納米材料改性聚氨酯泡沫的研究進(jìn)展

賈 洪

(哈爾濱合力特科技有限公司 ，哈爾濱 150001)

近年來，納米材料改性技術(shù)穩(wěn)步提升，其相關(guān)的聚合物改性研究逐步深入，納米改性聚氨酯材料具有特殊的性能和優(yōu)點(diǎn)，能夠用作功能性材料，服務(wù)于高端技術(shù)。

1 納米材料的主要特征

納米技術(shù)材料的主要特點(diǎn)是使用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)、研究結(jié)構(gòu)尺寸在1～100 nm的材料。納米材料的填料結(jié)構(gòu)形式比較多樣，其中含有顆粒狀和棒狀等多種形狀，中間添加無機(jī)填料和有機(jī)填料作為材料補(bǔ)充。納米材料的表面積較大，分子間的作用力更強(qiáng)。利用納米材料的特點(diǎn)，可以使其與聚合物進(jìn)行填充，這樣就能發(fā)生團(tuán)聚反應(yīng)，以影響復(fù)合材料的性能提升。在材料應(yīng)用分析中，可以使用超聲振動(dòng)技術(shù)進(jìn)行處理，有效改變納米材料的分散情況。日常生產(chǎn)中，常用的方法是使用超聲振動(dòng)法，該方法的主要原理是利用液體的空化現(xiàn)象，有效實(shí)現(xiàn)空化氣泡的微射流與聚體之間的猛烈撞擊，實(shí)現(xiàn)阻止團(tuán)聚體的目的。利用表面活性化法是依據(jù)分子間的相互作用力減少納米材料的表面能，提高納米材料的分散作用，通過相關(guān)處理，增強(qiáng)納米材料表面活性基團(tuán)，產(chǎn)生聚合反應(yīng)，有利于實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的分散能力。聚合法、凝膠法等方法都是為制作納米材料與聚氨酯泡沫形成復(fù)合材料的改進(jìn)辦法。

2 納米材料改性聚氨酯軟質(zhì)材料的特點(diǎn)

納米材料改性聚氨酯軟質(zhì)泡沫具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在具有開孔結(jié)構(gòu)。該泡沫塑料制品密度較低，能夠吸收音量，具有透氣等性質(zhì)。經(jīng)過加工添加納米材料就能增強(qiáng)軟質(zhì)聚氨酯泡沫的相關(guān)性能，提高其導(dǎo)電能力。通過合成纖維素的納米晶體改性聚氨酯泡沫，能夠提高納米材料的分散程度。如果增加納米纖維素，會(huì)使復(fù)合材料的密度降低，泡孔的尺寸逐漸增大。主要原因是密度降低，導(dǎo)致納米填料中水分出現(xiàn)變化。研究表明，復(fù)合材料的性能會(huì)隨著納米材料的使用量加大而變得更高。碳納米管具有強(qiáng)度大、管徑長的優(yōu)勢，這就要求聚合物在添加過程中要注意考慮該項(xiàng)特殊的優(yōu)勢。將碳納米顆粒成分填入聚氨酯泡沫原料合成新型材料，在制作過程中，加入超聲輔助方式，導(dǎo)致聚氨酯泡沫的復(fù)合材料表面極為不平，同時(shí)碳納米管會(huì)在聚氨酯網(wǎng)中發(fā)揮作用，主要原因是聚氨酯泡沫的氣孔中留有一部分破碎的氣泡，使里面的氣體發(fā)生強(qiáng)烈撞擊，這種反應(yīng)會(huì)促進(jìn)碳納米管與聚氨酯發(fā)生碰撞，進(jìn)一步加速反應(yīng)速度，使其更加激烈，甚至導(dǎo)致泡孔內(nèi)的氣體發(fā)生噴射反應(yīng)，快速融化其中的聚氨酯網(wǎng)，也能促進(jìn)碳納米管的分散形成，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠提高機(jī)械強(qiáng)度。大量的實(shí)驗(yàn)測試表明，復(fù)合材料的性能結(jié)構(gòu)能夠滿足要求，這也說明樣品的彈性和形狀形變功能良好。碳納米管材料具有更高的導(dǎo)電能力和吸附能力，但在加入碳納米管后就會(huì)出現(xiàn)泡孔直徑增大的情況，使得碳納米管無法接觸，造成電導(dǎo)率降低。從實(shí)驗(yàn)測試材料表面的壓力狀況能夠看出材料泡孔結(jié)構(gòu)的變化，使碳納米管接觸更加緊密，增加電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)研制階段，可通過一步法改良石墨烯改性聚氨酯軟泡。在復(fù)合材料中加入石墨烯片，材料表現(xiàn)出具有很好的拉伸性能和硬度指標(biāo)，逐步增加用量，性質(zhì)也逐步提高，這時(shí)能夠看出材料的拉伸強(qiáng)度會(huì)隨著石墨烯的放入呈現(xiàn)先增大后持續(xù)降低的變化。加入石墨烯時(shí)，當(dāng)添加量為1%時(shí)，復(fù)合材料的各項(xiàng)強(qiáng)度均為最大值，與不含石墨烯的材料相比，聚氨酯軟泡的強(qiáng)度增加60%。實(shí)驗(yàn)比較聚氨酯軟泡材料的熱重，發(fā)現(xiàn)含1%的石墨烯聚氨酯復(fù)合材料軟泡的分解溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不含石墨烯的復(fù)合材料。

