聚氨酯_无机纳米复合材料的应用研究进展

聚氨酯/无机纳米复合材料的应用研究进展

3

贾建民　郭　睿

(陕西科技大学教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室　西安710021)

摘　要:综述了无机纳米粒子改性聚氨酯复合材料在智能材料、导电材料、光学材料、生物医学材

料等领域应用研究的进展,并对聚氨酯/无机纳米复合材料存在的问题和研究方向进行了展望。关键词:聚氨酯;无机纳米粒子;复合材料;应用中图分类号:T Q 32318 文献标志码:A 文章编号:1005-1902(2010)01-0006-03 聚氨酯(P U )材料性能优异,发展非常迅速,应用领域广泛。由于无机纳米粒子具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应,在

热、声、磁、光、催化等方面远优于普通材料[1]

。纳米改性聚氨酯复合材料宏观表现出优良的力学特性、热学特性、光学特性、电学特性、磁学特性、催化特性、敏感特性。聚氨酯与纳米材料的协同效应,赋予了聚氨酯纳米复合材料良好的导电、吸波、抗静电、阻燃、抗紫外、生物相容、杀菌等诸多性能。

目前用于改性聚氨酯制备纳米复合材料的纳米粒子主要有蒙脱土、炭纳米管、二氧化硅、二氧化钛。除此之外,还有镍、氧化铝、碳酸钙、氧化锌、二氧化铈、氢氧化镁、氧化锡锑、炭黑、石墨、累托石、羟基磷灰石等众多纳米粒子。但无机纳米粒子极易发生团聚且难以在基体中均匀分散,严重影响纳米粒子优异特性的发挥和复合材料的性能。因此,需对其表面进行处理。目前无机纳米粒子改性聚氨酯制备复合材料的方法主要有插层法、共混法、溶胶2凝胶法、原位聚合法等。近年来,无机纳米改性聚氨酯复合材料在智能材料、导电复合材料、光学材料、生物医学材料等领域的研究日益增加,引起人们广泛关注。1　聚氨酯/无机纳米复合材料的应用研究1.1　智能材料

聚氨酯可以作为热敏型形状记忆高分子材料[2]

。形状记忆聚氨酯(S MP U )通过加热,超过其

相变温度,能够恢复原始形状。其形状记忆特性已

在建筑、医学、纺织及包装行业得到应用,但还存在形状恢复力小、恢复速度较慢、恢复精度低、重复记忆效果不够理想等问题。通过纳米粒子改性可增强形状记忆基体的力学性能,提高形状记忆能力及开发电致形状记忆材料。

陈少军,等[3]

采用经硅烷偶联剂表面处理的纳米Si O 2粒子制备了S MP U /Si O 2纳米复合材料。研究表明,纳米Si O 2使S MP U 的形状回复起始温度提高约10℃左右,形变回复响应温度和最终恢复温度也稍有提高,加入质量分数为1%的纳米Si O 2粒子的S MP U 与纯S MP U 样品相比,其形状回复速率提高了近318倍。

Cho J W ,等

[4]

将酸化处理后的碳纳米管与聚氨

酯溶液共混制备了电敏形状记忆复合材料。当碳纳米管添加质量分数为5%时,复合材料的电导率可

达10-3

S/c m ,具有很好的形状记忆功能;当外加电压为40V 时,在40s 内材料可完全恢复为初始形

状,其复合材料有望作为智能执行器。

112　导电材料

聚氨酯本身是绝缘材料,通过与具有导电性的纳米粒子,如石墨、炭黑或碳纳米管等填充或共混等方式,使材料表现出导电性能。可用作导电体材料(包括导电弹性体、导电塑料、导电纤维、导电涂料、导电胶粘剂及导电薄膜材料)、抗静电材料、电磁波屏蔽材料和气敏导电材料等,具有广阔的应用前景。

・

6・聚氨酯工业

P OLY URETHANE I N DUSTRY

2010年第25卷第1期

2010.Vol .25No .1

3

基金项目:由陕西科技大学研究生创新基金资助。

潘胜强,等[5]将功能化处理的多壁碳纳米管(MWNTs)与P U复合,利用静电纺丝技术制备得到了导电性能优良的纳米复合纤维薄膜。结果表明,随着MWNTs含量增加,纳米纤维薄膜电导率逐渐增大。当MWNTs质量分数达10%时,MWNTs/P U 纤维表现出优良的电导率,既达到了抗静电的要求,又达到了电磁屏蔽的要求。当MWNTs质量分数达40%时,电导率达10-5S/c m,比纯P U纤维薄膜提高了10个数量级。

