的能耗。與純PU泡沫塑料相比，PU/CNTs復(fù)合材料的熱導(dǎo)率并無(wú)明顯下降，約為0.22～0.23 W/（m·K），完全滿足建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)的保溫需求，是較為優(yōu)異的保溫材料。

圖3　共混型及偶聯(lián)型PU/CNTs復(fù)合材料的熱導(dǎo)率Fig.3 Thermal conductivity of PU/CNTs composite in blending and coupling type

3　結(jié)論

a）分別采用物理共混法和化學(xué)偶聯(lián)法原位制備了共混型和偶聯(lián)型PU/CNTs復(fù)合材料。

b）偶聯(lián)型PU/CNTs復(fù)合材料中的CNTs分布更均勻，且這種均一的分布更有利于提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。當(dāng)w（CNTs）為0.4%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最高，w（CNTs）為0.6%時(shí)，沖擊強(qiáng)度最高，而復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率隨CNTs含量的增加持續(xù)增大。

c）隨CNTs含量的增加，PU/CNTs復(fù)合材料的體積電阻率降低，當(dāng)w（CNTs）為0.8%～1.0%時(shí)，復(fù)合材料由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體。

d）共混型及偶聯(lián)型PU/CNTs復(fù)合材料都保持了PU優(yōu)異的保溫性能，且隨CNTs含量增加變化不大。

e）PU/CNTs復(fù)合材料在保持PU泡沫塑料保溫性能的情況下，力學(xué)性能和抗靜電性能都有所提高，提高了室內(nèi)設(shè)計(jì)的安全性，是較為理想的室內(nèi)設(shè)計(jì)材料。

4　參考文獻(xiàn)

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Preparation and application of PU/CNTs composite materials in interior design

Shu Jiang1，Zhang Zhijun2
（1. Department of Art and Design，Chongqing Vocational Institute of Engineering，Chongqing 400010，China；2. Department of Material Science and Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

Abstract：Different polyurethane（PU）/carbon nanotubes（CNTs） composite materials are prepared in situ by blending and coupling method，whose antistatic and mechanical properties are observed as well. The results show that coupling type PU/CNTs composite material shows better CNTs distribution and mechanical properties. With the content of CNTs increasing，the breaking elongation of the composite material rises，the impact and tensile strength go down followed by going up. The highest tensile and impact strength are observed respectively with 0.4% and 0.6% CNTs within. The antistatic property is improved and heat-insulating property is maintained following with the increasing of the CNTs contents，which proves the composite material is ideal for interior design.

Keywords：composite； carbon nanotube； polyurethane； blend type； coupling type； interior designing

作者簡(jiǎn)介：舒江，男，1974年生，講師，工程師，研究方向?yàn)榻ㄖ覂?nèi)裝飾設(shè)計(jì)及施工、城市景觀園林設(shè)計(jì)施工。聯(lián)系電話：18883188841；E-mail：huixia0606@163.com。

收稿日期：2015-11-27；修回日期： 2016-02-26。

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 630.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1002-1396（2016）03-0027-04