碳納米管改性聚氨酯涂飾材料的性能研究

周俊嬌，洪新球

（嘉興學(xué)院材料與紡織學(xué)院，浙江嘉興314001）

碳納米管改性聚氨酯涂飾材料的性能研究

周俊嬌，洪新球

（嘉興學(xué)院材料與紡織學(xué)院，浙江嘉興314001）

碳納米管作為一種新型的納米材料，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)而具有特殊的物化特性。本文將碳納米管用濃硫酸與濃硝酸的混合強(qiáng)酸改性后，與聚氨酯涂飾材料進(jìn)行超聲共混，研究了改性聚氨酯涂飾材料的應(yīng)用性能。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：碳納米管改性聚氨酯涂飾材料的較優(yōu)條件為超聲時(shí)間60 min，碳納米管用量為聚氨酯涂飾材料質(zhì)量的0.01%，表面活性劑為吐溫20，用量為聚氨酯質(zhì)量的0.4%時(shí)，此時(shí)改性聚氨酯所成薄膜的撕裂強(qiáng)度最大，達(dá)到18.7 N/mm。

碳納米管；改性；聚氨酯；涂飾

碳納米管是一種新型的碳結(jié)構(gòu)，它是由單層或多層石墨片按一定螺旋度卷曲而成的直徑為納米尺度的中空無(wú)縫管，兩端的“碳帽”由五元環(huán)或六元環(huán)封閉而成[1-2]。碳納米管中碳原子主要為SP2雜化，但當(dāng)其受到彎曲時(shí)，SP2雜化會(huì)趨向于SP3的再雜化或者σ-π鍵混合[3-4]。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使碳納米管具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，讓其在眾多領(lǐng)域中有著非常廣闊的應(yīng)用，但在現(xiàn)階段，皮革科技工作者針對(duì)碳納米管的研究報(bào)道還不是很多。

本文先采用濃硫酸與濃硝酸（混合強(qiáng)酸）處理碳納米管，使其表面帶有羧基等活性基團(tuán)，隨后用改性后的碳納米管與聚氨酯涂飾材料進(jìn)行超聲共混，并考察改性聚氨酯的應(yīng)用性能。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要試劑與儀器設(shè)備

1.1.1主要試劑與材料

碳納米管，多壁，實(shí)驗(yàn)級(jí)，深圳市納米港有限公司；濃硫酸，分析純，杭州雙沐化工試劑廠；濃硝酸，分析純，浙江中墨化工試劑有限公司；聚氨酯樹(shù)脂（RU-73-989），工業(yè)品，斯塔爾化工材料有限公司；十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），分析純，上海聯(lián)試化工試劑有限公司；十二烷基硫酸鈉（SDS），分析純，上海聯(lián)試化工試劑有限公司；吐溫20，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2主要儀器設(shè)備

智能數(shù)顯多功能水浴鍋，HH-WO，上?，斈醿x器設(shè)備有限公司；恒速攪拌器，S213-90W，上海申勝生物技術(shù)有限公司；循環(huán)水式多用真空泵，SHB-Ⅲ-A，杭州大衛(wèi)科教儀器有限公司；超聲細(xì)胞粉碎機(jī)，SCIENTZ-ⅡD，賽飛(中國(guó))有限公司；傅立葉紅外光譜儀，470FI-IR，美國(guó)賽默飛世爾科技公司；皮革水汽滲透試驗(yàn)機(jī)，GT-7005-EV，高鐵檢測(cè)儀器（東莞）有限公司；電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，WDL-5000N，江都市道純?cè)囼?yàn)機(jī)械廠。

1.2碳納米管的改性

將濃硫酸與濃硝酸以3∶1的體積比混合得混合強(qiáng)酸，再將碳納米管與混合強(qiáng)酸以1∶50的質(zhì)量比混合?；旌弦涸?0℃下冷凝回流2 h，冷卻至室溫，稀釋后進(jìn)行抽濾，用蒸餾水反復(fù)沖洗碳納米管至pH為中性左右，然后放入120℃的烘箱內(nèi)進(jìn)行干燥，得到改性碳納米管。

1.3碳納米管改性聚氨酯涂飾材料

稱(chēng)取一定質(zhì)量的聚氨酯涂飾材料到三口燒瓶中，然后加入不同質(zhì)量的碳納米管和表面活性劑，在50℃的水浴中，攪拌10 min，混合均勻后，轉(zhuǎn)移到燒杯中進(jìn)行超聲處理。超聲至規(guī)定時(shí)間后，將所獲得的改性聚氨酯涂飾材料轉(zhuǎn)移到玻璃皿中，在60℃的烘箱里干燥成膜。

1.4改性聚氨酯涂飾材料的應(yīng)用

按照常規(guī)涂飾工藝，將制備的改性聚氨酯涂飾材料或未改性的聚氨酯涂飾材料與蠟，顏料膏等一起進(jìn)行涂飾實(shí)驗(yàn)。

1.5測(cè)試分析

1.5.1改性碳納米管的結(jié)構(gòu)表征

用KBr壓片法測(cè)定碳納米管改性前后的紅外吸收?qǐng)D譜。

1.5.2聚氨酯薄膜撕裂強(qiáng)度和透水汽性的測(cè)定

參照QB/T 2711-2005皮革撕裂強(qiáng)度的測(cè)定方法，測(cè)定薄膜的撕裂強(qiáng)度；參照文獻(xiàn)中動(dòng)態(tài)法測(cè)定皮革透水汽性的方法[5]測(cè)定薄膜的透水汽性。

1.5.3皮革抗張強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、靜態(tài)吸水率和透水汽性的測(cè)定

