蓖麻油基自愈合聚氨酯的制备及性能研究

作     者：孙博存 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李又兵

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：自愈合材料 交联型聚氨酯 蓖麻油 可逆动态键 二硫键 

摘      要：聚氨酯材料自上个世纪问世以来,由于其灵活的配方调控方式,被广泛应用于建筑、汽车、航空航天、生物医疗等领域。自愈合聚氨酯多数以石油基多元醇为软段,使用植物油及其衍生物代替传统石油基多元醇制备聚氨酯已经成为了一个热点话题。本文以制备蓖麻油基可自愈合聚氨酯为目的,使用蓖麻油(CO)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、3,3`-二氯-4,4`-二氨基二苯基甲烷(MOCA)、2,2`-二氨基二苯二硫醚(DTDA)为主要原料,合成了一系列蓖麻油基聚氨酯C-PU(Castor-oil polyurethane),并对其组成成分、热力学性能、力学性能和自愈合性能进行了测试与表征。主要研究内容及实验结论如下: 1.以蓖麻油(CO)为软段,异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和4,4`-二氨基二苯基甲烷(MOCA)为硬段,采用一步法将聚氨酯浇注成型,合成了一系列不同软硬段配比的蓖麻油基聚氨酯C-PU-M。通过傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、热重分析仪(TGA)和万能试验机对材料进行测试,主要讨论了软硬段比例对C-PU-M的结构、氢键含量、热稳定性和力学性能的影响。当硬段含量为37.18%时,材料的热稳定性和力学性能综合表现最好,初始降解温度为278℃,抗拉强度为26.67MPa,断裂伸长率为376.26%。 2.选取综合性能最佳的软硬段配比,以37%左右的硬段含量的前提,在聚氨酯中引入动态二硫键,制备了一系列不同二硫键含量的聚氨酯材料。探究二硫键含量对CPU的组成成分、热稳定性、力学性能和自愈合性能的影响。对实验结果进行分析可得,二硫键的引入并未改变聚氨酯内部的无定形结构,但对材料的热稳定性有所影响。随着二硫键含量的增多,材料初始降解温度最多下降了40℃左右。二硫键的引入大幅增加了材料的愈合性能,愈合率最多提升了46%左右,但抗拉强度有所下降,断裂伸长率有所提升,需要进一步调整聚氨酯中含有二硫键的硬段含量。 3.以CO、IPDI、DTDA为主要原料,通过调整CO与DTDA的摩尔比,制备了一系列硬段含量不同的可自愈合聚氨酯C-PU-D,探究了二硫键硬段含量对C-PU-D的组成结构、热稳定性和力学性能的影响,并分别讨论了愈合温度、愈合时间和二硫键硬段含量对C-PU-D愈合性能的影响。通过正交实验数据得知:试样愈合性能的最佳激发温度为100℃,最佳愈合时间为6h。随着聚氨酯硬段含量增加,C-PU-D达到最大愈合率所需时间越短,当硬段含量达到37%以上时,试样的最佳愈合时间缩短至4h。当硬段含量为36.64%时,试样的愈合效率表现最佳,100℃下愈合4h后愈合率可达99%以上,抗拉强度为17.13MPa,断裂伸长率为464.34%。当硬段含量为39.58%时,试样的力学性能表现最佳,抗拉强度为21.24MPa,断裂伸长率为354.97%,愈合率为96%左右。