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聚氨酯(Pu)是一类重要的多用途聚合物材料，由于其拥有优良的耐磨性能、耐疲劳性、耐化学腐蚀性及高抗冲性、优异的柔顺性和极好的阻尼性，而不断受到广泛重视，正成为一类重要的工程材料。但传统的PU材料耐热性不好，机械强度偏低等缺点而限制了它的应用。围绕着PU这些缺点，诸多对PU的改性工作一直不断进行，以求在不过渡牺牲其他性能的情况下来提高PU的热稳定性和抗机械变形能力。最具有代表性的是用各向异性粒子来填充PU，以达到提高基体材料的机械强度和热稳定性，但其断裂伸长率往往会大幅度下降。近年来，层状硅酸盐(主要是蒙脱土，MMT)独特的结构、优异的物理性能和廉价的成本吸引了广大研究者的注意，纷纷展开了PU—MMT纳米复合材料的研究工作，取得了一些可喜的结果。这些研究所使用的改性剂大部分为非反应型长链烷烃季铵盐。这种改性剂处理的MMT一方面不能与基体材料以直接的化学键方式连接，使基体和填料之间缺乏足够的相互作用力；另一方面，相对芳香类化合物而言，长链烷烃类改性剂耐热性不高。碳管(carbon nanotubes，abbreviated as CNTs)，作为21世纪的新型材料，具有奇异的结构和独特的物理性能，被认为是制备高性能聚合物复合材料最理想的候选填料之一。它的出现掀开了纳米材料新篇章。有关PU--CNT复合材料的报道甚少。
本文用蒙脱土和碳管两种各向异性填料对PU进行改性。一方面用模卡(MOCA)处理蒙脱土得到有机化蒙脱土(MO—MMT)，进而制备了一系列PU／MO-MMT复合材料。对材料的结构和性能进行了较详细研究。同时，通过对碳管进行改性，制备了一系列PU／CNT纳米复合材料。初步研究了复合材料固化过程中的外力对CNTs在基体中分布的影响；详细探讨了不同CNTs对PU热、机械性能及复合材料结构的影响以及碳管的含量对基体性能和复合材料结构的影响。具体如下：
1.以MOCA为改性剂制备了一类新型的聚氨酯一蒙脱土纳米复合材料以MOCA和十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)为改性剂分别处理蒙脱土得到有机化蒙脱土MO-MMT和C<,16>-MMT，这两种有机蒙脱土分别同聚氨酯(Pu)复合，通过原位插层聚合得到PU/MO-MMT和PU/C<,16>-MMT。用广角X射线衍射对插层前后的蒙脱土层间距进行了表征，发现聚合前后MO-MMT的层间距变化大于C<,16->MMT的变化。用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对两种蒙脱土在基体材料中的分散及两种复合材料的微结构研究发现，MO-MMT在基体中的分散明显比C<,16>-MMT均匀。与C<,16>-MMT相比，MO-MMT能明显提高基体的模量和起始降解温度。
同时，研究了不同MO-MMT对聚氨酯材料的结构及性能影响。对复合材料的结构研究发现，蒙脱土含量较低时(<3vvt％)，剥离分散的蒙脱土片层能均匀分散；蒙脱土含量超过某一临界值时，被插层的蒙脱土易堆叠在一起，导致不均匀分散。动态机械热分析(DMTA)、热失重分析(TGA)及示差扫描热分析(DSC)的结果表明，材料的热稳定性和模量随蒙脱土含量的增加单调递增，而其玻璃化转变温度则下降。
2．通过原位本体聚合制备了聚氨酯—多壁碳管复合材料
通过对碳管的化学改性得到胺基化的多壁碳管，这种功能化的碳管与聚四氢呋喃(PTMO)和甲苯二异氰酸酯(TDI)在适当的条件下进行反应，经固化得到聚氨酯一碳管纳米复合材料。原子力显微镜(AFM)分析表明，经提纯、改性后的碳管易变短，且碳管上的无定形碳粒子明显减少。对复合材料的微结构研究发现这种改性后的碳管易均匀分散在基体中。对材料的性能研究表明，少量的功能化碳管能使基体的模量，拉伸强度和玻璃化转变温度明显提高。
3．单壁碳管在基体中的各向异性分布
碳管在基体材料中的分布被研究。用场发射扫描电镜(FESEM)对受限环境固化的聚氨酯—碳管复合材料不同方向的断面研究表明，碳管在与固化过程中外力平行的断面上呈有序的直立分布，而在与该外力方向垂直的断面上呈现无规水平分布。与拉伸前的式样相比，碳管在拉伸后式样中垂直于固化过程外力方向的平面上沿拉伸方向取向，而在平行于固化过程外力方向的平面上，碳管的分布几乎无变化。
4．管径对聚氨酯材料结构和性能的影响
用PPG改性后的单壁管(SWCNT)、双壁管(DWCNT)、管径为10～20nm的多壁管(MWCNT-1)和管径为20～30nm的多壁管(MWCNT-2)制备出四种不同的聚氨酯—碳管复合材料。用FESEM对不同复合材料中的碳管分布进行了观察，同时用DMTA、TGA、DSC及拉伸测试对不同材料的热和机械性能进行了对比研究。为制备高性能聚氨酯复合材料的碳管选择提供了有效的方法。
5．不同聚氨酯一碳管复合材料热降解机理探讨
用Friedman、Flynn-Wall-Ozawa和Kissinger法对PU、PU．DWCNT、PU-MWCNT-l和PU-SWCNT四种材料的热降解动力学活化能进行了研究发现，PU和PU-SWCNT热降解时所需的活化能在较低的范围内：约100～140kJ／mol；而PU-DWCNT和PU-MWCNT两种复合材料热分解时的活化能处于较高区域：约150～190 kJ／mol。这些结果可能与它们的热降解机理不同有关。
6．碳管含量对聚氨酯复合材料结构和性能的影响
用MOCA对小管径多壁碳管进行改性，制备了碳管含量不同的聚氨酯复合材料。用FEsEM和TEM对复合材料的微结构进行了研究，发现低含量碳管能很均匀地分散到基体中，随着浓含量的升高，碳管簇易形成。对材料的热性能研究发现，当碳管含量为5wt％时，材料的Tg被提高将近20℃。同时碳管含量增加导致玻璃化转变区变宽。材料的拉伸测试表明碳管含量为2wt％，对材料的拉伸强度和断裂伸长率有同时的提高，当碳管含量继续增加，强度上升，但断裂伸长率下降。