纳米材料改性聚氨酯泡沫的研究进展

2020-01-18贾洪

黑龙江科学 2020年2期

贾洪

(哈尔滨合力特科技有限公司，哈尔滨 150001)

近年来，纳米材料改性技术稳步提升，其相关的聚合物改性研究逐步深入，纳米改性聚氨酯材料具有特殊的性能和优点，能够用作功能性材料，服务于高端技术。

1 纳米材料的主要特征

纳米技术材料的主要特点是使用单个原子、分子制造物质的科学技术、研究结构尺寸在1～100 nm的材料。纳米材料的填料结构形式比较多样，其中含有颗粒状和棒状等多种形状，中间添加无机填料和有机填料作为材料补充。纳米材料的表面积较大，分子间的作用力更强。利用纳米材料的特点，可以使其与聚合物进行填充，这样就能发生团聚反应，以影响复合材料的性能提升。在材料应用分析中，可以使用超声振动技术进行处理，有效改变纳米材料的分散情况。日常生产中，常用的方法是使用超声振动法，该方法的主要原理是利用液体的空化现象，有效实现空化气泡的微射流与聚体之间的猛烈撞击，实现阻止团聚体的目的。利用表面活性化法是依据分子间的相互作用力减少纳米材料的表面能，提高纳米材料的分散作用，通过相关处理，增强纳米材料表面活性基团，产生聚合反应，有利于实现复合材料的分散能力。聚合法、凝胶法等方法都是为制作纳米材料与聚氨酯泡沫形成复合材料的改进办法。

2 纳米材料改性聚氨酯软质材料的特点

纳米材料改性聚氨酯软质泡沫具有显著的优点，主要表现在具有开孔结构。该泡沫塑料制品密度较低，能够吸收音量，具有透气等性质。经过加工添加纳米材料就能增强软质聚氨酯泡沫的相关性能，提高其导电能力。通过合成纤维素的纳米晶体改性聚氨酯泡沫，能够提高纳米材料的分散程度。如果增加纳米纤维素，会使复合材料的密度降低，泡孔的尺寸逐渐增大。主要原因是密度降低，导致纳米填料中水分出现变化。研究表明，复合材料的性能会随着纳米材料的使用量加大而变得更高。碳纳米管具有强度大、管径长的优势，这就要求聚合物在添加过程中要注意考虑该项特殊的优势。将碳纳米颗粒成分填入聚氨酯泡沫原料合成新型材料，在制作过程中，加入超声辅助方式，导致聚氨酯泡沫的复合材料表面极为不平，同时碳纳米管会在聚氨酯网中发挥作用，主要原因是聚氨酯泡沫的气孔中留有一部分破碎的气泡，使里面的气体发生强烈撞击，这种反应会促进碳纳米管与聚氨酯发生碰撞，进一步加速反应速度，使其更加激烈，甚至导致泡孔内的气体发生喷射反应，快速融化其中的聚氨酯网，也能促进碳纳米管的分散形成，这种复合结构能够提高机械强度。大量的实验测试表明，复合材料的性能结构能够满足要求，这也说明样品的弹性和形状形变功能良好。碳纳米管材料具有更高的导电能力和吸附能力，但在加入碳纳米管后就会出现泡孔直径增大的情况，使得碳纳米管无法接触，造成电导率降低。从实验测试材料表面的压力状况能够看出材料泡孔结构的变化，使碳纳米管接触更加紧密，增加电导率。实验研制阶段，可通过一步法改良石墨烯改性聚氨酯软泡。在复合材料中加入石墨烯片，材料表现出具有很好的拉伸性能和硬度指标，逐步增加用量，性质也逐步提高，这时能够看出材料的拉伸强度会随着石墨烯的放入呈现先增大后持续降低的变化。加入石墨烯时，当添加量为1%时，复合材料的各项强度均为最大值，与不含石墨烯的材料相比，聚氨酯软泡的强度增加60%。实验比较聚氨酯软泡材料的热重，发现含1%的石墨烯聚氨酯复合材料软泡的分解温度远远高于不含石墨烯的复合材料。

3 纳米材料改性硬质聚氨酯泡沫的主要性状

纳米材料改性硬质聚氨酯泡沫材料的绝热性能更好，强度更大。聚氨酯改性过程中，最常见的材料是碳酸钙，它的加入能够改善聚氨酯泡沫的性能，控制阻燃性，还能降低生产成本。多壁碳纳米管也是聚氨酯硬泡的添加材料，在逐步添加过程中，纳米材料改性硬泡聚氨酯泡沫的压缩强度会显著增加近20%。纳米材料碳酸钙的加入会让超声波乳化仪将其分散在PAPI中，这样就能完成纳米碳酸钙聚氨酯硬泡的制作。运用扫描电镜技术能够观察到材料的纳米颗粒为100 nm，与初始材料相比，粒径大小几乎相同，说明碳酸钙材料没有发生明显的团聚现象。纳米碳酸钙能够提升硬质泡沫的压缩强度。通过研制多种碳纳米管改性的硬泡材料能够看出，加入MWCNT的复合材料，泡孔状况会发生一些变化，产生负面影响，并且发现随着MWCNT的使用量增加，复合材料的泡孔均匀程度逐渐下降。通过对实验材料变化的观察发现，纳米材料对硬质材料的力学影响较小。在对导电性能方面的研究中，没有加入纳米填料样品的电导效果较差，是5.4×10-4S/cm，在加入0.5%的MWCNT材料时，性能显著上升至0.083 S/cm，说明材料的电导率会随着MWCNT量的增多而增强。当MWCNT的质量分数在5%时，材料电导率就会上升为0.127 S/cm。在研究纳米材料中加入SiO2作为改性硬质聚氨酯材料，通过比较使用偶联剂A或B的改性试验能够看出，纳米材料加入SiO2能够对聚氨酯复合材料起到一定的影响。实验中，质量分数2%的SiO2材料与没有加入材料相比，材料的拉伸强度与伸长率具有明显的变化，这也说明偶联剂B的改性能力要优于A。在进行偶联剂A改性SiO2实验时，能够看出中高密度的聚氨酯硬泡压缩强度没有太大影响，当SiO2的质量分数在1%时，会起到一定的效果，两项指标拉伸和压缩强度都会明显增强，在这种情况下，硬泡的冲击强度也会达到最大值，增量超过30%，之后明显下降，但数值也会超过原空白样品。实验中，加入相关纳米材料，以氧化钛、黏土和碳纳米纤维混合组成的填料制成了密度为250 kg/m3的硬泡复合材料。实验过程中，加入1%的纳米混合材料，此时该材料的机械性能迅速提高，再次加入相关的纳米材料和碳纳米纤维，其硬泡的拉伸能力明显增强。

4 纳米材料增强半硬质聚氨酯泡沫

加入适量的纳米纤维素，制备一些半硬质聚氨酯泡沫，可将材料的压缩强度提升1倍，纤维素晶体加入到复合材料中时，能降低回弹性。引入纳米纤维素能使半硬质聚氨酯泡沫的性质稳定，复合材料的体积逐渐减小，体积收缩率明显降低至1%左右。使用碳纳米管对其进行酸化实验，再使用相关药剂进行处理，能够得到聚丙烯酸的改性碳纳米管。氨基化碳纳米管能够有效分散在聚氨酯基质中，可有效改善聚氨酯泡沫结构，使其结构形式被完整的保存起来，使泡孔结构更加合理。