納米材料改性聚氨酯泡沫的研究進展

賈 洪

(哈爾濱合力特科技有限公司 ，哈爾濱 150001)

近年來，納米材料改性技術穩步提升，其相關的聚合物改性研究逐步深入，納米改性聚氨酯材料具有特殊的性能和優點，能夠用作功能性材料，服務于高端技術。

1 納米材料的主要特征

納米技術材料的主要特點是使用單個原子、分子制造物質的科學技術、研究結構尺寸在1～100 nm的材料。納米材料的填料結構形式比較多樣，其中含有顆粒狀和棒狀等多種形狀，中間添加無機填料和有機填料作為材料補充。納米材料的表面積較大，分子間的作用力更強。利用納米材料的特點，可以使其與聚合物進行填充，這樣就能發生團聚反應，以影響復合材料的性能提升。在材料應用分析中，可以使用超聲振動技術進行處理，有效改變納米材料的分散情況。日常生產中，常用的方法是使用超聲振動法，該方法的主要原理是利用液體的空化現象，有效實現空化氣泡的微射流與聚體之間的猛烈撞擊，實現阻止團聚體的目的。利用表面活性化法是依據分子間的相互作用力減少納米材料的表面能，提高納米材料的分散作用，通過相關處理，增強納米材料表面活性基團，產生聚合反應，有利于實現復合材料的分散能力。聚合法、凝膠法等方法都是為制作納米材料與聚氨酯泡沫形成復合材料的改進辦法。

2 納米材料改性聚氨酯軟質材料的特點

納米材料改性聚氨酯軟質泡沫具有顯著的優點，主要表現在具有開孔結構。該泡沫塑料制品密度較低，能夠吸收音量，具有透氣等性質。經過加工添加納米材料就能增強軟質聚氨酯泡沫的相關性能，提高其導電能力。通過合成纖維素的納米晶體改性聚氨酯泡沫，能夠提高納米材料的分散程度。如果增加納米纖維素，會使復合材料的密度降低，泡孔的尺寸逐漸增大。主要原因是密度降低，導致納米填料中水分出現變化。研究表明，復合材料的性能會隨著納米材料的使用量加大而變得更高。碳納米管具有強度大、管徑長的優勢，這就要求聚合物在添加過程中要注意考慮該項特殊的優勢。將碳納米顆粒成分填入聚氨酯泡沫原料合成新型材料，在制作過程中，加入超聲輔助方式，導致聚氨酯泡沫的復合材料表面極為不平，同時碳納米管會在聚氨酯網中發揮作用，主要原因是聚氨酯泡沫的氣孔中留有一部分破碎的氣泡，使里面的氣體發生強烈撞擊，這種反應會促進碳納米管與聚氨酯發生碰撞，進一步加速反應速度，使其更加激烈，甚至導致泡孔內的氣體發生噴射反應，快速融化其中的聚氨酯網，也能促進碳納米管的分散形成，這種復合結構能夠提高機械強度。大量的實驗測試表明，復合材料的性能結構能夠滿足要求，這也說明樣品的彈性和形狀形變功能良好。碳納米管材料具有更高的導電能力和吸附能力，但在加入碳納米管后就會出現泡孔直徑增大的情況，使得碳納米管無法接觸，造成電導率降低。從實驗測試材料表面的壓力狀況能夠看出材料泡孔結構的變化，使碳納米管接觸更加緊密，增加電導率。實驗研制階段，可通過一步法改良石墨烯改性聚氨酯軟泡。在復合材料中加入石墨烯片，材料表現出具有很好的拉伸性能和硬度指標，逐步增加用量，性質也逐步提高，這時能夠看出材料的拉伸強度會隨著石墨烯的放入呈現先增大后持續降低的變化。加入石墨烯時，當添加量為1%時，復合材料的各項強度均為最大值，與不含石墨烯的材料相比，聚氨酯軟泡的強度增加60%。實驗比較聚氨酯軟泡材料的熱重，發現含1%的石墨烯聚氨酯復合材料軟泡的分解溫度遠遠高于不含石墨烯的復合材料。