3 納米材料改性硬質(zhì)聚氨酯泡沫的主要性狀

納米材料改性硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料的絕熱性能更好，強(qiáng)度更大。聚氨酯改性過程中，最常見的材料是碳酸鈣，它的加入能夠改善聚氨酯泡沫的性能，控制阻燃性，還能降低生產(chǎn)成本。多壁碳納米管也是聚氨酯硬泡的添加材料，在逐步添加過程中，納米材料改性硬泡聚氨酯泡沫的壓縮強(qiáng)度會(huì)顯著增加近20%。納米材料碳酸鈣的加入會(huì)讓超聲波乳化儀將其分散在PAPI中，這樣就能完成納米碳酸鈣聚氨酯硬泡的制作。運(yùn)用掃描電鏡技術(shù)能夠觀察到材料的納米顆粒為100 nm，與初始材料相比，粒徑大小幾乎相同，說明碳酸鈣材料沒有發(fā)生明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。納米碳酸鈣能夠提升硬質(zhì)泡沫的壓縮強(qiáng)度。通過研制多種碳納米管改性的硬泡材料能夠看出，加入MWCNT的復(fù)合材料，泡孔狀況會(huì)發(fā)生一些變化，產(chǎn)生負(fù)面影響，并且發(fā)現(xiàn)隨著MWCNT的使用量增加，復(fù)合材料的泡孔均勻程度逐漸下降。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)材料變化的觀察發(fā)現(xiàn)，納米材料對(duì)硬質(zhì)材料的力學(xué)影響較小。在對(duì)導(dǎo)電性能方面的研究中，沒有加入納米填料樣品的電導(dǎo)效果較差，是5.4×10-4S/cm，在加入0.5%的MWCNT材料時(shí)，性能顯著上升至0.083 S/cm，說明材料的電導(dǎo)率會(huì)隨著MWCNT量的增多而增強(qiáng)。當(dāng)MWCNT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%時(shí)，材料電導(dǎo)率就會(huì)上升為0.127 S/cm。在研究納米材料中加入SiO2作為改性硬質(zhì)聚氨酯材料，通過比較使用偶聯(lián)劑A或B的改性試驗(yàn)?zāi)軌蚩闯?，納米材料加入SiO2能夠?qū)郯滨?fù)合材料起到一定的影響。實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的SiO2材料與沒有加入材料相比，材料的拉伸強(qiáng)度與伸長率具有明顯的變化，這也說明偶聯(lián)劑B的改性能力要優(yōu)于A。在進(jìn)行偶聯(lián)劑A改性SiO2實(shí)驗(yàn)時(shí)，能夠看出中高密度的聚氨酯硬泡壓縮強(qiáng)度沒有太大影響，當(dāng)SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%時(shí)，會(huì)起到一定的效果，兩項(xiàng)指標(biāo)拉伸和壓縮強(qiáng)度都會(huì)明顯增強(qiáng)，在這種情況下，硬泡的沖擊強(qiáng)度也會(huì)達(dá)到最大值，增量超過30%，之后明顯下降，但數(shù)值也會(huì)超過原空白樣品。實(shí)驗(yàn)中，加入相關(guān)納米材料，以氧化鈦、黏土和碳納米纖維混合組成的填料制成了密度為250 kg/m3的硬泡復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)過程中，加入1%的納米混合材料，此時(shí)該材料的機(jī)械性能迅速提高，再次加入相關(guān)的納米材料和碳納米纖維，其硬泡的拉伸能力明顯增強(qiáng)。

4 納米材料增強(qiáng)半硬質(zhì)聚氨酯泡沫

加入適量的納米纖維素，制備一些半硬質(zhì)聚氨酯泡沫，可將材料的壓縮強(qiáng)度提升1倍，纖維素晶體加入到復(fù)合材料中時(shí)，能降低回彈性。引入納米纖維素能使半硬質(zhì)聚氨酯泡沫的性質(zhì)穩(wěn)定，復(fù)合材料的體積逐漸減小，體積收縮率明顯降低至1%左右。使用碳納米管對(duì)其進(jìn)行酸化實(shí)驗(yàn)，再使用相關(guān)藥劑進(jìn)行處理，能夠得到聚丙烯酸的改性碳納米管。氨基化碳納米管能夠有效分散在聚氨酯基質(zhì)中，可有效改善聚氨酯泡沫結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)形式被完整的保存起來，使泡孔結(jié)構(gòu)更加合理。

5 結(jié)語

納米材料作為一種新型材料，能夠有效改變材料性狀，使功能化納米材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。納米材料能夠促進(jìn)聚氨酯泡沫材料的發(fā)展。復(fù)合材料研發(fā)過程中，應(yīng)在新型功能納米材料研制領(lǐng)域?qū)ふ彝黄?，提升聚氨酯?fù)合材料的使用性能，加強(qiáng)聚氨酯泡沫的使用，為材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。