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通过对钠基蒙脱土进行酸化和有机化两步处理,制备了有机蒙脱土,将其与聚醚多元醇复合,然后与2,4-甲苯二异氰酸酯(TDI)反应制备聚氨酯弹性体预聚体,将预聚体与固化剂3,3"-二氯-4,4"-二氨基二苯基甲烷(MOCA)混合固化,浇注成型得到聚氨酯/蒙脱土纳米复合弹性体材料。
对制得的有机蒙脱土和聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料分别进行了表征。研究发现,酸化之后,季铵盐阳离子能够进入蒙脱土片层,并与片层间的阳离子进行交换,制得有机蒙脱土。经过酸化和有机化两步处理的蒙脱土的片层间距可以达到4.1nm,而普通有机蒙脱土的片层间距只有3.5nm。普通的有机蒙脱土对NCO基团有强烈的三聚催化作用,而经过酸化和有机化两步处理的蒙脱土对NCO基团的副反应则没有明显催化作用。利用原子发射光谱研究发现,酸化能够洗出蒙脱土片层间的阳离子,从而可以推断有机蒙脱土中对TDI有催化作用的是蒙脱土片层间的阳离子。
聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料的X射线衍射图谱上没有蒙脱土的衍射峰,这表明在聚氨酯基体中,蒙脱土的片层间距大大增加,已经超过了仪器的测试范围。透射电镜照片中可以看到明显的蒙脱土片层,这些片层间的距离从几十到几百个纳米不等,这表明在复合材料中,蒙脱土的插层和剥离是并存的。
聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料具有比纯聚氨酯弹性体更好的力学性能,纯的聚氨酯弹性体材料的拉伸强度为25.92MPa,断裂伸长率为854%,在添加了酸化有机化蒙脱土之后,聚氨酯弹性体材料的拉伸强度可以达到38.6MPa,断裂伸长率可以达到1016%,而添加普通钠基蒙脱土的体系拉伸强度和断裂伸长率则大幅度下降。
聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料的热性能与纯聚氨酯弹性体差别不大,聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料软段和硬段的玻璃化转变温度与纯聚氨酯弹性体的玻璃化转变温度相差不多,甚至还有所下降,起始热分解温度比纯聚氨酯弹性体的起始热分解温度略有提高,最大热失重率温度变化不大。
利用乌氏粘度计对聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料的分子结构进行了初步表征,发现聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料的特性粘数大于纯聚氨酯弹性体的特性粘数,随着温度和溶剂极性的变化,聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料的特性粘数没有纯聚氨酯的特性粘数变化明显,表明聚氨酯基体与蒙脱土粒子之间有化学键作用。
利用滴定分析法研究了聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料制备过程中预聚反应的动力学,发现在添加了蒙脱土之后预聚反应仍然是二级反应,活化能和指前因子都有所提高,表明未剥离和插层的酸化有机化蒙脱土对OH与NCO的反应有一定的负催化作用,但能够增加两种基团的碰撞几率。
利用红外光谱跟踪法研究了聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料制备过程中固化反应的动力学,发现在添加了蒙脱土之后,聚氨酯的固化反应仍然是二级反应,但活化能和指前因子都有所下降,与预聚反应正好相反,表明剥离的蒙脱土片层对0H与NCO基团的反应有一定的催化作用,但阻碍了两种基团之间的碰撞。