双峰孔结构聚氨酯发泡材料的制备及其性能探究

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聚合物微孔发泡材料由于其具有的低密度和多孔结构而被广泛应用于包装、隔热和吸音降噪等方面。由于泡孔形态显著影响发泡材料的性质,因此,对于发泡材料泡孔形貌的演变,包括孔径从微米到亚微米再到纳米,孔径分布从均匀到梯度或双峰,已成为该领域技术研究的重要部分。与均一泡孔结构相比,由大、小孔组成的双峰孔结构由于其孔径差异显著,赋予了材料更加优越的隔声性能、隔热性能及机械性能。然而,现有制备双峰孔结构聚合物微孔材料的方法,包括发泡剂或聚合物的改性、发泡过程的改进等对材料或设备都有特殊要求,且工艺复杂,因而限制了其在实际中的应用。本文通过构建两种特殊结构——TPU/PDMS海岛结构及TPU/G类隔离结构,然后采用超临界二氧化碳发泡技术,成功制备了双峰孔结构的聚氨酯发泡材料,并对其在隔声、力学、电学方面性能进行了探究。对TPU/PDMS体系,通过熔融共混得到TPU/PDMS海岛结构,随后使用超临界二氧化碳发泡,利用PDMS相中更高的CO2溶解度及较低的熔体强度,以及两相之间的压强差导致CO2的转移,最终形成大孔孔径约11μm、小孔孔径约3μm的双峰孔结构。详细探究了PDMS含量、发泡温度、发泡压强对材料发泡性能(泡孔形貌、孔径、孔密度、本体密度)的影响。最后,研究了双峰孔结构发泡材料的压缩行为和能量损耗,以及孔形貌对隔声性能的影响。结果表明,相比于均一孔结构的TPU发泡材料而言,双峰孔TPU/PDMS发泡材料的孔密度略有增加,但本体密度从0.31 g/cm3增加为0.37 g/cm3;此外,双峰孔结构较均一孔结构,其压缩强度及压缩模量提升了2-3倍,其隔声性能有所增加,平均隔声量增加了3 dB,且双峰孔结构发泡材料的隔声性能随着发泡温度及发泡压强的改变而变化,当温度/压强升高时,材料隔声量增加,但温度太高时反而会降低隔声性能。TPU/PDMS体系虽然可以构建双峰孔结构,但由于该方法并不适用于所有聚合物,因而限制了其更广的应用,因此,我们提出一种新型、简便的制备双峰孔结构发泡材料的方法。即利用表面包覆了石墨烯的TPU粉体熔融热压形成类隔离结构复合体系,使得石墨烯分散在TPU粒子界面处,利用复合材料中石墨烯的不均匀分散及其异相成核作用来实现双峰孔结构。详细探究了聚合物基体粒径、热压温度、填料含量及发泡条件对孔形貌及孔径分布的调控,研究发现,当石墨烯含量或热压温度过高时,无法得到双峰孔结构的发泡材料。选用125μm大小的TPU与1 wt%石墨烯复合,在热压条件为120 oC、11 MPa,发泡条件为60 oC,13.8 MPa时,得到了双峰分布最明显的发泡材料,其大孔所占比例达到约60%。此外,还对此条件下得到的双峰孔结构发泡材料的电性能及力-电性能进行探究,相比于均一孔结构的材料来说,该发泡材料在电性能方面具有较好的优势;在力-电性能方面,在不同应变下(1%、3%、5%、10%、20%)均显示出较好的稳定性及响应性,且随着应变的增大,各循环过程中电阻变化幅度也逐渐增大,呈现规律性变化,有望应用于压力传感器领域。
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