PU/CNTs复合材料的制备及其在室内设计中的应用

舒 江，张志军（.重庆工程职业技术学院艺术与设计学院，重庆市 40000；2. 南昌大学材料科学与工程学院，江西省南昌市 33003）



PU/CNTs复合材料的制备及其在室内设计中的应用

舒 江1，张志军2*
（1.重庆工程职业技术学院艺术与设计学院，重庆市 400010；2. 南昌大学材料科学与工程学院，江西省南昌市 330031）

摘 要：分别采用物理共混法和化学偶联法原位制备了聚氨酯（PU）/碳纳米管（CNTs）复合材料，并研究了其力学性能和抗静电性能。结果表明：采用化学偶联法制备的PU/CNTs复合材料中的CNTs分布更均匀，且复合材料的力学性能更优异；随CNTs含量增加，PU/CNTs复合材料的断裂伸长率逐渐增大，而拉伸强度和冲击强度先增加后降低；当w（CNTs）为0.4%时，复合材料的拉伸强度最高，w（CNTs）为0.6%时，其冲击强度最高；随CNTs含量增加，PU/CNTs复合材料的抗静电性能得到改善，保温性能无明显降低，是较为理想的室内设计材料。

关键词：复合材料 碳纳米管 聚氨酯 共混型 偶联型 室内设计

*通信联系人。E-mail：642881850@qq.com。

聚氨酯（PU）的导热系数低，并且具有高耐热、防水、耐老化以及施工简便等优良性能，广泛用于门窗、地板、墙体、天花板等的保温材料，在发达国家有超过49%的保温材料都是PU泡沫塑料［1］；但由于PU的力学性能和抗静电性能较差，一定程度上限制了PU泡沫塑料在室内设计中的应用。为提高PU的力学性能，PU复合材料成为研究者的关注重点之一，其中，以纤维和纳米粒子增强型PU复合材料为主［2-6］。碳纳米管（CNTs）具有优异的力学性能、抗静电性能和耐热性能，并且与聚合物有很好的相容性［7］。采用CNTs作为增强材料与PU复合，所制PU/CNTs复合材料的力学性能和抗静电性能会得到较大程度的改善；但CNTs较大的惰性表面导致其在PU基体中容易发生团聚，破坏材料的均一性，进而影响复合材料在室内设计中的应用。

本工作分别采用物理共混法和化学偶联法原位制备了PU/CNTs复合材料（分别记作共混型PU/ CNTs复合材料和偶联型PU/CNTs复合材料），并研究了采用不同方法制备的PU/CNTs复合材料的性能以及其与CNTs含量的关系。

1　实验部分

1.1主要原料

多臂CNTs，直径为20～40 nm，长度为5～15 μm，北京博宇高科新材料技术有限公司提供。1，4-丁二醇，浓硝酸，甲基丙烯酸羟乙酯，2'，2-双羟甲基丙酸，二月桂酸二丁基锡，异佛尔酮二异氰酸酯，聚乙二醇，偶氮二异丁腈：均由国药集团化学试剂北京有限公司提供，使用前未经纯化。硅烷偶联剂KH-550，南京品宁偶联剂有限公司提供，使用前用经乙酸酸化的质量分数为50%的乙醇溶液（pH值约为3左右）处理，配制w（KH-550）为30%的KH-550处理液。

1.2试样制备

多臂CNTs的预处理：将多臂CNTs于30 ℃在适量浓硝酸中浸泡6 h，随后在60 ℃条件下超声分散24 h；冷却到室温后，在4 000 r/min的转速下离心分离5 min，烘干备用。

共混型PU/CNTs复合材料的制备：称取摩尔比为1∶1的聚乙二醇和异佛尔酮二异氰酸酯，加入摩尔分数为4%的二月桂酸二丁基锡作催化剂，60 ℃条件下反应3 h后加入2'，2-双羟甲基丙酸，升至70 ℃超声反应3 h。随后加入甲基丙烯酸羟乙酯和CNTs，超声分散4 h，得到共混型PU/CNTs复合材料。

偶联型PU/CNTs复合材料的制备：称取5 g预先处理好的CNTs，加入到200 mL的KH-550处理液中，60 ℃条件下超声反应2 h进行偶联处理，冷却到室温后过滤，用无水乙醇洗涤，烘干备用。称取摩尔比为1∶2的l，4-丁二醇和异佛尔酮二异氰酸酯，在60 ℃条件下反应2 h，制备羟基封端的PU预聚物；称取摩尔比为1∶1的经偶联处理过的CNTs和羟基封端的PU预聚物，70 ℃条件下超声反应6 h，得到偶联型PU/CNTs复合材料。

将PU/CNTs复合材料超声均匀分散后，加人偶氮二异丁腈，搅拌均匀后真空抽气，于模具中浇注固化成型，裁切成标准试样备用。

1.3测试与表征

超声反应在深圳市晶达超声波设备有限公司生产的JD-2830型超声波发生机中进行，功率300 W，频率28 kHz；PU/CNTs复合材料的电阻率采用上海云汉电子有限公司生产的DMM6001型数字万用表测试；复合材料的拉伸强度和断裂伸长率在深圳三思纵横科技股份有限公司生产的UTM5000型微机控制电子万能试验机上按ASTM D 638—2008测试；复合材料的悬臂梁缺口冲击强度采用无锡建仪仪器厂生产的KCJ-50型抗冲击强度测定仪按ASTM D 256—2010测试；复合材料的导热系数采用湘潭仪器仪表厂生产的DRL-Ⅱ-A型热流法导热系数测定仪测试；CNTs在复合材料中的分布情况采用美国FEI公司生产的Nova NanoSEM 50型超高分辨率场发射扫描电子显微镜观察。

