水性聚氨酯/四氧化三铁磁性纳米复合材料的制备与性能

作     者：徐文会 

作者单位：陕西科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈一丁;王海花

授予年度：2016年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学] 

主      题：水性聚氨酯 磺酸盐聚氨酯 光固化聚氨酯 纳米四氧化三铁 磁性纳米复合材料 

摘      要：本论文通过把磁性纳米粒子四氧化三铁(FeO)引入到聚氨酯中,制备了水性聚氨酯/四氧化三铁磁性纳米复合材料。论文共分为三大部分：第一部分是硅烷偶联剂(KH550)改性磁性纳米粒子FeO的制备与表征;第二部分为磺酸盐水性聚氨酯/FeO磁性纳米复合材料的制备与结构,和磺酸盐水性聚氨酯/KH550-FeO磁性纳米复合材料的制备与性能;第三部分为光固化聚氨酯/FeO磁性纳米复合材料的制备与性能,和光固化聚氨酯/KH550-FeO磁性纳米复合材料的制备与性能。主要内容如下：(1)以硅烷偶联剂KH550、FeO和无水乙醇为原料,利用超声震荡和机械搅拌制备了硅烷偶联剂改性FeO的磁性纳米粒子。KH550-FeO红外光谱(FTIR)中出现了伯胺吸收峰1550cm;元素分析表明,经过硅烷偶联剂的改性;FeO纳米粒子的表面的含氮量为0.8%;X-射线衍射仪(XRD)表明,改性后的FeO主体结构不变;扫描电镜(SEM)表明改性后的FeO粒子尺寸稍有增大;震动样品磁强计(VSM)曲线表明,改性后的FeO的磁饱和度为43 emu/g,略小于未经改性FeO纳米粒子。(2)以磺酸盐水溶性聚酯二元醇(BY3301)、异佛尔铜二异氰酸酉(IPDI)为原料,以2,4-二氨基苯磺酸钠(DASS)为亲水扩链剂,直接加入未改性的FeO,制备了磺酸盐水性聚氨酯/四氧化三铁(WPU/FeO)复合材料。红外光谱图中(FTIR)表明FeO是以物理共混的方式与磺酸盐水性聚氨酯混合,没有对聚氨酯的结构产生影响;X-射线衍射图(XRD)表明FeO的晶向结构不受水性聚氨酯的影响;热重分析(TG)表明FeO提高了聚氨酯的热稳定性;动态热力学分析(DMA)表明,FeO使聚氨酯的储能模量增加,储能模量从0.7MPa增加到1.08MPa,增加了54%;扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)都表明当FeO在水性聚氨酯中的添加量超过3%时,复合材料的综合性能受到了影响,有所下降,这是因为过量的FeO发生了一定程度的团聚;VSM分析表明制备的复合材料是一种磁性复合材料,聚合物的存在影响了FeO的磁各向异性参数,磁饱和度从5.6emu/g增大到25.6emu/g,其磁饱和度都低于FeO的磁饱和度。(3)以KH550-FeO代替WPU/FeO复合材料中的FeO,采用原位聚合法制备了磺酸盐水性聚氨酯/改性四氧化三铁(WPU/KH550-FeO)磁性纳米复合材料。FTIR谱图中表明,在3300cm附近的N-H伸缩震动峰出现宽化现象,KH550-FeO与磺酸盐水性聚氨酯是以化学键结合,不是简单的物理共混;TG分析表明WPU/KH550-FeO复合材料的热稳定性提高;力学性能测试表明复合材料拉伸强度从0.7MPa增大到2.2MPa,提高了214%;SEM图中观察到,当KH550-FeO添加量为2%时,FeO在聚合物中的分散性、相容性较好,超过3%出现团聚现象明显;VSM分析表明磁性复合材料的磁饱和强度随着FeO添加量的增加而增大,从7.3emu/g增大到22.8emu/g。(4)以聚碳酸酯二醇(PCL)、异佛尔铜二异氰酸酯(IPDI)2,2-二羟基丁酸(DMBA)、蓖麻油、二月桂酸二丁基锡(DBTDL)、季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)、三乙胺(TEA)和FeO为原料,合成了光固化聚氨酯/四氧化三铁(GPU/FeO)复合材料。FTIR谱图表明FeO是以物理共混的方式与光固化聚氨酯混合;TG分析表明FeO提高了光固化聚氨酯的热稳定性;力学性能分析表明FeO作为一种增强相,增加了光固化聚氨酯的力学性能,当FeO添加量为2%时,复合材料的拉伸强度是13.46MPa,比光固化聚氨酯增加了40%;VSM曲线表明GPU/FeO复合材料具有磁性,但由于光固化聚氨酯的包覆作用和FeO的部分团聚,复合材料的磁饱和度都低于FeO的磁饱和值(49emu/g),从3.3emu/g增大到14.8emu/g。(5)以KH550-FeO代替GPU/FeO磁性复合材料制备工艺中的FeO,制备了在光固化聚氨酯/改性四氧化三铁(GPU/KH550-FeO)复合材料。FTIR谱图表明FeO与光固化聚氨酯是以化学键结合;TG分析表明GPU/KH550-FeO复合材料的热稳定性提高,初始分解温度从157℃增大到228℃;力学性能分析表明,复合材料拉伸强度从9.6MPa增大到27.37MPa,提高了185%,KH550-FeO极大的增强了光固化聚氨酯的力学性能;SEM和AFM图中观察到,KH550-FeO加入过量时,会发生自身的团聚;VSM曲线表明制备的复合材料具有磁性,磁饱和强度随着FeO添加量的增加而增大,从1.5emu/g增大到4emu/g。