石墨烯改性聚氨酯薄膜的制备与性能研究

发布时间：2020-06-25 13:00

【摘要】：水性聚氨酯(WPU)材料作为一种性能优异的合成高分子材料,已广泛应用于多个领域。但是,水性聚氨酯的某些性能上缺点使其发展受到了限制,为了改善水性聚氨酯这些缺点,通过将石墨烯作为改性剂添加进水性聚氨酯中,使其有更好的使用性能。锂离子电池给我们的生活带来了巨大变化,但频繁的安全事故发生引起了社会广泛关注。安全性成为了制约锂离子电池发展的重要因素。本论文的研究目的是通过调整配方制备出性能较好的水性聚氨酯,然后使用此配方通过加入不同添加量的石墨烯作为改性剂来进一步提升水性聚氨酯的性能,从提升安全性角度出发,研究不同添加量的石墨烯对水性聚氨酯性能的影响,并探究了石墨烯改性水性聚氨酯膜作为锂电隔膜的可行性。首先从聚酯型水性聚氨酯乳液的配方入手,研究了R值的变化对水性聚氨酯乳液及其薄膜性能的影响,实验结果表明,7水性聚氨酯在R值为1.7时表现出最佳的性能。为了进一步提高水性聚氨酯的性能,采用石墨烯(GR)和氧化石墨烯(GO)作为改性剂,制备了石墨烯/水性聚氨酯(GR/WPU)乳液和氧化石墨烯/水性聚氨酯(GO/WPU)乳液,并通过流延法成膜,探讨了石墨烯和氧化石墨烯的添加量对水性聚氨酯乳液的平均粒径、稳定性以及其膜的热尺寸稳定性、拉伸强度、吸液率等性能的影响。本项研究表明,当石墨烯的添加量为2wt%时,石墨烯改性水性聚氨酯的性能是最佳的,GR改性后的水性聚氨酯乳液均有着良好的稳定性能,改性后的GR/WPU复合膜热尺寸稳定性大大增加,熔点在180℃以上,拉伸强度的提升比较显著,提升了应用于锂离子电池隔膜的安全性。改性后的GR/WPU复合膜有着极佳的吸液率。然后将复合膜装配在扣式电池中,对其离子电导率进行测量计算,得出该复合膜电池体系的离子电导率,可满足用于锂离子电池隔膜的离子电导率要求。氧化石墨烯同样能改善水性聚氨酯的热尺寸稳定性、拉伸强度、吸液率。在GO的添加量为0.2wt%时,GO/WPU膜的性能是最佳的,在160℃时热尺寸横向收缩率、拉伸强度、吸液率均比未添加GO的水性聚氨酯膜性能要好,但性能的改善不明显,随着GO的添加量继续增加,GO/WPU膜的热稳定性、拉伸强度、吸液率都开始下降。综上所述,适量的石墨烯添加进水性聚氨酯中可以显著提高水性聚氨酯的各项理化性能,该膜材料有望成为锂离子电池膈膜的备选材料之一。
【学位授予单位】：福建师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912;TB383.2
【图文】：

谱图,水性聚氨酯,谱图,乳液

径的最佳值１２３．２ｎｍ邋（—般来说，ＷＰＵ乳液的粒径越小，乳液越稳定）。造成上述逡逑现象的原因是因为在Ｒ值只有１．４的情况下，此时的－ＮＣＯ／－ＯＨ比值较小，水性聚逡逑氨酯预聚体的分子量比较大，反应粘度较大，不利于乳液在乳化过程中的分散。随逡逑着Ｒ值的增大，当Ｒ值为１．５时，水性聚氨酯中硬段含量相对较少，极性基团较少，逡逑分子间相互作用力较弱，乳液在乳化过程中容易分散，乳液的平均粒径小。随着Ｒ逡逑值的从１．５增大到１．７，ＴＤＩ含量增大，水性聚氨酯中硬段含量也随之增大，这时候逡逑水性聚氨酯中极性基团如脲基、氨基甲酸酯基增多，分子间相互作用力逐渐增强，逡逑产生的物理交联增多，体系的粘度增强，乳液在乳化过程中需要更强的剪切力进行逡逑分散，使得分散性能下降，粒径增大［９１］。从表１－４明显可以看出，通过离心稳定性逡逑测试，乳液均无明显的沉淀，说明制备出的水性聚氨酯乳液稳定性较好，均可在室逡逑温条件下成膜，这是由于在预聚体上引入了邋６．１１％含量的亲水基团ＤＭＰＡ，这些亲逡逑水基团的存在，使水性聚氨酯具有良好的水分散性和自乳化性。逡逑１．３．３不同Ｒ值的ＷＰＵ薄膜的红外光谱表征逡逑

水性聚氨酯,吸液,硬段

水性聚氨酯中构成硬段的－ＮＣＯ增多，乳化时，形成极性基团使得分子间的逡逑作用力增强，成膜后硬段分子链间形成微区，起到了物理交联的作用进而增加逡逑了相互作用，使得水性聚氨酯膜的拉伸强度增大。图１－３更加宏观的反应了不同Ｒ逡逑值的水性聚氨酯膜的拉伸强度。逡逑１．３．６不同Ｒ值的ＷＰＵ薄膜的吸液率逡逑表１－７不同Ｒ值的水性聚氨酯膜的吸液率逡逑Ｔａｂｌｅ邋１－７邋Ｔｈｅ邋ａｂｓｏｒｂｅｎｃｙ邋ｏｆ邋ＷＰＵ邋ｍｅｍｂｒａｎｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ＮＣＯ／ＯＨ邋ｍｏｌａｒ邋ｒａｔｉｏｓ逡逑逦＾逦吸液率逦逡逑Ｒ＝１．４逦５４．２％逡逑Ｒ＝１．５逦６７．３％逡逑Ｒ＝１．６逦８６．２％逡逑Ｒ＝１．７逦９７．８％逡逑３１逡逑

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