纳米碳材料_水性聚氨酯复合材料的制备与性能研究.pdf
摘要
摘要
随着材料科学的迅速发展，纳米碳材料增强聚合物基复合材料被广泛的研
究，在航空航天、功能涂料、通信设备、生物医药、电磁屏蔽等领域有着潜在
应用价值。具有高电导率的纳米碳材料可以为绝缘性的聚合物基体提供载流子，
改善复合材料的导电性。在纳米碳材料中，碳纳米管（MWCNT）由于独特的
纳米结构，具有良好的力学、热学和导电性能，是制备纳米碳材料增强聚合物
基复合材料的有效填料。但是，碳纳米管作为纳米材料，自身容易团聚，最终
影响性能的发挥。为了提高碳纳米管与基体的兼容性，对MWCNT进行功能化
处理来制备具有反应性的功能化碳纳米管（OCNT）是常用的方法，再通过共
价聚合的方式接枝到聚合物基体中，可以提高复合材料的性能表现。
聚合物基体的选择也同样决定着材料的用途。水性聚氨酯（WPU）以环境
友好型材料著称，并且具有良好的成膜性，符合现在绿色可持续发展的总原则，
且适用范围广、各项性能优异，被应用到生活的各个方面。同时，在纺织领域，
也常被作为功能助剂。在众多研究中，WPU被作为优秀的聚合物基体来制备功
能复合材料。本论文以聚四氢呋喃（PTMG）和异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）
为原料制备WPU基体，采用原位聚合法将OCNT接枝到WPU体系中，制备
OCNT/WPU复合材料，并与MWCNT/WPU进行了对比。另外，设计了新型的
交联网状包覆结构的复合材料（OCWPU），提高了MWCNT的负载量，制备
了一系列具有高导电性和电磁屏蔽性能的碳纳米管增强水性聚氨酯基复合材料
（CNTs/OCWPU），并对其结果和性能进行了研究，内容如下：
1)采用强酸对MWCNT进行功能化处理，制备了功能化碳纳米管
（OCNT）。通过SEM、TEM、FT-IR、XPS、XRD、TG对OCNT进行结构和
形貌进行了表征，并与MWCNT进行对比。结果显示：OCNT中晶胞参数变大，
晶相含量增加，氧元素含量远高于MWCNT，且增加了自身重量10%的含氧官
能团。从微观形貌可以看出，OCNT的管壁结构被打开，堆叠程度增加；OCNT
在溶剂中分散性较好，与溶剂的相容性提高。
2)以聚四氢呋喃2000（PTMG2000）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、
二羟甲基丁酸（DMBA）、三乙胺（TEA）为原料制备了水性聚氨酯（WPU）。
另外，以OCNT为纳米增强体，通过原位聚合的方式接枝共聚到WPU体系中，
制备了一系列不同OCNT含量的OCNT/WPU复合材料。并对OCNT/WPU复合
材料进行了FT-IR、TG-DTG、SEM测试及力学、热稳定性、抗紫外性能和电磁
屏蔽性能表征，并均与MWCNT/WPU进行了对比。结果表明，当OCNT含量
为1%时，OCNT/WPU的抗拉伸性能可以达到77MPa，比WPU提高了275%；
在热稳定性方面，当复合材料质量损失20％时，添加了0.6％、0.8％、1％
OCNT的复合材料的分解温度分别是347℃、350℃、353℃均高于WPU的分解
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西安工程大学硕士学位论文
温度339℃。
3)设计了新型的交联网状包覆结构。以1%OCNT/WPU作为基体，通过高
剪切力乳化机的高剪切力作用，制备了具有交联网状结构的OCWPU。在
OCWPU的基础上，通过OCNT的位点吸附，提高了复合材料中MWCNT的含
量，制备了不同含量的具有交联网状包覆结构的CNTs/OCWPU复合材料。通过
SEM、FT-IR、Raman对复合材料的结构进行了表征，并对复合材料进行了导电
性和电磁屏蔽性能测试。结果显示，5%CNTs/OCWPU的导电性跳跃式增加，
可达0.7S/cm，在X波段的电磁屏蔽性能可达23dB，50%CNTs/OCWPU的电导
率和电磁屏蔽性能最高，可达5.1S