纤维素纳米晶须/聚氨酯复合材料的制备与性能研究
聚氨酯(TPU)材料具有良好的力学性能、优异的耐疲劳性和高弹性等诸多优点，被广泛应用于制备基体复合材料。由于人们对材料性能需求的逐渐提高，需要进一步提升聚氨酯材料的力学性能。共混改性法是提升聚氨酯材料力学性能并且改善特性的重要手段之一，其中，填料的属性、分散情况和排列对于改善聚氨酯复合材料结构特性和力学性能有着显著的影响。纤维素纳米晶须(CNC)因其高结晶度、高强度和较大的长径比等诸多优良的特性被广泛的用于增强聚合物材料的力学性能。基于此，本文采用二甲亚砜/N,N-二甲基甲酰胺/甲苯三元溶剂体系(DMSO/DMF/Toluene),在非溶剂致相转变法(NIPS)下，制备了纤维素纳米晶须/聚氨酯复合膜(CNC-TPU),主要研究了未改性CNC和硅烷偶联剂改性纤维素纳米晶须对TPU微观结构和力学性能的影响。进一步利用湿法纺丝方法改善TPU与CNC的排列，制备了改性纤维素纳米晶须/聚氨酯复合纤维。研究结果如下: (1)制备了纤维素纳米晶须/聚氨酯复合膜(CNC-TPU)。采用DMSO/DMF/Toluene三元混合溶剂体系，通过NIPS法制备了不同CNC含量的CNC-TPU复合膜，提高了未改性CNC与TPU之间的界面相容性。结果表明:采用DMSO/DMF/Toluene三元混合溶剂体系制备的聚氨酯膜的应力、应变和韧性较DMF溶剂体系分别提高10.40％、105.17％和144.37％,表明了三元溶剂体系对聚氨酯成型过程中分子链的有效调控。进一步地分析了该体系下未改性CNC含量对TPU的结构和力学性能的影响，随着CNC含量的增加，CNC-TPU复合膜的氢键指数呈现先减小后增大的趋势;当CNC含量为1wt.％时，CNC-TPU1.0复合膜的综合力学性能最佳，其强度、初始模量和韧性分别为13.56MPa、6.20MPa和80.91MJ/m3,较纯TPU分别提高了29.02％、43.85％和15.04％,且此复合膜具有良好的弹性;此外，CNC提高了复合膜的热稳定性，CNC-TPU1.0的主体分解温度较CNC-TPU0提高了16℃。 (2)制备了硅烷偶联剂改性纤维素纳米晶须/聚氨酯复合膜。通过使用不同的硅烷偶联剂，在纤维素纳米晶须的表面成功进行改性，且改性后的纤维素纳米晶须填充聚氨酯提高了复合材料的氢键指数。GLCNC-TPU和MACNC-TPU的主体分解温度相比于APCNC-TPU分别提高了24℃和31℃。GLCNC-TPU的力学性能最好，强度、应变、初始模量和韧性分别为10.95MPa、1740.42％、5.96MPa和90.01MJ/m3。与CNC-TPU1.0相比，由于改性CNC上的GL分子链在拉伸过程中的解缠绕和滑移以及复合材料氢键指数的显著增加，GLCNC-TPU的应变和韧性增强效果最好。 (3)利用硅烷偶联剂改性后的纤维素纳米晶须与聚氨酯通过湿法纺丝制备了综合力学性能优异的复合纤维(GLCF)。比较了不同喷丝孔直径、牵伸倍数及牵伸处理方式对聚氨酯复合纤维的结构和力学性能的影响。其中采用纺丝口内经为1.25mm、牵伸比为0.1∶5、水浴成型10min后在水中拉伸2倍并保持张力继续水浴成型的方法制备的GLCF4-DR2-T复合纤维力学性能最佳，强度、应变和韧性分别为18.18MPa、1654.35％和116.73MJ/m3,较纯TPU膜分别提高了72.98％、10.09％和65.97％,这是由于在纺丝过程中，喷丝口的挤压、剪切以及牵伸过程诱导了CNC和TPU分子链的排列。此外，GLCF4-DR2-T复合纤维在不同环境温度和溶剂体系下的具有良好的力学稳定性。
纤维素纳米晶须;聚氨酯;改性处理;力学性能
武汉纺织大学
硕士
化学
张春华
2023
中文
TQ323.8
2023-08-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）