3 納米材料改性硬質聚氨酯泡沫的主要性狀

納米材料改性硬質聚氨酯泡沫材料的絕熱性能更好，強度更大。聚氨酯改性過程中，最常見的材料是碳酸鈣，它的加入能夠改善聚氨酯泡沫的性能，控制阻燃性，還能降低生產成本。多壁碳納米管也是聚氨酯硬泡的添加材料，在逐步添加過程中，納米材料改性硬泡聚氨酯泡沫的壓縮強度會顯著增加近20%。納米材料碳酸鈣的加入會讓超聲波乳化儀將其分散在PAPI中，這樣就能完成納米碳酸鈣聚氨酯硬泡的制作。運用掃描電鏡技術能夠觀察到材料的納米顆粒為100 nm，與初始材料相比，粒徑大小幾乎相同，說明碳酸鈣材料沒有發生明顯的團聚現象。納米碳酸鈣能夠提升硬質泡沫的壓縮強度。通過研制多種碳納米管改性的硬泡材料能夠看出，加入MWCNT的復合材料，泡孔狀況會發生一些變化，產生負面影響，并且發現隨著MWCNT的使用量增加，復合材料的泡孔均勻程度逐漸下降。通過對實驗材料變化的觀察發現，納米材料對硬質材料的力學影響較小。在對導電性能方面的研究中，沒有加入納米填料樣品的電導效果較差，是5.4×10-4S/cm，在加入0.5%的MWCNT材料時，性能顯著上升至0.083 S/cm，說明材料的電導率會隨著MWCNT量的增多而增強。當MWCNT的質量分數在5%時，材料電導率就會上升為0.127 S/cm。在研究納米材料中加入SiO2作為改性硬質聚氨酯材料，通過比較使用偶聯劑A或B的改性試驗能夠看出，納米材料加入SiO2能夠對聚氨酯復合材料起到一定的影響。實驗中，質量分數2%的SiO2材料與沒有加入材料相比，材料的拉伸強度與伸長率具有明顯的變化，這也說明偶聯劑B的改性能力要優于A。在進行偶聯劑A改性SiO2實驗時，能夠看出中高密度的聚氨酯硬泡壓縮強度沒有太大影響，當SiO2的質量分數在1%時，會起到一定的效果，兩項指標拉伸和壓縮強度都會明顯增強，在這種情況下，硬泡的沖擊強度也會達到最大值，增量超過30%，之后明顯下降，但數值也會超過原空白樣品。實驗中，加入相關納米材料，以氧化鈦、黏土和碳納米纖維混合組成的填料制成了密度為250 kg/m3的硬泡復合材料。實驗過程中，加入1%的納米混合材料，此時該材料的機械性能迅速提高，再次加入相關的納米材料和碳納米纖維，其硬泡的拉伸能力明顯增強。

4 納米材料增強半硬質聚氨酯泡沫

加入適量的納米纖維素，制備一些半硬質聚氨酯泡沫，可將材料的壓縮強度提升1倍，纖維素晶體加入到復合材料中時，能降低回彈性。引入納米纖維素能使半硬質聚氨酯泡沫的性質穩定，復合材料的體積逐漸減小，體積收縮率明顯降低至1%左右。使用碳納米管對其進行酸化實驗，再使用相關藥劑進行處理，能夠得到聚丙烯酸的改性碳納米管。氨基化碳納米管能夠有效分散在聚氨酯基質中，可有效改善聚氨酯泡沫結構，使其結構形式被完整的保存起來，使泡孔結構更加合理。

5 結語

納米材料作為一種新型材料，能夠有效改變材料性狀，使功能化納米材料的結構發生顯著變化。納米材料能夠促進聚氨酯泡沫材料的發展。復合材料研發過程中，應在新型功能納米材料研制領域尋找突破，提升聚氨酯復合材料的使用性能，加強聚氨酯泡沫的使用，為材料領域的應用提供技術指導。