2　结果与讨论

2.1CNTs在PU基体中的分布情况

从图1可以看出：共混型PU/CNTs复合材料中的CNTs发生了团聚，呈光亮的圆点分布；而偶联型PU/CNTs复合材料中CNTs与PU通过偶联剂连结在一起，在PU基体中分布均匀。这说明通过化学方法制备的偶联型PU/CNTs复合材料中的CNTs分布更均一。

图1　偶联型及共混型PU/CNTs复合材料的扫描电子显微镜照片Fig. 1 SEM images of PU/CNTs composite in blending and coupling type

2.2PU/CNTs复合材料力学性能

从表1可以看出：加入CNTs可有效增强PU的力学性能，随着CNTs含量的增加，PU/CNTs复合材料的断裂伸长率逐渐增加，拉伸强度和冲击强度呈先升高后降低的趋势。当w（CNTs）为0.4%时，复合材料的拉伸强度最高，共混型PU/CNTs复合材料为18.35 MPa，偶联型PU/CNTs复合材料为19.85 MPa，与纯PU相比，分别提高4.92，6.42 MPa。当w（CNTs）为0.6%时，PU/CNTs复合材料的抗冲击性能呈最优状态，其中，共混型复合材料的冲击强度为10.72 MPa，偶联型复合材料为11.57 MPa，与纯PU相比，分别提高3.06，3.91 MPa。与共混型PU/CNTs复合材料相比，偶联型PU/CNTs复合材料的拉伸强度和冲击强度更高，说明CNTs良好的分散程度有利于提高PU的力学性能。继续增加CNTs的含量，偶联型PU/CNTs复合材料的断裂伸长率反而低于共混型PU/CNTs复合材料，可能是由于刚性的CNTs掺杂在聚合物链中，在一定程度上增大了聚合物的刚性。由于CNTs的掺杂提高了PU的拉伸性能和抗冲击性能，因此，PU材料在室内设计中的施工和操作更为简便，不会由于PU质脆的缺点而导致施工困难。

表1　PU/CNTs复合材料的力学性能Tab. 1 Mechanical properties of PU/CNTs composite

2.3PU/CNTs复合材料的体积电阻率

从图2可以看出：加入CNTs可有效降低PU的体积电阻率，而且随着CNTs含量的增加，复合材料的体积电阻率逐渐降低。当w（CNTs）为0.8%～1.0%时，复合材料的体积电阻率变化不明显，此时材料由绝缘体转变为半导体，具有较好的抗静电性能。同样，由于偶联型PU/CNTs复合材料中CNTs的分布比较均匀，所以其导电性能略优于共混型PU/CNTs复合材料。现今室内设计中除了追求美观实用外，抗静电性能也是较为重要的性能之一，优良的抗静电性能可以在很大程度上保障室内居住环境的安全性和洁净度，PU/CNTs复合材料的体积电阻率较低，可以更好地应用于室内的抗静电墙壁和抗静电地板。

图2　共混型及偶联型PU/CNTs复合材料的体积电阻率Fig. 2 Volume resistivity of PU/CNTs composite in blending and coupling type

2.4PU/CNTs复合材料的热导率

PU泡沫塑料极低的热导率赋予了其优异的保温性能，使之可以用于建筑工程及室内设计中的保温材料，所以，对PU的改性必须要建立在保证其保温性能的前提之下。从图3可以看出：采用化学偶联法和物理共混法制备的PU/CNTs复合材料都可以较好地保持PU本身的低导热性，且复合材料的热导率随着CNTs含量的增加变化不大。在节能型室内设计中，材料的良好保温性能可以在很大程度上降低建筑物的能耗。与纯PU泡沫塑料相比，PU/CNTs复合材料的热导率并无明显下降，约为0.22～0.23 W/（m·K），完全满足建筑室内设计的保温需求，是较为优异的保温材料。

图3　共混型及偶联型PU/CNTs复合材料的热导率Fig.3 Thermal conductivity of PU/CNTs composite in blending and coupling type

3　结论

a）分别采用物理共混法和化学偶联法原位制备了共混型和偶联型PU/CNTs复合材料。

b）偶联型PU/CNTs复合材料中的CNTs分布更均匀，且这种均一的分布更有利于提高复合材料的力学性能。当w（CNTs）为0.4%时，复合材料的拉伸强度最高，w（CNTs）为0.6%时，冲击强度最高，而复合材料的断裂伸长率随CNTs含量的增加持续增大。

c）随CNTs含量的增加，PU/CNTs复合材料的体积电阻率降低，当w（CNTs）为0.8%～1.0%时，复合材料由绝缘体转变为半导体。

d）共混型及偶联型PU/CNTs复合材料都保持了PU优异的保温性能，且随CNTs含量增加变化不大。

e）PU/CNTs复合材料在保持PU泡沫塑料保温性能的情况下，力学性能和抗静电性能都有所提高，提高了室内设计的安全性，是较为理想的室内设计材料。

4　参考文献

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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

作者简介：舒江，男，1974年生，讲师，工程师，研究方向为建筑室内装饰设计及施工、城市景观园林设计施工。联系电话：18883188841；E-mail：huixia0606@163.com。

收稿日期：2015-11-27；修回日期： 2016-02-26。

中图分类号：TQ 630.1

文献标识码：B

文章编号：1002-1396（2016）03-0027-04