納米無機粒子改性聚氨酯研究進展

楊瑜珂　代麗

摘 要：綜述了近年來國內外無機粒子如CaCO3、TiO2、碳納米管、石墨烯等在改性聚氨酯方面的研究進展，同時指明了改性聚氨酯的研究方向，對聚氨酯的發展前景進行了展望。

關鍵詞：無機粒子；聚氨酯；改性

聚氨酯（PU）具有優異的耐磨性能、高強度、耐腐蝕、耐沖擊性能和與其他材料粘接性能好等特點，是一種性能優異的工程材料，但抗拉強度低、不耐高溫、不耐強酸堿介質等缺點限制了聚氨酯的使用范圍，因此通常需對其進行改性以滿足使用要求。近年來，納米技術不斷完善，已成為改善聚氨酯性能的有效手段。通過添加納米無機粒子，可使聚合物的綜合物理性能提高，尺寸穩定性也得到相應改善。本文旨在對納米碳酸鈣等無機粒子改性聚氨酯方面的研究進行綜述。

一、納米CaCO3改性聚氨酯

納米CaCO3顆粒具有極高的表面能，親水性能強，僅適用于極性體系使用。若加入到非極性體系中，則表現出較強團聚趨勢，在與聚合物混合的加工過程中遇熱、力等作用，往往團聚成幾百納米甚至微米尺度的顆粒，從而喪失納米粒子的特有功能和作用。為改善納米碳酸鈣在有機體系中的相容性和分散性，改進添加納米碳酸鈣復合體系的性能，必須對納米碳酸鈣進行有機表面改性處理。近年來，大多數研究通過運用表面活性劑、硬脂酸及偶聯劑對納米碳酸鈣進行表面改性，從而降低納米粒子表面能，增強納米粒子在聚合物中的分散性能。

楊紅艷等研究了預聚體法制備的彈性聚氨酯/納米CaCO3體系，研究表明，超聲輔助和對無機材料的表面改性可以改善體系的硬度和扯斷伸長率；最佳力學性能制備條件為納米CaCO3含量為4%，合成溫度80℃。

高勇等制備硬質聚氨酯泡沫/納米CaCO3復合材料。樣品的阻尼性能在納米粒子含量增加的條件下，其背景內耗呈上升趨勢，基體加入5%體積比的CaCO3后，體系在標準溫度區間內的損耗因數均高于0.04，可作為硬質阻尼復合體應用。

二、納米TiO2改性聚氨酯

為改善聚氨酯在光學及光化學方面的光高效催化、紫外線屏蔽作用、顏色效應和光電轉化效應、殺菌功能等，通常在聚氨酯中加入納米TiO2。

Charpentier等利用二羥甲基丙酸（DMPA）處理TiO2，進獲得了聚氨酯/納米TiO2復合涂層。研究表明，功能化TiO2能與與聚氨酯網絡骨架形成穩定化學鍵合。聚氨酯/功能化納米TiO2體系表現出良好的表面自凈性能，同時還具有優異的光催化抗菌作用。

Mahfuz等制備了硬質聚氨酯泡沫塑料（RPUF）/納米TiO2復合材料材料，研究發現，TiO2納米顆粒在聚氨酯基體中微觀分布均勻，且復合材料熱穩定性、彎曲模量以及彎曲強度等力學性能都有明顯的改善。

劉福春等研究了聚氨酯/納米TiO2復合涂層體系的制備控制條件對光催化性能的影響。發現TiO2納米粒子在聚氨酯中均勻分布，無明顯團聚現象，得到的復合材料光催化性能較好，并且涂層的催化性能隨著TiO2加入比例的增加而增大。

三、石墨納米材料類改性聚氨酯

石墨類納米材料主要包括碳納米管和石墨烯，通常主要用來改善聚氨酯的力學、電學性能，賦予聚氨酯以新的功能。

Kwon等制備了水性聚氨酯/碳納米管復合材料。結果表明，CNTs對復合材料的熱穩定性、力學性能、儲存模量、玻璃化轉變溫度以及電性能都有一定的提高。而經過功能化處理后的CNTs對復合材料電性能能提高8-9個數量級。

Hodlur等制備了具有彈性好、壓縮性強、均勻度好等特點的高壓敏導電性能聚氨酯/石墨烯復合材料，研究表明，石墨烯在聚氨酯基體表面兩者以強化學鍵結合；其壓電性能具有壓力響應性。此復合材料將在靈敏度要求較高的化學、生物傳感器中有很大應用潛力。

四、其他無機粒子

目前，針對其他無機粒子改性聚氨酯的研究也頗為豐富，如納米SiC、納米SiO2等。

Rybak 等制備了聚氨酯/PS-SiO2-SiC納米線復合薄片，并研究其電致應變性能。結果表明，復合樣品變形的電壓響應性較為明顯。

五、結語

無機粒子在改性聚氨酯極大地拓寬了聚氨酯在多行業的適用范圍和應用價值，主要研究方向如下：

1.提高無機粒子與聚氨酯的相容性，使無機粒子在聚氨酯基體中更為分散，二者的結合力更強。

2.改善聚氨酯原有性能，擴大聚氨酯的應用范圍和條件。

3.增加聚氨酯某些特殊功能，例如壓力響應性，電響應性等。

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