K won J,等[6]通过原位聚合法制备了水性聚氨酯/碳纳米管复合材料。当碳纳米管的添加质量分数为115%时,复合材料的电导率提高了8个数量级;当添加质量分数为011%时,复合材料的静电半衰期都小于10s,可用作抗静电材料。

L iu Z,等[7]利用溶液共混法制得了聚氨酯/碳纳米管导电复合材料。碳纳米管的含量越大,复合材料的电磁屏蔽效果越好。当碳纳米管质量分数为20%时,复合材料的电磁屏蔽性能达到17dB,可用作电磁屏蔽材料。

1.3　光学材料

由于无机纳米粒子粒径小、表面分率高,对不同波长的光线会产生不同的吸收、反射、散射等作用。其粒径远小于可见光的波长(400～750n m),具有透过作用。利用无机纳米粒子对太阳光谱的选择性、限制性和对电磁波吸收作用,将其与P U复合,可制备光吸收材料、光学限制材料和吸波隐身材料。特别是透明隔热纳米涂料,可见光透过率高,红外屏蔽率高,能够有效隔绝太阳热辐射,具有很好的节能效果。

孟庆林,等[8]将纳米掺锑二氧化锡与水性聚氨酯共混制备出纳米隔热涂料,在常温下涂在玻璃表面,具有较好的隔热效果。将碳纳米管等添加到水性聚氨酯中,可制备出抗紫外线的纳米复合涂料。Mondal S,等[9]通过超声波分散法,将分散有碳纳米管的苯胺溶液与聚氨酯的N,N2二甲基甲酰胺溶液混合,得到抗紫外性能优良的聚氨酯纳米复合织物涂料。

Xu M,等[10]利用偶联剂对多壁碳纳米管进行改性,并将其引入到聚氨酯2聚脲体系中。该复合材料不仅具有良好的机械性能和透明度,且具有光学限制性能。当碳纳米管的质量分数由011%增加到015%时,光学限制阈值由014J/c m2降低到012J/c m2。

贾丽丽,等[11]在合成的聚氨酯泡沫材料中掺杂碳纳米管,制备成复合吸波材料,在11～17GHz频段内其具有良好的微波吸收效果。Peng C H,等[12]

采用水热法制备了N i

015

Zn015Fe2O4铁氧体包覆的银核2壳纳米粒子,由该粒子制备的纳米聚氨酯吸波复合材料能够吸收9GHz以上的微波,吸收达35分贝。此外,将无机纳米粒子与聚氨酯复合,还可制备二阶非线性光学器件[13]和光致发光器件[14]等光学材料。

1.4　生物医学材料

聚氨酯高分子材料具有良好的生物相容性、机械性能和降解性及优良的物理性能,在生物医学领域中占有重要地位,广泛应用于植入生物体的医用装置及人造器官。纳米粒子不仅能提高聚氨酯的力学性能,而且还能改善聚氨酯的抗凝血性、相容性、稳定性、抗菌性、降解性等生物特性,纳米复合材料已成为开发新型生物医学功能材料的一个崭新途径。

董志红,等[15]将纳米羟基磷灰石(HA)与P U 复合,制备出具有较好的骨诱导性和良好的热稳定性的HA/P U复合膜。结果表明,细胞贴壁良好,并出现了增殖、分化;具有良好的细胞生物相容性和降解性。Dong Z,等[16]制备蓖麻油基聚氨酯/纳米HA 多孔支架,该支架可满足组织工程的基本要求,并可能适用于修复和替代人膝关节和关节软骨的半月板。HA/P U纳米复合纤维材料还可用于牙科等。

Meng J,等[17]通过溶液共混的方法制备了聚氨酯/碳纳米管复合材料,极大地改善了材料的抗凝血

功能,提高了血液相容性。此外,纳米Fe

3

O4颗粒也可改善聚氨酯材料表面的血液相容性[18]。

Xu R J,等[19]利用有机化硅酸盐与聚氨酯共混得到纳米复合材料。由于使用的有机化学试剂不同,层状硅酸盐片层被剥离的程度不同,最终形成插层型或剥离型两种形式。这两种纳米复合材料都能有效地阻止水蒸气的渗透,在生物膜领域具有很大的应用前景。

Sa muel U,等[20]制备了添加有活性银纳米粒子的医用聚氨酯输尿管,该输尿管具有杀菌广谱性。顾宁,等[21]发明了一种复合纳米银2聚氨酯抗菌医用材料,可作为多种临床医疗器械的原材料和复合抗菌涂层,其制备方法简单易行,可实现工业化生产。

2　展望

聚氨酯纳米复合材料在智能材料、导电材料、光学材料、生物医学材料等方面具有广阔的应用前景,

・

7

・

第1期 贾建民,等・聚氨酯/无机纳米复合材料的应用研究进展