[发明专利]一种高度剥离的二维纳米片增强聚氨酯复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种高度剥离的二维纳米片增强聚氨酯复合材料的制备方法。通过将纳米级、亚微米级或微米级的层状无机颗粒搅拌分散于无水溶剂中，然后加入异氰酸酯直接进行充分的接枝改性，至反应体系不产生气体，静置一段时间后、过滤除去上层溶剂，即获得改性层状无机颗粒；然后与脱水多元醇和熔融异氰酸酯，在75‑80℃下继续搅拌反应得到预聚体；真空脱泡后加入计量的脱水扩链剂，快速搅拌一段时间，迅速倒入预热的模具，放入120℃的平板硫化机中加压固化，然后将样品置于鼓风烘箱中100℃熟化24小时，室温放置一段后，即获得聚氨酯纳米复合材料。本发明利用高度剥离的二维纳米片不仅可有效增强聚氨酯材料的机械性能，且对聚氨酯材料有良好的增韧效果，制备出综合性能优异聚氨酯纳米复合材料。

技术领域

本发明涉及聚氨酯纳米复合材料领域，具体涉及一种高度剥离的二维纳米片增强聚氨酯复合材料的制备方法。

背景技术

热塑性聚氨酯弹性体（TPU）是由多异氰酸酯和带有羟基的聚酯或聚醚二元醇和低分子二元醇扩链剂，通过逐步加成聚合反应制成的线状或稍有支化或交联的高分子材料。TPU分子中既含有柔性软链段又含有刚性硬链段，软链段决定了TPU的一些最终性能，如弹性、低温屈绕性；硬链段则显示的是硬度、弹性模量、脱模性和热稳定性等，硬链段通过分子间氢键获得强的物理交联结构，形成微相分离结构，即使无化学交联结构也表现出了橡胶弹性，其弹性模量介于塑料和橡胶之间，在较宽的硬度范围内仍能保持较好的弹性；TPU还兼有塑料加工工艺性能，这使得TPU具有强度高、韧性好、耐磨、耐油等优异性能，在交通工具、建筑、食品包装和家电用密封垫等领域有着广泛的应用前景。然而，TPU存在耐热性较差、模量低缺点，这些不足已经成为聚氨酯弹性体材料在实际应用过程中亟待克服的困恼。

基于此，大量研究者采用各种物理和化学方法对聚氨酯弹性体改性，如利用TPU为基体与具有刚性及各向异性的无机纳米颗粒制备的复合材料成为热点之一。文献Synthesis and characterization of polyurethane/organo-montmorillonitenanocomposites. Appl. Clay Sci., 2010, 47: 242-248 中公开了一种聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料，发现利用丙酮为溶剂、季铵盐离子交换法改性原料蒙脱土原位合成出热稳定性和硬度均有改进的聚氨酯纳米复合材料。

文献Laponite/聚氨酯纳米复合材料制备及性能研究，高分子学报，2013,7,943-949中公开了通过溶剂交换法将无机Laponite从水相转移到N, N-二甲基乙酰胺中，在超声波作用下应用溶液共混方法制备了热塑性聚氨酯/Laponite纳米复合材料，发现由于所制备材料体系中网络结构的存在，使得其强度、硬度合韧性得到同步提高。

文献Preparation and properties of PU/MCMMT nanocomposites. Polym.Adv. Technol. 2010, 21, 296-299公开一种利用预先季铵盐和异氰酸酯共同作用对蒙脱土有机化改性，然后利用原位法制备出聚氨酯纳米复合材料，当无机填料加入量为4%（质量分数）时，纳米材料的强度提高大约24%相对于纯聚氨酯样品。

然而，基于现有文献报道中常选用片层结构颗粒蒙脱土作为增强聚氨酯填充料，由于无机颗粒与聚氨酯基体之间的差的相容性，常采用季铵盐或与之复配的改性剂对其预先处理获得有机蒙脱土颗粒。由此获得的有机蒙脱土表面的烷基链是非极性的，与聚氨酯体系相容性差，且接枝上的功能团被这些非极性的烷基链包埋而不能参与聚氨酯的聚合反应，从而难以完全实现纳米片均匀分布在聚氨酯基体中，导致制备的复合材料性能提升不显著。