抗張強(qiáng)度按照QB/T 2710-2005進(jìn)行測(cè)定；撕裂強(qiáng)度按照 QB/T 2711-2005進(jìn)行測(cè)定；按照文獻(xiàn)中方法[5]，采用稱(chēng)重法測(cè)定皮革的吸水性，動(dòng)態(tài)法測(cè)定皮革的透水汽性。

2結(jié)果與討論

2.1碳納米管的改性

碳納米管改性前后的紅外光譜見(jiàn)圖1。

圖1　碳納米管改性前后的紅外光譜圖

由圖1可以看出經(jīng)過(guò)改性的碳納米管在 3 445 cm-1，1 631 cm-1，1 384 cm-1，1 116 cm-1出現(xiàn)吸收峰。3 445 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰是O-H的吸收峰，1 631 cm-1，1 116 cm-1，1 384 cm-1分別出現(xiàn)C=O和C-O的伸縮振動(dòng)吸收峰，表明經(jīng)過(guò)改性后，碳納米管中含有羧基，反應(yīng)活性增強(qiáng)。

2.2碳納米管改性聚氨酯涂飾材料條件的優(yōu)化

文中以改性聚氨酯涂飾材料所成薄膜的撕裂強(qiáng)度為優(yōu)化指標(biāo)，通過(guò)正交試驗(yàn)，考察了超聲時(shí)間、碳納米管用量、表面活性劑及用量三個(gè)因素對(duì)改性聚氨酯性能的影響。試驗(yàn)方案表選用L9(34)，因素水平表見(jiàn)表1，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1　正交試驗(yàn)因素水平表

表2　正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及極差分析

由表2中數(shù)據(jù)分析可以看出，超聲時(shí)間對(duì)薄膜的撕裂強(qiáng)度影響最大，其次是碳納米管的用量，表面活性劑對(duì)薄膜撕裂強(qiáng)度的影響不是很明顯。從表2可知，碳納米管改性聚氨酯涂飾材料的較優(yōu)條件是A3B1C3，即超聲時(shí)間為60 min，碳納米管用量為0.01%，表面活性劑為吐溫20，用量為0.4%時(shí)，改性聚氨酯涂飾材料所成薄膜的撕裂強(qiáng)度最大，達(dá)到18.7 N/mm。后續(xù)試驗(yàn)所用改性聚氨酯涂飾材料均按該優(yōu)化條件進(jìn)行改性。

文中還測(cè)定了薄膜的透水汽性，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖2，圖2中0#表示未改性聚氨酯涂飾材料所成薄膜，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#分別對(duì)應(yīng)正交實(shí)驗(yàn)中1、2、3、4、5、6、7、8、9號(hào)實(shí)驗(yàn)所制備改性聚氨酯所成薄膜。由圖2可以看出除8#薄膜的透水汽性和0#薄膜一樣外，其它薄膜均比0#薄膜有所提高，這可能是由于碳納米管的引入，增加了薄膜的孔隙，從而增加了薄膜的透水汽性。其中7#薄膜的透水汽性最好，與薄膜撕裂強(qiáng)度的測(cè)定結(jié)果相一致。

圖2　薄膜的透水汽性能

2.3涂飾革樣的各項(xiàng)性能

按照常規(guī)工藝，將優(yōu)化條件下制備的改性聚氨酯涂飾材料進(jìn)行涂飾應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了涂飾革樣的各項(xiàng)性能，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，與聚氨酯相比，改性聚氨酯涂飾革樣的抗張強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和透水汽性均有所提高，這可能與碳納米管的增強(qiáng)增韌作用有關(guān)[6]。而提高的幅度不大，可能是因?yàn)樘技{米管用量較少的原因造成的。文中還采用稱(chēng)重法測(cè)定了涂飾革樣的吸水性，由表3可知，改性聚氨酯涂飾革樣的15 min吸水性略有增加，而2 h吸水性則有一定下降。

3結(jié)論

（1）用混合強(qiáng)酸處理碳納米管可以減小其長(zhǎng)徑比，使其表面帶有羧基，有利于碳納米管的應(yīng)用。

（2）碳納米管改性聚氨酯涂飾材料的較優(yōu)條件是超聲時(shí)間為 60 min，碳納米管用量為0.01%，表面活性劑為吐溫20，用量0.4%，此時(shí)改性聚氨酯所成薄膜的撕裂強(qiáng)度最大，達(dá)到18.7 N/mm。

（3）相較于未改性的聚氨酯，改性聚氨酯涂飾革樣的抗張強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和透水汽性均有提高。

表3　涂飾革樣的各項(xiàng)性能測(cè)定結(jié)果

[1]曹偉，宋雪梅，王波，等.碳納米管的研究進(jìn)展 [J].材料導(dǎo)報(bào)，2007，21 （F05）：77-82.

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Study on the Properties of Polyurethane Coating Materials Modified by Carbon Nanotubes

ZHOU Jun-jiao，HONG Xin-qiu
（College of Material and Textile Engineering，Jiaxing University，Jiaxing 314001，China）

As a new kind of nanometer material，carbon nanotubes had special properties due to their unique structures.Carbon nanotubes were modified by mixed acid of concentrated sulfuric acid and nitric acid，then they were mixed with polyurethane coating materials by using ultrasound，and their application performances were studied.The optimal modified conditions were ultrasound time of 60 minutes，mass content of carbon nanotubes of 0.01%，mass content of Tween 20 of 0.4%，which were determined by orthogonal experiment.The tear strength of the films of modified polyurethane coating materials reached the highest 18.7 N/mm.

carbon nanotubes；modification；polyurethane；coating

O 641；TS 529.5

A

1671-1602（2016）15-0057-03

周俊嬌（1994.05—），女，嘉興學(xué)院2012級(jí)輕化工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生，現(xiàn)已被陜西科技大學(xué)錄取為2016級(jí)碩士研究生。。