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水性聚氨酯(WPU)是一种以水代替有机溶剂作为分散介质的环境友好型高分子材料,其具有优良的柔韧性、附着力、耐老化性和化学稳定性,广泛应用于涂料、胶黏剂、皮革加工、纺织、木材加工等领域。但单一的WPU还存在力学性能、耐水性能以及耐热性能差等缺陷,极大地限制了其应用范围。因此,迫切需求一种改性方法以提高WPU的综合性能。采用来源广泛、环保无污染、可生物降解的纤维素纳米晶(CNC)改性WPU,不仅提高了其环保性,降低了成本,而且具有纳米尺度的CNC极大地改善了材料的性能。但是,高表面能的CNC与有机介质相容性差的问题亟待解决,如何提高CNC与WPU的相容性是制备高性能且环保的聚氨酯材料的关键点。本文将聚乙二醇接枝到经2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基(TEMPO)氧化体系处理后的CNC的表面,以提高其在有机介质中的分散性和相容性,然后与自制备的价格低廉、性能优良的MDI型水性聚氨酯共混改性,研究了纳米复合涂膜结构与性能的关系,探索了不同含量的改性CNC对复合涂膜性能的影响。主要得出如下结论:(1)采用硫酸水解法制备出高长径比的刚性棒状CNC,研究了改性前后CNC的化学结构、结晶性能和分散稳定性。研究结果表明,接枝改性CNC的官能团结构和晶体结构没有发生明显的变化,仍为纤维素I型,结晶度略有降低,但仍保持着较高的结晶度。改性后的CNC在水和有机溶剂中均有较好的分散性和稳定性。(2)通过预聚体法合成了一种MDI型水性聚氨酯,并优化了其原料配比和制备工艺。当n(-NCO)/n(-OH)比值为1.4~1.5,DMPA含量为4.5%~5%时,可得到综合性能优良的水性聚氨酯,为其改性研究奠定了基础。(3)通过溶液浇铸法制备了不同改性CNC含量的CNC/WPU纳米复合涂膜,研究了不同含量的改性CNC对复合涂膜力学性能、硬度、耐水性和耐热性能的影响。研究结果表明,与纯WPU相比,复合涂膜的拉伸强度提高了126%,硬度可提高3个级度,吸水率下降67.3%,耐水性能增强,同时30%失质量温度增加了17°C,热稳定性明显改善。改性CNC对WPU的增强作用归因于两者之间存在强烈的氢键相互作用和良好的界面相容性,提高了涂膜的交联程度,影响了聚氨酯硬段和软段间的微相分离,使复合涂膜的结构与性质发生变化。通过对CNC表面接枝改性,提高了其在聚氨酯基质中的分散性和相容性,能够发挥出优异的增强效果,且制备工艺简单,易于应用,对于开发高性能环境友好型聚氨酯材料具有重要的理论意义和应用价值。