改性水性聚氨酯复合材料的设计合成及性能研究

发布时间：2020-09-02 07:13

　　水性聚氨酯(WPU)是一种性能优异、符合环保要求的新型高分子材料,但是水性聚氨酯在实际应用中还存在很多不足之处,如耐水性差、力学性能差、抗紫外线差以及不具备环境响应特性。为了克服水性聚氨酯的固有缺点,提高其自身性能,新型改性聚氨酯的研发显得至关重要。本论文针对如何提高水性聚氨酯的环境响应特性、耐水性、力学性能以及紫外吸收能力等系列问题,通过引入环境响应因子、耐水因子以及紫外吸收因子,设计合成了三种新型的水性聚氨酯复合材料,并对所制备的改性水性聚氨酯复合材料进行了环境响应性能、耐水性能、力学性能和紫外吸收性能考察,以评价其作为生物医药载体材料和水性涂料的表现。主要研究内容和结果如下:利用共聚改性引入环境响应因子羧甲基纤维素钠(CMC),选择具有良好生物兼容性的异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为硬段、聚乙二醇(PEG)为软段,设计合成了环境响应型水性聚氨酯复合材料。以乳液粒径为评价指标,系统考察了影响环境响应型水性聚氨酯合成的各方面因素,包括异氰酸酯基与羟基摩尔比、亲水剂含量、CMC含量、预聚反应温度和时间等。通过测试得出,复合材料具有良好的球形结构和热稳定性。复合材料载药后,球形结构变差,但仍保持良好的成球性。羧甲基纤维素钠引入,使得复合材料载药后,在碱性环境下具有pH环境响应性。但是,由于复合材料良好的热稳定性能,同时使得复合材料载药后无明显的热响应性能。通过复合改性引入耐水因子石墨烯(GO)和碳纳米管(CNT),选择异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)作为硬段、聚丙二醇(PPG)作为软段,并利用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)偶联剂对WPU和耐水因子进行偶联,设计合成了耐水型水性聚氨酯复合材料。以固含量为评价指标,系统考察了影响耐水型水性聚氨酯合成的各方面因素,包括异氰酸酯基与羟基摩尔比、亲水剂含量,研究了石墨烯(GO)和碳纳米管(CNT)改性条件。发现APTES成功改性了石墨烯和碳纳米管,改性后的石墨烯与WPU具有良好的兼容性,而改性后的碳纳米管则在WPU中出现轻微团聚现象。耐水因子的引入,在微观上,使得水性聚氨酯的结构发生明显变化,材料表面变得平整,而在宏观上,使得耐水型WPU复合材料表现出良好的热稳定性能、优异的力学性能以及显著的耐水性能。当CNT/GO比值为1:2时,与纯WPU相比,复合材料的热分解温度提高了30℃,拉伸强度提高了33.3%,断裂伸长率降低了53.8%,耐水性提高了71.5%。设计合成了紫外吸收型水性聚氨酯复合材料,以MDI-50为硬段、聚丙二醇(PPG)为软段,通过复合改性,向WPU分子链中引入紫外吸收因子二氧化钛(TiO_2)。以乳液外观为评价指标,系统考察了影响紫外吸收型水性聚氨酯合成的各方面因素,包括异氰酸酯基与羟基摩尔比、亲水剂含量、预聚反应温度和时间、扩链反应温度和时间。研究了二氧化钛TiO_2改性条件。发现3-氨丙基三乙氧基硅烷成功改性了纳米TiO_2,改性后纳米TiO_2均匀分散在WPU基材。紫外吸收型WPU复合材料表现出良好的热性能,热稳定性明显提高。紫外性能测试表明所制备的紫外吸收型WPU复合材料具有良好的紫外吸收性能。
【学位单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ323.8
【部分图文】：

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聚氨酯的稳定性，且制备的水性聚氨酯具有良好的成膜现了水性聚氨酯工业化[25]。1970-1980 年，水性聚氨酯研国 Bayer 公司将 WPU 用作皮革涂饰剂，这标志着 WPU 开90 年开始，伴随着经济的快速增长，人们环境保护理念不了一场“绿色革命”。而在这场绿色的潮流中，WPU 起类型酯依照其乳液外观、使用方法、合成原料以及含有的亲类如图 1-1 所示。其中单组分水性聚氨酯可以直接使用。就可以达到所要求的使用性能[27]。而双组分水性聚氨酯

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燕山大学工学博士学位论文领域应用十分广泛。通常对明胶水凝胶[94-95]进行化学改性以提高其力入体内释放完药物后，几个月内就可被人体降解和吸收。胶原质来自外基质[96]，物理交联后胶原质凝胶力学强度十分有限。尽管化学交联理性能，但是，其生产成本很高，并且存在潜在的免疫反应[97]。纤维手术缝合线的一种常用材料。在凝血酶的催化作用下，由血纤维蛋白纤维蛋白凝胶[99]。使用后，不会引发炎症。降解后，又不会产生有毒优良的药物释放载体材料。然而，其力学强度同样较差，使得其应用在某些特定领域。

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第 1 章绪论聚丙烯酸（PAA）及其共聚物凝胶包覆胰岛素[102]、溶解酵素和白蛋白等蛋白质后，可实现药物的控制释放。常用作口服胰岛素的药物载体[103]材料是聚丙烯酸-g-聚乙二醇共聚物的水凝胶。该凝胶对菌种无细胞毒性，且能够提升药物的渗透能力，使胰岛素更快到达单层细胞。聚乙烯醇（PVA）水凝胶可以通过 PVA 与戊二醛（环氧氯丙烷）化学交联制备。该凝胶具有高弹性，且在室温下性能稳定，可用作药物微球的载体材料[104]。但是，PVA 水凝胶在生理环境下无法降解。

【参考文献】