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异氰酸酯化碳纳米管热塑性聚氨酯复合材料的原位制备及性能研究

2024-01-31

目录

引言

实验材料与方法

异氰酸酯化碳纳米管的制备与表征

热塑性聚氨酯复合材料的原位制备

复合材料的结构与性能研究

结论与展望

01

引言

Chapter

输入

标题

02

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03

碳纳米管（CNTs）因其优异的力学、电学和热学性能而受到广泛关注。

因此，将ICNTs与TPU复合制备高性能复合材料具有重要的理论意义和实际应用价值。

热塑性聚氨酯（TPU）作为一种重要的工程塑料，具有优异的加工性能和机械性能，但其在高温和长期使用过程中仍存在性能下降的问题。

异氰酸酯化碳纳米管（ICNTs）作为CNTs的功能化衍生物，在聚合物复合材料中具有更好的分散性和界面相互作用。

目前，国内外已有大量关于CNTs/聚合物复合材料的研究报道，但关于ICNTs/TPU复合材料的研究相对较少。

因此，开发一种简单、高效、环保的原位制备方法对于推动ICNTs/TPU复合材料的研究和应用具有重要意义。

现有的ICNTs/TPU复合材料制备方法主要包括溶液共混、熔融共混和原位聚合等，但存在制备过程复杂、成本高、环境不友好等问题。

未来，随着纳米技术的不断发展和环保要求的日益提高，ICNTs/TPU复合材料将在航空航天、汽车、电子电器等领域得到更广泛的应用。

创新点3

系统研究了ICNTs含量、表面功能化程度和制备工艺对复合材料性能的影响规律，为ICNTs/TPU复合材料的进一步研究和应用提供了理论指导。

主要内容

本研究旨在开发一种简单、高效、环保的原位制备方法，制备出具有优异性能的ICNTs/TPU复合材料，并对其结构、性能和加工性能进行系统研究。

创新点1

首次提出采用原位制备方法制备ICNTs/TPU复合材料，简化了制备过程，降低了成本，提高了环境友好性。

创新点2

通过优化制备工艺和配方，实现了ICNTs在TPU基体中的均匀分散和良好界面相互作用，显著提高了复合材料的力学性能和热稳定性。

02

实验材料与方法

Chapter

根据实验需要选择合适的溶剂、催化剂、表面活性剂等。

选用具有较低毒性和较高反应活性的异氰酸酯单体。

采用多壁碳纳米管，具有高比表面积和良好的电学性能。

选用分子量适中、热稳定性好的热塑性聚氨酯作为基体材料。

异氰酸酯

碳纳米管

热塑性聚氨酯

溶剂和其他助剂

01

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03

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碳纳米管的预处理

采用酸化、氧化等方法对碳纳米管进行表面处理，提高其分散性和与基体的相容性。

注射成型

将熔融共混后的复合材料在注射成型机中制备成所需形状的样品。

熔融共混

将预处理后的碳纳米管、异氰酸酯和热塑性聚氨酯在双螺杆挤出机中进行熔融共混，制备出复合材料。

后处理

对制备好的样品进行热处理、压力处理等后处理工艺，以进一步提高其性能。

01

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扫描电子显微镜（SEM）

观察复合材料的微观形貌和碳纳米管的分散情况。

透射电子显微镜（TEM）

进一步观察碳纳米管在复合材料中的分散和取向情况。

热重分析（TGA）

研究复合材料的热稳定性和热分解行为。

差示扫描量热法（DSC）

分析复合材料的结晶和熔融行为以及热容等热学性能。

力学性能测试

包括拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等力学性能的测试，以评估复合材料的力学性能优劣。

03

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05

03

异氰酸酯化碳纳米管的制备与表征

Chapter

化学气相沉积法

通过催化剂的作用，在高温下使含碳气体分解产生碳原子，并在催化剂表面沉积形成碳纳米管，随后进行异氰酸酯化处理。

电弧放电法

在惰性气体或氢气中，利用电弧放电使石墨电极蒸发，生成的碳纳米管再经过异氰酸酯化处理。

激光烧蚀法

利用高能激光束照射含有催化剂的石墨靶，产生碳纳米管并进行异氰酸酯化处理。

通过透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）观察异氰酸酯化碳纳米管的形貌、直径和长度等特征。

形态表征

利用拉曼光谱（Raman）、X射线衍射（XRD）和红外光谱（IR）等手段分析异氰酸酯化碳纳米管的结构和组成。

结构表征

通过X射线光电子能谱（XPS）和原子力显微镜（AFM）等方法研究异氰酸酯化碳纳米管的表面性质和官能团分布。

表面性质表征

热稳定性

通过热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）等手段研究异氰酸酯化碳纳米管的热稳定性和热分解行为。

电学性能

利用四探针法测量异氰酸酯化碳纳米管的电导率和电阻率，分析其电学性能。

力学性能

通过拉伸测试和弯曲测试等方法评估异氰酸酯化碳纳米管的力学性能和增强效果。

分散性

观察异氰酸酯化碳纳米管在溶剂或聚合物基体中的分散情况，分析其分散性和相容性。

04

热塑性聚氨酯复合材料的原位制备

Chapter

原位聚合

在熔融共混的基础上，加入催化剂和扩链剂，引发异氰酸酯与多元醇之间的聚合反