摘要
囊体材料是制造系留气球、飞艇等浮空器的核心材料。聚氨酯由于良好的柔韧性、耐低温性，是常用于囊体材料的高分子材料。囊体材料在加工、运输和使用过程中不可避免会发生多次弯折、挠曲使得材料表面产生微小裂纹或微孔，将导致囊体材料阻隔性降低，严重影响浮空器的安全性和使用寿命。 本论文以耐老化性能优异的聚氨酯为基体树脂，引入具有光热转换效应的纳米粒子制备复合材料。少量纳米粒子的引入不仅可以提高聚氨酯的力学性能,还能赋予聚氨酯近红外光引发自修复性能。将其应用于囊体材料，可提高浮空器安全性并延长使用寿命。主要研究内容如下: 1.近红外光引发自修复聚氨酯复合材料 以聚碳酸酯二醇（PCDL）为软段，4,4''-二环己基甲烷二异氰酸酯（HMDI)为硬段，1,4-丁二醇（BDO）为扩链剂合成聚氨酯（PCU）,将聚吡咯（PPy）纳米粒子引入PCU制备PCU/PPy复合材料。PPy表面的氨基能与聚氨酯中的酯键和氨酯键形成氢键，这种物理交联的形成可提高PCU/PPy复合材料的力学性能和热稳定性。PPy的光热转换效应赋予PCU/PPy复合材料近红外光下快速修复的能力，其中PCU/PPy-0.25经808nm近红外光照射60秒后即可恢复原始拉伸强度的80％,气体阻隔性也得到恢复。另外，PPy的添加能显著降低复合材料的紫外-可见光透过率，有利于保护囊体材料内层织物。 2.光/热响应自修复聚氨酯复合材料 以PCDL为软段，HMDI为硬段，BDO和己二酸二酰肼（AD）为混合扩链剂合成含氢键的聚氨酯（HPCU）,AD与HPCU中的脲基和氨基甲酸酯可形成多重氢键，增强聚氨酯分子链相互作用，在提高力学性能的同时，利用其受热状态下动态解离特性赋予材料热响应自修复性能。HPCU在80℃下加热2小时即可恢复原始拉伸强度的90％。将具有二维结构的MXene纳米片引入聚氨酯树脂制备HPCU/MXene复合材料，MXene的片层结构能显著提高聚氨酯的气体阻隔性，其中HPCU/MXene-0.1与HPCU/MXene-0相比，氦气渗透系数降低了约24％。MXene的光热转换效应还赋予材料近红外光下快速修复能力，HPCU/MXene-0.5经808nm近红外光照射90s后，其修复效率可达89％。 3.水性自修复聚氨酯复合材料 以PCDL为软段、HMDI为硬段，2,2-二羟甲基丙酸（DMPA）为扩链剂合成水性聚氨酯（WPCU）,引入铯钨青铜（CsxWO3）纳米粒子制备WPCU/CsxWO3复合材料。CsxWO3纳米粒子均匀分散在聚氨酯基体中提高了材料力学性能和热稳定性。在近红外辐照下，WPCU/CsxWO3复合材料表现出快速修复能力，其中WPCU/CsxWO3-1经808nm近红外光辐照90秒后修复效率可达到90％以上。与PCU/PPy复合材料不同的是，WPCU/CsxWO3复合材料在420-750nm的可见光范围内保持着较高透过率，良好的透明性可应用于研制囊体材料表面修补产品。 4.聚氨酯复合材料在囊体材料中的应用 针对囊体材料加工、运输和使用过程中出现微小裂纹或微孔导致囊体材料气体阻隔性下降的问题，利用WPCU/CsxWO3复合材料良好的透明性和光引发自修复性制备囊体材料修补剂。分别对TPU、PVDF、PVF为面层的三种囊体材料进行修补性能验证，试验得到修补剂用量仅15g/m2即可恢复囊体材料气体阻隔性。经环境适应性和综合使用性能验证，修补剂具有优异的附着力、耐光老化、耐臭氧老化、耐揉搓和耐摩擦等性能，修补后的囊体材料可满足实际使用要求。该修补剂在囊体材料中的应用为平流层飞艇的长期驻空提供了有力保障。
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