具有自修复性的聚氨酯及其复合材料的制备与介电性能研究

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中文摘要：聚氨酯材料因其含有极性基团而具有比其他聚合物更高的介电常数，因此被作为电介质材料被应用于实际生活中，但在合成与加工的过程中不可避免地会出现微小损伤，从而影响其作为电介质材料的使用过程及使用寿命。鉴于这些微小损伤难以被外界修复且对未来危害巨大，因此在聚氨酯材料中引入自修复性能就尤为重要。可逆Diels-Alder反应是一种反应条件温和的热可逆反应，将其体系引入聚氨酯材料中则使材料在受损后可因热可逆转化而实现自修复。电介质复合材料的介电性能及综合性能往往要优于纯聚氨酯材料，因此赋予其自修复性能同样重要。因此先将D-A型反应体系引入聚氨酯中，制备出自修复聚氨酯，再添加高介电填料纳米BT赋予其良好的介电性能，从而制备出兼顾自修复性与介电性的多功能复合材料，且在材料受损后能对其机械性能及介电性能起到同时修复的效果。本课题旨在得到综合性能最优的自修复介电复合材料，并展开了以下研究： 1、通过预聚体法，在预聚过程将D-A键中的呋喃基团引入聚氨酯预聚物中，再与带有马来酰亚胺基团的交联剂反应，制得具有D-A键型自修复聚氨酯材料，并对其化学结构、介电性能、修复性能及热力学性能进行测试，实验结果表明：D-A键能通过反应引入聚氨酯结构中，DSC测试材料中D-A键断裂温度在156。用DMA测试表明自修复聚氨酯在常温下为弹性体，其玻璃化转变温度在-40℃。通过介电性能的测试发现，在引入D-A键后，聚氨酯材料的介电常数从3.5升高至3.8(1000Hz下)，介电损耗则保持在0.11，材料在修复后介电性能基本恢复，且介电损耗降至0.11以下。通过对材料修复性能进行测试后，得到自修复聚氨酯的修复条件，在针对表面小划痕时，其修复时间与温度分别为20min、110℃，拉伸强度表明其修复效率为98%，且能在120℃下加热20min，60℃下保温2h后材料裂痕完全修复。 2、将纳米BT以5%wt的梯度填充到自修复聚氨酯中，制备出纳米BT/自修复聚氨酯复合材料，并对复合材料的介电性能、热性能及修复性能进行测试。其实验结果表明：随着纳米BT的增加，复合材料介电逐渐增加，并在填充量为10%时达到最大值9.3(1000Hz下)，继续填充则由于纳米BT的团聚出现下降，但复合材料介电损耗均在0.06以下，低于纯聚氨酯的0.11，且更加稳定。在修复后，不仅复合材料的裂痕消失，其最大介电常数也恢复至7.5，且整体介电损耗仍然低于0.11。DSC曲线显示，添加纳米BT后，复合材料的吸热峰范围降低了25℃，同时其峰值，即D-A键的断裂温度也从156℃降至138℃。TG及DTG综合测试表明，随着纳米BT含量的增加，自修复聚氨酯复合材料的分解峰值温度从360℃逐渐提高至410℃。在测试了复合材料修复前后的拉伸强度及计算修复效率之后，发现纳米的添加能提升复合材料的拉伸强度，从纯样的5.53MPa增加到20%BT的6.68MPa，使材料稳定性变好，且在20%组分下修复效率依旧可达87%。 3、为探究硬链段对自修复聚氨酯自修复性能、介电性能的影响，在前面制得的自修复聚氨酯结构中加入聚乙二醇400。红外光谱显示聚乙二醇400对结构中的D-A键并无影响。介电性能测试表明，复合材料的介电常数在高填充量下继续升高，在20%下达到11.5(1000Hz下)，但介电损耗却由0.06提升至0.11，同时介电稳定性降低。在复合材料修复后，纯聚氨酯介电常数从3.5降至3，恢复率有85%；而在20%BT填充量下，复合材料介电常数从13降至8.4，恢复率只有65%。DSC测试曲线则显示，加入纳米BT后，吸热峰的范围从125℃~175℃降至115℃~160℃，且峰值温度降至138℃。复合材料的热失重测试则表明，在添加纳米BT后，复合材料的热分解峰值温度从350℃，渐渐转向415℃，纳米BT的添加增强了材料的热稳定性。随着纳米BT含量增加，复合材料拉伸强度也随之增加，且在20%纳米BT下拉伸强度达到12.63MPa，为未添加(5.61MPa)时的2.3倍，是相同组分纳米BT含量下，未添加聚乙二醇400(6.68MPa)的1.8倍，且10%wt纳米BT组分的复合材料修复效率仍可达82%。

作者：

郭沐杰

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关键词：

复合材料聚氨酯自修复性 D-A型反应体系纳米填料介电性能

授予学位：

硕士

学科专业：

材料加工与工程

导师：

姚军龙

学位年度：

2019

学位授予单位：

武汉工程大学

语种：

中文

中图分类号：