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聚氨酯/聚硅氧烷IPN阻尼弹性体研究

钟发春

  本论文室温催化合成了聚硅氧烷、聚氨酯阻尼弹性体、以及一系列不同结构和组成比例的聚氨酯/聚硅氧烷IPN体系,分析了聚硅氧烷、聚氨酯和IPN的力学性能和动态力学性能。用FTIR研究了聚硅氧烷、聚氨酯和IPN的化学结构和固化反应动力学,用TG-IR联用技术研究了聚硅氧烷、聚氨酯和IPN的耐热性及在无氧条件下的热裂解产物、热分解反应动力学和热分解机理。用SEM和AFM分析了聚硅氧烷、聚氨酯的形态结构,并首次用SEM、AFM和XPS相结合的方法研究了聚氨酯/聚硅氧烷IPN的内部和表面形态结构及元素分布。研究了化学结构对聚硅氧烷、聚氨酯形态结构和性能的影响,以及聚合物化学结构和组成比例对聚氨酯/聚硅氧烷IPN的形态结构和性能的影响规律。FTIR测定聚硅氧烷、聚氨酯的室温催化固化反应为二级反应,反应速率常数为分别为2.05×10~(-2)g(mol·min)~(-1)和1.73×10~(-1)g(mol·min)~(-1),活化能分别为76.59KJ·mol~(-1)和22.7KJ·mol~(-1)。聚氨酯/聚硅氧烷IPN中聚氨酯的交联反应仍为二级反应,只是聚硅氧烷的存在大大降低了聚氨酯网络的交联速率,并增加了反应活化能。形成IPN后,聚氨酯网络和聚硅氧烷网络之间没有化学键形成,证实聚氨酯/聚硅氧烷体系为互穿复合体系。含少量苯基(16%)的聚二甲基硅氧烷具有最佳的阻尼性能。用SEM观察了聚硅氧烷的形态结构,并用原子力显微镜(AFM)观察了含少量苯基(16%)的聚二甲基硅氧烷的表面形态结构,确定含苯基与含甲基的聚硅氧烷链段的相容性差异是导致微相分离的原因,也正是微相分离结构拓宽了聚硅氧烷的玻璃化转变区域。在无氧条件下,苯基的存在并不能提高聚硅氧烷的耐热性,三聚体(D_3)为聚硅氧烷热分解的主要产物。用Freeman-Carroll法计算了聚硅氧烷的热分解反应级数和活化能,探讨了聚硅氧烷的热裂解机理。由MDI合成的PU弹性体的力学性能(PU2的Ts=33.5,E=508.6%)和阻尼性能优于相应的由TDI合成的PU弹性体,以PEG合成的PU弹性体力学性能最差,但有良好的阻尼性能。这与聚醚软段与硬段的结构和相互作用有关,对称结构的MDI易规整排列,提高了力学强度,软硬链段之间的相容性和较强的相互作用有利于提高阻尼性能。聚醚分子量和硬段结构对聚氨酯弹性体的形态结构有很大影响,原子力显微镜(AFM)分析发现软段结构易分布在聚氨酯表面,只有极少量的硬段结构凸出于表面。聚醚分子量对聚氨酯弹性体的热稳性没有明显影响,在无氧条件下聚氨酯弹性体的主要裂解产物为C02、异氰酸酷、四氢吠喃和醇、酉旨类等化合物,用Freeman一C~n法计算了聚氨酷的热分解反应级数和活化能,提出了聚氨醋弹性体的裂解机理。由较低分子量的聚氨酷、聚硅氧烷齐聚物室温催化合成了不同结构和组成比例的一系列聚氨酷/聚硅氧烷IPN体系。对IPN体系的力学性能和动态力学性能研究表明,所有的IPN体系均具有阻尼弹性体的特征,并表现出较为单一的玻璃化转变温度。不同结构和组成的聚氨酷、聚硅氧烷对IPN的力学性能和动态力学性能有不同影响,以PUZ护52 IPN(Ts料1 .57,E=376%)和PUZ用S31PN(Ts=46.04,E=4 30%)具有最佳的力学性能和阻尼性能,上述结论未见文献报道。作者认为,由齐聚物在室温交联形成IPN可以较有效地阻止IPN的进一步相分离。聚合物的组成比例对IPN的形态结构有较大的影响,在聚二甲基硅氧烷中引入少量的苯基侧基有利于改善与聚氨酷的相容性,使IPN形成更细微的微相分离结构。聚醚分子量的变化改变了聚氨酷的软硬链段比例和网络交联密度,对IPN的形态结构和性能有很大的影响。XPS研究发现,IPN中的主要元素C、N、si、O在IPN的表面和内部的分布是不均匀的,聚硅氧烷趋向于分布在IPN的表面,这种分布与IPN的内部形态结构没有相关性。研究发现,聚硅氧烷的加入对IPN的热稳定性有所改善,分析IPN的热裂解产物与纯聚氨醋和聚硅氧烷的热裂解产物一致,确认IPN中聚氨酷和聚硅氧烷在无氧条件下的热裂解机理没有发生变化。萃取实验表明,聚氨酷/聚硅氧烷IPN具有比聚氨酷更良好的耐溶剂性,溶出物的IR分析表明,IPN中的可溶物为聚合度较小的聚氨酷和聚硅氧烷低分子物质。以上研究结果表明,聚氨酷/聚硅氧烷IPN由于具有高强度阻尼弹性体的力学特征和优良的耐热、耐溶剂性,同时,独特的表面结构提高了IPN材料的耐候性和环境适应性,使其具有潜在的应用价值。……   
[关键词]:聚氨酯;聚硅氧烷;IPN阻尼弹性体;形态结构;阻尼性能
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国工程物理研究院2001年
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