随着科技的快速发展和人们环保意识的不断提高,高性能聚合物光学材料的市场需求越来越大。透明聚氨酯(PU)薄膜因其独特的链结构和聚集态结构,具有传统聚氨酯的优异机械性能和良好的光学性能,在光伏、光学仪器、防护、汽车和电子产品等领域具有巨大的应用前景。目前,透明聚氨酯的研究主要集中在聚酯型和聚醚型聚氨酯。聚酯型聚氨酯因其分子链中的酯基极性高,易结晶,透明性差;聚醚型聚氨酯的分子链间作用力较聚酯弱,结晶度低,透明性好,但机械强度较差、耐紫外和耐溶剂性能差。此外,聚氨酯存在耐温性差、易燃和熔融滴落等问题,严重限制了其应用范围。因此,开发具有高性能的透明聚氨酯薄膜是聚氨酯研究领域的重要课题。本论文根据聚合物结构与性能的关系,通过对聚碳酸酯多元醇(PCDLs)的分子结构设计和原材料的选择,制备出高透明的聚碳酸酯基聚氨酯(PCU)薄膜,并对其结构与性能进行系统研究。同时,在此基础上,对其进行改性研究,赋予其特殊的性能,拓宽其应用范围。具体的研究工作如下:1、依据脂肪族PCDLs的酯交换法合成机理和催化剂的催化机理,通过引入Ti元素改性Mg-Fe LDH催化剂,调节其酸碱匹配强度,合成高效的环境友好型Mg-Fe/Ti LDH酸碱双功能催化剂,并将其应用于脂肪族PCDLs的酯交换合成反应。采用XRD、FTIR、TEM和酸碱度测试等方法对Mg-Fe/Ti LDHs催化剂的晶体结构、微观结构、酸碱度、形成机理、催化活性等进行表征和分析。研究结果表明,Mg-Fe/Ti LDHs催化剂是按照溶解-沉积-脱水缩合-结晶化的机理合成,具有典型的层状结构,同时具备质子酸位和路易斯碱位。随着Ti元素加入量的增大,催化剂的碱性减小,酸性增大,其协同催化活性先增大后减小。2、根据透明聚氨酯的分子结构设计原理,利用自制的Mg-Fe/Ti酸碱双功能催化剂,通过两步酯交换法合成了一系列不同结构、不同分子量的脂肪族PCDLs。采用FTIR、~1H NMR、GPC、DSC、水分测试、羟值测定和粘度测试等方法对双聚碳酸酯单体和PCDLs的分子结构、羟值、水分含量、结晶行为、分子量及分子量分布和粘度进行表征和分析。研究结果表明,两步酯交换法提高了合成的多元醇分子量的可控性;运用多元共聚有效地降低PCDLs分子链的对称性,打破其内部规整有序结构,获得无规共聚、流动性好的透明PCDLs,从而提高了所制备的PCU薄膜光学性能。此外,通过复合扩链进一步提高PCU薄膜的透光率;引入环己烷环状结构,避免因PCU分子主链对称性差而导致的力学性能恶化,同时提高了其耐热性。3、以自制的不同结构和不同分子量的脂肪族PCDLs为软段,IPDI和单一扩链剂1,4-BDO(或复合扩链剂1,4-BDO/PG)为硬段,采用逐步加成溶液法合成一系列透明PCU;并利用自制的制膜装置制备厚度均匀,无外观缺陷的透明PCU薄膜。使用FTIR、WAXD、AFM、TGA、DSC、DMA、力学性能、透光率、黄度指数、吸水率、静态水接触角、形状记忆性能等测试方法对PCU薄膜的结构和性能进行表征与分析,系统地研究了不同R值、不同软硬段含量、不同结构多元醇、不同分子量多元醇以及复合扩链剂对透明PCU薄膜的结构和性能的影响规律。研究表明采用无规共聚合成的PCDLs合成PCU,可以将微相分离程度控制在一定程度,制备出高性能的透明PCU薄膜。4、在系统地研究透明PCU薄膜的结构与性能关系的基础上,选用综合性能最佳的PCU薄膜配方,以1,4-BDO、PG和BPAF为复合扩链剂,制备一系列高耐热性的透明氟化PCU薄膜。采用FTIR、WAXD、AFM、TGA、DSC、DMA、透光率、力学性能、黄度指数、静态水接触角等测试方法对透明氟化PCU薄膜的结构和性能进行表征与分析,研究了氟含量对FPCU薄膜的结构、光学性能、黄变性能、热学性能、力学性能、耐水性能等的影响规律。结果表明氟元素的引入有效提高了透明FPCU薄膜的热稳定性、耐候性、力学性能和疏水性,且透明度保持在较高的水平。5、按照“有机-无机阻燃剂协效阻燃”的思路,采用复合改性技术,先对聚磷酸铵(APP)进行超细化处理,再利用二氨基硅烷偶联剂对超细化后的APP进行改性,获得与PCU相容性较好,且耐热性好的膨胀型阻燃剂(CAPP)。采用FTIR、XPS、SEM、TGA、粒径分布等测试方法对并CAPP的结构和性能进行表征和分析,探讨其形成机理。以自制的无机CAPP阻燃剂与有机无卤阻燃剂(600R)协效阻燃,合成并制备阻燃性能好的透明RPCU薄膜。运用FTIR、TGA、SEM、透光率、力学性能、静态水接触角、极限氧指数、垂直燃烧等测试方法对透明阻燃PCU薄膜的结构、光学性能、耐热性、力学性能、耐水性、阻燃性进行表征和分析,并探讨了CAPP阻燃剂的阻燃机理。研究表明超细化处理和氨基硅烷偶联剂改性技术联用,有效提高了CAPP的热稳定性和疏水性,以及与RPCU的相容性。复合阻燃剂的加入,燃烧时形成膨胀的炭层,极大地提高了透明PCU薄膜的阻燃性能,降低阻燃剂的用量,解决了聚氨酯材料易熔滴问题,并在一定程度上提高了RPCU薄膜的力学性能和热稳定性。阻燃过程为气相和凝聚相交叉协同阻燃。